模拟反馈（精选4篇）
模拟反馈 篇1
摘要：主要探讨模拟电路中关于反馈组态的判断方法。反馈在电子技术中应用十分广泛, 掌握反馈组态的判断方法是分析电路功能的重要内容。作者基于多年的教学实践, 从学生的认知规律出发, 总结出一套易于学生理解的判断反馈组态的教学思路, 提出根据反馈连线的起点和终点位置来判断反馈组态的方法。
关键词：电路,反馈,判断方法
0引言
电路中的反馈应用相当广泛, 放大电路中利用负反馈来改善电路的性能, 振荡电路中正反馈是振荡的必要条件。掌握反馈组态的判断方法既是分析电路功能的基础, 也是提高电路识图能力的需要。电路反馈的判断方法一直是模拟电路的难点之一, 因为反馈电路的组态较多, 结合分立元件、集成运放的各种电路, 变化形式复杂, 需要有很扎实的电路基础知识并要综合应用这些知识进行分析判断。如果不能深刻理解各种电路的特点以及其输入与输出之间的相位关系, 就不容易正确判断正、负反馈;如果不能分辨出电路中的电容是串联在反馈线路中的隔直电容还是与反馈信号并联的旁路电容, 就较难区分反馈的是直流信号、交流信号, 亦或是交直流信号并存;如果不能从反馈信号的取样端看出反馈量取自于输出电压还是输出电流, 就很难确认是电流反馈还是电压反馈;如果不能在反馈信号的叠加端看出反馈信号与输入信号是电流叠加还是电压叠加, 就分不清是并联反馈还是串联反馈。对于职业技术学院的学生, 电子技术的应用能力是学习提高的主要内容, 基本概念必须清晰, 而没有必要对电子理论进行深入而细致的研究, 因此要求教师从学生的知识基础和认知规律出发, 探讨适合学生学习和理解的教学思路, 强调重点, 梳理脉络, 并在总结和归纳方面下工夫, 使学生对重点知识理解快, 印象深, 概念明确, 会应用这些知识来分析问题和解决问题。具体到电路反馈的判断方法, 就是通过各种电路反馈组态的分析和讨论, 提炼出简单而实用的判断步骤, 应用其能够达到快速而准确判断的效果, 从而了解电路的功能和作用。
1关于有无反馈、正负反馈、直流反馈和交流反馈的探讨
分析的思路如下:
课堂教学中, 教师描述概念的准确、简练和生动, 会给学生一个明确而深刻的第一印象;教材上的基本概念用书面语言准确叙述, 且面面俱到, 不易一下子抓住重点, 学生容易泛泛而过, 没有印象。所以提炼概念是教学的基本功, 还要把基本概念串起来, 组成内在联系的知识链, 积累起来形成知识网。比如对于什么是反馈, 可用六个字概括:输出送回输入;有无反馈:看输出端有无连线送回到输入端。一种特殊情况是三极管的发射极电阻具有反馈作用, 虽然没有明显的反馈连线, 但它是输入和输出回路的共用部分, 它把输出信号的变化送回到输入端, 影响着输入信号的变化, 因而具有反馈作用。
正负反馈的判断需要用到瞬时极性法。掌握这个方法的前提是熟悉共发射极、共集电极、共基极电路的特点, 并了解它们的输入与输出相位关系, 例如共射电路的特点是基极输入, 集电极输出, 反相;共集电路是基极输入, 发射极输出, 同相;共基电路的特点是基极通过一个电容交流接地, 发射极输入, 集电极输出, 同相。对于集成运放, 就要掌握同相端输入的信号与输出同相;反相端输入的信号与输出反相。对瞬时极性法的具体应用应先有一个整体观念, 通过先把握知识整体来理解重点部分, 会锻炼和增强学生识别重点的能力, 而能够清楚地区分知识的重要部分与琐碎部分, 是进行有效学习的必要保证。瞬时极性法的实质是假设信号通过放大环节和反馈网络的闭环系统绕一圈, 回来后与原信号的相位做比较, 看看是增强还是削弱原信号。也就是在输入端假设输入信号的极性, 通过放大器得到输出信号的极性, 再经过反馈网络判断回到放大器输入端的反馈信号的极性, 比较其与原假设信号极性的同异。此法判断的难点在于反馈信号送回输入端, 可能回到信号输入端 (如三极管的基极或集成运放ui为正的那端) , 也可能回到信号输入的另一端 (如三极管的发射极或集成运放ui为负的那端) , 如果回到信号输入端, 则反馈信号与原来假设的信号极性相同为正反馈, 相反为负反馈;若反馈回到信号输入的另一端, 则与原设极性相同时为负反馈 (因净输入信号是输入信号与反馈信号之差, 反馈若增加净输入信号反而减少) ;反之为正反馈。
