电子信息专业英语整套课件电子教案整本书课件全套教学教程

电子信息专业英语主编王菲施亚齐副主编邹淑云董小琼王俊清北京理工大学出版社面向21世纪高等学校精品规划教材·电子信息类前言近年来，随着科学技术的迅猛发展，高等教育的教学思想和教学模式也在不断地发展，这就要求高等院校教材进行相应的调整，重新定位，以适应新的社会发展需求，培养新一代实用综合型人才。电子信息是当今国内外发展最迅速、技术更新最快的工程领域之一，电子信息专业英语对学习电子信息新知识和新技术起着非常重要的作用。下一页返回前言本书是一本突出高等教育实用特点的电子信息专业英语教材，内容涉及电工电子基础、仪器仪表使用、传感器技术、通信技术等方面，基本覆盖了现代电子信息的各个领域，同时收录了一些电子信息新技术领域发展前沿方面的文章(如太阳能、电子纸、蓝牙技术和3G等)。课文内容丰富，题材广泛，通俗易懂，选择的文章实用性强并尽量保证学生能利用已有专业知识理解课文内容。每课课后有词汇、注释、练习及阅读等。在本书书后附有课文参考译文及部分练习参考答案，供读者参考对照。另外，书后还附有电子专业词汇和科技英语阅读与翻译技巧相关知识，供相关专业读者参考。下一页返回上一页前言本书由王菲、施亚齐担任主编，并编写了第四、第五篇，董小琼编写了第一篇，王俊清编写了第二篇，邹淑云编写了第三篇。由于编者水平有限，时间仓促，书中难免有纰漏和不足之处，请尊敬的教师、同学和广大学者批评指正。返回上一页目录Chapter1FundamentalsofElectronicsChapter2MeasuringInstrumentsandTheirUsageChapter3SensorsChapter4CommunicationsChapter5NewTechnology目录第一单元电路基础第二单元仪表使用第三单元传感器第四单元通信系统第五单元新技术第一单元电路基础第一课电阻、电容和电感第二课二极管及其电路第三课晶体管及其基本电路第四课逻辑门第五课集成电路第六课运算放大器第一课电阻、电容和电感虽然电阻器、电容器和电感器构成了电子电路的重要元件，学一些有关电阻、电容和电感的知识也是很有必要的。电阻电阻器是一个两端元件。在它的两端所呈现的电压降和流过它的电流成正比。我们用欧姆来衡量电阻，它是电压对电流的比。这种电压与电流的关系称为欧姆定律，可用一个等式V=IR来表示。电阻器可分为固定电阻和可变电阻，也可分为线性电阻和非线性电阻。对电流的阻力叫电阻，用字母符号R来表示。电阻的单位是欧姆，常用Ω表示，1Ω的定义是:当加到导体上的电压为1V时，将导体的电流限定为1A所需要的电阻值。较大的电阻值常用千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)来表示。下一页返回上一页第一课电阻、电容和电感电容电能可以储存在电场中，能够储存电能的装置叫电容器。一个简单的电容器由两个被介质隔开的金属平板构成。如果电容器与电池相连，电子就会从电池的负极流出，并聚集在与之相连的电容器金属板上。同时，电子从与电池正极相连的金属平板流进电池正极，由此产生电位差，其值等于电池的电压值，这称为电容器的充电。电容器的电容量与介质的介电常数及平板的面积成正比，与平板间的距离成反比，其大小用法拉(F)表示。当电容器两端的电压以每秒1V的速率变化，产生的电流为1A，则称电容器的电容量为1F。然而在无线电计算中，F的单位太大，所以常用uF(1法拉的一百万分之一)和pF。下一页返回上一页第一课电阻、电容和电感充电的电容器存储的电荷能量与电容两端的电压及电容量成正比。电容量取决于三个重要的因素，即平板面积、平板间的距离和介质材料一种常用于无线电接收机的电容为可调电容，它的电容量可以通过调节平板而改变。在接收机中，可以通过改变电容而对电路进行调谐，从而可以从众多不同波长的信号中选出所需的信号电感众所周知，电感器是电路的主要构件之一。