模拟电子技术基础第1章电子系统概述概要

1、1 1.1电力系统与电子系统 1.2 信号及其频谱 1.3 电子系统组成框图 1.4 电子技术及其发展概述 第1章 电子系统概述 学习本章后，读者将了解： ?实际的两大电路系统: 电力系统和电子系统的主要功能； ?信号的概念，典型信号的频谱； ?电子系统的组成框图； ?电子技术及其发展简史。 2 1.1 电力系统与电子系统 实际电路系统主要有电力系统电力系统和电子系统电子系统。 电力系统电力系统的主要作用：实现电能的生产、变换、传输、分配 和使用。电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成 的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统 一系统。 3 发电厂：发电厂： 通过发电

2、机等设备将一 次能源转换成电能。 水利发电厂：水的势能电能 4 火力发电厂：化学能（燃烧煤、石油等）电能 核电厂：原子能电能。 5 输电网和配电网输电网和配电网是由电力变压器、电力线路、电力开关设备 和电力电容器等组成的、跨越广大地理区域的一个巨大电路。 变电站：变压器，电容器，电力开关设备 6 7 输电线路：杆塔，绝缘子，导线 8 发电厂生产的电能经过输电网和配电网将电能输 送和分配到用户的用电设备（电动机、家用电器和照 明等设备），从而完成电能从生产到使用的整个过程。 到达用户的单相正弦配电电压是 220V、50Hz， 三相正弦配电电压是380V、50Hz。 电力系统电力系统为工业、农业和

3、社会生活的电气化建立 起坚实的物质基础，产生了服务于电力系统的电气工 程学科。 电子系统电子系统是由电子电路和传输介质组成的、完成 特定功能的整体。 9 电子电路是由电子元件组成的、实现特定功能的电路。 电子系统电子系统是由电子电路和传输介质组成的、完成特定功能 的整体。 10 计算机主板 11 与电力系统处理能量不同，电子系统的主要作用是实现电信 号的产生、获取、放大、变换、传输、识别和应用等功能（或部 分功能），处理的对象是电信号。 信号信号是随时间变化的某种物理量，是信息的表现形式与传 送载体。例如，体温反映人的健康信息，体温37oC表示健康， 38oC表示略有小疾。 一般情况下，用电子

4、系统处理电信号(电压或电流)比其他方式 （如机械方式）容易、成本低和可靠性高，故通常将各种非电信 号转换为电信号再进行处理。 因此,电子系统成为信息化社会的物质基础，例如通信系统、电 视系统、计算机系统和工业控制系统等。 12 例如， 有线扩音系统 拾音器 音频 放大器 扬声器 传感器传感器(或换能器或换能器)：将非电信号转换为电压或电流信号，是电子 系统实际的信号源之一。 音频放大器：音频放大器：实现电压和功率放大的电子电路。 电压 （弱） 电压 （强） 声音 （强） 声音 （弱） 执行器：执行器：将电信号还原为原始的非电信号的部件，去影响物理世 界。通常用电阻模拟，作为电子系统的负载。 e

5、nd 13 1.2 信号及其频谱 信号信号是随时间变化的某种物理量，是信息的表现形式与传 送载体 。 传感器作为电子系统的一种实际信号源,可等效为电压源或 电流源,是时间的函数。 R + - )(tv R)(ti 1.2.1 信号信号 1.2.1 信号 1.2.2 信号的频谱 14 如果电压（或电流）在某个值域内可连续取值则称为连续 信号或模拟信号。 例如，电压是时间的正弦函数 )sin()(?tVtv m 值域: -V m,+Vm 如果电压（或电流）在某个值域内只能是某个单位量的整 倍数则称为离散信号或数字信号。 例如，单位量为1mV，数字电压信号的幅值只能是0 mV、 1 mV、2 mV、

6、n mV 。 )(tv )(tv)(tv t o t o 模拟信号 t o 多值数字信号 二值数字信号 15 模拟电路（Analog Circuit ）是处理模拟信号的电子电路，是 模拟电子技术基础要讨论的主要内容。 数字电路(Digital Circuit) 是处理数字信号的电子电路。 模数转换电路(Analog to Digital Converter, ADC)是实现模拟信 号转换为数字信号的电子电路。 数模转换电路（Digital to Analog Converter, DAC)是实现数字 信号转换为模拟信号的电子电路称为 通常，数字电路、模数转换电路和数模转换电路是数字电子技 术基

