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电子信息系统基础,教师：郑重 课时：80 EMAIL：zozheng,一、电子技术的发展 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机 网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器 工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床 交通：飞机、火车、轮船、汽车 军事：雷达、电子导航 航空航天：卫星定位、监测 医学：刀、CT、B超、微创手术 消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路,1904年 电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管 1958年 集成电路 1969年 大规模集成电路 1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而2011年， Altera公司在一片集成电路中封装39亿个晶体管。,学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,第一只晶体管的发明者 （by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）,第一个集成电路及其发明者 （杰克基尔比（Jack S. Kilby） from TI ）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。,他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,值得纪念的几位科学家！,二、信号与处理电路,1. 电子电路中信号的分类 数字信号：离散性,模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。,2. 模拟电路与数字电路 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。 数字电路是对数字信号进行处理的电路。,“1”的电压当量,介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,三、电子信息系统的组成,模拟电子电路,数字电子电路（系统）,传感器接收器,隔离、滤波、放大,运算、转换、比较,功放,四、课程的目的,1. 掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,电子线路基础 参考教材： 1、电子信息系统基础，高教出版社，蓝鸿翔、 戴蓓倩 2、模拟电子技术基础，清华大学，童诗白 3、电子技术基础（模拟部分），华中理工大学， 康华光，高教出版社 4、电子技术基础（数字部分），华中理工大学， 康华光，高教出版社 5、数字电子技术基础（第四版），高教出版社， 阎石,第一部分 电路理论基础 1 线性电路及电路模型 1.1 基本概念 一、电 电的应用可分为能量和信息两大领域 1、电力系统 （以能量为着眼点） 涉及大规模电能的产生、传输和转换 2、电子信息系统 （以信息为着眼点） 电能又可以以极其微小而被精确控制的形式传送，具 有携带信息的能力。,二、电路 两个或两个以上的电路元件按一定的 方式连接起来，组成网络，也称电路。 三、电路的作用 (1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,直流电源: 提供电能,信号处理,负载,信号源: 提供信息,四、实际电路元件与理想电路元件 实际电路元件，如电阻器，电感器等， 人们设计它时，是要利用它的某种物理性质， 如电阻器对电流呈阻力的性质，然而，当电 流通过电阻器时还会产生磁场，因而兼有电 感的性质。这为分析电路带来困难。,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,开关,发光二极管,灯泡,保险丝,理想电路元件，具有某种单一电磁特性且可用 数学方法精确定义的元件。 理想电路元件是定义的，用来构成实际电路元 件的模型。 元件端子：元件与电路其他部分连接的唯一途 径。元件至少有2个端子。,五、实际电路，电气图，电路模型（电路图）,电气图：用符号（国家标准）表示各实际电路元件 的相互连接关系。,电路模型：把实际电路的本质特征抽象出来所形成 的理想化电路。电路模型是由理想电路 元件构成。 建模时注意： 1 必须考虑工作条件 并按不同的精度要求把给定工作情况下的 主要物理功能反应出来。 2 不同的实际电路部件，只要具有相同的主要电磁性能，在一定条件下可用同一个模型表示。,3 同一个实际电路在不同的应用条件下，它的模型也可以有不同的形式。 模型化分析方法，即以电路模型（而不是实际电 路）为分析的对象。 