交流反馈与直流反馈判断的关键点是理解电容元件的容抗与信号的频率成反比关系, 电容具有隔直流通交流的作用。电容串接在反馈回路之中时, 隔断了直流信号的反馈, 只反馈交流信号;当反馈的交流信号可以通过旁路的电容C入地时 (如图1) , 在中频研究范围内, 如果旁路电容C足够大, 可以认为电容两端的交流信号基本上等于零, 反馈电压中只有直流成分。交流负反馈改变电路的交流性能, 直流负反馈稳定静态工作点。
2电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反馈的探讨
判断是电压反馈还是电流反馈取决于反馈信号从输出端的取样情况。反馈信号取自于输出电压, 是电压反馈;反馈信号取自于输出电流, 是电流反馈。按照一般教材所说的方法, 将电路的输出端短路, 若反馈信号存在, 是电流反馈;若反馈信号不存在, 是电压反馈。但具体实施时学生普遍反映比较抽象, 不好掌握。采用利用反馈取样起点的位置所在来判断的方法比较实用, 即若反馈连线的取样起点位于放大管或者集成运放的输出端还未与负载连接之处, (按输出信号的流向) 称为取自负载的前端, 反馈量与输出电压成正比, 是电压反馈;若反馈连线的取样起点位于放大管或者集成运放已与负载连接之后的地方, 称为取自负载的后端, 反馈量与输出电流成正比, 是电流反馈。如图2中的左图, 反馈取自于负载的前端, 是电压反馈;图2中的右图, 反馈取自于负载的后端, 是电流反馈。这种方法从纯粹的电路结构入手, 而不牵涉判断反馈信号是否存在的问题, 学生非常容易理解。学习了这种方法后, 再按照教材中的方法, 把输出端短路, 看反馈信号是否存在, 将两种方法作对比, 可以使学生对反馈的取样问题有一个更深层次的理解。
判断是串联反馈还是并联反馈取决于反馈信号在输入端的叠加情况。反馈信号若与输入信号串联, 即反馈电压信号与输入信号电压叠加, 是串联反馈;反馈信号与输入信号并联, 即反馈信号电流与输入信号电流叠加, 是并联反馈。纯粹从反馈信号与输入信号是串联还是并联的方面来分析, 会涉及到电路串联、并联时总电压、电流与分电压、电流之间的关系, 容易弄混, 对于电路分析知识不够扎实的学生有判断方法很复杂的感觉, 如何简单而明了地判断呢?采取的办法仍是将电路原理的分析转变为电路结构的判断, 即看反馈连线的终点在输入端的叠加, 是加在信号输入的一端 (如三极管的基极或集成运放ui为正的那端) , 还是加在信号输入的另一端 (如三极管的发射极或集成运放ui为负的那端) 若反馈信号回到信号输入的那端, 如图3中的右图, 是电流量进行叠加, 属于并联反馈;若反馈信号回到信号输入的另一端, 如图3中的左图, 是电压量进行叠加, 属于串联反馈。利用这种方法只要明确反馈连线回到输入端的终点在三极管的哪个级或在集成运放的哪个端, 就能准确地判断出是串联反馈还是并联反馈。
通过举例分析, 从各种形态的反馈电路中总结出本质的东西:反馈在输出端的取样方式和回到输入端的叠加方式, 也就是反馈连线的起点和终点的位置决定了反馈的组态。取样的反馈信号在负载的前端还是后端决定了是电压反馈还是电流反馈;叠加的反馈信号回到信号输入端还是信号输入的另一端, 决定了是并联反馈还是串联反馈。
3振荡电路中正反馈判断时难点问题的探讨
振荡电路是产生信号的电路, 正确引入正反馈是振荡电路的核心。振荡电路的正反馈判断会涉及到变压器、选频网络的相位等问题, 也是学生反映的学习难点。振荡电路没有外加输入信号, 因此, 在应用瞬时极性法前先要判断电路的输入和输出端。对于分立元件的电路, 要首先确定是哪种电路组态, 其中共集电路的电压放大倍数A≤1, 而反馈取自于输出信号的全部或者部分, 即反馈系数F≤1, 故共集电路不能满足振荡的幅值平衡条件AF=1, 所以共集电路不能单独作为振荡电路。确定了电路组态, 假设断开输入端, 应用瞬时极性法判断电路是否具有正反馈。
