电子设备装接工(基础知识)

1、第3单元 电子电路及电子测量基础第二节 电子电路基础教学目的：1. 了解无线电通信基础知识；2. 掌握谐振电路特性及谐振条件；3. 掌握整流滤波电路作用及工作原理；4. 掌握晶体三极管放大电路作用及工作原理。教学重点及难点：谐振电路、整流滤波电路、晶体三极管放大电路教学时数：20教学过程：一、无线电通信基础知识1. 无线电波的传播频率从几十赫（甚至更低）到30000千兆赫左右（波长从几万千米到0.1毫米左右）整个频谱范围内的电磁波，称为无线电波。发射天线或自然源辐射的无线电波，通过介质或受到介质分界面的影响，而到达接收天线的过程，称为无线电波传播。无线电波在介质或介质分界面的影响下，有被折射、

2、反射、散射、绕射和吸收等现象。接收点的无线电信号，也有衰减和干扰出现。为了确定无线电系统的频率、功率、增益、灵敏度、信号噪声比和工作方式等，都需要对无线电波传播特性有所了解。 （1）无线电波的划分无线电波可以按波长划分，也可以按频率划分，各波段的划分是相对的，没有明显的界限。不同波段的无限电波各有自己独特的功用，在我们的生活中时时会碰到。下表列出各波段、频段的名称、波长及频率范围。 无线电波的波段划分波段名称频段名称缩写波长范围频率范围传播距离可用带宽干扰量主要用途极长波极低频105104km330Hz超长波超低频104103km30300Hz无线电导航特长波特低频ULF103100km300

3、3000Hz甚长波甚低频VLF10010km330kHz数千公里极有限款扩展长距离无线电导航长波低频LF104103m30300kHz数千公里很有限款扩展长距离无线电导航、电报中波中频MF103100m3003000kHz几千公里适中款扩展中等距离广播、水上移动短波高频HF10010m330MHz几千公里宽有限全球广播、移动通信、电报超短波甚高频VHF101m30300MHz几百公里以内很宽有限短中距离移动、个人通信、导航、调频广播、电视微波分米波特高频UHF101dm3003000MHz100公里以内很宽有限厘米波超高频SHF101cm330GHz30公里很宽通常有限毫米波极高频EHF101

4、mm30300GHz20公里很宽通常有限短中距离移动、个人通信、微波通信亚毫米波至高频10.1mm3003000GHz卫星电视、广播通信（2）无线电波传播的基本方式根据何种介质或何种介质分界面对电波传播产生主要的影响，可将常遇到的电波传播方式分为：1）地波传播（电波传播主要受地球表面的影响）。沿地球表面的无线电波的传播，称为地波传播。其特点是信号比较稳定。在讨论地波传播问题时，一般是将对流层视为均匀介质（有时认为对流层的折射指数垂直梯度为常数），电离层的影响不予考虑，而主要考虑地球表面对电波传播的影响。半导电性地球表面的影响，一方面使地波的垂直方向电场强度远大于水平方向电场强度，并因在地面上产

5、生感应电流，使地波有较大的衰减；另一方面，由于地球是椭球形，在视线距离以外，地波传播可以认为是围绕弧形地球面的绕射传播。垂直偶极子所产生的地波垂直电场E通常表示为 ：E=E0 其中：E0为理想导电地面上的垂直电场，称为衰减因子，它是频率、距离和地面电参数的复杂函数。一般说来，频率愈高，地面电导率愈低，地波随距离衰减就愈快。计算地波，有相应于高天线、低天线、近距离（视线传播）和远距离（超地平传播）的一般解答，但通常是查阅图表。 在视线传播的情况下，如果收发天线离地高度远大于波长，接收点处的地波，可归结为直射波与地面反射波相干涉的结果。因为这种情况下对流层的折射影响必须考虑，所以将它归入对流层传播

6、。微波中继通信即是这种传播方式。在超地平传播的情况下到达接收点的地波为绕过弧形地面的表面波。中波和长波多利用地波传播，但在一定的条件下，也出现它们的电离层反射波。 2）天波传播。短波能传至地球上较远的地方，这种现象并不能用绕射或其他的现象做解释。直到1925年，利用在地面上垂直向上发射一个脉冲，并收到其反射回波，才直接证明了高层大气中存在电离层。籍此电离层的反射作用，电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方。我们把经过电离层反射到地面的电波叫作天波。电离层是指分布在地球周围的大气层中，从60km以上的电离区域。在这个区域中，存在有大量的自由电子与正离子，还可能有大量的负离子，以及未被电离