7、础要讨论的主要内容。 end 16 1.2.2 信号的频谱 信号承载的重要信息之一是它的频谱信息。 角频率相位，幅度信息：例如?,)sin()(, mm VtVtv 正弦信号常作为模拟电路的标准信号或测试信号。 幅度频谱：信号幅度与频率的关系 相位频谱：信号相位与频率的关系 幅度频谱和相位频谱统称为信号的频谱。 1. 周期信号的频谱 如果信号是时间的周期函数则称为周期信号。 )()(,Ttvtvv?例如 T f 1 ? T-信号的周期-信号的频率 17 ;)( 0 0 存在 ? ?T t t dttv 如果周期信号满足狄里赫利条件（Dirichlets Condition ）， 则可展开为傅里

8、叶级数。狄里赫利条件： 在任意周期内绝对可积，即 在任意周期内只有有限个极值； 在任意周期内只有有限个不连续点； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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()sin()cos()( 22 00 00 00 1 000 1 00 0 0 0 0 0 0 ? ? ?

9、? 角频率 直流分量 n=1基波分量n1谐波分量 交流分量 18 例 求电压周期方波信号的傅里叶级数 。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Tnt T n T ntnTV tv S ) 1( 2 ) 12(0 2 ) 12( )( ? ? ? ? ? ? ? ? ? 00 000 2 1 2 5sin 5 2 3sin 3 2 sin 2 2 )( f T t V t V t VV tv SSSS ? ? ? ? ? ? ? ? 解： t o VS T2T o Vn() VS/2 03050 o 03050 波形幅度谱相位谱 )(tv)( n ? 19 2 1 22 0 1 ) 2 1

10、( 1 V R VV R P n n ? ? ? ? ) 2 1 ( 1 22 0? ? ? ? n n VVV 2/ n V 周期电压信号作用到电阻R上的平均功率P为 V是电压信号的有效值， 总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,信号的幅度谱反映了信号的功率分布功率分布，是信号最重要 的特性之一。 20 如果周期T趋于无穷大，则周期信号变化为非周期信号。 因此，非周期信号的角频率0=2/T是无穷小量，信号的频谱将 在角频率轴上连续分布。 2. 非周期信号的频谱非周期信号的频谱 ? ? ? ?dttv )(如果模拟信号绝对可积，即 则存在傅里叶变换对: 1 )(

11、2 1 )( )()( ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? j dejVtv dtetvjV tj tj ? ? ? ? ? V(j)即是非周期信号的频谱。其中V(j)是相位谱，|V(j)| 是幅度谱，|V(j)|2是功率谱。 21 例求电压单脉冲信号的频谱: ? ? ? ? ? ? ? ? t tV tv S 0 )( 2 sin 2 )()( ? ? ? ? ? ? S tj S tj V dteVdtetvjV? ? ? ? ? ? ? 解: )(tv t o VS - 幅度谱是连续分布的，并且脉冲宽度（2）越窄，高频分量 越多；频谱幅度与脉冲幅度和脉冲宽度之积（

12、VS）成正比。 o |V(j)| VS ? ?2 ? ?4 ? ?6 22 在工程实际中，信号作用的时段通常是有限的，满足绝对可 积条件，信号的频谱总是存在的。 例如，音频信号的频谱在20Hz,20kHz范围内连续分布。 对工程实际问题有重要影响的信号称为有用信号(有效信号), 通常有用信号的频谱范围是有限的。 表1.2.2 典型信号的频率范围 信号频率范围信号频率范围 心电信号0.05Hz200Hz调频无线电信号88MHz108MHz 音频信号20Hz20kHz超高频电视信号470MHz806MHz 模拟电视信号直流4.5MHz卫星电视信号3.7GHz4.2GHz 调幅无线电信号540kHz

13、1600kHz 23 电子电路总是处在复杂的电磁环境中。因此,除了有用信号 外,工程实际问题中还存在干扰和噪声信号。 3. 干扰和噪声信号的频谱 自然界的雷电、电力输电线路、无线电台和电视台、电动机 的起停等产生的电磁现象必然在电子电路中产生电压或电流脉冲电压或电流脉冲 信号信号，它们对电子电路的正常运行产生干扰，称为干扰信号，其 频谱分布与单脉冲信号相似，包含有丰富的高频分量。 )(tv t o VS - o |V(j)| VS ? ?2 ? ?4 ? ?6 24 噪声噪声是指电子不规则运动引起的对有用信号的扰动。 例如，在电阻材料中电子总是在做无规则的热运动，对外电 压引起的定向运动电流形