LC振荡电路中变压器反馈式和电容、电感三点式电路的正反馈判断, 遇到的难点是当反馈取样于电感线圈的中心抽头或者两个串联电容的中间端点时, 如何确定反馈引回信号的极性?因为中间端点可以有相对于两端的两种极性, 取哪一种的关键是看它相对于地点的电位, 如图4中的电路, 是共基电路, 发射极输入, 集电极输出, 同相, 由变压器的初级耦合到变压器的次级, 中心抽头相对于下端是正, 相对于上端是负, 由于下端接地, 反馈的电压正是中心抽头到地的电压, 故相对于地而言取正极性送回到输入端为正反馈。
电路反馈的判断需要一环扣一环地进行推理和分析。常见的问题是由于反馈中基本概念较多并且涉及电路广泛, 若不及时总结和归纳, 学生学过以后容易问题成堆或者提不出问题, 感觉知识凌乱, 不能形成清晰的知识链。因此教师需要下功夫备课, 仔细考虑从哪儿开讲, 如何转折, 如何小结, 理出一条清晰的脉络, 同时要通过生动的语言、形象的比喻、有效的提问等紧紧抓住学生的心理, 使其跟随教师的思路积极思考, 形成明确的概念, 体会解决问题的方法怎样就能够归纳为循序渐进的具体步骤, 提高分析、综合和解决问题的能力。学习电路反馈判断方法的过程, 也是引导学生参与有效学习的过程, 通过概念的明确和知识的贯通, 促进学生对电子技术持续而深入的探讨, 是我们学习的目的。
参考文献
[1]薛文, 王丕兰.电子技术基础 (模拟部分) [M].北京:高等教育出版社, 2001.
[2]张树江, 王成安.模拟电子技术[M].大连理工大学出版社, 2007.
[3]李毅.思路教学与创新思维能力的培养[N].海口:考试报, 2008-04-15.
模拟反馈 篇2
1 正反馈增强辐射阻尼理论表述
辐射阻尼产生的原因是旋进的磁化强度在射频线圈中产生感应电流,该感应电流又反馈到旋进着的磁化强度本身,使得磁矩沿Z轴方向转动。然而对于低磁场、线圈的敏感度或者线圈的品质因子Q值较低的情况下,辐射阻尼信号微弱。基于增强辐射阻尼作用的考虑,辐射阻尼正反馈增强是指将接收到的磁共振信号,通过外加的反馈通道,反馈到探测线圈中,增强反馈场,反作用于被检测样品上,从而增强辐射阻尼的作用。相关理论表述如下。
1.1 改进的Bloch方程
改进的Bloch方程可以描述具有不同物理参数的每一个磁化矢量的时间演化,当只考虑一类核自旋,在坐标系中核自旋磁化矢量的运动方程由下式表述
式中,M(r,t)为t时刻的自旋磁化矢量,Δω(r)为化学位移,为脉冲梯度场,Br(r,t)为t时刻的辐射阻尼,Bd(r,t)为t时刻的偶极场,D为扩散系数,T1(r)为纵向弛豫时间,T2(r)为横向弛豫时间。矢量M(r,t)、Br(r,t)、Bd(r,t)均有x̂、ŷ、ẑ方向的三个分量矢量。
1.2 辐射阻尼正反馈增强
正反馈增强辐射阻尼由下式表述[3]
式中,放大系数G=γgηQM0/2等同于描述辐射阻尼强度常用的辐射阻尼时间常数1τr,在G中g为正反馈增强的增益值,γ为磁旋比,η为线圈的填充系数,Q为线圈的品质因子,M0则为平衡状态下的净磁矩。式(2)中ϕ代表FID与正反馈信号的相位差,跟反馈场与水平磁矩间的相位相关。
1.3 i MQC经典理论表述
描述核自旋之间远程偶极相互作用的偶极退磁场Bd(r,t)可表示为[5]
式中,μ0为真空中的磁导率,θrr'为核间距矢量与静磁场方向的夹角。显然,Bd(r,t)是对整个样品空间的积分,它呈现的是一种非局部的特性,即任何一处的Bd(r,t)均与整个样品空间各处的磁化矢量有关,并且与样品的形状有关。
2 模拟算法
2.1 基于非线性Bloch方程的MRI模拟算法
文中的模拟采用基于改进Bloch方程的经典模型方法,算法所用的非线性Bloch方程组如下所示
初始磁化矢量M0(r)(一般在方向)在脉冲序列的作用下,沿时间t,按照式(4)的方程组演化。式中包含了多种主要作用在演化过程中对磁化矢量M(r,t)的影响。如:化学位移作用项、梯度场作用项、弛豫作用项T1(r)和T2(r)、辐射阻尼项Br(r,t)、扩散作用项D∇2M(r,t)、偶极场作用项Bd(r,t)。
改进Bloch方程的数值积分采用五阶Runge-Kutta法来计算。此算法可通过对截断误差的估计,自适应调整步长,平衡计算速度,控制计算精度。
