负阻抗变换器的问题求助！！！

汐烊林

负阻抗变换器的问题求助！！！ [复制链接]

 

实验中要用到LC电路，具体就是在初始时刻给电容器充好电，这样就能在LC电路里得到正弦振荡波，但是实际中电感经常会有一定的内阻R_L，导致正弦波会很快的衰减。我们想用负阻抗变换器补偿掉R_L，让正弦波能够在较长时间（大概几秒）都能观测到，具体电路如下：

 图中令R1=R2,利用虚短和虚断可以得到R_ref和R_L的电流大小相等，方向相反，（第二个运放处也令R3=R4，主要是为了令电流方向与电容处同向。）

然后在multisim14里模拟，也得到了应有的结果：

 但是我实际打出来的板子却根本没有模拟的波形，同样的参数设置下，电容器的波形为锯齿波的样式，想问问大家有没有什么建议！感激不尽！！

（如果问题能解决，可以商量价格）

 

maychang

【具体就是在初始时刻给电容器充好电，这样就能在LC电路里得到正弦振荡波，但是实际中电感经常会有一定的内阻R_L，导致正弦波会很快的衰减。】

你的电路中有一个信号发生器，怎么会【很快的衰减】？无论信号发生器输出什么波形，也不会【很快的衰减】。

maychang

【很快的衰减】只可能发生于单脉冲激励LC回路的情况。而你上面的手绘图和下面的仿真图中都有信号发生器即信号源，不是单脉冲。

gmchen

第一个问题，激励是不是单脉冲？如果是单脉冲激励，是会产生衰减振荡的。

第二个问题，为什么要用两个运放？一个运放就可以产生负阻了，负阻值就是那个5欧电阻的阻值，两个运放似乎没有必要。那个解释（“第二个运放处也令R3=R4，主要是为了令电流方向与电容处同向”）看不懂。

gmchen

如果是单脉冲激励，要延长衰减振荡时间，负阻值必须小于LC回路中的损耗电阻，否则可能会自激。

另外，现在你电路中，反馈电阻是1000，RG=5，运放的放大倍数高达200。只要LC的端电压稍高一点，运放的输出立即饱和，此时所谓的负阻就不成立！建议减小反馈电阻（此时还要考虑运放的输出电流是否允许），或者限制LC的输出幅度。

gmchen

还有一个方法是令两个反馈电阻不等。以楼主图中第一个运放为例，同相端看进去的负阻值是-R3*R1/R4，将R1加大而R3减小，则负阻值不变但是运放的增益下降。例如将R1与R3的阻值互换，则运放的增益仅为2，但是负阻值不变，仍然是-5

汐烊林

maychang 发表于 2023-5-6 09:53 【具体就是在初始时刻给电容器充好电，这样就能在LC电路里得到正弦振荡波，但是实际中电感经常会有一定的内 ...

您好，不好意思，这里是我表述不当。我们在实际实验的时候电路如下图，就是利用单刀双掷开关搭建的电容器先充电，然后接入后面电路得到正弦波形。

 因为实际实验里面补偿电阻（即上图的R1，草图的R_ref）是用的滑动变阻器，所以在原帖图中使用了方波信号（1-10Hz），主要就是为了在测试电路的时候方便观测波形，可以不断调节补偿电阻的大小。理想的效果就是在方波激励下，把滑动变阻器的阻值从0慢慢变大，可以看到电容器的波形衰减速度逐渐变慢，最后能够维持我们需要的时长。

maychang

汐烊林 发表于 2023-5-6 10:53 您好，不好意思，这里是我表述不当。我们在实际实验的时候电路如下图，就是利用单刀双掷开关搭建的电容器 ...

用一个机械开关作为激励，LC回路可以产生衰减振荡。具体作法，gmchen老师在4、5、6楼讲得很清楚。

汐烊林

gmchen 发表于 2023-5-6 10:14 第一个问题，激励是不是单脉冲？如果是单脉冲激励，是会产生衰减振荡的。 第二个问题，为什么要用两个运 ...

您好！

第一个问题，是单脉冲，我草图画的方波激励只是为了测试的方便，实际使用是单脉冲激励的，就是用单刀双掷开关连接出一个充放电电路，如下图：

 

 
      第二个问题：引入第二个运放的主要目的是让电路末端（灰色圈圈处）的电流方向与电感的电流方向一致。这么做是因为之后实验中灰色圈圈后面是接的一些其他电路而不是地，所以在测试的时候使用了两个运放。简单来说，这样做的目的是从in、out（蓝色墨迹）两个端口看I_in=I_out；；V_out=V_in+I_in*R_1，中间的元件只起到补偿电感内阻的分压的作用，不会对后面电路有影响。

汐烊林

gmchen 发表于 2023-5-6 10:46 还有一个方法是令两个反馈电阻不等。以楼主图中第一个运放为例，同相端看进去的负阻值是-R3*R1/R4，将R1加 ...

您好，您的这个方法我确实没有想到，马上去试一下，感谢！！

汐烊林

gmchen 发表于 2023-5-6 10:22 如果是单脉冲激励，要延长衰减振荡时间，负阻值必须小于LC回路中的损耗电阻，否则可能会自激。 另外，现 ...

