基于MATLAB的負(fù)阻抗變換器的特性及應(yīng)用的研究
摘要:采用實驗的方法研究負(fù)阻抗變換器的特性及其應(yīng)用,存在數(shù)據(jù)處理量大、特性曲線繪制困難等問題,設(shè)計出基于MATLAB的仿真實驗方案。與傳統(tǒng)的實驗方法相比,MATLAB利用群元素計算特性,把多個頻率分量及相應(yīng)的電壓、電流、阻抗等都看作多元素的行數(shù)組,每一元素對應(yīng)于一種頻率分量的值,因為它們服從同樣的方程,所以程序就特別簡潔;直接繪制電壓電流的相向圖、電流的幅頻特性和相頻特性,且定量地分析電路的性質(zhì)。應(yīng)用MATLAB設(shè)計出RLC并聯(lián)諧振電路,其諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、通頻帶等參數(shù)的測試比傳統(tǒng)實驗測試更精確。
關(guān)鍵詞:負(fù)阻抗變換器;運算放大器;模擬電感;并聯(lián)諧振
負(fù)阻抗是電路理論中的一個重要基本概念,在工程實踐中有廣泛的應(yīng)用。有些非線性元件(如隧道二極管)在某個電壓或電流范圍內(nèi)具有負(fù)阻特性。除此之外,一般都由一個有源雙口網(wǎng)絡(luò)來形成一個等效的線性負(fù)阻抗。
負(fù)阻抗變換器作為一種元件,在使用時一般不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu),主要是從應(yīng)用觀點研究其外部特性。
1 研究負(fù)阻抗變換器特性的實驗方案
采用實驗的方法研究負(fù)阻抗變換器的特性:1)測量負(fù)電阻的伏安特性。測量不同輸入電壓U1時的輸入電流,I1,計算等效負(fù)阻和電流增益,繪制負(fù)阻的伏安特性曲線U1=f(I1)。2)阻抗變換及相位觀察,在輸入端施加正弦信號源,改變信號源頻率f=500~2 000 Hz,用雙蹤示波器觀察輸入電壓U1與電流之間i1的相位差,判定電路的性質(zhì)。負(fù)載為電感和電容時分別測量一次。根據(jù)以上實驗內(nèi)容,存在實驗數(shù)據(jù)處理量大,手工繪制特性曲線困難等問題。
2 負(fù)阻抗變換器特性的實驗設(shè)計
MATLAB具有強大的計算功能,在電路結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變時,可以用統(tǒng)一的程序,只需用輸入語句來選擇所帶的負(fù)載性質(zhì),更可以直觀地繪制電壓與電流的相位關(guān)系,電路的性質(zhì)一目了然。
用一級運算放大器實現(xiàn)的電流反向型負(fù)阻抗變換器電路如圖1所示,假設(shè)運算放大器是理想的,根據(jù)運放理論可知,則有
即輸入阻抗等于負(fù)載阻抗的負(fù)倍數(shù)。K叫做負(fù)阻抗變換器的放大倍數(shù)。當(dāng)Z1=Z2=1 kΩ時,K=1,Zi=-ZL,這時負(fù)阻抗變換器的輸入阻抗等于輸出端所接負(fù)載阻抗的負(fù)值。
建模:分析負(fù)阻抗變換器的特性時,輸入信號頻率f=500~2 000Hz,即w或f是一個數(shù)組,因此MATLAB程序中的所有與w有關(guān)的量都應(yīng)采用元素運算的運算符。圖1中,設(shè)負(fù)載ZL,分別為電阻時R1=2000Ω,為電感時L=0.1H,為電容時C=0.1μF,信號源電壓u=3V,內(nèi)阻R=1000Ω。
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