電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)英語

1、1 電流和電壓u(t)和i(t)這兩個(gè)變量是電路中最基本的兩個(gè)變量，它們刻劃了電路的各種關(guān)系。電荷和電流 電荷的概念是用來解釋所有電氣現(xiàn)象的基本概念。也即，電路中最基本的量是電荷。電荷是構(gòu)成物質(zhì)的原子微粒的電氣屬性，它是以庫(kù)侖為單位來度量的。我們從基礎(chǔ)物理得知一切物質(zhì)是由被稱為原子的基本構(gòu)造部分組成的，并且每個(gè)原子是由電子，質(zhì)子和中子組成的。我們還知道電子的電量是負(fù)的并且在數(shù)值上等于1.602100×10-12C，而質(zhì)子所帶的正電量在數(shù)值上與電子相等。質(zhì)子和電子數(shù)量相同使得原子呈現(xiàn)電中性。讓我們來考慮一下電荷的流動(dòng)。電荷或電的特性是其運(yùn)動(dòng)的特性，也就是，它可以從一個(gè)地方被移送到另一個(gè)

2、地方，在此它可以被轉(zhuǎn)換成另外一種形式的能量。 當(dāng)我們把一根導(dǎo)線連接到某一電池上時(shí)(一種電動(dòng)勢(shì)源)，電荷被外力驅(qū)使移動(dòng)；正電荷朝一個(gè)方向移動(dòng)而負(fù)電荷朝相反的方向移動(dòng)。這種電荷的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。我們可以很方便地把電流看作是正電荷的移動(dòng)，也即，與負(fù)電荷的流動(dòng)方向相反，如圖11所示。這一慣例是由美國(guó)科學(xué)家和發(fā)明家本杰明富蘭克林引入的。雖然我們現(xiàn)在知道金屬導(dǎo)體中的電流是由負(fù)電荷引起的，但我們將遵循通用的慣例，即把電流看作是正電荷的單純的流動(dòng)。于是電流就是電荷的時(shí)率，它是以安培為單位來度量的。從數(shù)學(xué)上來說，電流i、電荷q以及時(shí)間t之間的關(guān)系是：從時(shí)間t0到時(shí)間t所移送的電荷可由方程（11）兩邊積分求得。我

3、們算得：我們通過方程（11）定義電流的方式表明電流不必是一個(gè)恒值函數(shù)，電荷可以不同的方式隨時(shí)間而變化，這些不同的方式可用各種數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)出來。電壓，能量和功率在導(dǎo)體中朝一個(gè)特定的方向移動(dòng)電荷需要一些功或者能量的傳遞，這個(gè)功是由外部的電動(dòng)勢(shì)來完成的。圖11所示的電池就是一個(gè)典型的例子。這種電動(dòng)勢(shì)也被稱為電壓或電位差。電路中a、b兩點(diǎn)間的電壓等于從a到b移動(dòng)單位電荷所需的能量（或所需做的功）。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中w是單位為焦耳的能量而q是單位為庫(kù)侖的電荷。電壓Uab是以伏特為單位來度量的，它是為了紀(jì)念意大利物理學(xué)家Alessandro Antonio Volta而命名的，這位意大利物理學(xué)家發(fā)明了首

4、個(gè)伏達(dá)電池。于是電壓（或電壓差）等于將單位電荷在元件中移動(dòng)所需的能量，它是以伏特為單位來度量的。圖12顯示了某個(gè)元件（用一個(gè)矩形框來表示）兩端a、b之間的電壓。正號(hào)（）和負(fù)號(hào)（）被用來指明參考方向或電壓的極性，Uab可以通過以下兩種方法來解釋。1）在Uab伏特的電位中a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)，2）a點(diǎn)電位相對(duì)于b點(diǎn)而言是Uab，通常在邏輯上遵循。雖然電流和電壓是電路的兩個(gè)基本變量，但僅有它們兩個(gè)是不夠的。從實(shí)際應(yīng)用來說，我們需要知道功率和能量。為了把功率和能量同電壓、電流聯(lián)系起來，我們重溫物理學(xué)中關(guān)于功率是消耗或吸收的能量的時(shí)率，它是以瓦特為單位來度量的。我們把這個(gè)關(guān)系式寫成： 式中p是以瓦特為單位的

5、功率，w是以焦耳為單位的能量，t是以秒為單位的時(shí)間，從方程（11）、（13）和（15）可以推出。由于u和i通常是時(shí)間的函數(shù)，方程（16）中的功率p是個(gè)時(shí)間變量于是被稱為瞬時(shí)功率，某一元件吸收或提供的功率等于元件兩端電壓和通過它的電流的乘積。如果這個(gè)功率的符號(hào)是正的，那么功率向元件釋放或被元件吸收。另一方面，如果功率的符號(hào)是負(fù)的，那么功率是由元件提供的。但我們?nèi)绾蔚弥螘r(shí)功率為正或?yàn)樨?fù)？在我們確定功率符號(hào)時(shí)，電流的方向和電壓的極性起著主要的作用，這就是我們?cè)诜治鰣D13（a）所顯示的電流i和電壓u的關(guān)系時(shí)特別謹(jǐn)慎的重要原因。為了使功率的符號(hào)為正，電壓的極性和電流的方向必須與圖13（a）所示的一致。

6、這種情況被稱為無源符號(hào)慣例，對(duì)于無源符號(hào)慣例來說，電流流進(jìn)電壓的正極。在這種情況下，pui或ui>0，表明元件是在吸收功率。而如果pui或ui<0，如圖13（b）所示時(shí)，表明元件是在釋放或提供功率。事實(shí)上，在任何電路中必須遵循能量守恒定律。由于這個(gè)原因，任一電路中在任何瞬間功率的代數(shù)和必須等于零 這再一次證明了提供給電路的功率必須與吸收的功率相平衡這一事實(shí)。從方程（17）可知，從時(shí)間t0到時(shí)間t被元件吸收或由元件提供的功率等于Exercises（11） 在下面進(jìn)行的工作中我們要研究的簡(jiǎn)單電路元件可以根據(jù)流過元件的電流與元件兩端的電壓的關(guān)系進(jìn)行分類。例如，如果元件兩端的電壓正比于流過

7、元件的電流，即uki，我們就把元件稱為電阻器。其他的類型的簡(jiǎn)單電路元件的端電壓正比于電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)或正比于電流關(guān)于時(shí)間的積分。還有一些元件的電壓完全獨(dú)立于電流或電流完全獨(dú)立于電壓，這些是獨(dú)立源。此外，我們還要定義一些特殊類型的電源，這些電源的電壓或電流取決于電路中其他的電流或電壓，這樣的電源將被稱為非獨(dú)立源或受控源。 2 電路元件電路僅僅是元件之間的相互結(jié)合。我們發(fā)現(xiàn)電路中存在有兩種元件：無源元件和有源元件。有源元件能夠產(chǎn)生能量而無源元件卻不能，無源元件有電阻、電容和電感器等。最重要的有源元件是通常向與它們相連的電路釋放能量的電壓和電流源獨(dú)立源一個(gè)理想的獨(dú)立源是產(chǎn)生完全獨(dú)立于其它電路變量的特