电感器就是一个带有磁芯或没有磁芯的线圈。一切线圈都有电感。所谓电感，就是阻止流过线圈的电流发生变化的性质。如果一个线圈在某一频率下对流过该线圈的电流的阻力较大，那么就认为这个线圈具有较大的电感。下一页返回上一页第一课电阻、电容和电感当把电动势加在线圈上时，线圈中就会产生感应电动势。感应电动势的极性总是阻止电路中的电流发生变化。这就是说，电感既阻止电流增加，也阻止电流减小。匝数多的线圈比匝数少的线圈电感大。而且，如果线圈中放一个铁芯，它的电感将比没有放铁芯的线圈的电感大。电感的单位是亨利(H)。当流过线圈的电流以每秒1A的速度变化时，如果线圈中感应出1V感应电动势，那么，线圈的电感就是1H。用于无线电设备的电感值在很大范围内变化。返回上一页第二课二极管及其电路N型和P型硅都像任何导体一样导电，然而，如果一块硅片在一个区域掺杂为P型，在I隋近区域掺杂为N型，则电流仅朝一个方向流过这两个区域之间的结合处。这种装置称为二极管，是最基本的半导体器件之一。如果一个正的电压从一个二极管的P型材料流过N型材料，我们称二极管正偏。这种条件下，二极管相当于一个好的导体，并且电流能流过，如图1-10所示。有一个小的电压加在二极管上，对于硅材料，这个电压大约为0.6V，且该电压基本上不依赖于流过二极管的电流，这与电阻是很不相同的。下一页返回第二课二极管及其电路如果实际电压的极性是反向的，那么二极管将反偏，并且将表现为不导电(见图1-11)，几乎没有电流流过且将有一个很大的压降。连接和焊接二极管必须以正确的方式来连接，图上的正极标上了“a”或“+”，负极标上了“k”或“-”(是的，负极是“k”而不是“c”)。负极用一条印在二极管上的线来标示。二极管上贴了一个带有它们编码的小印刷纸，你可能要用一个放大镜来读小信号二极管上的这些编码，如图1-12所示。下一页返回上一页第二课二极管及其电路焊接时的热度会导致小信号二极管的损坏，但是这种危险是很小的，除非你用的是锗二极管(编码以OA开头)。用锗二极管时，你需要在焊接点和二极管之间放置一个散热片。标准的鳄鱼嘴夹可以用作散热片。整流二极管不易损坏，因此焊接时不需要什么特别的预防措施。二极管的测试你可以用万用表或简单的测试仪器(电池、电阻和发光二极管)去检测一个二极管的导通方向。灯可以用来测试一个整流二极管，但是不能用来测试一个信号二极管，因为流过灯的大电流会损坏二极管!返回上一页第三课晶体管及其基本电路现在，晶体管是电子技术中最重要的器件。它们不仅作为独立元件，而且在集成电路微薄的硅片上可包含成千上万个晶体管晶体管由3层半导体材料构成:一种类型的薄层在中间，两边分别是另两种类型。可以有两种排列方式:N型在中间，P型在两边(PNP);P型在中间，N型在两边(NPN)。中间层称为基极，两边外层分别称为发射极和集电极(如图1-17所示)晶体管是调节流过它的电流的电子器件。电流从电源流入发射极，穿过很薄的基区，再从集电极流出，电流总是朝着这个方向流动。可以通过改变基极电流改变这个电流的大小。下一页返回第三课晶体管及其基本电路基极电流只需很小的变化，就会引起集电极电流很大的变化。正是这种能力使晶体管能起放大作用。晶体管在电路中有三种连接方式:共基极、共发射极和共集电极(如图1-18所示)。在共基极连接中，信号从射-基回路输入，从集-基回路输出。在共发射极连接中，信号从基-射回路输入，从集-射回路输出。第三种连接方式是共集电极连接，在这种结构中，信号从基-集回路输入，从射-集回路输出。下一页返回上一页第三课晶体管及其基本电路晶体管可用作开关(或是最大电流，或是无电流)和放大器(常用部分)晶体管有三个电极，必须连接正确。连到电路时须注意，因为当你合上开关时，被错误连接的晶体管可能立即被损坏。晶体管有可能因焊接时产生的热量或在电路中使用不当而被损坏。