对于式(3)中的Bd(r,t)在每一个t时刻,计算样品每一点的偶极场都要对整个样品做一次三重积分,这在计算上,显然非常复杂和困难。Deville等利用卷积定理将式(3)的积分化为傅氏空间的乘积计算[6],从而使得偶极场的计算相当简化。
这里
其中,是傅氏空间的波矢。
2.2 辐射阻尼增强作用项的算法描述
根据辐射阻尼增强理论表述式(2),考虑主要参数,正反馈增强后辐射阻尼的数值化表达式可描述为
式中,分别是t时刻整个样品磁化矢量y方向分量My(t)和x方向分量Mx(t)的平均值。如果脉冲序列作用过程中,射频场B1对整个样品为恒值(这一点在模拟过程中很容易实现),那么辐射阻尼场对于样品的每一位置都是相同值。这样每一个时间步中辐射阻尼只需要计算一次。AF(A,ω,θ,t)表示辐射阻尼增强作用项。
式中,hA(A,t)、hω(ω,t)和h(θ,t)分别为幅度控制、相位控制和延时调整的系统函数。正反馈增强和偶极场等作用下t时刻磁化矢量演化的模拟算法如图1所示。
2.3 模拟样品
文中模拟的样品如图2所示,样品实际大小为2 mm×2 mm×2 mm,模拟区域的样品格点分布数为32×32×32,每个偶极场螺旋距为8个格点,中间阴影区域样品格点分布数为8×8×8,偶极场相干距离dc=150μm,内部的阴影小立方体为样品参数有变化的区域,可设置不同的成像参数,将其定义为I,周围区域定义为O,成像之后的对比度定义[7]为表示对Mz进行z方向的积分后r处的值。
模拟程序采用Matlab编写。在模拟程序中,样品除了全局参数(静磁场、磁旋比等)外,每一格点可以设置相对独立的多个参数,包括磁化量初始值(M0)、弛豫时间(T1、T2)、和化学位移(Δω)等。
3 模拟过程、结果、分析
3.1 辐射阻尼正反馈增强效果的模拟
采用图3所示的脉冲序列进行模拟[8],其中TR=3 000 ms、TE=4.8 ms,在Tprep=50 ms的时间内,首先用一个90°硬脉冲激发模拟样品,之后立即打开辐射阻尼正反馈增强让其作用于样品TFB时间,在时间TFB后施加一个Crusher梯度场(作用10 ms,幅值为20 m T/m)以消除剩余的横向磁化矢量,最后使用梯度回波序列成像。采用图2所示的样品,设定中心处小方块与周围参数一样。T1=865 ms、T2=130 ms,化学位移ω=5 Hz,初始磁化矢量强度M0=0.023 A/m。选取样品中心处(0,0,0)作为观察分析点。
改变辐射阻尼时间常数τr和辐射阻尼作用时间TFB参数,进行辐射阻尼增强特性模拟,在图4a的横坐标表示辐射阻尼作用时间TFB,纵坐标为样品中心处成像信号强度,从中可以看到,当τr一定时(如τr=60),信号强度随着辐射阻尼作用时间TFB的增大而增大,当TFB一定时(如TFB=30 ms),信号强度同样随着辐射阻尼时间常数τr的增大而增大,这一结果表明辐射阻尼越大并且作用时间越久,对于成像信号的增强作用越明显。
保持其他参数不变,改变正反馈增强的相位和增益,图4b的横坐标表示正反馈增强的相位,纵坐标表示样品中心处成像信号强度,结果表明,当增益K一定时(如K=0.8),辐射阻尼相位在200°附近,成像信号强度达到最大,当相位θ一定时(如θ=180°),成像信号强度随着增益K的增大而增大。这组模拟结果说明在文中成像模拟实验中引入辐射阻尼正反馈增强可以提高信号强度,模拟与理论表述中分析的结论一致。
3.2 辐射阻尼正反馈增强和i MQC共同作用模拟
在辐射阻尼正反馈增强作用时,引入i MQC作用,模拟两者共同作用下磁共振信号的变化[9]。使用图5所示的序列模拟在i MQC演化期τq内同时加入辐射阻尼正反馈增强作用的情况。模拟中忽略扩散及不均匀场等的影响。各参数设置如下:,脉冲梯度场G=0.05 T/m,梯度场作用时间δ=1 ms,样品每个体元格点的初始磁化强度M0=0.023 A/m,纵向弛豫时间T1=1 s,横向弛豫时间T2=0.1 s,演化时间τq=10 ms,回波形成时间TE=100 ms。模拟仍然采用图2的样品,样品的中心处正方体内的化学位移比周围大25 Hz,其他参数都一样。