8、定電壓或電流的有源元件。一個(gè)獨(dú)立電壓源是一個(gè)二端口元件，如一個(gè)電池或一臺(tái)發(fā)電機(jī)，它們?cè)谄涠瞬烤S持某個(gè)特定的電壓。該電壓完全獨(dú)立于流過元件的電流，在其端部具有u伏電壓的電壓源的符號(hào)如圖14（a）所示，極性如圖所示，它表明a端比b端高u伏。如果u>0，那么a端的電位高于b端，當(dāng)然，如果u<0，反之亦然在圖14（a）中，電壓u可以是隨時(shí)間而變化，或者可以是恒定的，在這種情況下我們可能把它標(biāo)為U，對(duì)于恒定電壓源我們通常使用另一種符號(hào)，例如在兩端只有U伏電壓的電池組，如圖14（b）所示。在恒定源的情況下我們可以交替地使用于圖14（a）或圖14（b）。我們可能已經(jīng)注意到這一點(diǎn)，即圖14（b）中

9、的極性標(biāo)號(hào)，是多余的因?yàn)槲覀兛梢愿鶕?jù)長(zhǎng)天線的位置符，確定電池極性。一個(gè)獨(dú)立電流源是二端元件在兩端之間特定的電流流過，該電流完全獨(dú)立于元件兩端的電壓，一個(gè)獨(dú)立電流源的符合如圖15所示。圖中i是特定電流，該電流的方向由箭頭標(biāo)明。獨(dú)立源通常指的是向外電路釋放功率而非吸收功率，因此如果u是電源兩端的電壓而電流i直接從其正端流出，那么該電源正在向?qū)﹄娐丰尫殴β?，由式pui算出。否則它就在吸收功率。例如圖16（a）中電池正在向外電路釋放功率24w，在圖16（b）中，電池就在充電情況，吸收功率24w。受控源一個(gè)理想的受控源是一個(gè)有源元件，它的電源量是由另外一個(gè)電壓和電流所控制。受控源通常用菱形符號(hào)表明，如圖

10、17所示。由于控制受控源的控制量來自于電路中其他元件的電壓或電流，同時(shí)由于受控源可以是電壓源或電流源。由此可以推出四種可能的受控源類型，即電壓控制電壓源（VCVS）電流控制電壓源（CCVS）電壓控制電流源（VCCS）電流控制電流源（CCCS）受控源在模擬諸如晶體管、運(yùn)算放大器以及集成電路這些元件時(shí)是很有用的。應(yīng)該注意的是：一個(gè)理想電壓源（獨(dú)立或受控）可向電路提供以保證其端電壓為規(guī)定值所需的任意電流，而電流源可向電路提供以保證其電流為規(guī)定值所必須的電壓。還應(yīng)當(dāng)注意的是電源不僅向電路提供功率，他們也可從電路吸收功率。對(duì)于一個(gè)電壓源來說，我們知道的是由其提供或所獲得的電壓而非電流，同理，我們知道電流

11、源所提供的電流而非電流源兩端的電壓。Exercise（15）必須強(qiáng)調(diào)的是線性電阻器是一個(gè)理想的電路元件；它是物理元件的數(shù)學(xué)模型。我們可以很容易地買到或制造電阻器，但很快我們發(fā)現(xiàn)這種物理元件只有當(dāng)電流、電壓或者功率處于特定范圍時(shí)其電壓電流之比才是恒定的，并且這個(gè)比值也取決于溫度以及其它環(huán)境因素。我們通常應(yīng)當(dāng)把線性電阻器僅僅稱為電阻器。只有當(dāng)需要強(qiáng)調(diào)元件性質(zhì)的時(shí)候才使用更長(zhǎng)的形式稱呼它。而對(duì)于任何非線性電阻器我們應(yīng)當(dāng)始終這么稱呼它，非線性電阻器不應(yīng)當(dāng)必然地被視為不需要的元件。Exercises(12)3 歐姆定律用來模擬材料阻流性能的電路元件是電阻，電阻是最簡(jiǎn)單的無源元件。德國(guó)物理學(xué)家喬治西蒙歐姆

12、（17871854），1826年根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出電阻的電流電壓關(guān)系，為此而享譽(yù)世界。這一關(guān)系被稱為歐姆定律。歐姆定律表明電阻器兩端的電壓正比于流過電阻器的電流。這個(gè)比例常值就是該電阻器以歐姆為單位的電阻值。電阻器的電路符號(hào)如圖18所示。對(duì)于所示的電流和電壓，歐姆定律就是 用來表示歐姆定律的方程（19）是一個(gè)直線方程，由于這個(gè)原因，電阻就被稱為線性電阻。u（t）相對(duì)于i（t）而變化的圖形，如圖19所示。它是一條通過原點(diǎn)斜率為R的直線，顯然，當(dāng)u（t）與i（t）的比值對(duì)于所有的i（t）都為一恒定值時(shí)，其唯一可能的圖形就是一條直線。對(duì)于不同端部電流而具有不同電阻的電阻器被稱為非線性電阻器。對(duì)于這種電阻器

13、，電阻就等于器件中所流動(dòng)的電流的函數(shù)。非線性電阻器的一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是白熾燈。這種器件的一個(gè)典型的伏安特性曲線如圖110所示。圖中我們看到其圖形不再是一條直線。由于它不是一個(gè)恒值，對(duì)于包含有非線性的電路的分析顯得更加困難。事實(shí)上，所有實(shí)際電阻器都是非線性的，因?yàn)樗须娮杵鞯碾姎庑阅軙?huì)受到例如溫度等的環(huán)境因素所影響。不過很多材料在規(guī)定的工作范圍內(nèi)非常接近理想線性電阻。專注于這種類型的元件并且僅僅把它們稱為電阻器。由于R值可以從0變化到無窮大，所以對(duì)我們來說研究?jī)煞N極限可能的R值很重要的。具有R0的元件稱為短路，如圖111（a）所示。對(duì)于短路來說上式顯示電壓為0而電流可以是任何值。實(shí)際上，短路通常是

14、指一段假設(shè)為理想導(dǎo)體的連接導(dǎo)線。于是，短路就是電阻近似為0的電路元件。類似地，具有R的元件被稱為開路，如圖111（b）所示，對(duì)于開路來說上式表明電流為0，雖然電壓可以是任意值。于是，開路就是電阻近似為無窮大的電路元件。在電路分析中另一個(gè)有用的重要電量，被稱為電導(dǎo)，定義為電導(dǎo)是對(duì)某一元件傳導(dǎo)電流的容易程度的一種度量，電導(dǎo)的單位是西門子。Exercise（13）必須強(qiáng)調(diào)的是線性電阻器是一個(gè)理想的電路元件；它是物理元件的數(shù)學(xué)模型。我們可以很容易地買到或制造電阻器，但很快我們發(fā)現(xiàn)這種物理元件只有當(dāng)電流、電壓或者功率處于特定范圍時(shí)其電壓電流之比才是恒定的，并且這個(gè)比值也取決于溫度以及其它環(huán)境因素。我們通

15、常應(yīng)當(dāng)把線性電阻器僅僅稱為電阻器。只有當(dāng)需要強(qiáng)調(diào)元件性質(zhì)的時(shí)候才使用更長(zhǎng)的形式稱呼它。而對(duì)于任何非線性電阻器我們應(yīng)當(dāng)始終這么稱呼它，非線性電阻器不應(yīng)當(dāng)必然地被視為不需要的元件。Exercise（21）如果一個(gè)電路有兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立源，求出具體變量值（電流或電壓）的一種方法是使用節(jié)點(diǎn)分析法或網(wǎng)孔分析法。另一種方法是求出每個(gè)獨(dú)立源對(duì)變量的作用然后把它們進(jìn)行疊加。而這種方法被稱為疊加法。疊加法原理表明線性電路某個(gè)元件兩端的電壓（或流過元件的電流）等于每個(gè)獨(dú)立源單獨(dú)作用時(shí)該元件兩端的電壓（或流過元件的電流）的代數(shù)和。4 基爾荷夫定律網(wǎng)絡(luò)變量之間可能存在有很多相互關(guān)系。一些關(guān)系是由于變量的性質(zhì)所決定。一些

