第1章-電子系統(tǒng)概述

主講教師：熊蘭

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2010年9月模擬電子技術(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)技術(shù)。包括：模擬電子技術(shù)－主要討論線性電路；數(shù)字電子技術(shù)－著重討論脈沖與數(shù)字電路。本課程是電氣工程、計算機(jī)、自動化等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，使學(xué)生掌握必須具備的電子技術(shù)基礎(chǔ)理論知識及基本技能，初步掌握閱讀和分析簡單電子電路原理圖的一般規(guī)律，電子電路的設(shè)計，了解電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用。前言本課程的特點和學(xué)習(xí)要求1.內(nèi)容多、學(xué)時少2.概念抽象，較難理解和掌握3.知識相關(guān)性強(qiáng)、各知識點緊密聯(lián)系

－上課認(rèn)真記筆記或標(biāo)注，－課后復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)、作業(yè)

－及時解決疑問，系統(tǒng)學(xué)習(xí)參考教材和資料

1.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分（第5版）主編：康華光，高等教育出版社，2006年01月。

2.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第5版)-同步輔導(dǎo)及習(xí)題全解

主編：夏應(yīng)龍，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007年08月

3.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）主編：童詩白，華成英，高等教育出版社，2006年1月

4.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）習(xí)題解主編：華成英，高等教育出版社，2007年3月特別要求

1.保持良好的課堂紀(jì)律，不遲到、早退、曠課、閑聊，手機(jī)靜音。

2.作業(yè)認(rèn)真，書寫工整規(guī)范，特別強(qiáng)調(diào)要獨(dú)立完成。

3.積極參加答疑，及時反饋意見。模擬電子技術(shù)：半導(dǎo)體器件、放大器、集成運(yùn)算放大器、波形發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源。數(shù)字電子技術(shù)：門電路、觸發(fā)器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件、脈沖波形的產(chǎn)生與變換、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器。課程內(nèi)容體系1.1電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng)1.2信號及其頻譜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1章電子系統(tǒng)概述1.1電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng)

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統(tǒng)一系統(tǒng)。主要作用：實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配和使用。6.3,10.5kV3.15kV6.3kV,10.5kV400/230V1000,500,330,220,110,35kV發(fā)電廠3.15kV6.3kV10.5kV13.8kV18kV升壓輸電線220kV330kV500kV1000kV降壓變電站3kV6kV10kV…降壓用戶（日常/生產(chǎn)）3kV6kV380/220V36V降壓我國電力系統(tǒng)的發(fā)輸配電變壓器電壓等級發(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：水的勢能→電能火力發(fā)電廠：化學(xué)能（燃燒煤、石油等）→電能核電廠：原子能→電能。

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)域的一個巨大電路。變電站：變壓器，電容器，電力開關(guān)設(shè)備變電站：變壓器，電容器，電力開關(guān)設(shè)備輸電線路：桿塔，絕緣子，導(dǎo)線發(fā)電廠和變電所的電氣設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。一次設(shè)備（也稱主設(shè)備）是構(gòu)成電力系統(tǒng)的主體，它是直接生產(chǎn)、輸送和分配電能的設(shè)備，包括發(fā)電機(jī)、電力變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電力母線、電力電纜和輸電線路等。一次設(shè)備及其連接的回路稱為一次回路。二次設(shè)備是對一次設(shè)備進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)和監(jiān)測的設(shè)備，它包括控制器具、繼電保護(hù)和自動裝置、測量儀表、信號器具等。二次設(shè)備通過電壓互感器和電流互感器與一次設(shè)備取得電的聯(lián)系。二次設(shè)備按照一定的規(guī)則連接起來以實現(xiàn)某種技術(shù)要求的電氣回路稱為二次回路。電力系統(tǒng)還包括為保證其安全可靠運(yùn)行的繼電保護(hù)和安全自動裝置,調(diào)度自動化和通信等輔助系統(tǒng)(又稱二次系統(tǒng))。電力系統(tǒng)的構(gòu)成電子電路是由電子元件組成的、實現(xiàn)特定功能的電路。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。電子系統(tǒng)計算機(jī)主板與電力系統(tǒng)處理能量不同，電子系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)電信號的產(chǎn)生、獲取、放大、變換、傳輸、識別和應(yīng)用等功能（或部分功能），處理的對象是電信號。

