南京理工大学电工电子综合试验一非线性电阻电路及应用的研究.docx
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南京理工大学电工电子综合试验一非线性电阻电路及应用的研究
南京理工大学
电工电子综合实验论文
E线性电阻电路
2012-5-14
运用审联分解法和并联分解法，设讣两个非线性电阻电路，分别满足所要求的两个伏安特性曲线。
使用Multisim7.0软件仿真，并在仿真试验后对电路进行修正。
得到所需要的伏安特性的电路连接、元件参数，非线性电阻串并联对电路的影响。
非线性电阻电路及应用的研究
——非线性电阻电路
一•摘要
运用串联分解法和并联分解法，设计两个非线性电阻电路，分别满足所要求的两个伏安特性曲线。
使用Multisim7.0软件仿真，并在仿真试验后对电路进行修正。
得到所需要的伏安特性的电路连接、元件参数，非线性电阻串并联对电路的影响。
二•关键词
伏安特性非线性电阻电路Multisim7.0仿真凹电阻凸电阻串联分解并联分解
三•引言
1非线性系统的研究是当今科学研究领域的一个前沿课题，其涉及面广，应用前景非常广阔。
非线性电阻电路也是研究混沌现象的基础。
通过对非线性电阻电路的研究，熟练掌握各二端电阻元件的伏安特性，及用他们组合成非线性电阻电路的方法，初步了解非线性电阻电路的应用。
四•正文
1•设计要求
⑴用二极管、稳压管、稳流管、等元器件设计如图匕2所示伏安特性的非线性电阻电路。
图1伏安特性
（一）
图2伏安特性
（二）
⑵测量所设计的电路的伏安特性并作曲线，与图1,2对比。
2•设计参考
⑴非线形电阻电路的伏安特性
1
对于一个一端口网络，不管内部组成，其端口电压与电流的关系可以用u-i平面的一条曲线表示。
则是将其看成一个二端电阻元件。
u—i平面的曲线称为伏安特性。
常见的二端电阻元件有二极管、稳压管、稳流管、电压源、电流源和线形电阻。
伏安特性如图3所示。
运用这些元件串、并联或混联就可得到各种分段单调的伏安特性曲线。
2凹电阻当两个或两个以上元件串联时，电路的伏安特性图上的电压是各元件电压之和。
如下图所示，是将图9.10中的a、c、d三个元件串联组成的，其伏
安特性曲线如图9.11所示。
它是山a、c、d三个元件的伏安特性在I相等的情况下相加而成的。
具有上述伏安特性的电阻，称为凹电阻。
图4
上述电阻的主要参数是Us和G=l/R,改变Us和G的值，就可以得到不同参数的凹电阻。
3凸电阻与凹电阻对应，凸电阻是当两个或两个以上元件并联时，图上的电流是各元件电流之和。
如下图所示，是将图9.10中的b、c、d三个元件并联组成，
其伏安特性如图9.12所示。
它是山a、c、d三个元件的伏安特性在U相等的情况下相加而成的。
具有上述伏安特性的电阻称为凸电阻。
图5
上述电阻的主要参数是Is和R=VG,改变Is和R的值，就可以得到不同参数的凸电阻。
⑵非线性电路元件的综合
1串联分解法
吊联分解法在伏安特性图中以电流I轴为界来分解曲线。
分解得分电路在相同的I轴坐标上U值相加得原电路。
实际电路为分电路的串联。
2并联分解法
并联分解法在伏安特性图中以电压U轴为界来分解曲线。
分解得分电路在相同的U轴坐标上I值相加得原电路。
实际电路为分电路的并联。
3•设计思路
⑴设计满足伏安特性
（一）的电路
要求下图6的伏安特性曲线，可将曲线分解为如图7、8所示的两个凸电阻串联。
参考图4可知，相当于分别去除电流源Is和电阻R,就得到如图7、8所示电路。
图7
图8
0
Is=O
R=0.5k
Is=2mA
i〔mA”
TWJi
1—
㈡
化简后得:
图1的伏安曲线乂可以分解成图6所示的两个凸电阻串联，其原理相似，只是元件全部反向接入电路。
Is=»
R=Q5如
Is=2mA*J
Is=2mA^
R=co
R1
O.SkOhm
DI
D2
⑵设计满足伏安特性
（二）的电路
首先用并联分析法分析，那么图中U轴上下两个部分可用并联两个非线性电阻网络来实现，而此两部分非线性电阻网络只是反相而已，所以只讨论U轴以上的部分。
II
i（mA）
+
（串联）
u（V）
i（mA）
+
（并联）
+
（串联）
图10
4•仿真电路及数据处理
⑴伏安特性
（一）
①仿真电路：
2参数设置
R1:
0.okOhmII:
2mA12:
2mA
3实验数据
电压值/V
二3>0
实际电流值/mA_2.001_
理论电流值/mA-2.0
-20
-2・000
-2.0~
T5
-2・000
-2.0~
-1.837
-2.0~
8
-1.499
-1.6
-1.133
-1.2
-0.4
-0・759
-0.8J
-02
-0.380
-0.4
0.0_
0.000
0.0
0.2_
0.380
0.4
0.4
0.759_
0.8
0.6
1.133
1.2
0.8
1.499二
1.6
1•0
1.837
2.0
1.5
—2.000
2.0
2.0
2.000
2.0
2.5
2.001