16、不同類型的關(guān)系是由于某些特定類型的網(wǎng)絡(luò)元件對(duì)變量的約束而產(chǎn)生的。另一類關(guān)系是介于相同形式的一些變量之間的關(guān)系，這些變量是由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即網(wǎng)絡(luò)的不同元件相互連接的方式而產(chǎn)生的。這樣一種關(guān)系就被說成是基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系?；鶢柡煞螂娏骱碗妷憾墒腔诰W(wǎng)絡(luò)連接特性的定律，這些定律不涉及元件本身特性?；鶢柡煞螂娏鞫苫鶢柡煞螂娏鞫苫陔姾墒睾愣?，電荷守恒定律要求一個(gè)系統(tǒng)中電荷的代數(shù)總和不變?；鶢柡煞螂娏鞫桑↘CL）表明流進(jìn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或一個(gè)閉合邊界）的電流的代數(shù)和為0，從數(shù)學(xué)上來說，KCL表明： 式中N為連接到節(jié)點(diǎn)的支路數(shù)而in是流入（或流出 ）節(jié)點(diǎn)的第n條支路電流。根據(jù)這個(gè)定律，流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電

17、流可以認(rèn)為是“”電流，而流出節(jié)點(diǎn)的電流可以看成是“”電流。考慮圖112的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用KCL得到： 由于電流i1，i3，i4流入節(jié)點(diǎn)，而電流i2和i5流出節(jié)點(diǎn)，重新整理方程（114），我們可以得到KCL定律的另一種形式是：流入節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出節(jié)點(diǎn)的電流之和。讓我們注意KCL定律也可以應(yīng)用于閉合邊界。這可以被視為定律的廣義應(yīng)用情形。這是由于節(jié)點(diǎn)可以被看成是由某個(gè)閉合面收縮成一點(diǎn)而形成的。在二維情況下，一個(gè)閉合的界面等同于一個(gè)閉合的線路。圖113所示的電路就是一個(gè)典型的例子。流入閉合面的總電流等于流出閉合面的總電流。基爾荷夫電壓定律（KVL）基爾荷夫電壓定律基于能量守恒原理?；鶢柡煞螂妷憾桑↘

18、VL）表明環(huán)繞閉合線路（或回路）的電壓的代數(shù)和為0，從數(shù)學(xué)上來說，KVL表達(dá)為： 式中M是回路電壓總數(shù)而且um是第m個(gè)電壓為了解釋KVL，讓我們研究圖114所示的電路。每個(gè)電壓的符號(hào)就是當(dāng)我們環(huán)繞回路時(shí)首先遇到的端部的極性。我們可以從任何一個(gè)電壓開始并且可以順時(shí)針或逆時(shí)針方向環(huán)繞回路。假設(shè)我們從電壓源開始并如圖所示順時(shí)針環(huán)繞回路，那么電壓將是u1、u2、u3、u4以及u5，按照這個(gè)順序，舉例說，當(dāng)我們到達(dá)支路3時(shí)，我們首先遇到正極，于是，得到 u3，對(duì)于支路4，我們首先遇到負(fù)極，于是，得到u4 。因此，應(yīng)用KVL，得出：重新整理以上各項(xiàng)，得到： 上式可以解釋為：電壓降之和等于電壓升之和。這是K

19、VL定律的另一種形式，注意如果我們逆時(shí)針環(huán)繞回路結(jié)果將是u1、u5、u4、u3以及u2，結(jié)果與前面相同，除了符號(hào)相反外。因此，方程（116）和方程（118）是一樣的。Exercise（14）如果一個(gè)電路有兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立源，求出具體變量值（電流或電壓）的一種方法是使用節(jié)點(diǎn)分析法或網(wǎng)孔分析法。另一種方法是求出每個(gè)獨(dú)立源對(duì)變量的作用然后把它們進(jìn)行疊加。而這種方法被稱為疊加法。疊加法原理表明線性電路某個(gè)元件兩端的電壓（或流過元件的電流）等于每個(gè)獨(dú)立源單獨(dú)作用時(shí)該元件兩端的電壓（或流過元件的電流）的代數(shù)和。5 基本分析方法在已經(jīng)了解了電路理論的基本理論（歐姆定律和基爾荷夫定律）之后，我們準(zhǔn)備應(yīng)用這些定律

20、導(dǎo)出電路分析的兩個(gè)很有用的方法：節(jié)點(diǎn)分析法以及網(wǎng)孔分析法。前者基于基爾荷夫電流定律（KCL）的有序應(yīng)用，后者基于基爾荷夫電壓定律（KVL）的有序應(yīng)用。根據(jù)這一節(jié)所導(dǎo)出的這兩種方法，我們就能夠通過列出一套有關(guān)方程然后求解所需的電壓和電流來分析幾乎任何電路。求解聯(lián)立方程的一種方法涉及克萊姆法則，這個(gè)法則使我們可以把電路變量當(dāng)作行列式系數(shù)來計(jì)算。節(jié)點(diǎn)分析法對(duì)于很多網(wǎng)絡(luò)來說，選擇節(jié)點(diǎn)電壓（作為電路變量）是一個(gè)很方便的做法。由于電壓被定義為存在于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓，所以我們可以方便地選擇網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)或基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，然后和其它節(jié)點(diǎn)的電壓或電位差相聯(lián)系。每個(gè)非參考節(jié)點(diǎn)的電壓相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)來說被定

21、義為該節(jié)點(diǎn)電壓。通常的做法是選擇極性時(shí)使節(jié)點(diǎn)的電壓相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)為正。對(duì)于一個(gè)包含有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路而言，將會(huì)有N1個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，當(dāng)然，如果存在電壓源的話，他們中的一些可能是已知的。我們通常選擇那個(gè)連接有最多條支路的節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)。許多實(shí)際的電路是建立在金屬底版或底盤上，并且通常有很多個(gè)元件連接到底盤上，然后這個(gè)底盤通常接地。這個(gè)底盤于是就可以被稱為地，并在邏輯上被選作參考節(jié)點(diǎn)。由于這個(gè)原因，參考節(jié)點(diǎn)通常指地。于是，參考節(jié)點(diǎn)的電位就是地電位或零電位，其它節(jié)點(diǎn)可以被認(rèn)為是處于零電位之上的某個(gè)電位。應(yīng)用KCL我們將得到與節(jié)點(diǎn)電壓有關(guān)的方程式。顯然，連接有很多元件的節(jié)點(diǎn)被選為參考節(jié)點(diǎn)時(shí)，將結(jié)果方程進(jìn)行

22、簡(jiǎn)化是可以做到的。然而，我們應(yīng)該知道，這并不是選擇參考節(jié)點(diǎn)時(shí)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，但它通常是最常用的標(biāo)準(zhǔn)。 在圖115所示的網(wǎng)絡(luò)中，存在有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)目如圖所示。由于有4條支路連接到節(jié)點(diǎn)3，所以我們把它選作參考節(jié)點(diǎn)，用所示的連地符號(hào)來標(biāo)明。 節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3之間的電壓表明為u1，而u2定義為節(jié)點(diǎn)2和參考節(jié)點(diǎn)之間的電壓。有這兩個(gè)電壓就夠了，其它任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓可以根據(jù)這兩個(gè)電壓求出，例如，節(jié)點(diǎn)1相對(duì)于節(jié)點(diǎn)2的電壓是（u1u2）。現(xiàn)在我們必須把基爾荷夫電流定律應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2，我們可以通過使離開節(jié)點(diǎn)穿過n個(gè)電導(dǎo)的電流等于流入節(jié)點(diǎn)的總電流來做到這一點(diǎn)。于是，有： 解方程（119）和（120）求得未知的