如果你怀疑某个晶体管可能被损坏，那么有一个简单的方法可以测试它:用万用表或简单的测试器(电池、电阻和发光二极管)来检查晶体管的每对引脚的导通性。将数字万用表设置在二极管测试挡上，模拟万用表设置在低阻挡上。下一页返回上一页第三课晶体管及其基本电路在正反两个方向上来测试每对引脚(一共6次):BE结应该与二极管性质相似，仅其中一个方向测试时导通。BC结应该与二极管性质相似，仅其中一个方向测试时导通。CE结应该在任何方向上测试都不导通。图1-19显示了NPN晶体管结的性质是怎样的，在PNP晶体管中二极管被倒置，但它们可用同样的测试程序。返回上一页第四课逻辑门逻辑门是电子电路中对一个或多个输入信号进行处理而产生和输出信号的电路。电子信号，如电压或电流，在整个数字系统中用两种数值识别。运算电路中的电压对应两个不同的电压范围，代表二进制变量逻辑1或逻辑。。逻辑门输入端接受允许范围内的二进制信号并在输出端输出指定范围内的二进制信号。只有当从。到1或1到。变化时，信号值才能位于中间区域。这些变化是所谓的过渡，中间区域被称为过渡区域逻辑门是根据它们的功能来区分的:非门、与门、或门、或非门、异或门和同或门。它们用指定的图形符号表示。它们的图形符号列于表1-1中。下一页返回第四课逻辑门逻辑门是一种电路，如果在输入端输入逻辑1或逻辑0，在逻辑门的输出端按照它们各自的真值表将输出等值的逻辑1和逻辑。输出信号。真值表是一种用来展示逻辑门功能的好方法。它将每种可能的输入组合所对应的输出都显示出来(见表1-1)。两个输入信号A和B作为4个可能的组合00,01,10或11中的一种，输入到与门或者或门，这些输入信号的时序图及每种逻辑门对应的输出信号的时序图显示在图1-22中，横轴的时间图代表时间，纵轴显示在两个可能的电平间变化的信号。低电平代表逻辑0，高电平代表逻辑1。当两个输入信号都是逻辑1时，与门输出逻辑1信号。当任一个输入信号为逻辑1时，或门输出逻辑1信号。下一页返回上一页第四课逻辑门非门较为普遍地称为反向器，输出信号为输入逻辑信号A的反向。与门或或门可以有两个以上的输入。例如，一个与门有3个输入，如果3个输入全部为逻辑1，三输入与门响应逻辑1输出。如果任一输入为逻辑0，则输出为逻辑0。其他常见的逻辑门是由这些基本逻辑门衍生的，如与非门、或非门、异或门和同或门。与非门是与门和非门的组合，或非门是或门和非门的组合，异或门可以由或门、与非门和与门组合产生。与非门或者或非门可组合构成任意一种的门。下一页返回上一页第四课逻辑门在一些专门的集成电路中通常有几个相同类型的逻辑门，例如7400集成电路中包含了4个2输入的与非门，两个额外的管脚接电源(+5V)和接地(如图1-23)。逻辑集成电路有许多系列，它们可被分成两类:4000系列74系列4000和74HC系列最适合用于电池供电的系统，因为它们工作时，电源电压可以浮动范围大，而且它们消耗能量很少。然而，如果你用它们去设计电路和研究逻辑门，请记住:所有的没用到的输入端必须接到电源(或者正电压，或者零电压)。即使部分芯片没有在电路中使用时依然要这么做返回上一页第五课集成电路集成电路通常被称为IC或芯片。它们是将所有的有源和无源器件，诸如晶体管、二极管、电阻器和小电容器等都集成在一个只有半个曲别针大小的半导体材料上的复杂电路。这些年来，IC持续向更小的外形尺寸发展，使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量，可以降低成本和增加功能。当今理论表明，集成电路中的晶体管数量每两年增加一倍。总之，随着外形尺寸缩小，几乎所有的指标得到了改善—单位成本和开关功率消耗下降，速度提高。下一页返回第五课集成电路仅仅在集成电路开发后半个世纪，集成电路变得无处不在，电脑、手机和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分。