電子系統(tǒng)概述最新PPT課件

1、1 abc 2 1.1電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng) 1.2 信號(hào)及其頻譜 1.3 電子系統(tǒng)組成框圖 1.4 電子技術(shù)及其發(fā)展概述 第第1章章 電子系統(tǒng)概述電子系統(tǒng)概述 學(xué)習(xí)本章后，讀者將了解： 實(shí)際的兩大電路系統(tǒng): 電力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的主要功能； 信號(hào)的概念，典型信號(hào)的頻譜； 電子系統(tǒng)的組成框圖； 電子技術(shù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史。 3 1.1 電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng) 實(shí)際電路系統(tǒng)主要有電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要作用：實(shí)現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配 和使用。電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)和電力用戶組成 的整體，是將一次能源轉(zhuǎn)換成電能并輸送和分配到用戶的一個(gè)統(tǒng) 一系統(tǒng)。 4 發(fā)電廠

2、發(fā)電廠： 通過發(fā)電機(jī)等設(shè)備將一 次能源轉(zhuǎn)換成電能。 水利發(fā)電廠：水的勢(shì)能電能 5 火力發(fā)電廠：化學(xué)能（燃燒煤、石油等）電能 核電廠：原子能電能。 其它：太陽能、風(fēng)能等。 6 輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)是由電力變壓器、電力線路、電力開關(guān)設(shè)備 和電力電容器等組成的、跨越廣大地理區(qū)域的一個(gè)巨大電路。 變電站：變壓器，電容器，電力開關(guān)設(shè)備 7 變電站 8 輸電線路：桿塔，絕緣子，導(dǎo)線 9 電子電路是由電子元件組成的、實(shí)現(xiàn)特定功能的電路。 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)是由電子電路和傳輸介質(zhì)組成的、完成特定功能 的整體。 10 計(jì)算機(jī)主板 11 與電力系統(tǒng)處理能量不同，電子系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電信 號(hào)的產(chǎn)生、獲取、

3、放大、變換、傳輸、識(shí)別和應(yīng)用等功能（或部 分功能），處理的對(duì)象是電信號(hào)。 信號(hào)信號(hào)是隨時(shí)間變化的某種物理量，是信息的表現(xiàn)形式與傳 送載體。例如，體溫反映人的健康信息，體溫37oC表示健康， 38oC表示略有小疾。 一般情況下，用電子系統(tǒng)處理電信號(hào)(電壓或電流)比其他方式 （如機(jī)械方式）容易、成本低和可靠性高，故通常將各種非電信 號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再進(jìn)行處理。 因此,電子系統(tǒng)成為信息化社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，例如通信系統(tǒng)、電 視系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)等。 12 例如， 有線擴(kuò)音系統(tǒng) 拾音器 音頻 放大器 揚(yáng)聲器 傳感器傳感器(或換能器或換能器)：將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，是電子 系統(tǒng)實(shí)際的信號(hào)

4、源之一。 音頻放大器：音頻放大器：實(shí)現(xiàn)電壓和功率放大的電子電路。 電壓 （弱） 電壓 （強(qiáng)） 聲音 （強(qiáng)） 聲音 （弱） 執(zhí)行器：執(zhí)行器：將電信號(hào)還原為原始的非電信號(hào)的部件，去影響物理世 界。通常用電阻模擬，作為電子系統(tǒng)的負(fù)載。 13 1.2 信號(hào)及其頻譜（了解） 信號(hào)信號(hào)是隨時(shí)間變化的某種物理量，是信息的表現(xiàn)形式與傳 送載體 。 傳感器作為電子系統(tǒng)的一種實(shí)際信號(hào)源,可等效為電壓源或 電流源,是時(shí)間的函數(shù)。 R + - )(tv R)(ti 1.2.1 信號(hào)信號(hào) 14 如果電壓（或電流）在某個(gè)值域內(nèi)可連續(xù)取值則稱為連續(xù) 信號(hào)或模擬信號(hào)。 例如，電壓是時(shí)間的正弦函數(shù) )sin()(tVtv m

