CN206975897U - 一种忆阻器物理模型特性演示装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种忆阻器物理模型特性演示装置，其结构包括开关电源、函数信号发生器、跟随电路、主电路模块、双踪示波器；其中，开关电源的第一电输出端口接函数信号发生器的电输入端口；开关电源的第二电输出端口接跟随电路的电输入端口；开关电源的第三电输出端口接主电路模块的电输入端口；函数信号发生器的信号输出端口同时接跟随电路的信号输入端口和双踪示波器的CH1端口；跟随电路的信号输出端口接主电路模块的信号输入端口；主电路模块的信号输出端口接双踪示波器的CH2端口。优点：1、增加了演示的趣味性和互动性；2、参数可调，直观的看出曲线的变化；3、体积小，便于携带和展示。
Description
技术领域
本实用新型是一种忆阻器物理模型特性演示装置，属于教学实验演示技术领域。
背景技术
忆阻器，全称记忆电阻，它是表示磁通与电荷关系的电路器件，忆阻具有电阻的量纲，忆阻的阻值是由流经它的电荷确定,通过控制电流的变化可改变其阻值，改变施加的激励信号，忆阻器阻值发生变化；一般的电阻阻值是一个固定值，无论两端施加什么不同的信号，其阻值不会改变，但是忆阻器，你改变两端激励，可以清晰看见示波器上图案斜率的变化，即忆阻器阻值的变化，从而起到记忆电流（电荷）的作用；如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。
目前在世界范围内，研究忆阻器已经成为一种热潮，但是真正的忆阻器的实物目前还无法制造生产，忆阻器的研究比较落后，由于其在非易失性阻抗存储器（RRAM）上拥有巨大的应用前景，如可实现计算机的瞬间开启、掉电后数据不丢失、模拟人脑学习思维等等，这就促使我们不得不加快脚步，让更多的人去了解和认识忆阻器。
实际教学中，忆阻器作为一种创新的概念往往让学生们感到陌生，很多人甚至不知忆阻器为何物，教材中也没有加入这一概念,如果仅仅停留在理论讲解的层次，学生很难理解，无法激发学生的研究兴趣，我们在经过一段时间的理论研究后，着手构建忆阻器物理模型，目的在于将忆阻器所具有的特性生动形象的展现出来，作为教学实验的展示，激发更多学者对忆阻器研究的兴趣，使我国在忆阻器研究方面加快脚步。
实用新型内容
本实用新型提出的是一种忆阻器物理模型特性演示装置，其目的旨在通过本实用新型将忆阻器的概念及其物理特性展示出来，方便学生学习理解，为学生以后的研究做铺垫，激发学生的研究兴趣。
本实用新型的技术解决方案：忆阻器物理模型特性演示装置，其结构包括开关电源1、函数信号发生器2、跟随电路3、主电路模块4、双踪示波器5；其中，开关电源1的第一电输出端口接函数信号发生器2的电输入端口；开关电源1的第二电输出端口接跟随电路3的电输入端口；开关电源1的第三电输出端口接主电路模块4的电输入端口；函数信号发生器2的信号输出端口同时接跟随电路3的信号输入端口和双踪示波器5的CH1端口；跟随电路3的信号输出端口接主电路模块4的信号输入端口；主电路模块4的信号输出端口接双踪示波器5的CH2端口。
本实用新型的优点：
1、可在装置中加入可调节按钮，使其在演示物理模型特性时能通过改变电路中的数据观察曲线的变化，通过电路中某些电阻值或元件对整个物理模型的影响，大大地增加了演示的趣味性和互动性，并将信号发生器，开关电源最小化地融合进一个实验装置中，使其科学展示过程更加便捷化；演示更加便捷；
2、将忆阻器物理模型实物化，整合成一个实验装置，能够方便且清晰的展示忆阻器的电流电压滞回曲线，并通过调节按钮，实现参数可调，直观的看出曲线的变化；