也就是说，现代计算、通信、制造和交通系统，包括互联网，全都依赖于集成电路的存在。利用这些技术，完全可能实现尺寸缩小和重量减轻;更重要的是，能够实现高可靠性、良好的工作性能、低成本和低功耗。集成电路已广泛应用于电子工业。集成电路的发明是电子工业的一次重大革命。集成电路可按各种方式分类。模拟或线性集成电路可在连续范围内工作，它包括像音频(AF)和无线电频率(RF)扩音器、运算放大器这类器件。数字集成电路广泛用于计算机、电子计数器、频率合成器和数字仪器中。下一页返回上一页第五课集成电路集成电路采用多种不同的封装方式，最普遍的可能是双列直插式。其他的封装方法有单列直插式，在一边有引脚;还有扁平封装式，在2边或4边都有引脚(如图1-24)。集成电路芯片很容易被焊接时的热量所损坏并且它们的短引脚无法受散热片的保护。因此我们采用芯片座作为替代，严格地说叫插座，它可安全地被焊接到电路板上。当所有的焊接工作完成后，再把芯片嵌入到插座中。商业上生产的电路板通常是在没有芯片插座的情况下直接将芯片焊接到板上的。通常这项工作都是由动作非常快的机械设备完成的。不要试图自己这样做，因为你很可能会损坏它，而且拆除芯片时也会不可避免地损坏它。下一页返回上一页第五课集成电路大多数的集成电路都有资料手册，上面给出了产品等级和功能方面的详细信息。有些情况下还给出了参考电路。大量带有符号和缩写的信息会使初学者感到资料手册难以理解，但对于有经验的使用者来说手册是很值得一看的，因为它包含了大量有关设计和测试电路方面的有用信息。有些数字逻辑集成电路和模拟电路(如模数转换器)是标准器件或者是标准集成电路可以从产品目录和数据手册当中选择标准集成电路，并从经销商处买。系统制造商和设计人员可以在各种不同的微电子系统(指应用微电子技术或集成电路的系统)中使用相同的标准器件。返回上一页第六课运算放大器运算放大器是模拟电子电路中最有用的独立器件。仅通过一些外部元件，运算放大器就可用来实现多种模拟信号处理任务。运算放大器通常被称为op-amp，是一种直流藕合高增益电子电压差分放大器。通常情况下，它有一个单一的输出。典型的是运算放大器的输出由负反馈控制，这在很大程度上决定了其输出电压增益的大小，或通过正反馈，获得再生增益和振荡。高输入阻抗和低输出阻抗是其重要的典型特征。现在运放是应用最广泛的电子器件之一，价格也很实惠。批量生产的许多标准集成运算放大器的成本只有几美分，但小批量的具有特殊性能规格的一些综合性或混合运算放大器成本可能会超过100美元。下一页返回第六课运算放大器现代电子设计还需考虑器件的耐损性:有几种运算放大器在输出端短路的情况下仍能维持正常而不被损坏。为了简化复杂电路图的绘制，电子放大器通常用一个简单的三角形符号来表示，这个符号中内部元件没有被单独表示出来。在放大器的结构与整个电路综合功能无关的场合，这种符号表示法是非常方便和有价值的。通过用一个三角形符号来表示较大电路中的晶体管放大器，我们简化了学习和分析更为复杂的放大器和电路的工作。图1-25是运算放大器的电路符号。下一页返回上一页第六课运算放大器在三角形放大器符号的左边可看到两个输入引脚，右边是输出引脚，正负电压源引脚位于顶部和底部。和其他实例一样，所有的电压都是相对于电路中的接地点来说的。注意:一个输入端标注了(-);另一个输入端标注了(+)在符号中，V+表示同相输入，V_表示反相输入，Vout表示输出，Vs+表示电源正极，Vs-表示电源负极。对于任何输入电压，一个理想运算放大器具有:无限大的开环增益、无限大的带宽、无限大的输入阻抗(导致零输入电流)、偏移电压为零、无限的转换率、零输出阻抗和零噪声。下一页返回上一页第六课运算放大器放大器的差分输入由V+输入和一个V_输入组成。一般的运算放大器仅放大两者间的电压差。这就是所谓的“差分输入电压”。运算放大器通常使用反馈回路影响它的一个输入。