信號是隨時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(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轉(zhuǎn)換為電信號再進(jìn)行處理。因此，電子系統(tǒng)成為信息化社會的物質(zhì)基礎(chǔ)，例如通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)等。電子系統(tǒng)有線擴(kuò)音系統(tǒng)拾音器音頻放大器揚(yáng)聲器傳感器(或換能器)：將非電信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，是電子系統(tǒng)實際的信號源之一。音頻放大器：實現(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：將電信號還原為原始的非電信號的部件，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。end電子系統(tǒng)1.2信號及其頻譜1.2.1信號1.2.2信號的頻譜電路的組成信號源負(fù)載電子系統(tǒng)信號是隨時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)的一種實際信號源，可等效為電壓源或電流源，是時間的函數(shù)。R+-R1.2.1信號電壓源電流源

如果電壓（或電流）在某個值域內(nèi)可連續(xù)取值則稱為連續(xù)信號或模擬信號。例如，電壓是時間的正弦函數(shù)

值域:[-Vm,+Vm]

如果電壓（或電流）在某個值域內(nèi)只能是某個單位量的整倍數(shù)則稱為離散信號或數(shù)字信號。例如，單位量為1mV，數(shù)字電壓信號的幅值只能是0mV、±1mV、±2mV、…、±nmV。toto

模擬信號to多值數(shù)字信號二值數(shù)字信號1.2.1信號

模擬電路（AnalogCircuit）是處理模擬信號的電子電路，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(DigitalCircuit)是處理數(shù)字信號的電子電路。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(AnalogtoDigitalConverter,ADC)是實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電子電路。

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（DigitaltoAnalogConverter,DAC)是實現(xiàn)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電子電路。通常，數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)要討論的主要內(nèi)容。end1.2.1信號1.2.2信號的頻譜信號承載的重要信息之一是其頻譜信息。正弦信號常作為模擬電路的標(biāo)準(zhǔn)信號或測試信號。幅度頻譜：信號幅度與頻率的關(guān)系相位頻譜：信號相位與頻率的關(guān)系幅度頻譜和相位頻譜統(tǒng)稱為信號的頻譜。1.2.1信號1.2.2信號的頻譜1.周期信號的頻譜如果信號是時間的周期函數(shù)則稱為周期信號。T----信號的周期----信號的頻率周期性正弦信號波形周期性方波信號波形0ut0ut1.2.1信號1.2.2信號的頻譜1.周期信號的頻譜如果周期信號滿足狄里赫利條件（Dirichlet‘sCondition），則可展開為傅里葉級數(shù)。狄里赫利條件：①在任意周期內(nèi)絕對可積，即②在任意周期內(nèi)只有有限個極值； ③在任意周期內(nèi)只有有限個不連續(xù)點；直流分量n=1–基波分量n>1–諧波分量交流分量1.周期信號的頻譜例如：周期性方波信號可以分解為無數(shù)個諧波分量的累加?；ㄖ绷鞣至?基波t三次諧波直流分量Us/2u0Us周期性正弦信號波形周期性方波信號波形0ut0ut1.周期信號的頻譜例求電壓周期方波信號的傅里葉級數(shù)。解：toVST2TωoVn(ω)VS/2ω03ω05ω0oω03ω05ω0ω波形

幅度譜

相位譜同一電路對不同頻率的信號的響應(yīng)是相同的嗎？1.周期信號的頻譜周期電壓信號作用到電阻R上的平均功率P為V是電壓信號的有效值，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,信號的幅度譜反映了信號的功率分布，是信號最重要的特性之一。1.周期信號的頻譜如果周期T趨于無窮大，則周期信號變化為非周期信號。因此，非周期信號的角頻率ω0=2π/T是無窮小量，信號的頻譜將在角頻率軸上連續(xù)分布。2.非周期信號的頻譜如果模擬信號絕對可積，即則存在傅里葉變換對:

