运算放大器应用——旋转器设计.doc

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1、南京理工大学电子电工实验论文运算放大器应用——旋转器设计班级：学号:4姓名:丁思聪2015年4月1日运算放大器电路应用——旋转器设计摘要：旋转器是运算放大器的重要应用之一。它以运算放大器为基础，通过特定的电路连接方式，可实现将线性或非线性元件在其u-i平面内旋转一个角度，从而产生一个新的电路元件。而且可以根据需要设定元件参数，确定旋转角。本文介绍如何使用运算放大器构成负阻抗变换器，并利用负阻抗变换器构成一个旋转角θ，定标系数R=1kΩ的旋转器，使用Multisim实现对实验的仿真。关键词：电路设计运算放大器负阻抗变换

2、器旋转器Multism1引言本实验将通过运算放大器，电路等知识，设计一个旋转角为θ=-15度~-85度，顺时针旋转，定标系数R=1KΩ的旋转器电路。并采用Multisisim7软件仿真技术，分别用线性元件（电阻）和非线性元件（二极管）做负载，测量并计算旋转前后的伏安特性“角度”，查看是否“旋转”了设计的角度。2旋转器的基本原理和实现旋转器电路原理简述如下：旋转器符号如图1所示，可以将线性或者非线性元件在u—i平面旋转一个角度，产生新的电路元件。旋转器“旋转前后如图2所示。I2I1θU2U1图1旋转器符号BAPrO图2

3、旋转器“旋转”前后的u-i曲线设曲线U1端上的任一点P的坐标为，离原点距离为r，则有：(1)点P反时针旋转了后到点，坐标为：(2)将（1）代入（2）中，得(3)其中(3)式中的中的无量纲，是电阻的量纲，因而要乘一个定标系数R。R的大小取决于u-i曲线中电压和电流的单位。同理中的无量纲，而是电导的量纲，因而要除一个定标系数R，则（3）式成为：（4）在（4）式中定义，因此有T参数方程：（5）I2I1用T形网络的旋转器来实现（如图3），对应T参数的3个电阻是R3R2R1U1U2(6)图3T形电阻网络旋转器因此有（7）其中R

4、为定标系数。由于定义了旋转逆时针为+θ角，对于旋转顺时针即为-θ角，故在顺时针旋转时，式7中的R3为负电阻，图3就可以实现旋转器的功能。因此，设计时主要的就是要将电阻通过转换器转变为负电阻。设计旋转器也就转化成设计负电阻转换器，参考书籍得到负电阻转换器的电路图如下：运算放大器输出端电压根据理想运算放大器，同相输入端“+”和反相输入端“-”之间的虚短特性，可得即;根据“虚断”特性，可得，。带入上式可得。根据负载上的端电压和电流的参考方向，有,因此从输入端看入的输入阻抗：。加入负阻抗转换器之后可以将R3转换成-R3，以满

5、足R3为负阻抗的要求，实现整体电路的设计。3仿真分析旋转器电路图(1)线性电阻的仿真实验取电阻R6=1kΩ，分别测出总电压U，总电流I，电阻两端电流U’,流过电阻的电流I’。通过画U-I曲线得到在接入旋转器之后原件的伏安特性，通过画U'－I'曲线得出接入旋转器之前电子元件的伏安特性。经过在Matlab中仿真比较，得到两条特性曲线的坐标图，可以看出旋转前后特性曲线的旋转角的情况。另外经过计算也可以得到每组数据的旋转角，用来验证设计的电路是否满足要求。择旋转角60度，计算得到R1=577.35Ω，R2=1154.7Ω在M

6、ultisim7中仿真电路连接如下：电压值取-12+12，每隔两伏取一次，得到如下数据：根据θ=arctan(I’/U’)-arctan(I/U),计算出U-I特性曲线的旋转角如上表数据。U/VI/mAU'I'/mA角度-123.197-8.775-8.78459.-102.662-7.312-7.31959.-82.127-5.848-5.85459.-61.592-4.385-4.38959.-41.057-2.922-2.92559.0-0.01300#DIV/0!-20.522-1.459-1.4659.2-

7、0.5481.4681.46960.4-1.0822.9312.93460.6-1.6174.3944.39960.8-2.1525.8585.86360.10-2.6877.3217.32860.12-3.2228.7848.79360.在Matlab中作出U-I特性曲线：如下图所示。旋转后旋转前U/V符合实验要求。（2）非线性电阻仿真实验选取原件二极管（D1IN43936GP）,仿真电路如下所示：非线性电阻电路仿真测量数据如下：在Matlab中作出U—I特性曲线如图：U/VI/mAU'I'/mA角度-46.892

8、-7.974059.-35.163-5.978059.-23.435-3.981059.-11.707-1.984059.-0.71.188-1.385059.-0.50.842-0.986059.-0.20.324-0.387058.-0.10.151-0.187056.0-0.0220.0130#DIV/0!0.1-0.1940.21206