2.0J
3.0
2.001
2.0
表1
图12伏安特性
（一）
4数据分析
由图12看出，由所绘曲线可以看出实际伏安特性与理论值基本一致。
在电压为±1.0V附近误差最大，电流较理论值偏小，E=|1.837-21/2=8.15%：
取（0.8,1.4991,（-0.8,-1.499）两点计算出实际斜率k=1.874,E=11.874-21%2=6.31%o小误差的出现说明二极管并不是理想的，可能山于二极管在反偏时有一定反偏电流造成。
可通过降低二极管的导通电压或降低电阻值来减小误差。
（2）伏安特性
（二）
①仿真电路
图13
2参数设置
VI：
6VV2：
12VV3：
6VV4：
12V
Rl=R2=R3=R4=2kOhmR5=R6=666.7OhmH=l2=6mA
3实验数据
电源电压/V
实际电流值/mA
理论电流值/mA
-21
-9.18
-9・6
-20
-8・59
9
-18
-7・386
-7.8
-15
-5・596
6
-12
-3.043
-3
9
T・512
-1・5
6
-0・057
0
3
4.44E-04
0
0
0
0
3
4.44E-04
0
6
0.057
0
9
1.512
1.5
12
3.043
3
15
5.596
6
18
7.386
7.8
20
8.59
9
21
9.18
9.6
表2
—一实际电流值，ng
7-理论电流值斤A
④数据分析
山所绘曲线可以看出实际仿真结果与理论值勉强符合。
0<|u|<6V时,kl=（0.057+0.057）/（6+6）=0.0095；
6V<|u|<12V时,k2=（3.043-0.057）/（12-6）=0.498,E=10.498-0.51/0.5=0.4%；12V<|u|<15V时，k3二（5.596-3.043）/（15-12）二0.851,E二0.851-1/1=14.9%；15V<|u|时,k4=（9.18-5.596）/（21-15）=0.702,E二0.702-0.61/O.6=17%.
可见，在12V<|u|<15V,15V5电路修正
尝试将图13中II、12改为7mAo
新仿真电路图如下:
图15
实验数据：
电源电压/V实际电流值/mA理论电流值/mA
-21
-9.582
-9.6
-20[
_-8.985—
-9
-18
7.784
-7.8
-15
-5.928—
-6
-12
_-3.052_
-3
-9[
T.513—
-1・5
-6[
-0・6
0
_3
-4・44E-04
0
07
0
0
3
4.44E-O4
0
6Z
_0.06
0
9
1.513
1.5T
12
Z3.052
3
15
5.928
6
18
7,784二
7.8
2Q
二8.985
9
21
9.582
9.6
表三
实际电流值・竹4
-■-理论电潦值叶A
图16伏安特性
（二）电路修正后曲线
数据分析：
山所绘曲线可以看出实际仿真结果与理论值符合得很好。
0<|u|<6V时，kl=（0.06+0.06）/（6+6）=0.01；
6V<|u|<12V时，k2=（3.052-0.06）/（12-6）=0.499,E=0.499-0.5/0.5=0.2%；12V<|u|<15V时，k3=（5.928-3.052）/（15-12）=0.959,E=10.959-11/I二4.1%；15V<|u|时,k4=（9.582-5.928）/（21-15）=0.609,E=0.609-0.61/O.6=1.5%.
误差及相对误差明显减小，说明修正后的电路可以更好的得到所要求的伏安特性曲线。
此处较小的实验误差，说明二极管不是理想的，可能山于二极管反偏时有一定的反偏电流造成。
五•总结与收获
常见的二端电阻元件有二极管、稳压管、恒流管.电压源、电流源和线性电阻等，运用这些元件、结合其伏安特性曲线，使用串联分解法和并联分解法就可得到各种单向的单调伏安特性曲线。
通过本次实验，我逐步了解掌握了Multisim的一些基本操作，很好地使用它优越的仿真性能将方便我今后的求学之路。
在本次实验中，我收获颇多。
尤其是在数据的处理和分析方面。
当伏安特性
（二）第一次被仿真岀来的时候，从图像上看二者吻合的很好，但精确计算之后却发现误差很大。
面对此景，可以置之不理，不然就要耗时重新仿真。
此时，我选择了后者。
在确认第一次仿真中理论数值准确无误的情况下，我开始尝试修正，改变电阻值、电源值，经过多次模拟比较之后，最终找到了误差很小的一种实现方式。
此外，在实验中，我对Excle和Word软件的更多功能，使用得更熟练了。
在整个实验过程中，我收获了很多。
六■致谢
感谢老师在实验前对Multisim的讲解，实验中对我的问题的耐心详细的解答;感谢班里同学在作图方面给我的指导和帮助。
七•参考文献
《电工仪表与电路实验技术》机械工业出版社马鑫金编著
《电路》机械工业岀版社黄锦安主编
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