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非线性电阻电路

电工电子综合实验Ⅰ

非线性电阻电路

班级：

09043301

姓名：

王亚涛

学号：

0904330128

内容摘要

本次电工电子综合实验研究使用二极管、稳压管、稳流管等其他必要元器件，设计具有所给i-u图所示伏安特性的非线性电阻电路，对电路变量进行测量，并绘制i-u曲线，与原图做出对比和分析。

本次电路设计主要涉及串联分解法和并联分解法，其具体内容将在本论文正文部分，同时结合此次综合试验设计实例作详尽阐述。

通过本次综合试验设计验证了两种线路设计方法的可行性，并对误差原因进行了初步的分析，同时提出了调整办法。

此次以非线性电阻电路为研究课题的电工电子综合实验，特点在于实验全程包括原理设计、线路连接、数据测量、结果分析等所有过程均未涉及电子元器件实物，全部通过电子计算机进行仿真模拟，使用这种方法可以大幅度减少实验中间非必要过程的时间，在某种程度上提高实验效率；并且在一些特殊的实验中充分保护了实验者的安全，这也给予了实验者充分发挥的空间。

关键词

非线性伏安特性串联分解并联分解Muitisim7仿真

目录

内容摘要……………………………………………………………………………2

关键词………………………………………………………………………………2

引言…………………………………………………………………………………4

正文部分……………………………………………………………………………5

附录…………………………………………………………………………………12

参考文献……………………………………………………………………………14

结论…………………………………………………………………………………15

致谢…………………………………………………………………………………16

引言

本次电工电子综合试验非线性电阻电路研究工作的目的是通过给定i-u曲线的实例，设计实现具有与给定条件相同（或相似）伏安特性的非线性电路。

研究工作范围集中于二极管、稳压管、稳流管等非线性电阻元件的原理理解及设计应用。

前人对诸如此类的电路设计已经做过很多，所以本实验相对于前人工作将出现较多的误差分析和改进方法，这些分析结果和方法的实施将在数据比较之后结合理论给出初步的解释，将对今后类似的线路参数调整起到一个参考作用。

