实验五负阻抗变换器的研究

一、实验目的

1.了解负阻抗变换器的原理及其运放实现。

2.通过负阻器加深对负电阻（阻抗）特性的认识，掌握对含有负阻的电路的分析测量方法。

、实验原理

负阻抗变换器（NIC）是一种二端口器件，如图 5 — 1所示。

图5— 1

通常，把端口 1— 1处的U和I i称为输入电压和输入电流，而把端口 2—2处的U2和-I 2

称为输出电压和输出电流。 Ui、I 1和U2>12的指定参考方向如图 5— 1中所示。根据输入电

word/media/image1.gif压和电流与输出电压和电流的相互关系， 负阻抗变换器可分为电流反向型 （CNIC）和电压反向

型（VNIC）两种，对于 CNIC,有

式中K1为正的实常数，称为电流增益。由上式可见，输出电压与输入电压相同，但实 际输出电流-I 2不仅大小与输入电流I 1不同（为丨1的1/ K 1倍）而且方向也相反。换言之，当 输入电流的实际方向与它的参考方向一致时，输出电流的实际方向与它的参考方向相反 （即

和I2的参考方向相同）。对于VNIC,有

U= K2U2 I 1 = 12

式中K2是正的实常数，称为电压增益。由上式可见，输出电流 -I 2与输入电流I1相同，

但输出电压U2不仅大小与输入电压 U1不同（为U1的1/K2倍）而且方向也相反。若在 NIC的输 出端口 2—2接上负载Zl,则有Lb= -I 2乙。对于CNIC从输入端口 1 — 1看入的阻抗为

word/media/image2.gifword/media/image3.gifword/media/image4.gifword/media/image5.gif

7 U2 Ui K1U1 T

厶n2 K1ZL

I2 1KiIi Ii

word/media/image6.gifword/media/image7.gif对于VNIC,有

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, R2 300 3

word/media/image12.gifKi

R1 1000 10

当Zl=RL时

当

时

三、实验内容

word/media/image13.gif1.测量负电阻的伏安特性，计算电流增益 冷及等值负阻

R2=300Q 氐=3OK2陀昭 4_「 I_u^B u

打M电阴掐）

X——1 »p

图5— 4

(1)接通电源，检查 15V电压，当电源接入正常时方可进行实验。

(2)按图5— 4接线。

⑶调节电阻箱使负载电阻 R_=500Q。

⑷CNIC零点失调电压测量。输入短路，用数字万用表测量 R上的电压UR1,记下UU直，若

过大则数据处理时要进行修正。

⑸改变稳压源输出电压为正、负不同值时分别测量 U及UR1记入表1。

(6) FL=1KQ，重复上述实验，数据表格自行设计。

由前面可知，流入运算放大器输入端的电流为零，故 I i全部流过 R因此I i可由式

UR1

Ii 巴算出。注意URi的参考方向，当URi的实际方向与参考方向相反时，测得的 URi读数

R1

为负，则Ii也为负值，即11的实际方向与参考方向相反。

表 1 R l=500 Q

n

j 1R_(j)

计算负电阻的平均值 Ra_ ，负电阻的理论计算值

_ n

表2 误差计算列表如下:

(7)注意事项

a.CNIC的输入电压绝对值 Ui <3(V)，输入电流绝对值 I i <3(mA)。

b.本实验也可采用正弦交流信号源。但应注意信号源内阻 R<8Q，因CNIC的1— 1'

端口为短路稳定端口，过高的信号源内阻会使 CNIC不稳定。若 RS超过8Q,则可

在信号源输出端口并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于 8 Q。应

该指出，并联电阻将使信号源输出电压降低，当信号源内阻 FS较大时，尤为严重,

这一点要特别注意。

2•测定负内阻电压源的外特性

(1)按图5— 5接线。若稳压电源的内阻近似为零，则 1 — 1’端口的左边部分相当于电源电

压为US内阻为R+ 的有源二端网络(为FUSE1的熔断丝电阻)。根据CNIC的性

质，2 — 2 '端口的左边电路也等效于一个有源二端网络，而且等效电源电压仍为

效内阻RS K1(RS Rfi) R2(Rs Rfi)为负电阻。

Ri

换言之，2— 2'端口的左边电路就是一个具有负内阻的电压源。按照 图5— 5所示的电压、电流参考方向，有

U2=Ui=LS- I i(Rs+Ri) 而

I 1 =K1 I 2,得

U2 Us 丨2【K^Rs RfJ]

上式的等效电路如图 5—6 ( a)所示。

(b)

图5—6

通常，规定电源支路的电流参考方向与电压参考方向相反 因此取I 2’ = — 2,则

U2 Us 丨2[ Q(Rs Rfi)] Us Ql2(Rs Rfi)