5、值域: -Vm,+Vm 如果電壓（或電流）在某個(gè)值域內(nèi)只能是某個(gè)單位量的整 倍數(shù)則稱為離散信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。 例如，單位量為1mV，數(shù)字電壓信號(hào)的幅值只能是0 mV、 1 mV、2 mV、n mV 。 )(tv )(tv)(tv t o t o 模擬信號(hào)模擬信號(hào) t o 多值數(shù)字信號(hào)多值數(shù)字信號(hào) 二值數(shù)字信號(hào)二值數(shù)字信號(hào) 15 模擬電路模擬電路（Analog Circuit）是處理模擬信號(hào)的電子電路，是 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)要討論的主要內(nèi)容。 數(shù)字電路數(shù)字電路(Digital Circuit)是是處理數(shù)字信號(hào)的電子電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(Analog to Digital Converte

6、r, ADC)是實(shí)現(xiàn)模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電子電路。 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（Digital to Analog Converter, DAC)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電子電路稱為 16 1.2.2 信號(hào)的頻譜信號(hào)的頻譜 信號(hào)承載的重要信息之一是它的頻譜信息。 角頻率相位，幅度信息：例如,)sin()(, mm VtVtv 正弦信號(hào)常作為模擬電路的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或測(cè)試信號(hào)。 幅度頻譜幅度頻譜：信號(hào)幅度與頻率的關(guān)系 相位頻譜相位頻譜：信號(hào)相位與頻率的關(guān)系 幅度頻譜和相位頻譜幅度頻譜和相位頻譜統(tǒng)稱為信號(hào)的頻譜。 1. 周期信號(hào)的頻譜周期信號(hào)的頻譜 如果信號(hào)是時(shí)間的周期函數(shù)則稱為周期信號(hào)。

7、)()(,Ttvtvv例如 T f 1 T-信號(hào)的周期-信號(hào)的頻率 17 ;)( 0 0 存在 Tt t dttv 如果周期信號(hào)滿足狄里赫利條件（Dirichlets Condition）， 則可展開為傅里葉級(jí)數(shù)。狄里赫利條件： 在任意周期內(nèi)絕對(duì)可積，即 在任意周期內(nèi)只有有限個(gè)極值； 在任意周期內(nèi)只有有限個(gè)不連續(xù)點(diǎn)； n n nnnn Tt t Tt t n Tt t n n nnn n n b a baVdttv T aV dttntv T bdttntv T a T f tnVVtnbtnaatv arctan)( 1 )sin()( 2 )cos()( 2 1 22 : )sin()si

8、n()cos()( 22 00 00 00 1 000 1 00 0 0 0 0 0 0 角頻率 直流分量 n=1：基波分量n1：諧波分量 交流分量 傅 里 葉 級(jí) 數(shù) 18 例 求電壓周期方波信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù) 。 Tnt T n T ntnTV tv S ) 1( 2 ) 12(0 2 ) 12( )( 解： t o VS T2T o Vn() VS/2 03050 o 03050 波形幅度譜相位譜 )(tv)( n 00 000 2 1 2 5sin 5 2 3sin 3 2 sin 2 2 )( f T t V t V t VV tv SSSS n n n b a arctan； 19

9、2 1 22 0 1 ) 2 1 ( 1 V R VV R P n n ) 2 1 ( 1 22 0 n n VVV 2/ n V 周期電壓信號(hào)作用到電阻R上的平均功率P為 V是電壓信號(hào)的有效值， 總平均功率等于各次分量平均功率之和總平均功率等于各次分量平均功率之和。 是各次正弦波的有效值。 所以,信號(hào)的幅度譜反映了信號(hào)的功率分布功率分布，是信號(hào)最重要 的特性之一。 20 如果周期T趨于無窮大，則周期信號(hào)變化為非周期信號(hào)。 因此，非周期信號(hào)的角頻率0=2/T是無窮小量，信號(hào)的頻譜將 在角頻率軸上連續(xù)分布。 2. 非周期信號(hào)的頻譜（非周期信號(hào)的頻譜（略略） dttv )( 如果模擬信號(hào)絕對(duì)可積絕