14、成扰动电流扰动电流。-热噪声。 + - i 0 t i(t) 0 I(j) 均匀谱 当有用信号远大于噪声时，可忽略噪声信号。相反，有用信 号被淹埋在噪声信号中。所以，噪声信号限制了电子系统所能处 理的最小信号。 评价信号优劣的指标是信噪比信噪比S/N，定义为有用信号的功率 与噪声信号的功率之比。信噪比越大，信号越好。 评价电子系统对噪声和干扰的抑制能力用输出信号的信噪比 (S/N)o除以输入信号的信噪比(S/N)i，商越大，抑制能力越强。 end 25 1.3 电子系统组成框图 传感器 信号 预处理 模拟信号 处理子系统 数字信号 处理子系统 执行器 模数 转换 数模 转换 传感器将工程实际涉

15、及的某些物理量转换为电信号。为了避免 对物理量的影响，传感器摄取的能量很小，输出的电信号很弱 （如微伏级或毫伏级的电压），且信号伴随着噪声信号。 信号预处理信号预处理：包括信号幅度的放大和滤除干扰及噪声信号。 信号处理操作：包括对信号的放大，运算（加法、减法、乘法、 积分和微分等），各种函数变换，频谱变换，逻辑运算，等等。 理论上，各种信号处理操作都可以用模拟或数字方式实现。 执行器电信号还原成某种物理量，实现对工程实际的某种操作。 end 26 1.4 电子技术及其发展概述 电子学或电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科 学和技术。 在电力系统中，主要是利用电子在金属中的运动规律构成电

16、 能的生产、传输和使用等电气设备。 电子器件是利用电子在真空或半导体中的运动规律构成特定 功能的器件。目前，半导体器件是电子器件的主体，包括半导体 二极管、三极管、集成电路等。 电子电路广泛地应用于通信、计算机、自动控制、广播电视、 遥感和遥测等工程中，形成相对独立的电子工程电子工程体系。 电气工程和电子工程的诞生归功于许多科学巨人的开创性的 研究成果。 27 库伦（Coulomb，17361806 ，法国）：库仑定律。库仑定律 使电磁学的研究从定性进入定量阶段。 安培（Ampere，1775 -1836 ，法国）：安培定律、安培定则和 分子电流等 。著书电动力学现象的数学理论。 欧姆欧姆（O

17、hm，1787-1854，德国）：在金属导电定律的测定 的论文论述了欧姆定律 。 奥斯特 （Oersted ，1777 -1851，丹麦 ）：电流磁效应 。 高斯（Gauss，1777-1855，德国 ）：高斯发明了磁强计，第一 个电话电报系统 。在数学方面有巨大的贡献。 法拉第（Faraday，1791-1867，英国 ）：磁电感应 。 亨利（Henry，1797-1878，美国）：发现自感现象。研究电磁 中继理论，是电报的基础。 麦克斯韦（Maxwell，1831-1879，英国）：麦克斯韦方程，提 出了统一的电磁理论 。预测了电磁波可以在空间中传播和光是一 种电磁波。 28 赫兹（Her

18、tz，1857-1894，德国 ）：1888年，用火花间隙振荡 器产生了电磁波（赫兹波），证实了麦克斯韦的预测。 马可尼（Marconi，1874-1937，意大利）： 1896年，成功地发 射赫兹波，并在2英里外检测到赫兹波,无线电报初露端倪。 在研究有效地进行无线电通信的过程中，电子技术时代悄然到来 洛伦兹（Lorentz，1853-1928） ：1895年，假定了电子存在。 汤普森汤普森（Thompson，1856-1940）： 1897 年，通过实验发现了 电子。 弗莱明（J.A.Fleming，1849-1945） ：1904 年，发明了真空电 子二极管(diode)，用于检测微弱的

19、无线电信号（电磁波）。 福雷斯特（Forest，1873-1961） ：1906 年，发明了具有放大作 用的真空电子三极管。 此后的近半个世纪，真空电子器件在无线电通信中得到广泛 的应用,并逐渐扩展到无线电广播、电视和计算机等工程领域。 29 世界上第一台数字电子计算机于1946年在美国研制成功， IBM公司将其取名为爱尼亚克（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）。 这台计算机使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30 吨，耗电140千瓦，价格40多万美元。 每秒可进行5000次 加法和减法运算，把计 算一条弹道的

20、时间缩短 为30秒。 ENIAC服役 长达9年。 30 1947 年底美国贝尔实验室的肖克莱（Shockley，1910- 1989）、布拉顿（Brattain，1902-1987）、巴丁（Bardeen， 1908-1991）发明了晶体管。 电子管制造复杂，成本高，体积大，耗电多。 在大多数领域中电子管已逐渐 被晶体管取代,真空管时代结束,晶 体管时代诞生。 他们三人也因为发明晶体管而 荣获1956年的诺贝尔物理学奖。 31 在1958年,美国的基尔比（Kilby，1923-2005）和诺伊斯 （Noyce，1927-1990）间隔数月分别发明了集成电路（Integrated Chip, IC