《电路》课程教学资源（实验指导）实验16 负阻抗变换器的制作和应用

实验16负阻抗变换器的制作和应用 一、实验目的 1，讲一一步孰采和堂挥负阴抗变换器的基木特性 4.了解负阻抗变换器的应用。 5.培养自行设计电路、调试和工程制作的能力。 二、原理说明 负阻抗作为一个电路元件是不存在的，但是可以通过适当的电路来实现负阻抗的特性。 ()负阻抗变换器也是 个双口网络，它的电路图形符号如图2-161所示。 根据端口特性可分为电流倒置型(INIC)和电压倒置型(NIC)两种。对于NIC可用T 参数方程描述为 6 01 或写成0，=02，i,=ki? k为正的实系数，称为电流增益。 对于VNIC可用T参数方程描述为 图2-16-1 或写成0=-k02,=-2 ,N1G2 为正的实系数，称为电压增益 (2)图2-16-2所示，在N1C的输出 端口接上负载Z,如果是NIC,则它 的输入阻抗为 图2-16-2 -2 2=-k2Z1 如果是1C,则它的输入阻抗为乙==9。-2。 /k 上两式说明，不论是INIC,还是VNIC,输入阻抗Z,都是输出阻抗Z的负值，这正是负阻抗 变换器的意义所在 当输出端口接上电阻R、电感L或电容C时，则在输入端口将变为一R、一L、一kC, 负阻抗变换器为电路设计中实现负的R、L、C提供了可能。 当输出端口接的负载Z为一个感性的阻抗（可视为电阻和电感的串联，则在输入端口的

实验 16 负阻抗变换器的制作和应用 一、 实验目的 1．进一步熟悉和掌握负阻抗变换器的基本特性。 2．用运算放大器设计制作负阻抗变换器。 3．掌握负阻抗变换器参数的各种测试方法。 4．了解负阻抗变换器的应用。 5．培养自行设计电路、调试和工程制作的能力。 二、原理说明 负阻抗作为一个电路元件是不存在的，但是可以通过适当的电路来实现负阻抗的特性。 (1) 负阻抗变换器也是一个双口网络，它的电路图形符号如图 2-16-1 所示。 根据端口特性可分为电流倒置型（INIC）和电压倒置型(VNIC)两种。对于 INIC 可用 T 参数方程描述为 1 2 1 2 1 1 0 0 U U I I k           =         − − 或写成 1 2 1 1 2 U U I k I = = , k1 为正的实系数，称为电流增益。 对于 VNIC 可用 T 参数方程描述为 1 2 2 1 2 0 0 1 U U k I I       −     =         − 或写成 1 2 2 1 2 U k U I I = − = − , k2 为正的实系数，称为电压增益。 (2) 图 2-16-2 所示，在 NIC 的输出 端口接上负载 ZL，如果是 INIC，则它 的输入阻抗为 i ZL k I k U I k U I U Z 2 2 2 2 2 2 2 1 1 = = − − − = =       如果是 VNIC，则它的输入阻抗为 i ZL k I k U k I U I U Z 1 2 1 2 1 2 2 1 1 = = = = −       上两式说明，不论是 INIC，还是 VNIC，输入阻抗 Zi 都是输出阻抗 ZL的负值，这正是负阻抗 变换器的意义所在。 当输出端口接上电阻 R、电感 L 或电容 C 时，则在输入端口将变为－kR、－kL、－kC， 负阻抗变换器为电路设计中实现负的 R、L、C 提供了可能。 当输出端口接的负载 ZL为一个感性的阻抗 (可视为电阻和电感的串联)，则在输入端口的 图 2-16-1 图 2-16-2

Z将变为一个实部为负电阻、虚部为容性的阻抗（可视为负电阻和电容的串联）。 当输出端口接的负载乙为一个容性的阻抗（可视为电阻和电容的串联），则在输入端口的 Z将变为一个实部为负电阻 虚部为感性的阻抗（可视为负电阻和电感的串联） 总之，负阻抗变换器可以将其输出端的负戟复阻抗Z“变换”为其输入端的等效负阻抗 Z。负阻抗变换器可以起到“逆变”阻抗的作用，即实现容性阻抗和感性阻抗的“逆变”，故 又称为“阻抗逆变器”。 三、实验设备 表2-16-1 序号 名称 型号与规格 数量备注 双院示波题 低链信号发生器 GS-1组合仪表 可变电阻箱 0-9999.90 由究题 0.1f,1hF 1 e06 电阻器 若于 100a.300 运算成大器 若干 11 线性电感 100aH 1 DG06 四、实验任务 用运算放大器和电阻组成如图2-16-3所示的电流反相型INIC电路（图中运算放大器工 作于线性区)。选择Z,=Z,=1kQ,Z=5002。 15 11→ 图2-16-3制作负阻抗变换器的电路 1.验证该电路满足NIC的端口特性方程： 求出电流增益k1和乙，的值。讨论乙和乙之间的函数关系。 按图2-164所示接线，测量负电阻的伏安特性，计算等值“负电阻”，并与理论值进行 比较 1)调节R=3002,令直流稳压电源的输出，即电压在0~1V的范围内由小变大，测