好的好的，我两种方法都会尝试。感谢您的建议！

汐烊林

maychang 发表于 2023-5-6 11:02 用一个机械开关作为激励，LC回路可以产生衰减振荡。具体作法，gmchen老师在4、5、6楼讲得很清楚。

嗯嗯，我会按照gmchen老师的建议尝试一下，也感谢您的不吝赐教！

maychang

汐烊林 发表于 2023-5-6 11:09 嗯嗯，我会按照gmchen老师的建议尝试一下，也感谢您的不吝赐教！

其实，只要引入一定量的正反馈，就可以抵消LC回路中的损耗(包括示波器接在电容两端产生的损耗)，使得衰减振荡持续的时间长一些。正反馈量不能过大，大了就会产生持续的自激振荡，必须使环路增益非常接近于1而小于1，才会使LC回路衰减很慢，这需要仔细调整。单独一个三极管即可实现接近于1的正反馈，但单独一个三极管无法实现负阻，要实现正反馈只能互感耦合或者电容分压耦合，电路稍麻烦。用两个三极管可以实现负阻，但也仍然要仔细调整才能够让环路增益接近于1.。

gmchen

汐烊林 发表于 2023-5-6 11:05 您好！ 第一个问题，是单脉冲，我草图画的方波激励只是为了测试的方便，实际使用是单脉冲激励的，就是 ...

这个电路是有问题的。负阻电路的结构是运放同相端看进去直到地的阻抗为负阻，其值为 -(正反馈电阻×运放反相端对地电阻÷负反馈电阻)。

现在这样接法，问题有二：

1，那个电阻R2不仅不起作用，反而增加了电感的内阻。

2、下面这个运放等效为一个负阻，但是其负阻值与灰色圈处接入的电路的阻抗有关，而且这个负阻值与R1串联，使得R1的有效阻值改变，究竟改变后的阻值是正还是负取决于灰色圈处接入的电路，从而使得整个负阻电路的等效阻抗是正还是负也取决与后面接入的电路。这个做法似乎与楼主原先的想法南辕北辙了。

gmchen

不知道楼主后面接入的是什么。最好的做法是只用一个负阻电路，后面的电路从别的地方取样。

汐烊林

gmchen 发表于 2023-5-6 12:29 这个电路是有问题的。负阻电路的结构是运放同相端看进去直到地的阻抗为负阻，其值为 -(正反馈电阻× ...

1、因为模拟的时候电感L1是无内阻理想电感模型，所以我加了一个R2，也就是R2和L1一起组成一个实际电感模型。

2、这样的话，好像问题确实复杂了一些。感谢您的建议，我看一下我的物理模型能不能把第二个运放省去。

汐烊林

更新：按照gmchen老师的两个建议,我分别进行了一些尝试，不过结果不尽人意，仍然没有办法工作QAQ。。。。

首先，我重新把要实现的模型尽可能的简化了一下，最后化简到极致的电路是下图这样：

 

即给C1一个单脉冲激励，能够看到C1和C2的电压反相振荡，而实际电感往往伴随这一些内阻，所以想要用负阻抗变换器等效出一个负阻与电感的内阻相抵消。

在这个基本电路的基础上，我按照gmchen老师的建议对负阻抗变换器进行了一些优化，调整了负反馈电阻的大小同时降低输入信号的幅度来适应运放的输出幅度，最后得到的电路图如下：

但是这个电路的实际效果也与模拟结果相差甚远，在检查的时候我发现运放输出端的电流异常的大，（局部放大图如下）

  按照基尔霍夫定律，运放输出端的电流应该等于两个支路电流的和，但是在图中支路电流分别为-9.32mA，-186uA，而运放输出端却是1.95A，远大于（-9.32mA）+（-186uA），是不是问题出在这里呢？

汐烊林

maychang 发表于 2023-5-6 12:04 其实，只要引入一定量的正反馈，就可以抵消LC回路中的损耗(包括示波器接在电容两端产生的损耗)，使得衰减 ...

您好，非常抱歉忽视了您的建议，导致没有及时回复您。因为我其实是物理专业的，只是一些物理理论可以用LC电路方便的验证才接触到这些东西的，属于模电新手。您说的我还是第一次知道。您可以具体讲一讲这个补偿的思路或者告诉我哪里可以进一步找到相关的资料吗？

maychang

汐烊林 发表于 2023-5-13 14:57 您好，非常抱歉忽视了您的建议，导致没有及时回复您。因为我其实是物理专业的，只是一些物理理论可以用LC ...

物理专业，应该更清楚加入正反馈使得LC回路的衰减变慢阻尼减小。

模拟课程中有一部分讲到正弦波振荡电路。正弦波振荡电路起振的条件有两个，分别是相位条件和振幅条件。相位条件是说环路相位移动一定是2π的整数倍，振幅条件是环路增益大于等于1。

汐烊林

maychang 发表于 2023-5-13 15:17 物理专业，应该更清楚加入正反馈使得LC回路的衰减变慢阻尼减小。 模拟课程中有一部分讲到正弦波振荡电 ...

噢~我想起来了，模电确实讲过这个内容，我去复习一下，感谢！！