模拟结果如图6所示,不同增益强度的正反馈增强辐射阻尼和i MQC共同作用下与i MQC单独作用下磁化矢量强度演化结果比较,正反馈增强辐射阻尼和i MQC共同作用时比仅有i MQC作用时的信号强度较大,成像效果明亮,在不同的增益参数情况下,信号强度也会各有不同。图7是沿X/Y中点截取的成像信号强度分布图,横坐标表示样品横向点数,纵坐标表示成像的信号强度。当正反馈增强辐射阻尼和i MQC共同作用后,信号强度相对于仅有i MQC时有了较明显提高,通过选取合适的正反馈参数可以显著地增强信号强度,提高成像对比度,模拟结果表明,正反馈增强辐射阻尼和i MQC共同作用时与仅有i MQC作用时相比具有新的成像特性。
3.3 不同参数变化下辐射阻尼正反馈增强和分子间多量子相干共同作用的成像模拟
为了进一步探究共同作用下,不同参数对成像对比度的具体影响情况,使用图5所示序列,序列的各项参数与上一小节相同,在演化时间τq内加入正反馈增强辐射阻尼,让自旋在分子间多量子相干和辐射阻尼效应下演化。采用图2的模拟样品,设定样品的中心处正方体内的一项参数与周围不同,其他参数都一样。
改变正反馈增强的相位θ和增益倍数K参数。模拟结果如图8所示,图8 a横坐标表示增益K的变化,纵坐标表示成像对比度,结果表明,当中心处正方体与周围的化学位移差为一定值时(如Δω=15),正反馈增益K越大成像得到的对比度越大,而在同一正反馈增益情况下(如K=10)化学位移差Δω越大,成像对比度越大。图8 b的横坐标表示相位θ,纵坐标表示成像对比度,结果表明,当化学位移差固定时(如Δω=20),正反馈的相位在0~360°变化,对比度呈现类似正切变化趋势,有增有减。在同一相位处(如θ=180°),化学位移越大,对比度越大,这组结果进一步说明,选择最优的增益和相位参数来增强辐射阻尼,可以得到显著改善的成像效果。
进一步设定样品中心处正方体与样品周围的初始质子密度δm为一微小值,模拟样品微小初始质子密度差情况下辐射阻尼增强对成像对比度的影响。结果如图9所示。图9的横坐标表示增益K的变化,纵坐标表示成像对比度,改变中心处正方体与周围样品的初始质子密度的差值δm,模拟得到正反馈增益K变化时成像对比度的曲线,从图9中可以看到,辐射阻尼正反馈增强可以有效地对具有微小初始质子密度差异的样品提供较好的对比度,与理论表述中正反馈增强辐射阻尼的特性一致。
4 结论
文中模拟了正反馈增强辐射阻尼作用以及结合分子间多量子相干共同作用的成像效果。模拟结果表明,相同作用时间辐射阻尼增强越大,对于成像信号强度的增强作用越明显;相同辐射阻尼下,作用时间越长,对于成像信号强度的增强作用越明显,因此辐射阻尼增强可用于提高磁共振成像对比度。同时结合新的NMR方法(i MQC),通过选取合适的正反馈参数可以显著地增强信号强度,有助于提高对样品的细节分辨率,提高成像对比度。同时结果显示,对具有微小初始质子密度差异的样品,辐射阻尼正反馈增强也可以提供较高的对比度。通过数值模拟分析,正反馈增强辐射阻尼能够为提高磁共振成像对比度提供一种新的有意义的方法。
摘要：如何增强成像对比度是磁共振成像领域的研究热点之一,辐射阻尼(RD)对样品微小差异有较强的敏感性,通过正反馈增强辐射阻尼可提供全新的对比度机理。通过建立正反馈增强模拟算法,模拟分析了不同参数下的对比度机理,并结合新的磁共振方法(iMQC),探究了共同作用下的磁共振成像特性。这将有助于探索辐射阻尼在磁共振成像领域的应用。
关键词：磁共振成像,辐射阻尼,分子间多量子相干
参考文献
[1]Huang SY,Sophia S Yang,Lin YY.Sensitivity of feed back-enhanced MRI contrast to macroscopic and micro scopic field variations[J].Magnetic Resonance in Medicine,2009,61:925-936.
[2]黄圣言,林永雅,黄良平.利用主动式回馈场的磁共振成像研究[J].波谱学杂志,2010,27(3):410-416.