V(jω)即是非周期信號的頻譜。其中∠V(jω)是相位譜，|V(jω)|是幅度譜，|V(jω)|2是功率譜。1.2.2信號的頻譜例求電壓單脈沖信號的頻譜:(參見信號與系統(tǒng)課程)

解:toVSτ-τ幅度譜是連續(xù)分布的，并且脈沖寬度（2τ）越窄，高頻分量越多；頻譜幅度與脈沖幅度和脈沖寬度之積（τVS）成正比。ωo|V(jω)|τVS2.非周期信號的頻譜

在工程實際中，信號作用的時段通常是有限的，滿足絕對可積條件，信號的頻譜總是存在的。對工程實際問題有重要影響的信號稱為有用信號(有效信號),通常有用信號的頻譜范圍是有限的。表1.2.2典型信號的頻率范圍信號頻率范圍信號頻率范圍心電信號0.05Hz～200Hz調(diào)頻無線電信號88MHz～108MHz音頻信號20Hz～20kHz超高頻電視信號470MHz～806MHz模擬電視信號直流～4.5MHz衛(wèi)星電視信號3.7GHz～4.2GHz調(diào)幅無線電信號540kHz～1600kHz1.2.2信號的頻譜電子電路總是處在復(fù)雜的電磁環(huán)境中。因此，除了有用信號外，工程實際問題中還存在干擾和噪聲信號。3.干擾和噪聲信號的頻譜自然界的雷電、電力輸電線路、無線電臺和電視臺、電動機(jī)的起停等產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象必然在電子電路中產(chǎn)生電壓或電流脈沖信號，它們對電子電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾，稱為干擾信號，其頻譜分布與單脈沖信號相似，包含有豐富的高頻分量。toVSτ-τωo|V(jω)|τVS1.2.2信號的頻譜

噪聲是指電子不規(guī)則運(yùn)動引起的對有用信號的擾動。例如，在電阻材料中電子總是在做無規(guī)則的熱運(yùn)動，對外電壓引起的定向運(yùn)動電流形成擾動電流。----熱噪聲。+-i0ti(t)0ωI(jω)均勻譜當(dāng)有用信號遠(yuǎn)大于噪聲時，可忽略噪聲信號。相反，有用信號被淹埋在噪聲信號中。所以，噪聲信號限制了電子系統(tǒng)所能處理的最小信號。3.干擾和噪聲信號的頻譜1.2.2信號的頻譜+-i0ti(t)0ωI(jω)均勻譜評價信號優(yōu)劣的指標(biāo)是信噪比S/N，定義為有用信號的功率與噪聲信號的功率之比。信噪比越大，信號越好。評價電子系統(tǒng)對噪聲和干擾的抑制能力用輸出信號的信噪比(S/N)o除以輸入信號的信噪比(S/N)i，商越大，抑制能力越強(qiáng)。3.干擾和噪聲信號的頻譜1.2.2信號的頻譜1.3電子系統(tǒng)組成框圖傳感器信號預(yù)處理模擬信號處理子系統(tǒng)數(shù)字信號處理子系統(tǒng)執(zhí)行器模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換傳感器將工程實際涉及的某些物理量轉(zhuǎn)換為電信號。為了避免對物理量的影響，傳感器攝取的能量很小，輸出的電信號很弱（如微伏級或毫伏級的電壓），且信號伴隨著噪聲信號。信號預(yù)處理：包括信號幅度的放大和濾除干擾及噪聲信號。例如：在線檢測：變壓器油中氣體、變壓器防盜、開關(guān)柜中的溫度分布；電纜故障定位與測距傳感器信號預(yù)處理模擬信號處理子系統(tǒng)數(shù)字信號處理子系統(tǒng)執(zhí)行器模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換信號處理操作：包括對信號的放大，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。理論上，各種信號處理操作都可以用模擬或數(shù)字方式實現(xiàn)。

