1、負阻抗變換器第1頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗目的學習和了解負阻抗變換器的特性和應用。研究如何用運算放大器構成負阻抗變換器。了解有源器件在線性范圍內工作的條件。第2頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗原理負轉換器是一種雙口器件，共有兩種類型：電流反向負轉換器（INC）和電壓反向負轉換器（VNC）。 電流反向負轉換器，如圖（a）所示，其電壓電流關系為：圖（a）電流反向負轉換器 圖（b）電壓反向負轉換器 第3頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 上式表明，流入與流出電流反向負轉換器的電流方向相反，輸入電壓與輸出電壓極性

2、相同。即電流反向負轉換器能轉換電流的方向并保持電壓的極性不變。同理，電壓反向負轉換器，如圖（b）所示，其電壓電流關系為： 由上式可知，電壓反向負轉換器的特點是，轉換輸入電壓的極性，而保持電流的方向不變。 第4頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三負阻抗變換器是用一個運算放大器構成的電流反向型負阻抗變換器，電路圖如圖虛線部分所示。圖5.15.2負阻抗變換器第5頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 運算放大器輸出端電壓 ，再根據理想運算放大器，同相輸入端“”和反相輸入端“”之間的“虛短”特性，可得 ，即 ；根據“虛斷”特性，可得 ， 。帶入上式可得 ，根據

3、負載Z1上的端電壓和電流的參考方向，有 ，因此從輸入端U1看入的輸入阻抗 。第6頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 因此，U2端的負載阻抗Z1通過負阻抗變換器，在U1端可等效為負阻抗（Z1），即從輸入端的特性而言，上述端口相當于一個負阻抗元件。例如，當負載為電阻R，則從輸入端看入，相當于一個負電阻（R）。其電路伏安特性如圖所示。 第7頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三圖5.15.3 負電阻的ui特性第8頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三如果在圖所示具有負阻抗變換器的電路中，若負載Z1為R與C串聯連接的容性負載，并在輸入端并

4、聯電阻R，則該電路的輸入阻抗可等值為R與L串聯的感性負載，即：令所以，等值電感為：第9頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 同理，若負載為電阻R與電感L串聯連接，并在輸入端并聯電阻 R，則該電路的輸入阻抗 Zin可等值為電阻 R與電容 C串聯的阻抗，等值電容 。研究RLC串聯電路的方波響應，由于實際電感元件本身存在直流電阻，因此，響應類型只能觀察到有阻尼的情況。圖是利用具有負電阻的方波電源作為激勵，由于電源的負電阻可以和電感器的電阻相抵消，因此，響應類型還可以出現無阻尼等幅振蕩和負阻尼發散振蕩的情況。第10頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三圖5.1

5、5.4 RLC串聯階躍響應電路第11頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 經負阻抗轉換器轉換后， RS與R兩個電阻一正一負，性質相反。因此，響應類型還可以出現無阻尼等幅振蕩和負阻尼發散振蕩的情況。 RSR減幅振蕩。 第12頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 為了使得二階瞬態重復，在示波器上得到穩定的波形，采用了方波輸入的方法，因為功率函數發生器的接地端和示波器的接地端都已接在了插座的接地端上，在觀察電容上的電壓信號時所以必須電容的一端接到功率函數發生器的負端，即接地端。若要觀察電阻上的電壓信號時，（它與電流信號的波形相同），則必須交換電容和電阻的位

6、置，將電阻的一端接到功率函數發生器的負端。第13頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗儀器數字示波器 1臺功率函數發生器1臺直流穩壓電源1臺可調電阻箱1只可調電容箱1只數字萬用表1只直流毫安表1只交流毫伏表1只第14頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三數字示波器第15頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三功率函數發生器第16頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三直流穩壓電源第17頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三可調電阻箱第18頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三

7、可調電容箱第19頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三數字萬用表第20頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三直流毫安表第21頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三交流毫伏表第22頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗步驟電源輸出電壓固定，改變負載，讀電壓、電流，計算負阻抗。按圖所示電路接線，電源電壓固定為8V左右，R0為51 ，負載Z1用電阻箱分別取1k、1.2K 、1.4 K、1.6 K、1.8K、2 K。分別記錄以上幾種情況下的電壓表讀數u1、電流表讀數i1。將實驗數據填入表1中，算出等值負阻抗，并與理論值

8、相比較。 第23頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三Z1 / 100012001400160018002000u1 / Vi1 / mA等效電阻 理論值測量值/ 第24頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三負載固定，改變輸入電壓u1，測取負阻抗，伏安特性曲線； 按圖所示電路接線，R0為51 ，負載Z1取1k，在1V8V范圍內，改變電源電壓。依次取5個工作點，分別記錄以上幾種情況下的電壓表、電流表讀數。將實驗數據填入表1中。u1 / Vi1 / mA等效電阻/理論值1000測量值第25頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三阻抗逆變作用