[3]Huang SY,Furuyama JK,Lin YY.Designing feed back-based contrast enhancement for in vivo imaging[J].Magnetic Resonance Materials in Physics,Biology and Med icine,2006,19:333-346.
[4]Garrett-Roe S,Warren WS.Numerical studies of intermo lecular multiple quantum coherences:High-resolution NMR in inhomogeneous fields and contrast enhancement in MRI[J].Journal of Magnetic Resonance,2000,146:1-13.
[5]Cai CB,Lin YL,Cai SH,et al.Flat pancake distant dipolar fields for enhancement of intermolecular multiple-quantum coherence signals[J].Journal of Chemical Physics,2012,136:094503.
[6]V V Krishnan,Nagarajan Muralic.Radiation damping in modern NMR experiments:Progress and challenges[J].Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,2013,68:41-57.
[7]Sandip Datta,Susie Y.Contrast enhancement by feedback fields in magnetic resonance imaging[J].Journal of Chemis try Physics,2006,110:22071-22078.
[8]Huang SY,Thomas Witzel,Lawrence L.Accelerated radia tion damping for increased spin equilibrium(ARISE):A new method for controlling the recovery of longitudinal mag netization[J].Magnetic Resonance in Medicine,2008,60:1112-1121.
模拟反馈 篇3
关键词：《模拟电子技术》,负反馈,并联负反馈,串联负反馈,观察法
1.引 言
在多年的《模拟电子技术》课堂教学中,尽管教学设备越来越先进,自我教学水平越来越高,教学技巧越来越娴熟,可是学生对《模拟电子技术》的学习效果并不是越来越好。《模拟电子技术》是一门专业基础课,量大难学,知识点多且难点多,最初学生学有兴趣和信心,但随着内容的深入,越来越难,放弃的学生较多,这么多年这个问题始终困扰着我,经过我的不断思考和对学生的了解,明白了一些问题的所在。固然模电的知识难点很多,但在这里,我就模电的知识难点之一:负反馈组态判别提出一种新的思维判别法。
2.负反馈组态的构成
反馈的定义为:将电子系统输出回路的电量(电压或电流),送回到输入回路的过程。如图1所示:
其中:Xi反馈放大电路的输入信号;xf反馈信号;xid基本放大电路的输入信号 (净输入信号);X0输出信号而负反馈的定义为:如从输出端看:输入量不变时,引入反馈后输出量变小了。如从输入端看:引入反馈后,使净输入量变小了。而我们常用的判别角度为从输入端。其表达式为:xid= xi-xf,其中净输入量可以是电压,也可以是电流。
由框图可知基本放大电路实际输入量为xid, 输出量为X0,而反馈网络的输入量是X0,输出量是xf,对于X量在电路中可以是电压或是电流,故此负反馈组态的组成由三方面构成:输出+输入+极性。输出为取样对象:电压或电流,输入为连接方式:串联或并联,故组态有四种:电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈。
3.传统的判断方法
判断顺序为:先是极性,接着是输入,最后是输出。而极性判别采用瞬时极性法,即在电路中,从输入端开始,沿着信号流向,标出某一时刻有关节点电压变化的斜率(正斜率或负斜率,用“+”、“-”号表示)。如图2所示:
就此还未能得出是正反馈或是负反馈, 还要结合净输入量xid= xi-xf是增加还是减少,才能确定为正反馈或是负反馈。图2因原来输入为正,反馈输出为负,使得净收入减少,故为负反馈。
输入的判别采用输入信号短路法,如果XI=0,xid=0,则为并联,如图3(a)所示,否则为串联,如图3(b)所示。