23、節(jié)點(diǎn)電壓u1和u2。于是電路中的任何電流和功率可以被求得。節(jié)點(diǎn)分析法的步驟為：1. 選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，將剩下的n1個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓定為u1，u2un1。2. 將KCL定律應(yīng)用于n1個(gè)非參考節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用歐姆定律，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓來表示支路電路電流。3. 求解所得到的聯(lián)立方程得到未知的節(jié)點(diǎn)電壓，然后求解其它需要的變量。網(wǎng)孔分析法網(wǎng)孔分析法為電路分析提供了另一種通用的方法，這種方法使用網(wǎng)孔電流作為電路變量。使用網(wǎng)孔電流代替元件電流作為電路變量很方便，因?yàn)樗梢詼p少要求求解的聯(lián)立方程的個(gè)數(shù)。讓我們重溫關(guān)于回路是一個(gè)經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)都相異的閉合線路，而網(wǎng)孔是一個(gè)其中不包含任何回路的概念。節(jié)點(diǎn)分析法應(yīng)用KCL來求

24、得某個(gè)給定電路的未知電壓，而網(wǎng)孔分析法應(yīng)用KVL來求得未知電流。由于網(wǎng)孔分析法僅適用于平面電路，所以網(wǎng)孔分析法不如節(jié)點(diǎn)分析法那樣通用。平面電路是一個(gè)平面。平面電路是一種可以畫在平板上而其中沒有相互交叉的支路的電路。否則它就是非平面電路。一個(gè)電路可能會(huì)有交叉的支路但仍然算是平面電路如果這個(gè)電路可以被重新畫過使得其中沒有交叉支路的話。一個(gè)網(wǎng)孔是一個(gè)其中不包含任何回路的回路。例如，在圖116中，電路中有兩個(gè)網(wǎng)孔，在一個(gè)給定電路中流過網(wǎng)孔的電流被稱為網(wǎng)孔電流。如果我們把題目中左手的網(wǎng)孔標(biāo)為網(wǎng)孔1，那么我們就可以建立起這個(gè)網(wǎng)孔順時(shí)針方向流動(dòng)的網(wǎng)孔電流i1，網(wǎng)孔電流用一個(gè)幾乎閉合的彎曲箭頭符號(hào)標(biāo)明并畫在對(duì)

25、應(yīng)的網(wǎng)孔內(nèi)，如圖16所示。在剩下的網(wǎng)孔中建立網(wǎng)孔電流i2，方向也是順時(shí)針。雖然網(wǎng)孔電流的方向是任意的，但我們應(yīng)始終選擇網(wǎng)孔電流為順時(shí)針方向，因?yàn)檫@樣做將由于對(duì)稱法使方程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤減少到最少程度。使用網(wǎng)孔電流的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樗鼭M足基爾荷夫電流定律，如果某個(gè)網(wǎng)孔電流流入一個(gè)給定的節(jié)點(diǎn)，顯然它也會(huì)流出那個(gè)節(jié)點(diǎn)。把KVL應(yīng)用于每個(gè)網(wǎng)孔，我們得到：我們注意到方程（121）中i1的系數(shù)就是網(wǎng)孔1的電阻總和，而電流i2的系數(shù)是網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2的共有電阻的負(fù)值。現(xiàn)在我們看到方程（122）也是同樣情況。 注意到支路電流不同于網(wǎng)孔電流，除非網(wǎng)孔是獨(dú)立網(wǎng)孔。網(wǎng)孔分析法的步驟是：1. 把幾個(gè)網(wǎng)孔的網(wǎng)孔電流定為i

26、1，i2in；2. 將KVL應(yīng)用于幾個(gè)網(wǎng)孔的每個(gè)網(wǎng)孔。應(yīng)用歐姆定律根據(jù)網(wǎng)孔電流來表達(dá)各個(gè)電壓；3. 求解所列的幾個(gè)聯(lián)立方程求得網(wǎng)孔電流，然后求出其它所需的變量；Exercise(15) 相電壓與相電流之比等于電路的阻抗，符號(hào)為字母Z，阻抗是一個(gè)具有量綱為歐姆的復(fù)數(shù)量。阻抗不是一個(gè)相量，因此不能通過把它乘以 并取其實(shí)部把它轉(zhuǎn)換成時(shí)域形式。但是，我們把電感器看作是通過其電感量L表現(xiàn)為時(shí)域形式而通過其阻抗 表現(xiàn)為頻域形式，電容在時(shí)域里為電容量C而在頻域里為 ，阻抗是某種程度上的頻域變量而非時(shí)域變量。6 正弦交流電路分析和三相電路電路元件之間的相量關(guān)系通過建立三個(gè)無源元件的相電壓和相電流之間的關(guān)系，我

27、們可以進(jìn)行正弦穩(wěn)態(tài)分析的簡(jiǎn)化工作。電阻器為我們提供了最簡(jiǎn)單的例子。在時(shí)域范圍內(nèi)，如圖117（a）所示，如果流過電阻器R的電流是 ，電阻器兩端的電壓由歐姆定律得出：圖117（b）顯示在相量方面電阻器中電壓電流之間的關(guān)系仍然反映歐姆定律，正如時(shí)域中一樣。在方程（124）中我們應(yīng)當(dāng)注意電壓和電流之間的是關(guān)系相量之間的關(guān)系，正如圖118中的相量圖所示。對(duì)于電感器L，假設(shè)流過它的電流是 ，電感器兩端的電壓是上式顯示電壓的幅度Im為而相位為90，電壓和電流的相位相差90度，特別地，電流滯后電壓90度。圖119顯示了電感器的電壓電流之間的關(guān)系。圖120顯示了其相量圖。對(duì)于電容器C，假設(shè)其兩端的電壓是，流過電

28、容器的電流為：按照我們?cè)陔姼衅髦兴捎玫南嗤牟襟E，我們求得上式顯示電壓和電流的相位相差90度，特別地，電流超前電壓90度，圖121顯示了電容器的電壓電流之間的關(guān)系，圖122顯示了其相量圖。 正弦電路分析我們還知道歐姆定律和基爾荷夫也適用于交流電路。電路分析的簡(jiǎn)化方法（例如節(jié)點(diǎn)分析法、網(wǎng)孔分析法、戴維南定理等）也應(yīng)用于分析交流電流。由于這些方法已經(jīng)在直流電路中介紹過了，我們?cè)谶@里主要介紹交流電路分析的步驟。分析交流電路通常需要三個(gè)步驟：1. 把電路轉(zhuǎn)換成時(shí)域或頻域形式2. 利用電路方法（節(jié)點(diǎn)分析法、網(wǎng)孔分析法、疊加原理等）解決問題3. 把得到的相量轉(zhuǎn)換成時(shí)域形式平衡三相電壓典型的三相系統(tǒng)由三個(gè)

29、電源構(gòu)成，這三個(gè)電壓源通過三根或四根導(dǎo)線（或輸出線）與負(fù)載相連。三相系統(tǒng)等效于三個(gè)單相電路。電壓源可以連接成Y形如圖123（a）所示或連接成形如圖123（b）所示?，F(xiàn)在讓我們研究圖123（a）所示的Y形連接的電壓。電壓Uan，Ubn和Ucn分別介于a線與中線n之間，b線與中線n之間以及c線與中線n之間，這些電壓被稱為相電壓。如果電壓源具有相同的幅值和頻率并且相互之間相位差120度，這些電壓就被說成是平衡的。這表明：由于三相電壓彼此之間相位相差120度，所以只有兩種可能的組合。一種可能情況如圖124（a）所示而在數(shù)學(xué)上可表達(dá)為： 上式中Up是有效值。這種情況被稱為abc次序或正序，在這種相序中，