執(zhí)行器電信號還原成某種物理量，實現(xiàn)對工程實際的某種操作。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

電子學(xué)或電子技術(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)。電力系統(tǒng)主要是利用電子在金屬中的運(yùn)動規(guī)律構(gòu)成電能的生產(chǎn)、傳輸和使用等電氣設(shè)備。

電子器件是利用電子在真空或半導(dǎo)體中的運(yùn)動規(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)體二極管、三極管、集成電路等。

電子電路廣泛地應(yīng)用于通信、計算機(jī)、自動控制、廣播電視、遙感和遙測等工程中，形成相對獨(dú)立的電子工程體系。庫倫（Coulomb，1736～1806，法國）：庫侖定律。庫侖定律使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段。安培（Ampere，1775-1836，法國）：安培定律、安培定則和分子電流等。著書《電動力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》。

歐姆（Ohm，1787-1854，德國）：在《金屬導(dǎo)電定律的測定》的論文論述了歐姆定律。奧斯特（Oersted

，1777-1851，丹麥）：電流磁效應(yīng)。高斯（Gauss，1777-1855，德國）：高斯發(fā)明了磁強(qiáng)計，第一個電話電報系統(tǒng)。在數(shù)學(xué)方面有巨大的貢獻(xiàn)。法拉第（Faraday，1791-1867，英國）：磁電感應(yīng)。電氣工程和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。1.4電子技術(shù)及其發(fā)展概述亨利（Henry，1797-1878，美國）：發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象。研究電磁中繼理論，是電報的基礎(chǔ)。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)測了電磁波可以在空間中傳播和光是一種電磁波。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），證實了麥克斯韋的預(yù)測。馬可尼（Marconi，1874-1937，意大利）：1896年，成功地發(fā)射赫茲波，并在2英里外檢測到赫茲波，無線電報初露端倪。電氣工程和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。1.4電子技術(shù)及其發(fā)展概述在研究有效地進(jìn)行無線電通信的過程中，電子技術(shù)時代悄然到來

洛倫茲（Lorentz，1853-1928）：1895年，假定了電子存在。湯普森（Thompson，1856-1940）：1897年，通過實驗發(fā)現(xiàn)了電子。弗萊明（J.A.Fleming，1849-1945）：1904年，發(fā)明了真空電子二極管(diode)，用于檢測微弱的無線電信號（電磁波）。福雷斯特（Forest，1873-1961）：1906年，發(fā)明了具有放大作用的真空電子三極管。此后的近半個世紀(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、電視和計算機(jī)等工程領(lǐng)域。1.4電子技術(shù)及其發(fā)展概述世界上第一臺數(shù)字電子計算機(jī)于1946年在美國研制成功，IBM公司將其取名為愛尼亞克（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，ENIAC）。這臺計算機(jī)使用了18800個電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電140千瓦，價格40多萬美元。每秒可進(jìn)行5000次加法和減法運(yùn)算，把計算一條彈道的時間縮短為30秒。ENIAC服役長達(dá)9年。1.4電子技術(shù)及其發(fā)展概述

1947年底美國貝爾實驗室的肖克萊（Shockley，1910-1989）、布拉頓（Brattain，1902-1987）、巴?。˙ardeen，1908-1991）發(fā)明了晶體管。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，真空管時代結(jié)束,晶體管時代誕生。他們?nèi)艘惨驗榘l(fā)明晶體管而榮獲1956年的諾貝爾物理學(xué)獎。1.4電子技術(shù)及其發(fā)展概述在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（IntegratedChip,IC）。第一個鍺材料集成電路放大器。標(biāo)志著電子技術(shù)發(fā)展到了一個新的階段--微電子技術(shù)時代（Microelectronics）。基爾比也因為發(fā)明集成電路而在2000年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。集成電路技術(shù)是通過一系列特定的加工工藝，將電子電路“集成制造”在一塊半導(dǎo)體晶片上，執(zhí)行特定的電路或系統(tǒng)功能。集成電路實現(xiàn)了材料、元件、電路