输出的判别为采用负载短路法,将负载短路(未接负载时输出对地短路),反馈量为零———电压反馈,如图4(a)所示。将负载短路,反馈量仍然存在———电流反馈,如图4(b)所示。
采用传统判别方法,学生始终学不好,在实际学习中不能快速有效地加以运用, 故此提出一种直观的判别方法:观察法。
4.观 察法
对于极性判别还要用采用瞬时极性法,对于其他两项采用观察法会更通俗易通。
4.1输 入的观察法
对输入来讲,净输入量无非是两种物理量:电压或电流。而对于电压,满足xid= xi-xf的,只有vid=vi- vf,而该公式反应的是KVL定律,且串联具有分压特性,故当输入以电压形式求和(KVL) -vi+vid+vf=0,即vid=vi- vf时,则为串联负反馈。那该如何观察呢?既然是串联,那么xid、xf、xi三量肯定不在同一节点,这就好判别了。如图5所示:
就看xid、xf在不在同一节点可以,图6就可以直接看出三量在同一节点,则为并联。
对于电流,满足xid= xi-xf,只有iid=ii-if,而该公式反应的是KCL定律,且并联具有分流动特性,故当输入以电流形式求和(KCL)ii-iid-if=0即iid=ii-if,则为并联负反馈。以图7为例,原输入为T1,而反馈输出接于T2,显然两输入信号不在同一节点,故为串联负反馈。
4.2输 出的观察法
在输出回路中,因X0作为反馈的输入,故有电压与电流两种物理量,量不同,反馈信号也不同,同样的道理,采用观察法很直观、简单、通俗易懂、便于掌握和运用,从而使得学生化难为易,解题达到快速有效。如图8所示,根据观察,输出为并联结构,则为电压负反馈。
如图9所示 ,根据观察 ,输出为串 联结构 ,则为电流 负反馈。
5.结 语
模拟反馈 篇4
利用Lab VIEW实现模拟电路课程教学, 可以随时使学生应用仪器对实验进行操作, 真正做到理论与实践结合的授课方式, 实现一边上课一边操作实验, 学生能现场操作仪器, 立即检验理论知识, 强化了教学效果。学生还可以利用课余时间反复操作仪器, 老师就不用担心仪器被破坏了或者担心安全问题。Lab VIEW虚拟实验能够复现电子技术实验室的内容, 可以实时监测实验的动态情况和实现原理, 为学生们提供大量的实验机会, 对实现理论与实践相结合有很大的帮助, 不仅能提高学生的创新能力, 而且还节约成本, 不断的更新换代, 加上目前计算机的普及, 实现现场设计仿真比较方便。模拟电子技术实验是电子类专业非常重要的基础课程, 因此在模拟电路课程教学中有重要意义[4]。
1 负反馈放大电路介绍
反馈放大电路由基本放大电路、反馈支路和比较环节组成。负反馈的用途很广, 在电子线路的应用中, 对改进放大电路的性能起到很重要的作用。放大器中的负反馈就是把基本放大电路输出量的一部分或全部按一定的方式送回到输入回路, 来影响净输入, 对放大电路起自动调整作用, 使输出量趋向于维持稳定。负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用, 虽然它使放大器的放大倍数降低, 但能在多反面改善放大器的动态指标, 如稳定放大倍数, 改变输入、输出电阻, 减少非线性失真和展宽通频带等。因此, 几乎所有使用的放大器都带有负反馈[5]。
本文是基于两级共射放大电路引入电压串联负反馈来分析的。下图为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路, 当A、B相连接时, 在电路中通过Rf把输出电压uo引回到输入端, 加在晶体管T1是的发射极上, 在发射极电阻上形成反馈电压uf, 电路图如图1所示。
(1) 负反馈可使放大电路的增益下降, 负反馈放大电路的闭环电压放大倍数Avf与开环电压放大倍数Av之间的关系为:
式 (1) 中, Fv是反馈系数;
引入负反馈后, 电压放大倍数Avf比没有负反馈时的电压放大倍数Av降低了 (1+Av Fv) 倍, 并且1+Av Fv越大, 放大倍数降低越多。
(2) 负反馈可提高增益的稳定性, 当环境或者元件参数发生变化时, 会引起放大器增益变动, 可以用增益的相对变化量来评价放大电路增益的稳定性。引入开环放大倍数的相对变化量ΔA/A来描述开环放大倍数的程度, 其中ΔA表示各种原因引起的放大电路开环放大倍数的变化量, 该变化量除以放大倍数, 即为开环放大倍数的相对变化量, 如式 (3) 。ΔA/A越小就表示放大倍数越稳定。同理, ΔAf/Af反映闭环放大倍数的稳定性。
上式表明, 负反馈放大电路闭环放大倍数的不稳定程度ΔAf/Af是开环放大倍数不稳定程度ΔA/A的1/ (1+AF) 倍, 也就是说, 有各种原因引起开环放大倍数产生ΔA/A的相对变化量时, 引入负反馈后闭环放大倍数的相对变化量时, 引入负反馈后闭环放大倍数的相对变化量ΔAf/Af将减少到前者的1/ (1+AF) , 这将明显提高放大倍数的稳定性。
