论文 非线性电阻电路及应用的研究 0530.docx
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论文非线性电阻电路及应用的研究0530
非线性电阻电路及应用的研究
------非线性电阻电路
一. 摘要
通过线性元件设计非线性元件，对所求伏安特性进行并联、串联分解，设计出所需电路。
最后通过软件仿真并将仿真结果与所求结果对比。
二.关键字
非线性电阻电路 伏安特性凹电阻 凸电阻 并联分解法 串联分解法 multsim仿真
三.问题分析
设计要求
（1）用二极管、稳压管、稳流管等元件设计如下图所示伏安特性的非线性电阻电路。
伏安特性
（一）
伏安特性
（二）
（2）测量所设计电路的伏安特性并做曲线，并与图
（一）
（二）比对。
问题分析
实现给定的非线性电阻电路，首先需要了解非线性电阻电路的分段线性化法及串联、并联分解法。
（1）非线性电阻的非线性化
①常用元件
在分段线性化法中，常引用理想二极管模型。
它的特性是：
当电压为正向时，二极管全导通，它可用“短路”替代（i>0时，u=0）。
当电压为反向时，二极管截至，它可用“开路”替代（u<0时，i=0）。
（如图一）
图一
其他常用元件有二极管、稳压管、恒流管、电压源、电流源和线性电阻等如图二
图二
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。
如图所示，是将图1中电压源、线性电阻、理想二极管串联组成。
主要参数是Us和G，改变Us和G的值，就可以得到不同参数的凹电阻，其中电压源也可以用稳压管代替。
总的伏安特性形状为凹形。
（如图三）
图三
③凸电阻
与凹电阻对应，凸电阻是当两个或以上元件并联时，电流是各元件电流之和是将图1中电流源、电阻、理想二极管并联组成。
主要参数为Is和R，改变Is和R的值就可以得到不同参数的凸电阻。
总的伏安特性为凸形。
（如图四）
图四
（2）串联分解法
串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。
（3）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。
四.电路求解及仿真
（一）伏安特性一的设计与仿真
欲实现图一所示伏安特性曲线第一象限内曲线，拟采用凹电阻，设置参数为Us=1v，R=0.5KΩ；欲实现图一曲线，只要将设计好的电路反向，串联即可。
电路经化简，仿真如下：
通过仿真测量出该电路的电流值及对应时刻的电压值，如下表
U/V
-3
-2
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
I/mA
-2
-2
-2
-1.998
-1.837
-1.499
-1.134
-0.759
-0.38
U/V
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
2
I/mA
0
0.38
0.759
1.134
1.499
1.837
1.998
2
2
根据上述数据通过Excel画出伏安特性曲线如下
该曲线与所求图一相符。
（二）伏安特性二的设计与仿真
对于图二，采用两个凹电阻并联后与一凸电阻串联实现第一象限曲线。
根据设计出来的曲线发现：
欲实现全部曲线只能采用取反并联的方法。
电路仿真如下
设计理论参数V1=V3=6.0V，V2=V4=12.0V；R1=R2=R5=R6=2KΩ，R4=R7=2/3KΩ，I2=I3=6mA。
由于实际二极管存在管压降，实际仿真过程中，测得二极管压降为0.701V，所以选择将原先设计好的直流电压源V1=6.0V，V2=12.0V改为上图所示的V1=5.3V，V2=11.3V。
通过仿真测量出该电路的电流值及对应时刻的电压值，如下表
U/V
-21
-20
-19
-18
-17
-16
-15
-14
-13
-12
-11
I/mA
-9.603
-9.003
-8.406
-7.805
-7.208
-6.608
-6.013
-5.414
-4.661
-3.705
-2.846
U/V
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
I/mA
-2.352
-1.856
-1.362
-0.87
0
0
0
0
0
0
0
U/V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
I/mA
0
0
0
0
0
0
0.87
1.362
1.856
2.352
2.846
U/V
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
I/mA
3.705
4.661
5.414
6.013
6.608
7.208
7.805
8.406
9.003
9.603
根据上述数据通过Excel画出伏安特性曲线如下
该曲线与所求图一相符。
当然，特性二也可通过凹电阻与凸电阻并联的基本单元并联实现。
凹电阻与凸电阻并联的基本单元如图与凸电阻并联的基本单元如图。
使用该基本单元能够实现伏安特性曲线如下，
电路仿真如下
相比之下，这种方法利用构造的基本单元，较为方便地实现了电路设计。
五.结论
通过分析、分解图像，利用基本的线性元件构造出基本非线性电路，从而实现了非线性电阻电路的设计。
其基本思想还是串联分压，并联分流。
仿真过程中，针对二极管存在管压降，对电路内直流电压源做相应调整，以利于更加接近所求伏安特性。
非线性电阻电路设计的关键在于特性曲线的分解过程，不同的分解过程将对应于不同的设计电路。
六．参考文献
《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》机械工业出版社黄锦安编著
电工电子综合实验 实验论文
所选课题：
非线性电阻电路及应用的研究
------非线性电阻电路
班级：
姓名：
学号：
日期：
2014年5月25日
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