10、對(duì)可積，即 則存在傅里葉變換對(duì): 1 )( 2 1 )( )()( j dejVtv dtetvjV tj tj V(j)即是非周期信號(hào)的頻譜。其中V(j)是相位譜，|V(j)| 是幅度譜，|V(j)|2是功率譜。 21 例 求電壓?jiǎn)蚊}沖信號(hào)的頻譜: t tV tv S 0 )( 2 sin 2 )()( S tj S tj V dteVdtetvjV 解: )(tv t o VS - 幅度譜是連續(xù)分布的，并且脈沖寬度（2）越窄，高頻分量 越多；頻譜幅度與脈沖幅度和脈沖寬度之積（VS）成正比。 o |V(j)| VS 2 4 6 22 在工程實(shí)際中，信號(hào)作用的時(shí)段通常是有限的，滿足絕對(duì)可 積條

11、件，信號(hào)的頻譜總是存在的。 例如，音頻信號(hào)的頻譜在20Hz,20kHz范圍內(nèi)連續(xù)分布。 對(duì)工程實(shí)際問題有重要影響的信號(hào)稱為有用信號(hào)(有效信號(hào)), 通常有用信號(hào)的頻譜范圍是有限的。 表1.2.2 典型信號(hào)的頻率范圍 信 號(hào)頻率范圍信 號(hào)頻率范圍 心電信號(hào)0.05Hz200Hz調(diào)頻無線電信號(hào)88MHz108MHz 音頻信號(hào)20Hz20kHz超高頻電視信號(hào)470MHz806MHz 模擬電視信號(hào)直流4.5MHz衛(wèi)星電視信號(hào)3.7GHz4.2GHz 調(diào)幅無線電信號(hào)540kHz1600kHz 23 電子電路總是處在復(fù)雜的電磁環(huán)境中。因此,除了有用信號(hào) 外,工程實(shí)際問題中還存在干擾和噪聲信號(hào)。 3. 干擾和

12、噪聲信號(hào)的頻譜 自然界的雷電、電力輸電線路、無線電臺(tái)和電視臺(tái)、電動(dòng)機(jī) 的起停等產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象必然在電子電路中產(chǎn)生電壓或電流脈沖電壓或電流脈沖 信號(hào)信號(hào)，它們對(duì)電子電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾，稱為干擾信號(hào)干擾信號(hào)，其 頻譜分布與單脈沖信號(hào)相似，包含有豐富的高頻分量高頻分量。 )(tv t o VS - o |V(j)| VS 2 4 6 24 噪聲噪聲是指電子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的對(duì)有用信號(hào)的擾動(dòng)。 例如，在電阻材料中電子總是在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)外電 壓引起的定向運(yùn)動(dòng)電流形成擾動(dòng)電流擾動(dòng)電流。-熱噪聲。 + - i 0 t i(t) 0 I(j) 均勻譜 當(dāng)有用信號(hào)遠(yuǎn)大于噪聲時(shí)，可忽略噪聲信號(hào)。相反，有