(3) 串联负反馈电路对输入电阻输出电路的影响, 放大电路引入负反馈后, 其输入输出电阻也随之变化。不同类型的反馈对输入、输出电阻的影响个不相同, 因此, 在放大电路设计时可以选择不同类型的负反馈以满足对于输入、输出电阻的不同需要。凡属于串联负反馈电路, 其输入电阻都会增加, 增加的程度与反馈深度与 (1+Av Fv) 有关:
凡属于电压负反馈电路, 其输出电阻都减少, 减少的程度与反馈深度 (1+Av Fv) 有关:
2 基于Lab VIEW的负反馈电路设计与实现
(1) GDS-3152与Microchip数据采集卡的比较
GDS-3152系列采用VPO (Visual Persistence Oscilloscope) 信号处理技术, 以高速波型更新率以及多层次余晖显示来提高波型显示能力的效能。Microchip采集基于USB通信控制的多功能数据采集卡, 集成了直流电压量, TTL输出, TTL输入, 以及PWM或可编程直流电压信号输出模块, 可用于产品自动化测试, 工业现场监测与控制、高等院校科研与教学等多种领域。
如图2、3所示, 从图形的采集来看, 利用GDS-3152数字示波器所采集到的波形比Microchip数据采集卡采集到的波形更为平滑[6]。处理数据的速度方面GDS-3152数字示波器对数据的处理是其他区普通采集卡无法达到的。Microchip数据采集卡所采集到的波形不能把负电压在波形显示控件上显示出来, 必须依赖直流偏置才能把整个波形显示出来。但是从经济性来看, GDS-3152数字示波器比较昂贵, 用于做普通的波形测试有点浪费, Microchip数据采集卡携带方便。通过比较两者的优缺点本文选择GDS-3152数字示波器结合Lab VIEW的方案进行后续仿真设计。
(2) 基于Lab VIEW的负反馈放大电路实现
按照负反馈放大电路的电路参数, 分别把他们输入到lab VIEW的输入控件中, lab VIEW的背面板照电路图编写有计算电路静态工作点的程序流程图。当运行仿真的时候, lab VIEW就会按要求计算出静态工作点和动态工作点。前面板的设计如图4所示, 后面板的示波器采集部分使用双通道采集VI[7,8]。
3 基于lab VIEW的负反馈电路结果分析
由图5和图6可以看出, 第一级的输出幅值比第二级的输出的幅值要小, 验证了晶体管对电路具有放大作用。由图7和图8所示当电路中存在负反馈时, 电路输出的波形比较稳定, 虽然使电路的放大倍数下降了, 但是能换取其他性能的改善。例如提高放大倍数的稳定性、扩展通频带、减少非线性失真等。当没有负反馈时电路中输出的波形有较大的噪声干扰, 导致波形有毛刺。由于晶体管是非线性器件, 在输入信号较大时, 将引起基极电流波形的失真, 从而使放大电路输出的波形也产生失真。引入负反馈后, 由于反馈网络是线性网络 (通常由电阻组成) , 不会引起失真, 所以取自输出信号的反馈信号, 将大大减少非线性失真[9]。
4 结束语
模拟电子电路时电子类专业必不可少的课程, 理论与实验的相结合也正是现在需要探讨的教学方法。利用lab VIEW建立模拟电子电路实验仿真平台, 减少了调试仪器的时间, 更能直观的分析结果。应用虚拟仪器技术构建的采集、分析系统, 降低了测试成本, 提高了工作效率, 增强了系统的灵活性, 提升了教学效率。
摘要：基于LabVIEW仿真了模拟电子电路实验中的负反馈放大电路, 通过信号发生器给电路提供信号源, 利用数据采集卡采集电路输出信号, 然后用LabVIEW显示分析处理了采集信号, 并计算了电路的静态工作点。对其中的数据采集部分设计了两种方案, 利用GDS-3152数字示波器结合LabVIEW和经济实惠的Microchip数据采集卡对电路的输出波形分别进行采集分析, 通过比较两者的优缺点选择出了GDS-3152数字示波器结合LabVIEW的方案进行仿真设计, 结果显示仿真效果较好。
关键词：虚拟仪器,Labview,教学实验,模拟电路
参考文献
[1]柴慧霞, 程珩, 薛松.虚拟仪器浅析[J].机械管理开发, 2008, 4 (4) :172-173.
[2]陈国顺, 张桐.精通Lab VIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社, 2012.
[3]王海宝.Lab VIEW虚拟仪器程序设计与应用[M].成都:西南交通大学出版社, 2005:48-52.
[4]周井玲, 蔡文.基于Lab VIEW的教学实验研究[J].南通工学院学报 (自然科学版) , 2004, (3) :88-90.
[5]唐辉平, 彭良玉.基于Lab VIEW的模拟电路实验教学平台设计[J].现代电子技术, 2013, (12) :145-147.
[6]固纬电子发表GDS-3000系列数字示波器[J].电子测量技术, 2010, (10) :116-119.
[7]陈树学.Lab VIEW实用工具详解[M].北京:电子工业出版社, 2014.
[8]江晓安, 董秀峰.模拟电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008:176-178.