7、的中性离子。发现电离层后，尤其近三四十年来，随着火箭与卫星技术的发展，利用这些工具对电离层进行了深入的试验和研究。当前电离层的研究已经成为空间物理的一个重要的组成部分，其研究的空间范围和频段也日益宽广。在电离层中，当被调制的无线电波信号在电离层内传播时，组成信号的不同频率成分有着不同的传播速度。所以波形会发生失真。这就是电离层的色散性。同时，由于自由电子受电波电场作用而发生运动，所以当电波经过电离层，其能量会被吸收一部分。而且，从电离层吸收电波的规律看，若使用电波的工作频率太低，则电离层对电波的吸收作用很强。所以天波传播中有一个最低可用频率，低于这个频率，就会因为电离层对电波的吸收作用太大而无

8、法工作。3) 空间波传播当发射以及接收天线架设得较高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。空间波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率的影响。收，发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度。一般地说，视线距离可以达到50km左右。空间波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层即对流层的影响。移动通信中，电波主要以空间波的形式传播。类似的还有微波传播。4）对流层传播（电波传播主要受对

9、流层影响）。大气对流层中，除了有规则的片状或层状气流外，还存在有不规则的气流，这类似于水流中漩涡的不均匀体。相应的，在电离层中则有电子密度的不均匀性。当天线辐射出去的电波，投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波发生散射或反射，一部分能量传播到接收点，这种传播称为对流层传播。这种通信方式通信距离可达300800km,适用于无法建立微波中继站的地区，例如用于海岛之间和跨越湖泊，沙漠，雪山等地区。但是，由于散射信号相当微弱，所以散射传播接收点的接收信号也相当微弱，即传播损耗很大，这样，散射通信必须采用大功率发射机，高灵敏度接收机和高增益天线。5）外球层传播（电波传播主要受电离层影响

10、）。电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播。由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定。我们可以把电波穿过电离层外面的空间的传播，基本上当作自由空间中的传播来研究。至于电波在大气层中传播所受到的影响，可以在考虑这一简单情况基础上加以修正。无线电波传播的基本方式2.无线电发送（1）发送过程。 要将电信号以无线电波方式传送出去，可以把电信号送到天线，由天线将电信号转换成无线电波，并发射出去。如果要把声音发射出去，可以先用话筒将声

11、音转换成电信号（音频信号），再将音频信号送到天线，让天线将它转换成无线电波并发射出去。但广播电台并没有采用这种将声音转换成电信号通过天线直接发射的方式来传送声音，主要原因是音频信号（声音转换成的电信号）频率很低。    无线电波传送规律表明：要将无线电波有效发射出去，要求无线电波的频率与发射天线的长度有一定的关泵，频率越低，要求发射天线越长。声音的频率为2020kHz，声音经话筒转换成的音频信号频率也是2020kHz;音频信号经天线转换成的无线电波的频率同样是2020kHz。如果要将这样的低频无线电波有效发射出去，要求天线的长度在几千米至几千千米长，这样做是极其困

12、难的。       为了解决音频信号发射需要很长天线的问题，人们想出了一个办法：在无线电发送设备中，先让音频信号“坐”到高频信号上，再将高频信号发射出去，由于高频无线电波波长短，发射天线不需要很长，高频无线电波传送出去后，“坐”到高频信号上的音频信号也随之传送出去。这就像人坐上飞机，当飞机飞到很远地方时，人也就到达很远的地方。无线电波传送声音的处理过程如图5-4所示。          话筒将声音转换成音频信号（低频信号），再经音频放大器放大后送到调制器，

13、与此同时高频载波信号振荡器产生高频载波信号也送到调制器，在调制器中，音频信号“坐”在高频载波信号上，这样的高频信号经高频信号放大器放大后送到天线，天线将该信号转换成无线电波发射出去。    (2)无线电信号的调制将低频信号装载到高频信号上的过程称为调制，常见的调制方式有两种：调幅调制(AM)和调频调制(FM)；   调幅。将低频信号和高频载波信号按一定方式处理，得到频率不变而幅度随低频信号变化的高频信号,这个过程称为调幅调制.这种幅度随低频信号变化的高频信号称为调幅信号.调幅调制过程如图5-5所示,低频信号送到调幅调制器,同时高频载波