正文部分

一、提出问题：

用二极管、稳压管、稳流管等元器件设计如图1-1、图1-2所示伏安特性的非线性电阻线路。

图1-1

图1-2

观察所给伏安特性曲线可以总结三条特点：

（一）两组伏安特性曲线全部都是由线段组成，不存在曲线部分。

（二）两组伏安特性曲线均关于原点呈中心对称分布，为奇函数。

（三）两组伏安特性曲线均为电流i关于电压u的单调增函数。

二、设计思想

下面首先以图1-1为例设计非线性电阻电路：

已知线性电阻元件的伏安特性曲线如图2-1所示

图2-1

由图可知，线性电阻元件的伏安特性曲线是一条过坐标原点的直线，可以模拟其特征方程

f（u）=Gu

其中i=f（u），G为此线性电阻元件的电导值

由2-1可知当电压-1V≤u≤1V时，伏安特性曲线符合线性电阻电路，可求斜率：

k=Δu/Δi=[1-（-1）]/[2-（-2）]=0.5

可得电阻

R=1/G=k=0.5

但是当电压u<-1V或u>1V时，电流恒等于两常量：

f1（u）=-2和f2（u）=2

又已知理想二极管伏安特性曲线如图2-2所示

图2-2

可知二极管具有反向截止功能，而电流源又可以提供稳定的电流，所以将二极管与电流源相结合。

一方面可以在任意定义域内截至线性电阻的电流，另一方面又可以在截至区域释放所需的恒定电流。

这将解决图1-1所示非线性电阻电路在特定电压u下，电流i呈现恒定值状态的问题。

对于图1-1第一象限所示曲线，可以由线性电阻、二极管、电流源合成，如下图所示

=

+

图1-1非线性电阻电路设计图如图3-1所示

当-1

当V1<-1V时，D1导通、D2截止，电流流经I2和D1，i=2mA；

当V1>1V时，D1截止、D2导通，电流流经I1和D2，i=2mA。

仿真模拟数据如下表所示：

u/V

-3.0

-2.8

-2.6

-2.4

-2.2

-2.0

-1.8

-1.6

-1.4

i/mA

-2.001

-2.001

-2.001

-2.001

-2.001

-2.000

-2.000

-2.000

-2.000

u/V

-1.2

-1.1

-1.0

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

i/mA

-1.999

-1.975

-1.864

-1.674

-1.538

-1.361

-1.133

-1.000

-0.759

u/V

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

i/mA

-0.570

-0.380

-0.190

0.000

0.190

0.380

0.570

u/V

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

i/mA

0.759

0.947

1.133

1.318

1.499

1.674

1.837

1.961

1.998

u/V

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

i/mA

2.000

2.000

2.000

2.000

2.001

2.001

2.001

2.001

2.001

由仿真数据得数据散点图如下图所示：

由散点图各相邻点连接得到仿真模拟的伏安特性曲线如下图所示：

将模拟所得伏安特性曲线图结合数据表格与实验要求所给曲线进行比较，可以发现曲线符合性良好，说明此次线路设计和模拟已经成功。

下面再用同样的方法对图1-2所示的伏安特性曲线进行线路的设计和模拟：

当-6V

当6V<|u|<12V时其设计方法与图1-1类似，串联与其斜率相等电导的电阻即可，原理在这里不再赘述。

当12V<|u|<15V时相当于再增加一个原理相同的电路。

但是需要注意的是，上一步串联电阻的伏安曲线并没有在折点处截止，所以虽然这一部分曲线斜率有所增加，但仍有一部分是上一步中串联电阻所形成的斜率所叠加而成，所以此次的斜率k=k2-k1。

当|u|>20时的电路设计方法原理相同。

=

+

图1-2非线性电阻电路设计图如图3-2所示

仿真模拟数据如下表所示：

u/V

-21.0

-20.0

-19.0

-18.0

-17.0

-16.0

-15.0

-14.0

-13.0

i/mA

-9.184

-8.587

-7.986

-7.386

-6.789

-6.189

-5.596

-4.935

-3.993

u/V

-12.0

-11.0

-10.0

-9.0

-8.0

-7.0

-6.0

-5.0

-4.0

i/mA

-3.043

-2.501

-2.006

-1.512

-1.019

-0.527

-0.057

0.000

0.000

u/V

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

i/mA

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

u/V

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

i/mA

0.000

0.000

0.057

0.527

1.017

1.512

2.006

2.501

3.041

u/V

13.0

14.0

15.0

16.0

17.0

18.0

19.0

20.0

21.0

i/mA

3.993

4.935

5.596

6.192

6.786

7.386

7.986

8.587

9.180

由仿真数据得数据散点图如下图所示：

由散点图各相邻点连接得到仿真模拟的伏安特性曲线如下图所示：

将模拟所得伏安特性曲线图结合数据表格与实验要求所给曲线进行比较，可以发现曲线符合性良好，说明此次线路设计和模拟已经成功。

附录

附录I

模拟软件版本信息

附录II

模拟数据定位点截图

1、图1-1

图2-2

附录III

部分模拟元件属性（从左至右、从上至下依次为二极管、电流表、电压表、电阻）

参考文献

[1]马鑫金．电工仪表与电路实验技术[Z]．机械工业出．2007，

[2]黄锦安．电路[Z]．机械工业出版社．2007，

[3]周凯．Multisim7&Ultiboard7[M]．电子工业出版社．2008，

[4]童诗白．模拟电子技术基础[Z]．高等教育出版社．2006，

结论

本次实验在运用串联分解法原理设计电路的同时，引入了伏安特性曲线图斜率计算的方法，使设计过程始终与实验要求紧密地契合，并且增加了直观性，更易于检索实验数据中的错误，以便更及时地排除。

通过实验，初步了解了二极管、电压源、电流源、线性电阻的搭配使用，在一定程度上掌握了简单伏安特性曲线的设计技巧，也对这几种元器件的属性有了进一步的了解，同时也为更多的尝试连接方法提供了更广阔的平台。

经过实验数据的比较，发现这种由需求（伏安特性曲线）返遡回电子线路的方法得出的结果虽然符合性在误差范围之内，但是经过细致的对比还是会发现图1-2的模拟数值相对于图1-1有明显的偏低。

虽然此次实验全部在电子计算机上进行模拟，但是模拟程序设计者为增加程序环境的仿真程度，各种元器件不可能做到纯理想化，所以误差也随之产生。

针对这种整体数据偏移的情况，可以依照从主路到支路的顺序，对各个阻抗进行二分微调，可以以极高的效率解决数据整体偏移的问题。

致谢

在这里，本人能够成功完成此次电工电子综合试验首先要感谢南京理工大学提供这样一个广阔的平台，以及对实验的鼓励和支持。

其次，设计研究的完成与实验室老师的悉心教导是分不开的。

在此真诚地希望各个方面一如既往的支持，也让学生保持对科学追求的热情。

2011年4月14日