3、整合成一个实验装置，体积小，便于携带和展示。
附图说明
附图1是忆阻器物理模型特性演示装置结构示意图。
附图2是主电路模块的结构示意图。
附图3是跟随电路模块的结构示意图。
附图中1是开关电源、2是函数信号发生器、3是跟随电路、4是主电路模块、5是双踪示波器、U1是第一个运算放大器芯片，U2是第二个运算放大器芯片，U3是第三个运算放大器芯片，U4是第四个运算放大器芯片，U5是第五个运算放大器芯片，A1是第一个乘法器，A2是第二个乘法器。
具体实施方式
对照附图1，忆阻器物理模型特性演示装置，其结构包括开关电源1、函数信号发生器2、跟随电路3、主电路模块4、双踪示波器5；其中，开关电源1的第一电输出端口接函数信号发生器2的电输入端口；开关电源1的第二电输出端口接跟随电路3的电输入端口；开关电源1的第三电输出端口接主电路模块4的电输入端口；函数信号发生器2的信号输出端口同时接跟随电路3的信号输入端口和双踪示波器5的CH1端口；跟随电路3的信号输出端口接主电路模块4的信号输入端口；主电路模块4的信号输出端口接双踪示波器5的CH2端口。
所述主电路模块4包括第一个运算放大器芯片U1，第二个运算放大器芯片U2，第三个运算放大器芯片U3，第四个运算放大器芯片U4，第五个运算放大器芯片U5，第一个乘法器A1，第二个乘法器A2；其中第一个运算放大器芯片U1和第二个运算放大器芯片U2串联，第二个运算放大器芯片U2的输出端同时接第四个运算放大器芯片U4的输入端和第二个乘法器A2的第一端口，第四个运算放大器芯片U4和第五个运算放大器芯片U5串联，第五个运算放大器芯片U5的输出端接第二个乘法器A2的第二端口，第二个乘法器A2的第三端口接第一个乘法器A1的第二端口，第一个乘法器A1的第三端口接第三个运算放大器芯片U3的第一输入端，第三个运算放大器芯片U3的第二输入端、第一个乘法器A1的第一端口、第一个运算放大器芯片U1的输入端三者经过主电路模块4的信号输入端口同时与跟随电路3的信号输出端口相接，第三个运算放大器芯片U3的输出端为主电路模块4的信号输出端口。
所述第一个运算放大器芯片U1，第二个运算放大器芯片U2，第三个运算放大器芯片U3，第四个运算放大器芯片U4，第五个运算放大器芯片U5均优选型号为OP07CP的运算放大器芯片，该芯片是高精度运放集成芯片，用于对微弱信号的放大。
所述第一个乘法器A1，第二个乘法器A2均优选型号为AD633JN的乘法器芯片，该芯片为四象限模拟乘法器。
第一个运算放大器芯片U1实现对输入信号的放大；第二个运算放大器芯片U2与外接电容、电阻构成积分器；第三个运算放大器芯片U3构成电流转换器；第四个运算放大器芯片U4、第五个运算放大器芯片U5、第二个乘法器A2构成绝对值函数电路；第二个乘法器A1实现两路信号的相乘。
所述主电路模块4是将忆阻器的等效电路物理模型具体化，用实际芯片与元件来模拟实现忆阻器的特性。
所述跟随电路3包括若干级电压跟随器，第一级电压跟随器的输入端作为跟随电路3的信号输入端口接函数信号发生器的第一信号输出端口，第一级电压跟随器的输出端接下一级电压跟随器的输入端，经过若干级电压跟随器后，最后一级电压跟随器的输出端作为跟随电路3的信号输出端接主电路模块4的信号输入端口；优选跟随电路3采用两级电压跟随器，每一级电压跟随器由一块型号为OP07CP的运算放大器构成；加入电压跟随器，能够减少内部和外界干扰，让实验现象更加清晰稳定。
所述开关电源1为内置电源，开关电源1外接220V交流电。