14、信号也送到调幅调制器,在内部调制后输出幅度随低频信号变化的高频调幅信号.                调频。将低频信号与高频载波信号按一定的方式处理，得到幅度不变而频率随音频信号变化的高频信号，这个过程称为调频调制。这种频率随音频信号变化的高频信号称为调频信号。调频调制过程如图5-6所示，音频信号送到调频调制器，同时高频载波信号也传送到调频调制器，在内部调制后输出幅度不变而频率随音频信号变化的高频调频信号。    

15、         3无线电波的接收    在无线电发送设备中，将低频信号调制在高频载波信号上，通过天线发射出去，当无线电波经过无线电接收设备时，接收设备的天线将它接收下来，再通过内部电路处理后就可以取出低频信号。下面以收音机为例来说明无线电波接收过程。    (1)接收过程    无线电波接收处理的简易过程（收音机结构简图）如图5-7所示。电台发射出来的无线电波经过收音机天线时，天线将它接收下来并转换成电信号，电信号被送到输入

16、调谐回路，该电路的作用是选出电台发出的电信号，电信号被选出后再送到解调电路。因为电台发射出来的信号是含有音频信号的高频信号，解调电路的作用是从高频信号中将音频信号取出。解调出来的音频信号再经音频放大电路放大后送入扬声器，扬声器就会发出与电台相同的声音。（2）信号的变频与混频变频或混频的基本功能是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内，即频谱的线性搬移，这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系。变频电路在本质上应实现输入信号频谱与本振频率的加或减的数学功能。如果本振信号由外部其它电路提供，则称变频电路为它激式混频器，或简称为混频器；如果所用本振信号是变频电路自身产生，则称为自激式混频器，或

17、简称为变频器。如图(b)所示在混频器的两个输入电压中，一个是载频为fc的已调波，另一个是频率为fL的本振信号，其输出信号的载波频率为fI，称为中频，该信号称为中频信号。所谓中频是指解调结果v(t)的信号频率与系统输入已调波vc(t)的信号频率之间的过渡频率，其大小不一定小于已调波的信号频率。变频器的作用示意图 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同   (

18、3)无线电信号的解调   在电台需要将音频信号加载到高频信号上（调制），而在收音机中需要从高频信号中将音频信号取出。从高频信号中将低频信号取出的过程称为解调，它与调制恰好相反。调制方式有调幅调制和调频调制两种，相对应的解调也有两种方式：检波和鉴频。    检波。检波是调幅调制的逆过程，它的作用是从高频调幅信号中取出低颇信号。检波过程如图5-8所示，高频调幅信号送到检波器，检波器从中取出低频信号。鉴频。鉴频是调频调制的逆过程，它的作用是从高频调频信号中取出低频信号。鉴频过程如图5-9所示，高频调频信号送到鉴频器，鉴频器从中取出低频信号。（4）无线

19、电信号的频谱1）频谱的概念在通信中处理的信号有话音、数据(电码)、图像等。这些信号最后都转换为随着时间而随机变化的电压或电流。一个规则的非正弦信号，不论它是周期性的还是非周期性的，都可以分解为一系列频率不同的正弦（或余弦)分量。图1所示的非正弦电流波形中，可以分解为两个频率不同的正弦波，其中频率为l000Hz的正弦波，振幅是4毫安，初相角是+90°；另一个频率为3000Hz的正弦波，振幅是1毫安，初相角是-90°。信号中分解出的所有正弦波，可以按其频率高低依次排列，将各正弦波的振幅，按其频率高低顺序加以排列，就可以得到信号的振幅频谱，简称幅谱。将各正弦波的初相角，按其频率顺

20、序加以排列，就可以得到信号的相位频谱，简称相谱。频谱是幅谱和相谱的总称。由于在大多数情况下知道信号的幅谱就够了，所以习惯上提到频谱一般都是指幅谱，否则就需要作相应的说明。信号的频谱可以用图2表示，这种图称为频谱图。图中纵轴的线段称为谱线，它的长度代表正弦波的振幅 A 或相角 a，它的横轴上所处的位置代表该正弦波的频率f。2）调幅信号的频谱该式表明，调幅波包含了三种频率分量，即：角频率为0的载波分量，角频率为（0+）的上边频分量和角频率为（0 - ）的下边频分量。如果以频率为横坐标，幅度 ua为纵坐标，则可得出单一频率正弦波调制时调幅波的频谱图，如下图所示。其中垂线的长度代表振幅或相对振幅。实际