Zi 将变为一个实部为负电阻、虚部为容性的阻抗(可视为负电阻和电容的串联)。 当输出端口接的负载 ZL 为一个容性的阻抗 (可视为电阻和电容的串联)，则在输入端口的 Zi 将变为一个实部为负电阻、虚部为感性的阻抗(可视为负电阻和电感的串联)。 总之，负阻抗变换器可以将其输出端的负载复阻抗 ZL “变换”为其输入端的等效负阻抗 Zi。负阻抗变换器可以起到“逆变”阻抗的作用，即实现容性阻抗和感性阻抗的“逆变”，故 又称为“阻抗逆变器”。 三、实验设备 表 2-16-1 序号 名称 型号与规格 数量 备注 1 双踪示波器 1 2 低频信号发生器 1 DG03 5 GYS-Ⅰ组合仪表 1 6 可变电阻箱 0～9999.9 1 DG06 7 电容器 0.1F，1F 1 DG06 9 电阻器 1k、2k 100、300 若干 DG06 10 运算放大器 若干 11 线性电感 100mH 1 DG06 四、 实验任务 用运算放大器和电阻组成如图 2-16-3 所示的电流反相型 INIC 电路（图中运算放大器工 作于线性区）。选择 Z1=Z2=1 kΩ，Z1=500Ω。 图 2-16-3 制作负阻抗变换器的电路 1．验证该电路满足 INIC 的端口特性方程：       −       −  =      2 2 1 1 1 0 1 0 I U I k U     求出电流增益 k1 和 Zi 的值。讨论 ZL和 Zi 之间的函数关系。 2．按图 2-16-4 所示接线，测量负电阻的伏安特性，计算等值“负电阻”，并与理论值进行 比较。 （1）调节 RL=300，令直流稳压电源的输出，即电压 U1 在 0～1V 的范围内由小变大，测

量对应的电流1，将测量结果记录于表2-16-2中，并计算尺-(R=凸)。 INIC 直 R长 图2-16-4 (2)调节R=6002,重复上述测量和计算。 表2-16-2 u(V) 0.5 0.6 07 0.s 0.9 mA) R-(2) U(V) =60 h《mA) R-() 3.按图2-16-5所示接线，进行相位观察。 INIC 0.1 Rs 图2-16- 图2-165中R,为电流取样电阻，其两端电压M和电流同相位。调节信号发生器的输 出正弦信号，使U≤1V,改变其频率，使=200~2000Hz,用交流毫伏表分别测量U山及UA, 并用双踪示波器观察山与的相位差（即山与1的相位差），通过山与的相位差说明输 入端的等效负载是电感性还是电容性。 4.将图2-16-5中负载电容用300电阻和1μF电容串联的阻抗Z代替，用双踪示波 器观察山与的相位差（即h与的相位差），即负阻抗变换器输入端的伏安特性，用坐标 纸记录波形。判断其等效输入阻抗Z的性质，与负载阻抗Z相对比，可以得到什么结论？ 5.负电阻和普通电阻的串联 将图2-16-5中负载电容用5002的电阻代替，令直流稳压电源的输出，即电压U=1V, 变风的值，测是对应的电流将测最结果记录于表2163中，并计锋见（见一号， 表2-16-3 尼10 UY) (ad) 输入电阻尼 测量值 理论值 200 400

量对应的电流 I1，将测量结果记录于表 2-16-2 中，并计算 R－（ 1 1 I U R− = ）。 图 2-16-4 （2）调节 RL=600，重复上述测量和计算。 表 2-16-2 RL=300 U1（V） 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 I1（mA） R－（k） RL=600 U1（V） I1（mA） R－（k） 3．按图 2-16-5 所示接线，进行相位观察。 图 2-16-5 图 2-16-5 中 Rs 为电流取样电阻，其两端电压 uRs 和电流 i1 同相位。调节信号发生器的输 出正弦信号，使 U≤1V，改变其频率，使 f=200～2000Hz，用交流毫伏表分别测量 U1 及 URs， 并用双踪示波器观察 u1 与 uRs 的相位差（即 u1 与 i1 的相位差），通过 u1 与 uRs 的相位差说明输 入端的等效负载是电感性还是电容性。 4．将图 2-16-5 中负载电容用 300  电阻和 1μF 电容串联的阻抗 ZL代替，用双踪示波 器观察 u1 与 uRs 的相位差（即 u1与 i1 的相位差），即负阻抗变换器输入端的伏安特性，用坐标 纸记录波形。判断其等效输入阻抗 Zin 的性质，与负载阻抗 ZL相对比，可以得到什么结论? 5．负电阻和普通电阻的串联 将图 2-16-5 中负载电容用 500  的电阻代替，令直流稳压电源的输出，即电压 U＝1V， 改变 RL的值，测量对应的电流 I1，将测量结果记录于表 2-16-3 中，并计算 R－（ 1 I U R− = ）。 表 2-16-3 RS /  U（V） I1（mA） 输入电阻 R－ 测量值 理论值 200 400