在其最常见的应用中，运算放大器的输出电压由输出信号的一小部分返回到反相输入端控制，这就是所谓的负反馈。如果这一小部分是零，即不存在负反馈，放大器就工作在“开环”状态，其输出是差分输入电压乘以放大器的总增益，如下面的公式所示(公式略)。式中，V+是同相端的电压，V_是反相端的电压，G是运放开环总增益。下一页返回上一页第六课运算放大器由于开环增益通常是非常大的，在生产过程中并不能很好地控制，运算放大器通常使用负反馈。除非差动输入电压非常小，开环运行的结果会使运算放大器处于饱和。运算放大器的另一种典型配置是正反馈，其中的一小部分的输出信号返回到同相输入端，它的一个重要的应用是滞后比较。最新一代的运放可覆盖5kHz~1GHzGBW的频谱范围。供电电压范围从可靠运行的0.9V到最大绝对指标的1000V。运放已成为名副其实的模拟集成电路，因为它执行了所有的模拟任务。而设计人员所面临的则是如何迅速选定恰当的电路(运放的组合)以及如何计算出产生期望的传输函数的无源元件的价格。返回上一页第二单元仪表使用第一课使用万用表第二课示波器第三课信号发生器第四课电源第一课使用万用表目录1.仪表测量什么?2.数字万用表3.模拟万用表4.开始测量下一页返回第一课使用万用表1.仪表测量什么?仪表是测量仪器。一台电流表测量电流，电压表测量两点之间的电位差(电压)，而一台电阻表则测量电阻。一台万用表则拥有所有这些功能，而且可能会比单个仪器多一些功能。在开始研究万用表的详细功能之前，清楚地知道仪表是如何连接到测量电路的是很重要的。下图A(图2-1，图略，余同)和B(图2-2)显示连接电流表前后的电路。为了测量电流，测量电路必须从中断开，使电流表可以串进电路。另外，电流表必须具有很低的内阻(与电压表必须具有很高的内阻刚好相反)。下一页返回上一页第一课使用万用表为了将电流表连入电路，要对电路进行更改。开始时，你需要断开电路，以让电流表可串入。所有流过电路的电流必须流过电流表。假设仪表不改变所测电路的参数，或者至少不明显影响，那么电流表需要很低的内阻。图C(图2-3)为显示相同的电路接入一个电压表后的图示。对于测量不同电位差(电压)，电路无须改变:①电压表是并联在测量电路的。②电压表需要很高的内阻此时，你不需要断开电路;测量时，电压表并接在所需测量的两点之间。因为电压表相当于一个并联支路，它应该尽可能地少分流。换句话说，一个电压表应具有非常高的内阻。下一页返回上一页第一课使用万用表你认为哪个测量技术更有用呢?实际上，电压测量比电流测量更经常用到。我们通常用电压来考虑处理中的电信号。另外一个优点是，电压可以更容易测量，原始电路可以不必改变，仪表的探棒可以很容易接触到内部的测量点。电阻表没有连接到一个供电电路的功能。如果你需要测量一个元件的电阻，你需要从电路中将其取出并测量，如图D(图2-4)所示。为了测量电阻，元器件必须从电路中整个取下。下一页返回上一页第一课使用万用表电阻表的工作原理为，产生一个微小电流流过测量的元器件，在其上产生电压，并测量其值。如果你试着去测量连接到电源电路中的元器件，最可能的结果是仪表被损坏。大多数的万用表都有一个保险丝来帮助保护，防止出现意外。2.数字万用表万用表是设计并大批生产给电子工程师使用的，即使最简单或者最便宜的也有可能包括一些你从来没有使用过的功能。数字万用表用数字来作为输出，一般是液晶显示器(LCD)。图2-5是一个可转换量程的万用表:下一页返回上一页第一课使用万用表(1)可转换量程万用表:中间的旋钮可以旋转很多位置，你必须选择一个合适的量程来测量。例如，如果仪表切换到DC20V档，那个20V就是此挡可以测量的最大测量电压，这可以称为20VFSD,FSD为满量程值的缩写。对于电源供应电压20V以下，包括所有电路，直流20V挡是直流电压档最有用的直流电压在仪表上标示为。有时，你需要测量更小的电压，这时可以使用2V或者Z00mV档DC(直流)表示什么?DC就是直流电。