30、Uan超前Ubn，Ubn接著超前Ucn。另外一種可能的情況如圖124（b）所示，這種情況被稱為acb次序或負(fù)序（反序），對(duì)于這種相序， Uan超前Ucn， Ucn接著超前Ubn。相序就是每個(gè)電壓經(jīng)過其各自幅值的時(shí)間順序。相序取決于相量圖中相量經(jīng)過一個(gè)固定點(diǎn)的順序。相序在三相電力分配中是很重要的。它決定了與電源相連的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。如圖發(fā)電機(jī)的連接一樣，三相負(fù)載可以被連接成Y形或形，這取決于最終的應(yīng)用，圖125（a）顯示了Y形連接的負(fù)載，而圖125（b）顯示了連接的負(fù)載。圖125（a）的中線也可能沒有，這取決于系統(tǒng)是四線還是三線的（當(dāng)然，對(duì)于連接來說中線連接在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來說是不可能的）。Y

31、形或形連接的負(fù)載如果負(fù)載阻抗在數(shù)值上或在相位上不相等, 我們就說它是不平衡的，平衡負(fù)載指的是相阻抗在數(shù)值上和相位上相等的負(fù)載。由于三相電源和三相負(fù)載都可以連接成Y形或形，所以我們有四種可能的連接：YY連接（即Y連接電源和Y連接負(fù)載）；Y連接；連接，Y連接。在這里要適時(shí)地提出這一點(diǎn)：平衡形連接的三相負(fù)載比起平衡Y形連接的負(fù)載更為常用。這是由于形連接時(shí)可以方便地從形連接的每一相負(fù)載上增加或減少負(fù)載。而對(duì)于Y形連接負(fù)載做到這一點(diǎn)很困難，因?yàn)橹悬c(diǎn)不易接近，另一方面，如果三相電壓稍有不平衡就會(huì)在三角形連接的網(wǎng)孔中產(chǎn)生循環(huán)電流，因此實(shí)際情況中三角形連接的電源并不常見。Exercises(16) 無論是星型

32、連接的電源還是三角形連接的電源都有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。星型連接的電源用于長(zhǎng)距離電力傳輸，此時(shí)電阻損耗(I2R)將達(dá)到最小。這是由于星型連接的線電壓是三角形連接的線電壓的 倍，于是,對(duì)于相同的功率來說，三角型連接的線電流是星形連接的線電流的 倍。三角形連接的電源使用在根據(jù)三相電源而需要的三個(gè)單相電路中。這種從三相到單相的轉(zhuǎn)變用在住宅布線中因?yàn)榧矣谜彰骱驮O(shè)備使用單相電源。三相電源用在需要大功率的工業(yè)布線中。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，無論負(fù)載是星形連接還是三角形連接并不重要。第二章 電子學(xué) 第1節(jié) 引言談?wù)撽P(guān)于我們生活在一個(gè)電子學(xué)時(shí)代的論調(diào)是一種空泛的論調(diào)。從無處不在的集成電路到同樣無處不在的數(shù)字計(jì)算機(jī)，我們

33、在日常活動(dòng)中總會(huì)遇到電子設(shè)備和電子系統(tǒng)。在我們?nèi)找姘l(fā)展的科技社會(huì)的方方面面無論是在科學(xué)、工程、醫(yī)藥、音樂、維修方面甚至是在諜報(bào)方面電子學(xué)的作用是巨大的，而且還將不斷增強(qiáng)。 一般說來，我們將要涉及到的工作被歸結(jié)為“信號(hào)處理”工作，讓我們來探究這個(gè)術(shù)語的含義吧。信號(hào)信號(hào)就是其與時(shí)間有關(guān)的量值或變化包含信息的任何物理變量。這種信息或許像無線電廣播的演講和音樂，或許是像室內(nèi)溫度的物理量，或許像股市交易記錄的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在電氣系統(tǒng)中能夠載有信息的物理變量是電壓和電流。因此當(dāng)我們談到“信號(hào)”，我們不言而喻指的是電壓和電流，然而，我們要討論的大多數(shù)概念是可以被直接應(yīng)用于載有不同信息的變量的系統(tǒng)，因此，一個(gè)機(jī)械

34、系統(tǒng)（在這個(gè)系統(tǒng)中力和速度是其變量）或者液壓系統(tǒng)（在這個(gè)系統(tǒng)中壓力和流速是其變量）的性能通?？梢杂靡粋€(gè)等效的電氣系統(tǒng)來模擬或表示。因此，我們對(duì)于電氣系統(tǒng)性能的理解為理解更寬領(lǐng)域的現(xiàn)象打下了一個(gè)基礎(chǔ)。模擬和數(shù)字信號(hào)一個(gè)信號(hào)可以以兩種形式來承載信息。在一個(gè)模擬信號(hào)中電壓或電流隨時(shí)間而產(chǎn)生的連續(xù)變化載有信息。在圖2-1中，當(dāng)一對(duì)熱電偶的接頭處于不同的溫度時(shí)由熱電偶所產(chǎn)生的電壓就是一個(gè)例子。當(dāng)兩個(gè)接頭之間的溫度差改變時(shí)，一對(duì)熱電偶兩端的電壓也將改變。于是電壓就提供了溫度差的模擬表現(xiàn)形式。 另一種的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是在兩個(gè)離散的范圍內(nèi)能夠呈現(xiàn)一定數(shù)值的信號(hào)。這種信號(hào)常用以表示“開關(guān)”或“是不是”

35、信息。一個(gè)普通的家用恒溫器傳遞一種數(shù)字信號(hào)來控制爐子。當(dāng)房間的溫度下降到預(yù)定溫度以下時(shí)，恒溫器的開關(guān)合上使?fàn)t子開始加熱；一旦房間的溫度上升到足夠高，開關(guān)就斷開使?fàn)t子關(guān)閉。流過開關(guān)的電流提供了溫度變化的數(shù)字表示：ON即為“太冷”而OFF即為“不太冷”。信號(hào)處理系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)是某些元件或設(shè)備之間的相互連接，這些元件和設(shè)備能夠接收一個(gè)輸入信號(hào)或一組輸入信號(hào)，信號(hào)處理系統(tǒng)以某種方式來處理這些信號(hào)即提取這些信號(hào)或提高這些信號(hào)的品質(zhì)，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間以適當(dāng)?shù)男问桨堰@個(gè)信號(hào)表示為輸出量。圖2-2顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)的組成部分。中間的圓圈代表了兩種類型的信號(hào)處理（數(shù)字和模擬），而處于信號(hào)處理框之間的方框表

