南理工Multisim实验报告旋转器设计论文.docx

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南理工Multisim实验报告旋转器设计论文

XX理工大学

Multisim仿真实验

论文

XX：

学号：

学院：

专业：

题目：

旋转器设计

运算放大器电路应用〔二〕

——旋转器设计

摘要：

旋转器是运算放大器的重要应用之一。

它以运算放大器为根底，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器旋转器Multism11电路仿真

引言：

旋转器可以将线性或非线性元件在u-i平面上旋转一个角度，产生新的电路元件。

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Multisisim11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。

正文：

I．旋转器电路原理：

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。

图1旋转器符号

设曲线U1端上的任一点P的坐标为

，离原点距离为r，那么有：

（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，那么〔3〕式成为：

〔4〕

在〔4〕式中定义

，因此有T参数方程：

〔5〕

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

（6）

图3T形电阻网络旋转器

因此有

〔7〕

其中R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?

电路?

P99，一个运算放大器、三个电阻和一个电压源即可设计负电阻，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：

。

参加负阻抗转换器之后可以将R3转换成-R3，以满足R3为负阻抗的要求，实现整体电路的设计。

II．实验内容：

取旋转角θ为-70度，R=1kΩ。

代入式

进展计算得

R1=R2=700Ω,R3=-1064Ω。

由负电阻电路及原理，可设计出R4=R5=50Ω,R6=1064Ω的电路。

综上所述，可作出旋转器电路图，在Multisim11中连接图如下列图所示：

III.加负载进展测试及仿真分析:

1.取RL=1kΩ的电阻作为负载，按0V到8V区间改变电源电压，读取电压表电流表读数，绘制伏安特性曲线图，测算旋转前后的伏安特性的旋转角。

在Multisim11中仿真电路如下列图所示：

其中，U1,I1分别为旋转前的电压电容，U2,I2分别为旋转后的电压电容。

得到的数据如下列图所示。

θ=θ1-θ2≈-70°，误差<0.1%。

符合预期结果。

下列图为由上表所绘制的线性负载伏安特性曲线图。

2.取RL=1kΩ的电阻作为负载，按0V到8V区间改变电源电压，读取电压表电流表读数，绘制伏安特性曲线图，测算旋转前后的伏安特性的旋转角。

在Multisim11中仿真电路如下列图所示：

依照对线性负载测试处理方法，同样，可以得到如下的数据表：

θ=θ1-θ2≈-70°，误差<0.1%。

符合预期结果。

下列图为由上表所绘制的线性负载伏安特性曲线图。

结论：

根据实验数据可以得出，本实验所设计的旋转器满足旋转角θ=70°，定标系数R=1kΩ的实验要求。

在设计旋转器时，应从表达式入手，着眼旋转角和定标系数的要求，由构造到参数逐步分析设计电路。

其中对于负电阻电路的设计为本次实验的难点，对于实验的成败起重要作用。

在改变输入电压，测量负载伏安特性曲线时，假设参数设置不当，那么会导致在输入电压较大时，数据结果产生偏差，导致旋转角产生突变而偏离理论值。

而在取值适宜的情况下，不难发现，电压越大，测算值与理论值的误差越小，旋转角越接近于-70°，通过查阅相关资料并实验测量发现，负阻抗变换器构成的负电阻也是呈电压越大电阻越接近的关系，正是这个原因，使得旋转器有了上述特性。

在进展非线性负载测试时，应当考虑二极管的工作范围，选取适宜的二极管，并在一定输入电压的范围内进展实验，才能得到预期结果。

从曲线中不难发现，在电压较小时，负载端电流变化不大，在电压增大到一定程度时，伏安特性为一条直线，可知二极管的开启电压约为0.7V，这与模拟电子电路中二极管的特性知识相吻合。

致谢：

通过本次实验中，我稳固了电路，模拟电子电路等课程的相关知识，掌握了Multisim等软件的初步使用方法，对旋转器的原理与构造有了更深刻的理解，提高了动手实验能力，成果的实现与李竹、硕力更等教师的悉心指导与帮助密不可分。

在此对帮助过我的人表示衷心的感谢！

参考文献：

[1]马鑫金?

电工仪表与电路实验技术?

：

机械工业，2021.

[2]黄锦安?

电路?

：

机械工业，2003.

[3]（美）伯林（Berlin,H.M.）?

运算放大器电路设计与实验?

：

科学，1987.