在任何使用稳定的电压源，如电池的电路中，电流是沿着相同方向流动的。下一页返回上一页第一课使用万用表AC(交流)是交流电的意思。电灯连接到国内的主要供电电路中，电流先从一个方向流过，再从另一方向流过，这样就是电流的转换或交流。对于我国的供电电路，电流每秒钟变换50次。为安全考虑，务必不要把万用表连接到主供电电路上。你可能没有经常使用你的万用表的AC(交流)量程，在万用表上标示为。另一种万用表是自动量程万用表。(2)自动量程万用表(图2-6):中间的旋钮只有较少挡，你所需要做的，就是选择所需要的测量功能。当切换到V(电压)位置时，仪表自动切换，以使读数更好地显示，并且显示器可以显示其单位，如V或者mV。这种类型的仪表比较贵，不过很明显更容易使用。下一页返回上一页第一课使用万用表仪表的两条探棒要如何连接?黑色的表笔是固定连接在标示为COM的插座上的，COM是COMMON(公共端)的简称。红色表笔一般连接到标示为VΩmA的插孔，10A插孔则很少使用。3.模拟万用表模拟万用表通过指针沿着一刻度表移动来测量数值。量程转换型模拟万用表是非常便宜的，但是对于新手使用者来说，都是很难准确读数的，特别是电阻挡。仪表的移动和摆放要轻轻的，摔在地上很可能损坏。下一页返回上一页第一课使用万用表各种类型的仪表都有其优点。当作为电压表使用时，一台数字万用表比较好用，因其内阻高达1MΩ或者10MΩ，相对于200kΩ的同量程模拟万用表内阻，精度提高不少。但另一方面，模拟万用表表针的移动，对于缓慢变化的电压更容易观察。作电流表使用时，模拟万用表拥有很低的内阻和很高的灵敏度，最小量程可以达到50uA更贵的数字万用表才可以达到或者比其性能更好大多数的现代化万用表是数字式的，而传统的模拟万用表注定要过时。下一页返回上一页第一课使用万用表4.开始测量(1)电压测量:在万能板上用4个10kΩ的电阻串联做一个电路(图2-7):使用万用表的电压表功能，测量电源电压，并分别测量A,B,C各点的电压。你注意到结果在变化吗?四个电阻串联在一起，形成一个链形的分压电路。总电压被4个电阻之间的电压均分，如果不考虑误差的话，4个电阻将得到相等的电压。(在下一章节，你将得到更多的分压电路资料)下一页返回上一页第一课使用万用表修改电路，用1kΩ或者100kΩ的电阻更换1个或多个10kΩ的电阻看看，结果猜到了吗?图2-8为使用光感应元件的相同电路电路使用LDR(光敏电阻)，LDR的阻值随着照明的亮度而改变。在暗处时，其阻值变高，可以升到1MΩ或更高。光线照在LDR时，光能源上升，电离子增多更利于电流传输，电阻值下降。在明亮的光线下，电阻值有可能低到100Ω以下下一页返回上一页第一课使用万用表(2)电阻测量:将LDR(光敏电阻)从电路中移开，并按图2-9测量其阻值用万用表来作电阻表使用时，你需要选择电阻量程。对于可转换量程的万用表，200kΩ的位置通常比较适用。你可以看到，当光线强度变化时，电阻测量的变化。用手盖住LDR，将使LDR的阻值升高。如果只在仪表的显示器上显示“1"，这意味着该测量值已超出该量程所能测量的最大值，这时，你需要更换一个更大的量程，比如2000kΩ挡来读取读数下一页返回上一页第一课使用万用表你可以用相同方法测量各种不同的固定电阻的阻值，并与色环标称法对比看看，不要忘记，色环标称值转换可以帮助你确定阻值。(3)电流测量:图2-10是万能板制作的，用于测量电路的电流注意，电路中的电流必须通过电流表来测量读数。当电阻减少时，电流上升，计算电流时，可以使用公式:I=V/R可能有±5%的误差，这是由电阻的属性决定的。返回上一页第二课示波器示波器(如图2-13)是一种电子测试设备，它使电压信号可视化，通常是一个或多个电位差异(纵轴)作为时间或其他电压(横轴)的函数形成的二维图形。示波器是一种最通用和广泛使用的电子仪器。示波器被广泛应用，它能观察确切的电信号波形。