36、示模擬信號(hào)向等效數(shù)字形式（A/D即模擬到數(shù)字）的轉(zhuǎn)換，以及從數(shù)字信號(hào)向相應(yīng)的模擬形式（D/A即數(shù)字到模擬）的逆轉(zhuǎn)換。剩下的方框涉及輸入和輸出取得信號(hào)以及從處理系統(tǒng)輸出信號(hào)。從物理系統(tǒng)獲得的很多電氣信號(hào)是從被稱為傳感器的器件中輸入的。我們已經(jīng)碰到了一個(gè)模擬傳感器的例子。即熱電偶。它把溫度的變化（物理變量）轉(zhuǎn)換成電壓（電氣變量）。通常，傳感器是一種將物理或機(jī)械變量轉(zhuǎn)換成等效電壓或電流信號(hào)的器件。然而，不同于熱電偶例子，大多數(shù)傳感器需要一些形式的電激勵(lì)以驅(qū)動(dòng)傳感器。一個(gè)系統(tǒng)的輸出可以有多種形式，這取決于包含在輸入信號(hào)中的信息所起的作用。我們可以選擇何種方式顯示這些信息，無論是以模擬形式（例如，使用一

37、種儀表，儀表的指針的位置指明我們所感興趣的變量的大小）或是以數(shù)字形式（使用一套數(shù)字顯示元件，顯示對(duì)應(yīng)于我們所感興趣的變量的數(shù)字）。其它的可能的情況下是將輸出轉(zhuǎn)換成聲能（利用揚(yáng)聲器），或是將輸出作為另一個(gè)系統(tǒng)的輸入，或是利用輸出作為控制信號(hào)來產(chǎn)生某個(gè)動(dòng)作。Exercises（21）模擬電子技術(shù)適用于以電壓和電流模擬實(shí)際物理量且物理量隨時(shí)間聯(lián)系變化的系統(tǒng)。重現(xiàn)音樂的電子電路必須有與聲音成比例的電壓和電流。一個(gè)高保真的放大系統(tǒng)應(yīng)盡可能真實(shí)的保持聲音效果的逼真成都。精心設(shè)計(jì)的模擬電子電路，產(chǎn)生隨輸入信號(hào)變化的電壓和電流。如果輸入信號(hào)的幅度加倍，輸出電壓或電流也應(yīng)該加倍，這是因?yàn)殡娐吩冀K工作于線性的

38、范圍內(nèi)。 2 數(shù)字系統(tǒng)的布爾代數(shù)引言計(jì)算機(jī)以及其它數(shù)字電子設(shè)備中的數(shù)學(xué)問題已由喬治布朗以及其它許多后繼者的決定性的工作得以拓展。這個(gè)思想的主體整體被稱為符號(hào)邏輯，它建立了獲取數(shù)學(xué)證法的基本原理并奇跡般地改變了我們的認(rèn)識(shí)以及數(shù)學(xué)的范疇。這種很有用的系統(tǒng)中只有一部分內(nèi)容為我們所應(yīng)用。布爾等人感興趣的是推導(dǎo)出一種用來判斷某個(gè)命題在邏輯上或在數(shù)學(xué)上是真還是假的系統(tǒng)性的方法，但我們要關(guān)注的僅僅是數(shù)字設(shè)備的輸出的正確與否。真或假可以等同于一和零 ，或者等同于開和關(guān)。這是電子元件中電壓的兩種唯一的狀態(tài)。因此，由邏輯門所完成的這個(gè)奇異的代數(shù)中，只有兩種值，一和零，任何代數(shù)組合或者計(jì)算只能產(chǎn)生這兩種值。零和一是

39、二進(jìn)制運(yùn)算中唯一的符號(hào)。不同的邏輯門和它們之間的相互連接可以用來完成計(jì)算以及判斷所要求的必要的功能。在開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)最簡(jiǎn)單的做法是把邏輯門以及它們之間的連接根據(jù)概念排放在一起 以最直接的方式完成 設(shè)定的任務(wù)。于是我們采用布爾代數(shù)來減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度，如果可能的話，與此同時(shí)應(yīng)保留其相同的功能。邏輯門之間等效的簡(jiǎn)單的組合可能使得費(fèi)用更加便宜而在裝配上更加容易。數(shù)字設(shè)備的布爾代數(shù)法則 布爾代數(shù)與任何代數(shù)一樣具有結(jié)合律、交換律和分配律。為了表示代數(shù)的特性我們使用變量A,B和C以及諸如此類的變量。為了寫出這些可能取值為0或1的各個(gè)變量之間的相互關(guān)系，我們采用來表示“非A”，因此如果A1，那么0。每個(gè)變量

40、的補(bǔ)碼用每個(gè)變量上方加一橫線來表示，B的補(bǔ)碼就是也即“非B”。同時(shí)還存在兩個(gè)固定的量。第一個(gè)量是單位量，即I1，另外一個(gè)量是零，即null0。布爾代數(shù)應(yīng)用于三種基本類型的邏輯門的運(yùn)算：一種是或門，一種是與門，還有一種是反相器（非門）。邏輯門的符號(hào)和真值表如圖23所示，真值表顯示與門對(duì)應(yīng)于乘，或門對(duì)應(yīng)于加，而反相器產(chǎn)生其輸入變量的補(bǔ)碼。 我們已經(jīng)算出對(duì)于與門來說 AB=“A AND B” 而對(duì)與或門來說 A+B=“A OR B” 對(duì)于“與”，即邏輯乘，以及“或”對(duì)于“與”，即邏輯乘，以及“或”，即析取，它們的代數(shù)形式必須遵循代數(shù)組合的三個(gè)法則。在接下來的等式中，讀者可以把變量A,B,C設(shè)為兩個(gè)可

41、能的值0和1來證明每個(gè)表達(dá)式的正確性。例如采用A=0,B=0,C=0，或A=1, B=0,C=0等等，在每個(gè)表達(dá)式中，結(jié)合律表明如何把變量進(jìn)行重組。對(duì)于“與”有（AB）CA（BC）（AC）B而對(duì)于“或”有（AB）CA（BC）（AC）B 這個(gè)法則表明我們可以采用變量的不同組合而不改變代數(shù)表達(dá)式的正確性。交換率表明了變量的順序。對(duì)于“與”有ABBA，而對(duì)于“或”有ABBA。這個(gè)法則表明了可以如上式所示進(jìn)行運(yùn)算的組合和展開。在我們展示數(shù)字設(shè)備布爾代數(shù)的剩下的那個(gè)法則之前，讓我們通過寫出真值表的方式即真值表21來驗(yàn)證對(duì)于“與”的分配律。我們將很快發(fā)現(xiàn)如何寫出等式ABC（AC）（BC），這一等式由真值表

42、證明了是一個(gè)正確的展開式。更為復(fù)雜的表達(dá)式和它的一次式產(chǎn)生了相等的值。由于二進(jìn)制邏輯取決于某一代數(shù)，其單個(gè)變量之和等于一個(gè)變量，所以真值表允許我們?cè)诖鷶?shù)表達(dá)式中找出等效值，我們可以使用真值表來求出一個(gè)等效于變量之間較復(fù)雜的關(guān)系式的一次表達(dá)式。如果這樣的等效關(guān)系存在，我們將很快看到利用真值表以及其它方法以一種系統(tǒng)性的方式如何完成這樣一個(gè)復(fù)雜步驟的簡(jiǎn)化工作。代數(shù)中另外的一些關(guān)系式，這些式子中使用單位一和零，是沒有意義的，這里我們列舉了運(yùn)用分配律后“與”和“或”運(yùn)算的性質(zhì)，結(jié)果是1永遠(yuǎn)是1而零永遠(yuǎn)是0。關(guān)系式AAI指出了一個(gè)重要事實(shí)，即I，也就是單位量，是全集，而零被稱為空集。我們已經(jīng)研究了幾種邏輯

