电子系统概述精品课件

1、电子系统概述第1页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四1.1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。第2页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四1.1 电力系统与电子系统 实际电路系统主要有电力系统和电子系统。 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

2、电能并输送和分配到用户的一个统一系统。第3页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四发电厂： 通过发电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 第4页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四火力发电厂：化学能（燃烧煤、石油等）电能核电厂：原子能电能。其它：太阳能、风能等。第5页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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，电力开关设备第6页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四变电站第7页，

3、共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四输电线路：杆塔，绝缘子，导线第8页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 电子电路是由电子元件组成的、实现特定功能的电路。 电子系统是由电子电路和传输介质组成的、完成特定功能的整体。 第9页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四计算机主板第10页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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

4、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。第11页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四例如， 有线扩音系统拾音器音频放大器扬声器传感器(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：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：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。 第12页，共36页，2022年

5、，5月20日，20点20分，星期四1.2 信号及其频谱（了解） 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+-R1.2.1 信号第13页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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 值域: -Vm,+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、n mV 。 toto 模拟信号

6、to 多值数字信号二值数字信号第14页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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 第15页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四1.2.2 信号的频

7、谱信号承载的重要信息之一是它的频谱信息。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。T-信号的周期-信号的频率第16页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 如果周期信号满足狄里赫利条件（Dirichlets Condition），则可展开为傅里叶级数。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；直流分量n=1：基波分量n1：谐波分量交流分量傅里叶级数第17页，共36

8、页，2022年，5月20日，20点20分，星期四例 求电压周期方波信号的傅里叶级数 。解：toVST2ToVn()VS/203050o03050波形幅度谱相位谱第18页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四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，是信号最重要的特性之一。第19页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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

9、续分布。2. 非周期信号的频谱（略） 如果模拟信号绝对可积，即则存在傅里叶变换对: 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。第20页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四例 求电压单脉冲信号的频谱: 解: toVS- 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（VS）成正比。 o|V(j)|VS第21页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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

10、,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540kHz1600kHz第22页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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

11、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。toVS-o|V(j)|VS第23页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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成扰动电流。-热噪声。+-i0ti(t)0I(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

12、小信号。 评价信号优劣的指标是信噪比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。 第24页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四1.3 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：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

13、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。第25页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四1.4 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。 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。第26页，共36页，2022年

14、，5月20日，20点20分，星期四库伦（Coulomb，17361806 ，法国）：库仑定律。库仑定律：在真空中，两个静止点电荷之间的相互作用力的大小与它们的电量q1和q2的乘积成正比，与它们之间距离r的平方成反比；作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。库仑扭秤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 。安培定律宏观上表现为磁场对载流导线作用的磁场力；著书电动力学现象的数学理论。第27页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四欧姆（Ohm，1787-1854，德国）：在金属导电

15、定律的测定的论文论述了欧姆定律 。欧姆定律：导体中的电流，跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。奥斯特 （Oersted ，1777 -1851，丹麦 ）：电流磁效应 。奥斯特的实验表明：通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场.，电流是电荷定向运动产生的，所以通电导线周围的磁场实质上是运动电荷产生的. 高斯（Gauss，1777-1855，德国 ）：高斯发明了磁强计，第一个电话电报系统 ；建立了地磁观测台；在数学方面有巨大的贡献。法拉第（Faraday，1791-1867，英国 ）：电磁感应定律：穿过回路的磁通量变化引起回路中电动势。麦克斯韦（Maxwell，1831-1879，英国）：

16、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也是一种电磁波。 第28页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四赫兹（Hertz，1857-1894，德国 ）：1888年，用火花间隙振荡器产生了电磁波（赫兹波），证实了麦克斯韦的电磁波可以在空间中传播和光也是一种电磁波预测。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（Thomps

17、on，1856-1940）： 1897 年，通过实验发现了电子。弗莱明（，1849-1945） ：1904 年，发明了真空电子二极管(diode)，用于检测微弱的无线电信号（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。 第29页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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 Integr

18、ator 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，把计算一条弹道的时间缩短为30秒。 ENIAC服役长达9年。 第30页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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

19、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。 第31页，共36页，2022年，5月20日，20点20分，星期四 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）。第一个锗材料集成电路放大器。 标志着电子技术发展到了一个新的阶段-微电子技术时代（Microelectronics）。 基尔比也因为发明集成电路而在2000年荣获诺贝尔物理学奖。 集成电路技术是通过一系列特定的加工工艺，将电子电路“集成制造”在一块半导体晶片上，执行特定的电路或系统功能。 集成电路实现了材料、元件、电路三者之间的统一。 优点：成本低、功耗小、工作速度快、可