使用时，所述开关电源1给函数信号发生器2提供+12V,0V电压；所述开关电源1给跟随电路3提供+12V，-12V电压；所述开关电源1给主电路模块4提供+12V,-12V电压；所述函数信号发生器2给跟随电路3提供1V,20HZ正弦信号；函数信号发生器2提供同样的1V,20HZ正弦信号给双踪示波器5的CH1端口。
所述函数信号发生器用来为跟随电路3提供激励信号Ui,也就是1V,20HZ正弦信号，函数信号发生器2为基于芯片ICL8038的函数信号发生器。
所述双踪示波器5包括CH1和CH2两个通道。
所述忆阻器物理模型特性演示装置还包括调节旋钮。
所述忆阻器物理模型特性演示装置还包括调节旋钮，所述调节旋钮是从主电路模块4中引出相应的导线外接，在不影响原回路的情况下通过调节电流反馈电阻实现参数的可调节。
本实用新型使用时，在双踪示波器5上显示有滞回曲线，滞回曲线的横轴表示的是输出电压，纵轴表示输入电压，同时反映输入电流的大小，曲线的斜率表示的是该装置内部电阻的电导值，通过调节电流反馈电阻,间接改变输入的电流大小，可以发现，双踪示波器5上的曲线斜率发生改变，即忆阻器的阻值发生变化，反映出忆阻器阻值随施加信号变化而变化的性质，区别于传统电阻阻值的线性，充分体现其记忆特性。
也可从通过函数信号发生器2模块上的可变电阻调节激励信号的频率，可发现滞回曲线与频率的大小成反比，即滞回曲线随频率的增大而减小，且曲线上的斜率也逐渐减小。
本实用新型最大程度的进行了小型化，其中容纳了开关电源1、函数信号发生器2、跟随电路3、主电路模块4，连接双踪示波器5，方便观察其特性，同时该装置内部参数可调，更加充分的模拟和显示了忆阻器阻值随电流变化的特性。
Claims (3)
1.忆阻器物理模型特性演示装置，其特征是包括开关电源、函数信号发生器、跟随电路、主电路模块、双踪示波器；其中，开关电源的第一电输出端口接函数信号发生器的电输入端口；开关电源的第二电输出端口接跟随电路的电输入端口；开关电源的第三电输出端口接主电路模块的电输入端口；函数信号发生器的信号输出端口同时接跟随电路的信号输入端口和双踪示波器的CH1端口；跟随电路的信号输出端口接主电路模块的信号输入端口；主电路模块的信号输出端口接双踪示波器的CH2端口。
2.根据权利要求1所述的忆阻器物理模型特性演示装置，其特征是所述主电路模块包括第一个运算放大器芯片U1，第二个运算放大器芯片U2，第三个运算放大器芯片U3，第四个运算放大器芯片U4，第五个运算放大器芯片U5，第一个乘法器A1，第二个乘法器A2；其中第一个运算放大器芯片U1和第二个运算放大器芯片U2串联，第二个运算放大器芯片U2的输出端同时接第四个运算放大器芯片U4的输入端和第二个乘法器A2的第一端口，第四个运算放大器芯片U4和第五个运算放大器芯片U5串联，第五个运算放大器芯片U5的输出端接第二个乘法器A2的第二端口，第二个乘法器A2的第三端口接第一个乘法器A1的第二端口，第一个乘法器A1的第三端口接第三个运算放大器芯片U3的第一输入端，第三个运算放大器芯片U3的第二输入端、第一个乘法器A1的第一端口、第一个运算放大器芯片U1的输入端三者经过主电路模块的信号输入端口同时与跟随电路的信号输出端口相接，第三个运算放大器芯片U3的输出端为主电路模块的信号输出端口。
3.根据权利要求1所述的忆阻器物理模型特性演示装置，其特征是所述跟随电路包括若干级电压跟随器，第一级电压跟随器的输入端作为跟随电路的信号输入端口接函数信号发生器的第一信号输出端口，第一级电压跟随器的输出端接下一级电压跟随器的输入端，经过若干级电压跟随器后，最后一级电压跟随器的输出端作为跟随电路的信号输出端接主电路模块的信号输入端口。
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