注意：模型取得太复杂，会造成分析的困难，取得 太简单，则不足以反应所需求解的真实情况。,六、信号 激励 响应 信号：信息的载体，如光信号，电信号。 电信号：载有信息的电压或电流。 模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号 数字信号：在时间或幅值上是离散的信号 激励：电路分析中，外加信号是引起网络中各处 电流、电压的原因，故称为激励（信号）,响应：电路中各处由激励引起的电压、电流则称为 响应信号或响应。 常用的典型信号： (1)直流信号 (2) 正弦（或余弦）信号 通常用于研究电路的稳态响应 (3) 单位阶跃信号 通常用于研究电路的暂态响应 (4)指数函数信号 常用于研究电路中所发生的信号过渡过程,1.2 基尔霍夫定律 一、几个名词 节点 ：网络中元件之间的联接点。 支路 : 节点之间的路径。 回路：电路中任一闭合路径。,2,3,4,1,5,二、电流和电压的参考方向,1. 电流参考方向,R,1,2,I,若 I = 2A ，表示实际电流方向与参考方向（箭头）相同。 若 I= -2A，表示实际电流方向与参考方向（箭头）相反。,2. 电压参考极性,R,1,2,+ U -,若 U = 2V ，表示实际电压极性与参考极性相同。 若 U= -2V，表示实际电压极性与参考极性相反。,3. 关联参考方向,R,+ U ,I,非关联参考方向,I R,+ U ,伏安关系：U = R I U = - R I 消耗功率： P = U I P = - U I,解：（a）中电压、电流取为关联参考方向，吸收功率为,例1.1：,若（a）中的电压 u=10V，i=2A, 求 A 吸收的功率； 若（b）中的电压 u=10V，i=2A, 求 A 吸收的功率。,（b）中电压、电流取为非关联参考方向，吸收功率为,p=ui=-10V2A=-20W,p=-ui=-10V2A=-20W,三、基尔霍夫电流定律KCL,在任意时刻，流入某节点的电流总和等于流出该节点的电流总和,I1,I2,I3,I4,I1 + I3 = I2 + I4,在任意时刻，流入某节点的各电流代数和等于零。,n ,I1 - I2 + I3 - I4 = 0,Ii = 0,例1.2：图中，已知 I1 = -5A I2 =2A I3 = 3A 求： I4,I1,I2,I3,I4,解：I1 - I2 + I3 - I4 = 0,（-5）- （2）+ （3）- （I4）= 0,I4 = - 4 A,KCL的应用条件： 1.该定律表明了任一节点上的各支路电流间的关 系，与各支路上所接元件的性能无关，无论是对于线性网络还是非线性网络都适用。 2.运用该定律时需先标出所有电流的参考方向，对于未知电流，可任意假设其参考方向，若解出的未知电流为负值，则说明实际电流与假设相反。 3.KCL可以推广应用到包围几个节点的闭合面。,KCL的推广,两条支路电流大小相等， 一个流入，一个流出。,只有一条支路相连，则 i=0。,四、基尔霍夫电压定律KVL,在任意时刻，沿任一回路的所有支路电压的代数和为零。U=0,+ U1 -,+ U3 -,- U2 +,- U4 +,B,C,（从B 出发，顺时针饶向，） 有 U1 U2 U3 + U4 = 0 或 U1 +U2 + U3 U4 = 0,例1.3：图中，已知 U1 = 5V U2 =4V U4 = -3V 求： U3,+ U1 -,+ U3 -,- U2 +,- U4 +,B,C,解： 因 U1 U2 U3 + U4 = 0 （5） （4） U3 +（-3）=0 得 U3 = - 2 V,在任意时刻，沿任一回路的所有元件端对电压的代数和为零。,+ U1 -,- U3 +,（从1 出发，顺时针饶向，） 有 U1 + U2 + U3 = 0,N,+ U2 -,1,2,3,或 U12 + U23 + U31 = 0,KVL的应用条件 1. 该定律只表明沿闭合回路的电压降的代数和为零，而与 回路中的元件性质无关，因此既适用于线性网络，也适 用于非线性网络。 2. 应用该定律时，需先标出所有电压降的参考极性，在列 回路电压方程时，首先要为回路设定一个循行的正方 向，凡电压的参考极性从“”到“”与回路循行方 向一致者，则该电压前取“”号，否则取“”号。 3. 回路循行的路径必须构成闭合曲线，即循行的终点必须 是循行的出发点。,例1.4 如图表示一复杂电路中的一个回路。已知各 元件的电压：u1=u6=2V,u2=u3=3V,u4=7V,试求u5。 解：根据KVL，这6个支路电压线性相关，给出任何 5个电压即可求得另一电压。为此，应先列出KVL方 程。, u2 -,b, u3 -, u4 -,d, u5 -, u1 ,a, u6 -,设u5的参考极性如图中所示。从a点出发，顺时针方 向绕行一周，可得： -u1+u2+u3+u4-u5-u6=0 带入已知数据，解得 u5=-5V U5为负值说明u5的实际极性与图中所假设的极性相 反。 思考：试求上题题图中a,b两点间电压。,总结：基尔霍夫定律有两条，KCL与KVL。 