13、用信當(dāng)有用信號(hào)遠(yuǎn)大于噪聲時(shí)，可忽略噪聲信號(hào)。相反，有用信 號(hào)被淹埋在噪聲信號(hào)中。所以，噪聲信號(hào)限制了電子系統(tǒng)所能號(hào)被淹埋在噪聲信號(hào)中。所以，噪聲信號(hào)限制了電子系統(tǒng)所能 處理的最小信號(hào)。處理的最小信號(hào)。 評(píng)價(jià)信號(hào)優(yōu)劣的指標(biāo)是信噪比信噪比S/N，定義為有用信號(hào)的功率 與噪聲信號(hào)的功率之比。信噪比越大，信號(hào)越好。 25 1.3 電子系統(tǒng)組成框圖電子系統(tǒng)組成框圖 傳感器 信號(hào) 預(yù)處理 模擬信號(hào) 處理子系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào) 處理子系統(tǒng) 執(zhí)行器 模數(shù) 轉(zhuǎn)換 數(shù)模 轉(zhuǎn)換 傳感器傳感器將工程實(shí)際涉及的某些物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。為了避免 對(duì)物理量的影響，傳感器攝取的能量很小，輸出的電信號(hào)很弱電信號(hào)很弱 （如微伏級(jí)或毫伏

14、級(jí)的電壓），且信號(hào)伴隨著噪聲信號(hào)噪聲信號(hào)。 信號(hào)預(yù)處理信號(hào)預(yù)處理：包括信號(hào)幅度的放大和濾除干擾及噪聲信號(hào)。 信號(hào)處理操作信號(hào)處理操作：包括對(duì)信號(hào)的放大，運(yùn)算（加法、減法、乘法、 積分和微分等），各種函數(shù)變換，頻譜變換，邏輯運(yùn)算，等等。 理論上，各種信號(hào)處理操作都可以用模擬或數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。 執(zhí)行器執(zhí)行器電信號(hào)還原成某種物理量，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程實(shí)際的某種操作。 26 1.4 電子技術(shù)及其發(fā)展概述電子技術(shù)及其發(fā)展概述 電子學(xué)電子學(xué)或電子技術(shù)電子技術(shù)是研究電子器件、電子電路及其應(yīng)用的科 學(xué)和技術(shù)。 在電力系統(tǒng)中，主要是利用電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律構(gòu)成電 能的生產(chǎn)、傳輸和使用等電氣設(shè)備。 電子器件電子器件是利用

15、電子在真空或半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律構(gòu)成特定 功能的器件。目前，半導(dǎo)體器件是電子器件的主體，包括半導(dǎo)體半導(dǎo)體 二極管、三極管、集成電路二極管、三極管、集成電路等。 電子電路電子電路廣泛地應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、廣播電視、 遙感和遙測(cè)等工程中，形成相對(duì)獨(dú)立的電子工程電子工程體系。 電氣工程電氣工程和電子工程電子工程的誕生歸功于許多科學(xué)巨人的開創(chuàng)性的 研究成果。 27 庫倫庫倫（Coulomb，17361806 ，法國）：庫侖定律。 庫侖定律：庫侖定律：在真空中，兩個(gè)靜止點(diǎn)在真空中，兩個(gè)靜止點(diǎn) 電荷之間的電荷之間的相互作用力相互作用力的大小與它的大小與它 們的電量們的電量q1和和q2的乘積成正比，

16、與的乘積成正比，與 它們之間距離它們之間距離r的平方成反比；作用的平方成反比；作用 力的方向沿著它們的連線，同號(hào)電力的方向沿著它們的連線，同號(hào)電 荷相斥，異號(hào)電荷相吸。荷相斥，異號(hào)電荷相吸。 庫侖扭秤庫侖扭秤 庫侖定律使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段。 安培安培（Ampere，1775 -1836 ，法國）：安培定律、安 培定則和分子電流等 。安培定律安培定律宏觀上表現(xiàn)為磁場(chǎng)對(duì)表現(xiàn)為磁場(chǎng)對(duì) 載流導(dǎo)線作用的載流導(dǎo)線作用的磁場(chǎng)力磁場(chǎng)力； 著書電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。 28 歐姆歐姆（Ohm，1787-1854，德國）：在金屬導(dǎo)電定律的測(cè)定的論文論述了 歐姆定律歐姆定律 。歐姆