9、的觀察與測量。 按圖所示電路接線，為采樣電阻，阻值取1k，R0為51，正弦信號輸入，頻率大致取3kHz，幅值取7V8V左右，電阻R取1k，電容C取0.1F。用雙線示波器觀察輸入端的電壓與電流的波形及相位關系。第26頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗報告對任務13，按要求列出數據表格，測量、記錄并計算相應的量，作出特性曲線，記錄觀察的波形，并與理論值相比較。對任務4，記下三種情況下的電阻值，記錄三種情況下的波形，并從理論上分析討論。 第27頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗現象負阻抗轉換器的負載為電阻R時，從輸入端看入，相當于一個負電阻（R

10、）。即當輸入電流增大時，其端口電壓下降；反之，端口電壓增大。負阻抗轉換器的負載為R與C串聯連接的容性負載，并在輸入端并聯電阻R，則該電路的輸入阻抗可等值為R與L串聯的感性負載，等值電感 。用示波器觀察波形：電壓相位超前電流相位。第28頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗結果分析用無源元件能實現線性定常的負阻嗎？答：不能。負阻抗元件在工作時是吸收還是發出功率？它的能量從何而來？答：負阻抗元件在工作時是發出功率的，它的能量 由運算放大器提供。第29頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗相關知識預習知識及要求相關知識點注意事項第30頁，共48頁，20

11、22年，5月20日，16點59分，星期三預習要求預習運算放大器的工作原理。預習用運算放大器構成負阻抗變換器的基本原理。預習二階電路的構成及其特性。第31頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三相關知識點含運算放大器的電阻電路負阻抗變換器二階電路第32頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三注意事項負阻抗變換器的電源極性及工作電壓不能接錯，以免損壞運算放大器。為保證精度，兩個R0分別用一個固定電阻和一個電阻箱來實現其阻值相等。 注意負阻抗變換器輸入、輸出端電流流向，電流表不要接反。信號發生器的輸出不能太大，應由小到大，以免運算放大器不能正常工作，甚至損壞。第3

12、3頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三用示波器觀察時，兩路輸入信號要共地。第34頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三實驗標準報告一、實驗目的學習和了解負阻抗變換器的特性和應用。研究如何用運算放大器構成負阻抗變換器。了解有源器件在線性范圍內工作的條件。第35頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三二、實驗內容測量負阻阻值。測量負阻的伏安特性。用示波器觀察電容經阻抗逆變后的電壓和電流波形。第36頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三三、實驗儀器、設備有源電路實驗板1塊數字示波器1臺信號發生器1臺直流穩壓電源 1臺電阻

13、箱1只電容箱1只數字萬用表1只直流毫安表1只第37頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三四、實驗用詳細電路圖1負阻抗變換器第38頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三2.阻抗逆變作用觀察與測量電路第39頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三五、實驗原理及計算公式：負阻抗變換器是用一塊運算放大器構成的電流反向型負阻抗變換器。 其電路圖如圖虛線部分所示。圖5.15.2負阻抗變換器第40頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三 運算放大器輸出端電壓 ，再根據理想運算放大器，同相輸入端“”和反相輸入端“”之間的“虛短”特性，

14、可得 ，即 ；根據“虛斷”特性，可得 ， 。帶入上式可得， 。 根據負載Z1上的端電壓和電流的參考方向，有 ，因此從輸入端U1看入的輸入阻抗： 。 第41頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三若負載Z1為R與C串聯連接的容性負載，并在輸入端并聯電阻R，則該電路的輸入阻抗可等值為R與L串聯的感性負載，等值電感 。 這是因為，負載阻抗Z1經負阻抗變換器變換成（Z1），輸入阻抗Zin可看作R與負阻抗（Z1）的并聯等值阻抗，即第42頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三令 ， 故其等值電感 。六、實驗數據記錄、計算電壓固定，改變負載，讀電壓、電流，計算負阻抗；

15、按圖接線，電源電壓固定為8V左右，R0為51 ，負載Z1用電阻箱分別取1k、1.2 k、1.4k、1.6k、1.8k、2k。分別記錄以上幾種情況下的電壓表讀數u1、電流表讀數i1。實驗后，將實驗數據填入表1中，計算等值負阻抗，并與理論值相比較。第43頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三Z1 / 100012001400160018002000U1 / V8.0568.0538.0518.0478.0458.043I1/ mA8.26.825.855.124.554.1等效電阻（）理論值100012001400160018002000測量值982.41180.81376.2

16、1571.71768.11961.7表5.15.1 負阻抗測試 第44頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三2.負載固定，改變電壓，測取負阻抗，伏安特性曲線；按圖接線，R0為51 ，負載Z1取1k，在1V8V范圍內，改變電源電壓。依次取5個工作點，分別記錄以上幾種情況下的電壓表、電流表讀數。實驗后，將實驗數據填入表1中。繪出此種情況下的負阻抗伏安特性曲線，并與理論伏安特性曲線相比較。第45頁，共48頁，2022年，5月20日，16點59分，星期三表5.15.2 負阻抗伏安特性U1 / V1.0082.0013.0064.0055.019I1 / mA1.122.13.084.085.12等效電阻/ 理論值1000測量值900952.99