上式的等效电路如图 5—6(b)所示。此时，负载R.上的电流参考方向就和电压参考方向 一致了。

⑵固定U=1V, R=500Q。改变R.取0is范围内不同值时分别测量 U及U〃记入表4。由

公式I2 — ，算出电流I 'Rf2为FUSE?的熔丝电阻)，并绘出负内阻电压源的

R7 Rf2

实测外特性曲线和理论计算的外特性曲线 U2=f(I 2)。

(3)注意事项：Rl 0 ，负内阻电压源可能不稳定，US变成负载被充电。解决办法之一是

迅速测量在 Rl 0 时的U2及U'。

表 4 U s=1V R s=500 Q

3 •负阻振荡器

若RLC串联电路的电阻 R<2 J丄,则该电路的冲激响应为衰减
\C

振荡。如果在电路中串联一个负电阻 R_则当R+R_=O时，电路的冲激响应为等幅振荡；当

R+R_<0时，电路的冲激响应为增幅振荡。根据这一原理便可方便地构成负阻振荡器。

按图5 — 7接线。逐步增大 电 使电路总电阻为负值，借助于电路中的微小扰动便可建 立振荡。由于负阻的作用振荡振幅逐渐增大，当振荡幅度达到所需值时，可减小 Rs使电

路总电阻为零以维持等幅振荡。如不减小 艮，则振荡振幅将一直增大至运算放大器输出

达到非线性为止。

为了维持等幅振荡，必须严格使电路总电阻为零。即使如此，由于电路中总是存在某些 扰动，等幅振荡也很难长久稳定。所以，在实用的负阻振荡器中，一般都设有幅度负反 馈电路，使电路中的正电阻（或负电阻）随振荡振幅的增大而增大（或减小）。实验中可以 用一个40W日光灯镇流器（铁芯线圈）替换电路中的电感 L,利用铁芯线圈中等值损耗电 阻（由铁芯的磁滞损耗及涡流损耗所造成 ）与线圈中振荡电流的非线性关系 （振荡电流幅

度越大，等值损耗电阻越大 ）来稳定振荡。当 Rs增加时，振荡振幅随之增加，但损耗电 阻也将增加，振荡在新的幅度下达到平衡。若 Rs不变，由于扰动使振荡振幅增加时，损

耗电阻增加使振荡振幅回到原来平衡点。

度，可以从不振荡到刚开始建立稳定的振荡波形记录一次 Rs,再从有振荡波形到无振

荡波形记录一次 Rs，然后求平均Rs。同时测出振荡频率和输出的峰一峰值。

4.阻抗变换

在CNIC输出端口 2— 2'上接电容C,则从输入端口 1 — T看入的等效阻抗为

可见等效阻抗呈电感性，等效电感 Leg为

10 1

式中 为CNIC的电流增益。

(1)按图5— 8接线。将函数发生器选定为正弦波输出，调节函数发生器输出电压，使 UW

IV。改变函数发生器正弦输出频率 f ,当f取为200HZ-900HZ范围内不同值时分别测量

U及“1记入表5。应该指出，若信号源内阻RS超过8 Q,可能产生高频振荡， 可在信号 源输出端并联一个电阻箱调节电阻箱的阻值使等值输出电阻小于 8 Qo

图5- 8

⑵用双踪示波器观察 U、丨1的相位关系。从图5—8接线可知，实际观察的是— U及—丨1 的波形和相位关系。

表5

★ 5 •负电阻与正电阻的串并联连接

负电阻与正电阻串并联时的等效电阻的计算公式与只含有正电阻时的计算公式相同。 当

电路为线性定常电路时，对于串联连接，等效电阻为

n m

時 R_(j) R (k)

j 1 k 1

对于并联连接，等效电阻为

word/media/image18.gifword/media/image19.gifword/media/image20.gifword/media/image21.gifword/media/image22.gifword/media/image23.gif

电阻 ，越来越小，输入电流 丨1将越来越大。为了使 CNIC能正常工作，必须保证 丨1

不超过3mA必要时应随时降低稳压电源的输出电压。此外， CNIC的1 — 1'端口 为短

路稳定端口， 不宜过大，一般可使 <500 Qo

⑶固定 =500 Q，在1 — 1'端口并联一个电阻箱（ ），当 为不同值时，分别测量

U、U'及 UR1。

注意：此时电流为总输入电流 I，应在 电阻R串上测量电压U/。由公式I=U '/ 算

出总电流I

串联连接：

续:

并联连接

续:

四、实验思考题

1.测量负电阻的伏安特性时，能否采用正弦交流信号来做，应该使用哪些仪器？并画出接

线图，

2.正电阻和负电阻都是二端元件，两者有何不同？

3.戴维南定理是否适用于含负电阻的有源单口？

4.从负阻抗变换角度看,2 — 2’端口接正电容，从1 — 1'端口看进去为负电容，如果

端口接正电感，1 — 1 '端口看进去为负电感。从示波器观察相位关系时发现负电容即为 正电感，那么负电感应当是正电容，这种说法正确吗？为什么？

五、实验报告要求

1.完成以上实验内容所规定的计算、曲线绘制和分析比较。

2.总结对负阻抗变换器的认识。

3.回答思考题。

六、实验设备

1. DJB— 3型电路分析实验箱和电流反向型负阻抗变换器实验板 1套

2． 双踪示波器 1 台

3.DF1641D型或EE1641D型函数发生器1台

4.UT-56 数字万用表 1 台

5.DF1731SB2A型或DF1733型直流稳压稳流电源 1台

6.可变电阻箱 2 个

7.可变电感箱 1 个

8.可变电容箱 1 个

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/9740beb1bf23482fb4daa58da0116c175e0e1ed2.html