600 100 五、实验注意事项 ,运算放大器的工作电压不能接错：改接线路时必须事先断开电源，包括运算放大器 的工作电源：运算放大器的输出端不得对“地”短接。否则，都将损坏运算放大器 2.所有的元件的参数需要准确测量。 3.注意信号发生器和示波器的正确使用方法。 4。用示波器观察波形时，要考虑接地点的选择，正确和准确记录显示的波形。 5.注意电源的电压不要超过要求的最大电压，接线前，要调到1V以下。实验中，一定要 用电压表 则 正弦波信号发生器作为信号源， 对称输出方式 6.作图时，要按测量误差合理选择各坐标的分度。 六、预习思考题 1.负阻抗变换器的“负电阻”特性，可以有哪些应用？ 2。是否可以采用其他电路制作负阻抗变换器？你能查找出这些电路吗？并说明其原理。 3.你还可以用负阻抗变换器的特性设计出其他的电路吗 4.负阻抗元件在工作时是不是向外电路发出功率，它的能量是从哪里得来的 比，预习要求 1,阅读实验原理与说明，完成负阻抗变换器的设计任务，仔细阅读注意事项，培养安全规 范科学的操作习惯 2.列出所需要的元件和参数，说明理由。 3.选择实验所需的仪器设备，正确使用仪器和仪表。 4.根据给定的电路图和元件参数，估算电路中的电压和电流值的范围，以便合理选择仪表 的量程。 5.确定实验步骤、制作过程，画好所需的数据表格，正确进行数据的采集、分析和处理。 八.实验报告要求 1.完成各项测试及计算。 2.分析调试制作过程中遇到的问题和解决的思路及方法。 3.测量负阻抗变换器的“负电阻”特性，与理论值进行比较，计算误差并分析误差产生的 原因。 4.用示波器测量波形，观察负阻抗变换器的“逆变”阻抗功能，将计算过程和结果正确表 示，并计算间接测量的误差

600 800 1000 五、实验注意事项 1． 运算放大器的工作电压不能接错；改接线路时必须事先断开电源，包括运算放大器 的工作电源；运算放大器的输出端不得对“地”短接。否则，都将损坏运算放大器。 2．所有的元件的参数需要准确测量。 3．注意信号发生器和示波器的正确使用方法。 4．用示波器观察波形时，要考虑接地点的选择，正确和准确记录显示的波形。 5．注意电源的电压不要超过要求的最大电压，接线前，要调到 1 V 以下。实验中，一定要 用电压表监测。正弦波信号发生器作为信号源，采用对称输出方式。 6．作图时，要按测量误差合理选择各坐标的分度。 六、预习思考题 1．负阻抗变换器的“负电阻”特性，可以有哪些应用? 2．是否可以采用其他电路制作负阻抗变换器?你能查找出这些电路吗?并说明其原理。 3．你还可以用负阻抗变换器的特性设计出其他的电路吗? 4．负阻抗元件在工作时是不是向外电路发出功率，它的能量是从哪里得来的? 七．预习要求 1．阅读实验原理与说明，完成负阻抗变换器的设计任务，仔细阅读注意事项，培养安全规 范科学的操作习惯。 2．列出所需要的元件和参数，说明理由。 3．选择实验所需的仪器设备，正确使用仪器和仪表。 4．根据给定的电路图和元件参数，估算电路中的电压和电流值的范围，以便合理选择仪表 的量程。 5．确定实验步骤、制作过程，画好所需的数据表格，正确进行数据的采集、分析和处理。 八．实验报告要求 1．完成各项测试及计算。 2．分析调试制作过程中遇到的问题和解决的思路及方法。 3．测量负阻抗变换器的“负电阻”特性，与理论值进行比较，计算误差并分析误差产生的 原因。 4．用示波器测量波形，观察负阻抗变换器的“逆变”阻抗功能，将计算过程和结果正确表 示，并计算间接测量的误差