21、的调制信号并不是单一频率的正弦信号，而是包含了从min到max各个频率迭加成的复杂信号，用这种信号对载波调制时，所得频谱如下图所示。由图可见，载波0的两旁不再是两个边频，而是两个边频带，每个边带包含从min到max的频率范围，整个调幅波所占频带宽度为2max。例如：调幅广播系统中，规定每个电台所占据的频带宽度为9kHz，因此。每个电台所传送的音频信号频率应在4.5kHz以内。3）调频信号的频谱图 调频波频谱二、谐振电路含有电感、电容和电阻元件的单口网络，在某些工作频率上，出现端口电压和电流波形相位相同的情况时，称电路发生谐振。能发生谐振的电路，称为谐振电路。谐振电路在电子和通信工程中得到广泛应

22、用。本节讨论最基本的RLC串联和并联谐振电路谐振时的特性。 1.串联谐振电路图 (a)表示RLC串联谐振电路，图 (b)是它的相量模型，由此求出驱动点阻抗为 其中 （1） 谐振条件当，即时，|Z(jw)|=R,电压u(t)与电流i(t)相位相同，电路发生谐振。（2）谐振时的电压和电流 RLC串联电路发生谐振时，阻抗的电抗分量 导致即阻抗呈现纯电阻，达到最小值。电流达到最大值，且与电压源电压同相。此时电阻、电感和电容上的电压分别为 其中 Q 称为串联谐振电路的品质因数，其数值等于谐振时感抗或容抗与电阻之比。2.并联谐振电路（1）电路形式。实际线圈有电阻和电感，故实际线圈与电容并联电路可以看为电阻

23、与电感串联后与电容并联，如图3-61所示。求解这类电路问题可分两步进行，先按串联电路的规律分别对各支路进行分析计算；然后按并联电路的规律分析计算。图中两支路的端电压为同一电压，故以电压为参考量，即 图3-61 并联谐振实际线圈支路中的电流和及其相位角为：， 电容支路中的电流及其相位为： ，总电流与各支路电流的相量关系为：，总电流的大小：总电流相量滞后总电压的角度为：电流、电压相量图如图3-62所示，电路的功率为： 图3-62 电压、电流相量图（2）谐振条件： 1）并联谐振条件从图和式子都可以看出：当时，即总电流与电压同相，这时的电路状态为并联谐振状态，简称并联谐振。并联谐振在电工电子技术中有广

24、泛的应用（如用于提高电路的功率因数）。并联谐振时电流电压相量关系如图552所示。因为 ， ，得：，所以并联谐振的条件是：，即：2）并联谐振频率的近似公式计算若，则，也即，并联谐振的角频率和频率常用和表示，故并联谐振频率的近似计算公式为：，（3）并联谐振的特点：电压与电流同相，且总阻抗最大，总电流最小（谐振时）两支路电流接近相等，可能产生过大的电流并为总电流的Q倍，电路的品质因数（支路电流与总电流之比值）： 或 （4）阻抗特性和幅频特性。三、整流滤波电路1. 整流电路（1）整流的作用。将交流电变换成单向的脉动直流电的过程，广泛应用于电子设备的供电电源中。(2)整流电路的分类：半波整流电路、全波整

25、流电路和桥式整流电路三种。（3）单相半波整流电路 1）电路的组成及工作原理 图 (a)所示为单相半波整流电路。 由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波,故称半波整流。图1.14 单相半波整流电路及波形图(a)电路图；(b)波形图2）负载上的直流电压和直流电流 直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。即流过负载RL上的直流电流为3）整流二极管参数 由图(a)可知,流过整流二极管的平均电流IV与流过负载的电流相等,即  当二极管截止时，它承受的反向峰值电压URM是变压器次级电压的最大值，即（3）单相全波整流。全波整流电路及波形图 2.滤波电路（1）滤波电路的作用。整流输出电压中除直流分量外，还包含有许多谐波分量，因此必须采用滤波器滤除掉谐波分量，输出平滑的直流电压。（2）滤波电路的类型。电容滤波电路、电感滤波电路和组合滤波电路。（3）典型滤波电路1）电容滤波电路。 该电路是利用电容器充电快、放电慢，两端电压不能突变的特点工作的，其工作波形如图。当整流电路的内阻不太大或放电时间常数满足t=RC(35)T/2时，UL（1.11.2）U2。 （a）电路图 （b）波形图桥式整流电容滤波电路2）电感滤波电路电感具有“通直隔交”的特性，能对脉动信号起平滑作用，适用于负载电流大且变化也较大的场合，电路