KCL表明了电路中各支路电流之间必须遵守的规律， 这一规律体现在电路中的各个节点上。KCL是电荷守 恒法则运用于电路的结果。 KVL表明了电路中各支路电压之间必须遵守的规律， 这一规律体现在电路的各个回路中。KVL是能量守恒 法则和电荷守恒法则运用于电路的结果。,电路是由元件连接而成，基尔霍夫定律对电路的约 束仅是一种连接方式的约束，再加上电路中各元件 本身性质所决定的电压电流关系的元件约束，才构 成对电路进行电路分析的理论基础。,1.3电阻元件 一、单口器件，单口网络 仅有一对引出端钮、而且两个端钮上的电流为 同一电流的器件或网络称为单口器件或单口网络。,实际电阻器示例,二、线性电阻元件 线性电阻元件是从实际电阻器抽象出来的模 型。只反映电阻器对电流呈阻力的性能，其电压电 流关系服从欧姆定律。,电压与电流取关联参考方向,欧姆定律 (Ohms Law),u R i,R 称为电阻,单位：欧(姆) 符号: ,线性电阻：伏安特性为 一条过原点的直线,1.4 理想独立电源 一、理想电压源 在任何时刻，端电压都不随流过的电流而变的电源,电路符号,i,u,0,us,u = us,恒压源伏安特性,说明：电压源的电压 us 与端电流 i 无关，但可以与除电压、电流以外的其他物理量有关，例如，时间 t。电流的大小取决于外接负载的情况。,二、理想电流源 任何时刻，流过电源的电流都不随其端电压而变,电路符号,i,u,0,is,i = is,恒流源伏安特性,说明：电流源的电流 is与端电压 u无关，但可以 与除电压、电流以外的其他物理量有关，例如， 时间 t。电压的大小取决于外接负载的情况。,例1.5 求图示电路中电压源与电流源各自提供的功率。,分析：为获得电压源和电流源各自提供的功率，就必须利用KCL和KVL求得流过电压源的电流和电流源两端的电压。,1 由回路l1，l2的KVL方程分别求得,2 由欧姆定律求得电阻电流,3 由节点的KCL方程求得流过电压源的电流,4 电压源发出功率 电流源发出功率,u2=-5V+1V=-4V u1=21A+u2=-2V,i2=-4A i4=1A,i3=1A-i2+i4=6A,p5v=5Vi3=30W,p1A=u11A=-2W,例1.6 如图所示电路，求电压Uab 分析：自a点沿任何一条路径巡行至b点，沿途各段电路电压的代数和 即为所求电压Uab。 解：设电流I1,I2,I3，并作封闭面S如图所示。,由KCL推广可知I20 ， I35A 由KVL及欧姆定律得： I1 1A 电压Uab8I12I223I3 5V 例1.7如图所示电路，求电流Iab.,图1,设电流I,I1,I2参考方向如图所示，并将原图变换到图2， 在图2中先求出I,I1,I2。 I 3A I1I 2A I2I 1A,图2,再由图1，对a点运用KCL I1IabI20 Iab1A 注意 图2中的Iab不等于Iab 由图1可得图3,图3,图2,1-5 两类约束 电路KCL、KVL方程的独立性,本节主要内容：在奠定了KCL和KVL欧姆定律、电 阻、电压源、电流源，以及分压电路和分流电路的定 义之后，为电路分析奠定了基本概念上的基础。 在基本概念的基础上，本节主要讨论电路分析的最基本方法两类约束，以及电路KCL、KVL方程的独立性。,VAR：元件的伏安关系（Volt and Ampere Relatiion）。,KCL、KVL和元件的VAR是对电路中各电压变量、电流变量所施加的全部约束。,第一类来自元件的相互连接方式。这种只取决于互联 形式的约束称为拓扑约束( topological constraints) ；,两类约束：,（1）与节点连接的各支路电流必然受到KCL的 约束；,（2）连接成一个回路的各支路电压必然受到 KVL的约束；,只有两个支路的节点的各支路电流大小必然相等；,例如：,只有两个支路的回路的各支路电压大小必然相等。,第二类来自元件的性质。这种取决于元件性质的约 束称为元件约束（element constraints）。,两类约束是解决电路问题的基本依据。,例如：一个线性非时变电阻将迫使其两端的电压 u 和流过的电流 i 服从u = Ri 的VAR约束关系。,我们即将论证，根据两类约束关系，可以列出联系电路中所有电压变量、电流变量的足够多的方程组。,具体地说，对一个具有 b 条支路的电路，可以列出联系 b 个支路电压变量和 b 个支路电流变量所需的2b个独立方程式。,我们以下图所示电路为例来说明。,该电路有 4 个节点、5 条支路，共有 5 个支路电压和 5 个支路电流为变量。,结 论： 5个支路的电路可以获得联系10个电流和电压变量的 10个独立方程。,推 广：b条支路的电路有2b个电流电压变量，需要2b个联立 方程来反映它们全部的约束关系。而由b条支路的VAR 得b个方程，其余b个方程可以由KCL与KVL来获得。,（1）设电路的节点数为n，则独立的KCL方 程为n-1个，且为任意的n-1个。,每一 条支路连接到两个节点之间，因而每一支路电流对一个节点为流出（+ ij），对另一个节点为流入（ ij ）。,因此，每一个节点写KCL方程，每一条支路电流将出现两次，一次为正，一次为负。