43、關(guān)系。對(duì)于電子學(xué)的二值布爾代數(shù)來說，選擇何種方法取決于我們所期望的簡(jiǎn)化函數(shù)的性質(zhì)。一些簡(jiǎn)單的函數(shù)可以通過觀察它們的真值表很容易進(jìn)行簡(jiǎn)化；而另一些函數(shù)需要通過計(jì)算布爾代數(shù)來揭示它們的關(guān)系。當(dāng)我們研究有關(guān)二進(jìn)制數(shù)相加的電路時(shí)，我們將看到需要布爾代數(shù)來揭示該特定應(yīng)用中的簡(jiǎn)化過程。Exercises（21）3 模數(shù)轉(zhuǎn)換許多量具有連續(xù)值，包括溫度、壓力、位移、旋度、電壓、電流以及光強(qiáng)和聲強(qiáng)。對(duì)于數(shù)字化處理和分析、調(diào)整和控制以及記錄并將它們量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸這幾方面來說，這些值的數(shù)字表達(dá)形式是很重要的，把這些連續(xù)值量化為二進(jìn)制值的工作被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）。數(shù)模轉(zhuǎn)換是相反的過程，在這個(gè)過程中離散值狀態(tài)的

44、數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成或恢復(fù)為連續(xù)變量形式。音樂或演講的光讀數(shù)字記錄的清晰度和保真度以及將這些記錄從背景雜音中提取出來是目前的先進(jìn)技術(shù)，但人類的耳朵無法把唱片上的二進(jìn)制數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)換成音樂或演講，所以從二進(jìn)制數(shù)據(jù)到模擬信號(hào)的電子轉(zhuǎn)換是必要的。一些將模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的方法不能被視為模數(shù)轉(zhuǎn)換，因?yàn)樾盘?hào)的幅值，即信息內(nèi)容的一個(gè)重要方面沒有被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式。在對(duì)正弦波進(jìn)行的簡(jiǎn)單采樣中，幅值是信息內(nèi)容的必要組成部分。對(duì)比來說，從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換在每一個(gè)采樣點(diǎn)都產(chǎn)生了一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。 傳感器是一種元件的名稱，這種元件產(chǎn)生了正比于它所反映的物理現(xiàn)象的電壓和電流。例如，溫度傳感器能產(chǎn)生一個(gè)與溫度相關(guān)的電壓。在某些

45、情況下這個(gè)電壓來自于電路中的敏感元件，比如當(dāng)一個(gè)溫敏電阻和一個(gè)恒電阻組成一個(gè)分壓器，其電壓直接與溫度相關(guān)。某些傳感器直接產(chǎn)生電壓，比如說光電元件和壓電元件。很多電壓源需要將電壓放大以便于將它們的模擬值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換只存在兩種基本的方法。一種方法是將模擬電壓幅值與二進(jìn)制電壓值進(jìn)行比較，在這個(gè)過程中匹配的結(jié)果產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)于幅值的二進(jìn)制數(shù)。另一種方法是將模擬信號(hào)積分并在計(jì)算積分大小時(shí)采用測(cè)量時(shí)間（一個(gè)給定的時(shí)鐘脈沖數(shù)）來求得某個(gè)值以獲得一個(gè)等效的二進(jìn)制數(shù)，下面討論的每一個(gè)系統(tǒng)采用了這些方法中的一種方法或另一種方法。在選擇一種轉(zhuǎn)換方法或一種轉(zhuǎn)換方法的變化時(shí)必須研究?jī)蓚€(gè)重要的參數(shù)，一個(gè)參

46、數(shù)是模數(shù)轉(zhuǎn)換所要求的精度，另一個(gè)參數(shù)是轉(zhuǎn)換所允許的速度或時(shí)間間隔，這兩個(gè)參數(shù)在本質(zhì)上是不相容的，因?yàn)楦呔绒D(zhuǎn)換和高速轉(zhuǎn)換很難同時(shí)完成。高速或快速模電轉(zhuǎn)換是一個(gè)相對(duì)的術(shù)語，但在數(shù)字計(jì)算機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換的過程中，“高速”采樣間隔是大約十個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘周期而不是十個(gè)一千秒。一個(gè)微秒間隔內(nèi)的轉(zhuǎn)換是中等快的速度但不是極限速度。由于很多模數(shù)轉(zhuǎn)換無需快速，所以有可能獲得高精度。然而，獲取高精度的復(fù)雜性以及費(fèi)用可能會(huì)使我們改變目標(biāo)。模擬變量轉(zhuǎn)換的預(yù)期應(yīng)用（目標(biāo)）可能確定了需要何種程度的 數(shù)字精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度是由二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)確立的，這個(gè)位數(shù)對(duì)應(yīng)于最大值或滿量程的模擬值。四位（二進(jìn)制數(shù)）容許0至1

47、5等間隔時(shí)間內(nèi)的量化。幅值二進(jìn)制表示改變一位，對(duì)應(yīng)的模擬量幅值就一定改變了6.25。一個(gè)字節(jié)（8位）容許的精度為0.4，7位二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)于近似10的譯碼精度。數(shù)模轉(zhuǎn)換為了把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，我們必須以這種加權(quán)方式處理每一位（二進(jìn)制數(shù)），這樣一個(gè)裝置的方框圖如圖24所示。參考電壓源給電壓開關(guān)提供了一個(gè)精確的校準(zhǔn)電壓。一旦電壓源提供給電壓開關(guān)的校準(zhǔn)電壓被收到，并且一旦接收到一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)，二進(jìn)制數(shù)據(jù)就被鎖進(jìn)寄存器，同時(shí)每位就被配置一個(gè)加權(quán)的電流或電壓。這些來自輸入寄存器的二進(jìn)制信號(hào)接著提供給電壓開關(guān)，然后產(chǎn)生一個(gè)或兩個(gè)可能的輸出。于是，這個(gè)電壓開關(guān)等效于一個(gè)由寄存器產(chǎn)生的二進(jìn)制信號(hào)控制的普通

48、SPDT開關(guān)。電壓開關(guān)（的輸出）提供給一個(gè)電阻性的加法電路，加法電路把每一位轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的加權(quán)電流值，并求出總電流。這個(gè)總電流提供給放大器，放大器執(zhí)行兩個(gè)功能，即電流向電壓的轉(zhuǎn)換并計(jì)量，因此D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓將是一個(gè)正確的值。輸入寄存器是一個(gè)并聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的元件。轉(zhuǎn)換器的信號(hào)被用來鎖住輸入寄存器的數(shù)據(jù)，直到下一個(gè)轉(zhuǎn)換器信號(hào)被接收到為止。無論A/D還是D/A轉(zhuǎn)換器都具有特定的分辨率，精度，速度以及增益。A/D轉(zhuǎn)換器還有漂移的問題。Exercises （23）雙極型反相器是一種基本電路，大多數(shù)雙極型飽和邏輯電路包括二極管晶體管邏輯電路（DTL）以及晶體管晶體管邏輯電路（TTL）可由這種電路導(dǎo)

49、出。然而，基本的雙極型反相器要受到負(fù)載效應(yīng)的影響。二極管晶體管邏輯電路將二極管邏輯電路和雙極型反相器結(jié)合在一起以使負(fù)載效應(yīng)減小到最低程度。晶體管晶體管邏輯電路，是從DTL電路直接演變而來，這種電路使傳輸延遲時(shí)間縮短，正如我們將展示的那樣。在DTL和TTL電路中，雙極型晶體管在截止和飽和之間的區(qū)域被驅(qū)動(dòng)。由于晶體管實(shí)質(zhì)上是作為一個(gè)開關(guān)被使用，所以其電流增益不如放大器電路中的電流增益那么重要。特別地，對(duì)于使用在這些電路中的晶體管，假設(shè)電壓增益在25至50這個(gè)范圍內(nèi)。這些晶體管的 帶寬不必做得象高增益放大器的晶體管那么嚴(yán)格。4運(yùn)算放大器第四節(jié) ：運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器是一種高增益的差分放大器，它在第