17、定律：歐姆定律：導(dǎo)體中的電流，跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體導(dǎo)體中的電流，跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體 的電阻成反比。的電阻成反比。 奧斯特奧斯特 （Oersted ，1777 -1851，丹麥 ）：電流磁效應(yīng) 。奧斯特的實(shí)驗(yàn)表明：奧斯特的實(shí)驗(yàn)表明： 通電導(dǎo)線周圍和永磁體周圍一樣都存在磁場(chǎng).，電流是電荷定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，所以 通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的. 高斯（Gauss，1777-1855，德國 ）：高斯發(fā)明了磁強(qiáng)計(jì)，第一個(gè)電話電報(bào)系統(tǒng) ； 建立了地磁觀測(cè)臺(tái)；在數(shù)學(xué)方面有巨大的貢獻(xiàn)。 法拉第（Faraday，1791-1867，英國 ）：電磁感應(yīng)定律：穿過回路的磁通量變 化引起

18、回路中電動(dòng)勢(shì)。 麥克斯韋麥克斯韋（Maxwell，1831-1879，英國）：麥克斯韋方程，提出了統(tǒng)一的電磁理論 。預(yù) 測(cè)了電磁波可以在空間中傳播和光也是一種電磁波。 29 赫茲（赫茲（Hertz，1857-1894，德國 ）：1888年，用火花間隙振蕩器產(chǎn)生了電磁 波（赫茲波），證實(shí)了證實(shí)了麥克斯韋的電磁波可以在空間中傳播和光也是一種電 磁波預(yù)測(cè)。 馬可尼馬可尼（Marconi，1874-1937，意大利）： 1896年，成功地發(fā)射赫茲波，并 在2英里外檢測(cè)到赫茲波,無線電報(bào)初露端倪。 在研究有效地進(jìn)行無線電通信的過程中，電子技術(shù)時(shí)代悄然到來 洛倫茲洛倫茲（Lorentz，1853-1928

19、） ：1895年，假定了電子存在。 湯普森湯普森（Thompson，1856-1940）： 1897 年，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子。 弗萊明弗萊明（J.A.Fleming，1849-1945） ：1904 年，發(fā)明了真空電子二極管真空電子二極管 (diode)，用于檢測(cè)微弱的無線電信號(hào)（電磁波）。 福雷斯特福雷斯特（Forest，1873-1961） ：1906 年，發(fā)明了具有放大作用的真空電真空電 子三極管子三極管。 此后的近半個(gè)世紀(jì)，真空電子器件在無線電通信中得到廣泛的應(yīng)用,并逐 漸擴(kuò)展到無線電廣播、電視和計(jì)算機(jī)等工程領(lǐng)域。 30 世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)于1946年在美國研制成功， IBM公

20、司將其取名為愛尼亞克（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）。 這臺(tái)計(jì)算機(jī)使用了18800個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30 噸，耗電140千瓦，價(jià)格40多萬美元。 每秒可進(jìn)行5000次 加法和減法運(yùn)算，把計(jì) 算一條彈道的時(shí)間縮短 為30秒。 ENIAC服役 長達(dá)9年。 31 1947 年底美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊（Shockley，1910- 1989）、布拉頓（Brattain，1902-1987）、巴?。˙ardeen， 1908-1991）發(fā)明了晶體管晶體管。 電子管制造復(fù)雜，成本高，體積大，耗電多。 在大多數(shù)領(lǐng)域中電子管已逐漸 被晶體管取代,真空管時(shí)代結(jié)束,晶 體管時(shí)代誕生。 他們?nèi)艘惨驗(yàn)榘l(fā)明晶體管而 榮獲1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 32 在1958年,美國的基爾比（Kilby，1923-2005）和諾伊斯 （Noyce，1927-1990）間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路（Integrated Chip, IC）。 第一個(gè)鍺材料集成電路放大器。 標(biāo)志著電子技術(shù)發(fā)展到