,这一结果表明，对电路的每一个节点写KCL方程，则所得的 n 个方程是非独立的。,但只要从这 n 个方程中去掉任意一个，余下的 n-1 个方程就是互相独立的。,因为，去掉的一个节点上的各支路电流在其它KCL 方程中只能出现一次，因而若把余下的 n-1 个节点的 KCL 方程的相加时，这些支路上的电流不能与其它支路的电流相抵消，相加的结果不可能恒为零，因此这 n-1 个 KCL 方程是互相独立的。,（b）b-(n-1)个网孔的KVL方程是独立的。,（2）给定一个平面电路（plannar circuit）：,（a）该电路有b-(n-1)个网孔；,平面电路：可以画在一个平面上，不使没有通过节点连接的两条支路交叉的电路。反之称为非平面电路。 网孔：回路内部或外部不包含任何支路,电路中网孔的概念只适用于平面电路！,可以用数学归纳法证明。,当 m=1时，关系式m = b - (n-1)无疑是正确的。,设：平面电路的网孔数 m = b - (n-1)，,第一步证明：设有 m 个网孔的电路，该式正确。当将 m 改为 m+1时，该式依然成立。,为此，我们在 m 个网孔电路的基础上构建第m+1个网孔。,同时，该电路增加了 k 条支路，经过k-1个节点，与原电路相连。,设新电路的网孔数m，支路数b，节点数n。,因此可知，网孔数公式依然正确。,第二步证明：由b - (n-1) 个网孔所写的KVL方程是独立的，论证方法与KCL方程的独立性类似。,平面电路中，每个支路或者为两个网孔所共有，或者属于电路的边界。,如果把边界看作包围外部空间的网孔，称为外沿网孔 ，则每个支路都为两个网孔所共有。,设电路网孔数为 m，则包括外沿网孔，该电路共有m+1个网孔。,其和恒为零，这是因为在列网孔的KVL方程时，饶行方向都一致，每一支路电压出现两次，一次为正，另一次为负，因而互相抵消。,因此，m+1个KVL网孔方程是不独立的。但只要去掉一个，其余 m 个方程是独立的。,KVL方程之和为,（3）由KCL和KVL可以得到的独立方程总 数是b个。,论证很简单：,m + n - 1 = b - (n-1)+n - 1 = b,2b法：两类约束列出支路电压变量、支路电流变量的联列方程组，从而得到未知电流、电压的方法。,从概念上说， 2b 法是很重要的，它是所有其它电路分析方法的基础。,从解题的角度看，若在 b 条支路中，独立电 压源支路和独立电流源支路的总数为bs，则 在2b法中未知电压和电流数 = 2b - bs, 首先设法求得各电阻支路的电流（或电压）以 及电压源电流和电流源电压，,1.6 支路电流法和支路电压法,方法综述：（两步法）, 然后再利用电阻支路的VAR求得电阻支路的电 压（或电流）。,与2b法比较：2b法则为一步法，而本节介绍的支路电 流法和支路电压法，通过分两步进行，使所需的 联列方程数大为减少。,例如：对于如图电路，已知有4个节点、5条支路、2个独立电源。,用2b法需要列出2b - bs=10-2=8个联列方程，若以电阻支路电流（或电压）为未知量，需要b=5个联列方程，比2b法的8个要少。,支路电流法：以支路电流作为未知变量，通过KCL、KVL联列 方程求解。,支路电压法：以支路电压作为未知变量，通过KCL、KVL联列 方程求解。,支路电流法：,以电阻支路和电源支路电流i0、i1、i2、i3、i4为未知变量，其联列方程可写出如下：,支路电压法：,以电阻支路电压u1、u2、u3和电源支路电流i0、i4为未知变量，其联列方程可写出如下：,与上一节相比，支路电流法和支路电压法由于只有 b个变量，因此泛称为1b法。,1.7 叠加定理 叠加原理：对于线性电路，任何一条支路的电流 （或电压），都可以看成是由电路中各个电源（电 压源或电流源）分别作用时，在此支路中所产生的 电流（或电压）的代数和。,由图 (c)，当 IS 单独作用时,同理： I2 = I2 + I2,由图 (b)，当E 单独作用时,根据叠加原理,解方程得:,用支路电流法证明：,列方程:,I1,I1,I2,I2,即有 I1 = I1+ I1= KE1E + KS1IS I2 = I2+ I2 = KE2E + KS2IS,注意： 叠加原理只适用于线性电路。, 不作用电源的处理： E = 0，即将E 短路； Is=0，即将 Is 开路 。, 线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算， 但功率P不能用叠加原理计算。例：, 应用叠加原理时可把电源分组求解 ，即每个分电路 中的电源个数可以多于一个。, 解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。 若分电流、分电压与原电路中电流、电压的参考方 向相反时，叠加时相应项前要带负号。,例1.8：,电路如图，已知 E =10V、IS=1A ，R1=10 R2= R3= 5 ，试用叠加原理求流过 R2的电流 I2和理想电流源 IS 两端的电压 US。,(b) E单独作用 将 IS 断开,(c) IS单独作用 将 E 短接