50、二次世界大戰(zhàn)期間得到完善，并成為模擬計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。由于運(yùn)算放大器被用來解差分方程，因此一段時(shí)期內(nèi)模擬計(jì)算機(jī)被稱為“差分分析器”。運(yùn)算放大器也是很多重要儀器的主要組成部分。模擬放大器由基本的差分放大器組成，通過反饋以及其它補(bǔ)償放大電路實(shí)現(xiàn)線性反應(yīng) 、穩(wěn)定性、來自漂移的自由度以及其它我們所期望的性能。我們要求它具有復(fù)雜性，因?yàn)檫\(yùn)算放大器放大直流以及交流信號(hào)，在放大階段不允許有容性耦合。因此我們很難隔離由溫度的變化和電源電壓以及其它引起輸出電壓漂移的因素而產(chǎn)生的長(zhǎng)效變化。在發(fā)明了晶體管后，固態(tài)運(yùn)算放大器被引入成為集成電路。現(xiàn)在運(yùn)算放大器被用來制造高品質(zhì)、低功率的模擬放大器，因而我們可以在很多應(yīng)用場(chǎng)合

51、免去了設(shè)計(jì)單個(gè)的晶體管放大器的過程。對(duì)于大多數(shù)要求放大和很多測(cè)量和控制應(yīng)用的場(chǎng)合，具有反饋電路的簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器將滿足設(shè)計(jì)者的需要。以雙列直插式封裝或以其它密封形式出現(xiàn)的運(yùn)算放大器做成的集成電路的可用性使模擬信號(hào)問題在很多方面類似數(shù)字邏輯問題那樣得到解決，也就是通過集成電路的相互連接得到解決。運(yùn)算放大器圖25顯示了運(yùn)算放大器的符號(hào)。它有兩個(gè)輸入端：標(biāo)有正號(hào)的為非倒向輸入端，而標(biāo)有負(fù)號(hào)的為倒向輸入端，由運(yùn)算放大器放大的電壓是兩個(gè)輸入端之間的電壓。由于開始增益是如此大，從105到106，所以僅僅是幾微伏的電壓差將產(chǎn)生相當(dāng)大的輸出電壓。由于運(yùn)算放大器是一種差分放大器，因此，在兩個(gè)輸入端必須都連接電壓

52、才能使之正常工作。如果兩個(gè)不同的正電壓分別被加在兩個(gè)輸入端，而且非倒向輸入端的電壓大于倒向輸入端的電壓，那么運(yùn)算放大器的輸出端電壓將處于最大值（飽和值） 。如果電壓進(jìn)行相互交換其相對(duì)值也就是，如果倒向輸入端的電壓大于非倒向輸入端的電壓運(yùn)算放大器將產(chǎn)生一個(gè)最小的輸出，即為飽和負(fù)電壓。每當(dāng)相對(duì)電壓值改變時(shí)這種轉(zhuǎn)換就會(huì)很快地發(fā)生。我們將看到運(yùn)算器是非常好的電壓比較器，因?yàn)樗谒查g電壓變換時(shí)產(chǎn)生很大的電壓起伏。此時(shí)僅僅幾微伏的電壓將使先前的電壓大小關(guān)系產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)。如果運(yùn)算放大器工作在其線性范圍內(nèi)，在其倒向輸入端和非倒向輸入端之間必須存在非常小的電壓差。在分析運(yùn)算放大電路時(shí)，我們假設(shè)由于存在很大的開路電壓

53、增益，所以輸入端兩端的電壓差可以忽略不計(jì)。在某些場(chǎng)合我們將把電壓設(shè)為零。當(dāng)輸出信號(hào)的一部分返回輸入端作為負(fù)反饋，電壓差就無法增大因?yàn)檩敵龈淖兪馆斎攵说碾妷翰顪p小。 另外兩個(gè)性質(zhì)也存在于運(yùn)算放大器，它們是非常高的輸入阻抗，大約106，以及很小的輸出阻抗，大約100。這些性質(zhì)使運(yùn)算放大器變得有用因?yàn)樗梢栽试S信號(hào)源用非常小的電流來驅(qū)動(dòng)放大器，反過來，運(yùn)算放大器可以驅(qū)動(dòng)具有很高信號(hào)要求的器件。概括起來，一個(gè)好的運(yùn)算放大器具有以下特性：1. 非常大的大約一百萬的開路增益，倒向輸入端和非倒向輸入端之間相當(dāng)小的電壓差；很高的輸入阻抗以及很小的輸出阻抗。而一個(gè)理想的運(yùn)算放大器將會(huì)有一個(gè)無窮大的增益。輸入端之

54、間的一個(gè)零電位差，一個(gè)無窮大的輸入阻抗以及一個(gè)零輸出阻抗。2. 很多運(yùn)算放大器要求兩個(gè)數(shù)值相等但符號(hào)相反的供電電壓，一個(gè)為正而另一為負(fù)，典型的值是±12V或±15V。其它運(yùn)算放大器可能工作在單端輸入電源，比如說±15V。運(yùn)算放大器的有用的輸出電壓范圍等于大約80的供電電壓，對(duì)于具有雙邊電源電壓±15V的運(yùn)算放大器，輸出信號(hào)被限制在大約±12V。很多運(yùn)算放大器都有其局限性，其中有兩點(diǎn)需要在這里提到，一個(gè)局限性是隨著頻率的增加其增益下降得很快。在低頻階段如象10Hz那么低電路增益就開始下降（功率在20分貝處開始以每10分貝的速度減小）。增益相對(duì)頻率

55、的局限性通過負(fù)反饋的補(bǔ)償作用而使頻帶得以增寬。另外一個(gè)局限是大多數(shù)運(yùn)算放大器對(duì)輸入信號(hào)的改變所能起反應(yīng)的速率。與邏輯門相比較，運(yùn)算放大器在這個(gè)方面的性能不算好，普通運(yùn)算放大器在大約1v/us的速率時(shí)可以改變狀態(tài)。而一個(gè)TTL數(shù)字邏輯門從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)大約比這個(gè)速度快500倍。運(yùn)算放大器的重要性在于使用負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)應(yīng)用運(yùn)算放大器和邏輯門的電路因?yàn)榫哂袃煞N技術(shù)優(yōu)勢(shì)而允許進(jìn)行數(shù)字處理和分析。第三章 電力電子技術(shù)Semiconductor switches are very important and crucial components in power electronic

56、systems.these switches are meant to be the substitutions of the mechanical switches,but they are severely limited by the properties of the semiconductor materials and process of manufacturing. 在電力電子系統(tǒng)，中半導(dǎo)體開關(guān)是非常重要和關(guān)鍵部件。半導(dǎo)體開關(guān)將要替換機(jī)械開關(guān),但半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和生產(chǎn)過程嚴(yán)重限制了他們。Switching losses開關(guān)損耗Power losses in the power

57、eletronic converters are comprised of the Switching losses and parasitic losses. 電力電子轉(zhuǎn)換器的功率損耗分為開關(guān)損耗和寄生損耗the parasitic losses account for the losses due to the winding resistances of the inductors and transformers,the dielectric losses of capacitors,the eddy and the hysteresis losses. 寄生損失的繞組電感器、變壓器的阻力、介電損耗的電容器,渦流和磁滯損耗the switching losses are significant and can be managed. 這個(gè)開關(guān)損耗是非常重要的,可以被處理。they can be further divided into three components:(a)the on