运算放大器电路的应用-旋转器设计

1、电路实验论文 自动化学院 PAGE 9运算放大器电路的应用旋转器设计摘要：利用运算放大器设计一个负旋转角的旋转电路；分别用电阻和非线性元件（二极管）作负载，测量并验证其旋转特性。分析其电路特性和原理。关键词：运算放大器 ；负电阻；旋转；绪论：旋转器属于线性转换器。这类器件可以完成输入端和输出端之间的转换。利用这种变换，可以用目前常见的非线性电阻元件（如二极管），产生许多新的非线性元件。一、负电阻实验原理实现旋转器的顺时针旋转，需要用到负电阻，所以要先利用运算放大器及一些电阻元件设计一个负阻抗变换器。现在负阻抗的应用也相当广泛，对此加以利用的回转器可以实现电感电容之间的转换，这大大地满足了商业需

2、求。 运算放大器构成的负电阻变换器的原理如图（1）（1） 在如图所示的负电阻变换器中，由运算放大器的虚短特性知A、C两端的节点电压相等，由欧姆定律知。由运算放大器虚断特性，知i QUOTE ， QUOTE 。再由运算放大器虚短特性，沿节点EDC构成的回路，运用KVL，易知 ，故。可见，沿AB两端往右看，输入电阻为 ，该运算放大器构成的电路实现的负电阻。二、旋转器设计原理：旋转器符号表示如图（），旋转器可以将线性或非线性元件在u-i平面旋转一个角度，产生新的电路元件。iU（2）（3） iU若将图中A的u-i特性的非线性的电阻元件接在图（）的 U2 端口，则在图（）中的U1端口得到图（2）中B的u

3、-i特性曲线。 从（2）图可见，曲线B是由曲线A反时针旋转了角。设曲线上任一点P 坐标（u,i）,离原点距离为r,则有 （a） （b）点P反时针旋转了角后到P点，坐标（u1，i1） 为(a1) (b1)把（a）带入(a1)式得： (a2)把（b）带入(b1)式得：(b2)式(a2)中 cos 无量纲；sin是电阻的量纲，因而要乘一个定标系数R。定标系数的大小取决于u-i曲线中电压和电流的单位，R=u/i。式（a2）变为：同样，式（b2）中 cos 无量纲， sin是电导的量纲，要除一个定标系数R。式 (b2) 变为：定义 QUOTE , QUOTE ，因此有T参数方程：用T形电阻网络的旋转器来

4、实现，对应T参数的3个电阻是因此有式中，R为定标系数。由于定义了旋转反时针为+角，对于旋转顺时针，式中R3为负，即R3是负电阻，由上实现的负电阻利用进来就可实现顺时针旋转功能。三、验证旋转器特性 根据旋转器原理，设计一个顺时针旋转旋转60度的旋转器。取定标系数为R=1000。R根据负电阻的原理，设计阻值为-886.02的负电阻。Rrr（a）设计负电阻电路如下：（b）验证负电阻：R结果较好地符合理论值，可用于实验。利用上设计好的负电阻，设计旋转器电路。R设计电路如下：负载负载用线性元件即电阻去验证旋转特性。测量结果如下：右电流/mA右电压V旋前 角度（）左电流mA左电压/V旋后角度（）旋转角角（

5、）-6.209 -1.024 78.6883 -2.0370 -6.0000 18.7523 -59.9360 -4.139 -0.828 78.6874 -1.3590 -4.0000 18.7619 -59.9088 -2.069 -0.414 78.6847 -0.6800 -2.0000 18.7780 -59.9019 2.071 0.414 78.6954 0.6770 2.0000 18.7010 -59.9944 4.141 0.828 78.6927 1.3560 4.0000 18.7266 -59.9660 6.211 1.242 78.6918 2.0340 6.000

6、0 18.7267 -59.9651 8.281 1.656 78.6914 2.7130 8.0000 18.7331 -59.9583 0.010 2.070 3.3920 10.0000 0.012 2.018 4.0700 12.0000 旋转角的平均值：=59.9472 E=曲线图如下：用示波器观察其伏安特性曲线：观察到的曲线如下：可以看出，在运算器的线性工作电压下，旋转器对线性元件的旋转是相当精准的。用非线性元件即二极管来验证其旋转特性电路设计如下：测量结果如下：二极管右电流/mA右电压/V旋前 角/度左电流/mA左电压/V旋后角/度旋转角/角0.000 -5.998 0.0000

7、 5.1780 -3.0000 -59.9131 -59.9131 0.000 -3.991 0.0000 3.4510 -2.0000 -59.9059 -59.9059 -2.004 -1.994 0.0000 1.7230 -1.0000 -59.8698 -59.9698 0.781 0.649 50.2739 -0.1720 1.0000 -9.7594 -60.4984 1.350 0.663 63.8438 0.1010 1.5000 3.8521 -59.9917 1.922 0.672 70.7285 0.3790 2.0000 10.7303 -59.9982 2.495

8、0.679 74.7760 0.6610 2.5000 14.8101 -59.9658 3.0700.684 77.4396 0.9440 3.0000 17.4670 -59.9592 3.644 0.689 79.2930 1.2280 3.5000 19.3338 -59.9592 4.220 0.692 80.6874 1.5130 4.0000 20.7191 -59.9683 4.795 0.696 81.7411 1.7980 4.5000 21.7794 -59.6160 5.371 0.699 82.5850 2.0840 5.0000 22.6264 -59.9586 5

9、.947 0.701 83.2773 2.3700 5.5000 23.3116 -59.9656 6.523 0.704 83.8401 2.6560 6.0000 23.8774 -59.9627 7.099 0.706 84.3206 2.9430 6.5000 24.3596 -59.9610 7.675 0.708 84.7310 3.2300 7.0000 24.7699 -59.9610 8.251 0.710 85.0818 3.5170 7.5000 25.1234 -59.9584 8.827 0.711 85.3949 3.8040 8.0000 25.4311 -59.

10、9638 9.404 0.713 85.6642 4.0910 8.5000 25.7012 -59.9630 9.980 0.715 85.9021 4.3790 9.0000 25.9455 -59.9566 曲线如下：用示波器观察其伏安特性曲线：观测到的曲线如下：旋转角的平均值：=59.9731 。E=可见，在运算器的线性工作电压下，旋转器对非线性元件的旋转也是非常精准的。结论：本实验是用Multisim 软件做虚拟完成的，采用的都是理想元件。由运算放大器的转移特性,电路所加电压不能超过其饱和电压(10V左右),超过饱和电压，运算放大器不是在线性工作区，则不能正常实现负电阻功能。在运算器的线性工作电压下，通过测量可知，旋转器的旋转特性非常好，旋转精度也非常高。用示波器观察u-i曲线，可以更直观地看出其旋转性，需把直流电源换成交流电源，又示波器只能接收电压信号，所以需要把电流信号化为等效的电压信号，处理方法是在接地端串联一小阻值电阻，这样就可以把R（1）的电压视作电流。但是用示波器观察曲线时，曲线不稳定，很不容易观察到正常现象。需耐心观