除了信号振幅，示波器可以测量频率，显示失真，并显示出两个相关的信号的相对时间。示波器使用在科学、医学、工程、电信和工业上。一般示波器用于维护电子设备和实验室工作。特别用途示波器可用于诸如调整汽车点火系统，或显示心跳波形等目的。最初所有的示波器使用阴极射线管作为显示器，但现代数字示波器使用高速模拟数字转换器和计算机显示器处理信号。使用一般用途的笔记本电脑或台式计算机作为示波器的外设模块可以使它们成为有用且灵活的测试仪器。下一页返回第二课示波器目录1.输入2.轨迹3.触发4.带宽5.X-Y模式6.其他特征7.软件下一页返回上一页第二课示波器1.输入要测量的信号连接到其中一个输入端，一般是同轴连接器，如BNC或N型。传杆或橡胶插头用于低频。如果信号源有独立同轴连接器，那么就使用简单的同轴电缆;否则，使用“示波器探头”，这种特殊电缆由示波器提供。通用示波器有一个标准的1MΩ输入电阻并联一个20PF的电容。这使我们能够使用标准示波器探头。频率范围非常高的示波器可能有50Ω的输入，这必须是直接连接到一个50Ω的信号源或使用Z0或有源探头。下一页返回上一页第二课示波器2.轨迹在最简模式下，示波器不断地在整个屏幕中间从左至右画水平线，这个水平线称为轨迹。其中一个控制是时基控制，设置所画轨迹的速度，在每个分区以秒来校准。如果输入电压从零出发，轨迹向上或向下偏离。另一个控制是垂直位移控制，设置垂直偏转的范围，在每个分区以伏特来校准。最终的轨迹是一张电压相对时间的图，越往左时间越远，越往右时间越近。如果输入信号是周期性的，那么通过设置符合输入信号频率的时基，可得到一个接近稳定的轨迹。例如，如果输入信号是一个50Hz的正弦波，那么它的周期是20ms，因此，时基范围应加以调整，使之间的连续的水平扫描时间是20ms。下一页返回上一页第二课示波器这个模式被称为连续扫描。然而自校准示波器的时基可能不完全符合输入信号时间范围，轨迹在屏幕上浮动使得测量困难。如果调整时基来稳定轨迹，时间水平分量被改变，那么一般不能被校准。3.触发为了提供一个更稳定的轨迹，现代示波器有一个触发功能。当使用触发时，每次扫描到屏幕右侧，示波器将暂停。然后示波器在下一次跟踪前等待一个特定事件。触发事件通常是输入波形，完成一些用户在特定的极性(阴极或阳极)下指定的I值电压。其结果是使时基和输入的信号同步，防止轨迹的水平波动。通过这种方式，触发可以显示周期信号，如正弦波和方波。触发电路还可以显示非周期信号，如不以一个固定速度的重复单脉冲或脉冲。下一页返回上一页第二课示波器4.带宽示波器的带宽会受到垂直放大器或CRT(模拟示波器)或模数转换器的采样率(数字示波器)的限制。对于数字示波器，原则是:连续采样率应该是最高频率的10倍。5.X-Y模式大多数现代示波器有几个电压的输入，从而可用于表明一个电压相对于另一电压的变化。对刊苗绘二极管以及Lissajous模式等元件的I—V曲线(电流与电压特性)特别有用。Lissajous图像是一个说明示波器可用于跟踪多个输入信号之间的相位差的例子。它常用于广播左、右立体声道，以确保立体声发生器校准正确。下一页返回上一页第二课示波器6.其他特点有些示波器有游标，它是用在屏幕上自由移动的线来测量两个点之间的时间间隔，或区别两个电压的。示波器可能有两个或两个以上的输入通道，使他们能够在屏幕上显示多个输入信号。对于每个通道，示波器通常有单独的一套垂直控制，但只有一个触发系统和时基。性能更好的通用示波器包含一个校准信号用来设置测试探头的补偿，在面板上的测试终端就是一个1kHz方波信号。下一页返回上一页第二课示波器有时，用户希望看到的结果可能只是偶尔发生。为了捕捉这些结果，有些示波器，被称为“存储示波器”，在屏幕上保存最近的扫描结果。这最初是通过使用特殊的CRT显示器，即一个“存储显像管”来获得的，它能将图像保留很长一段时间，即使是一个非常短暂的图像。一些数字示波器仿效带状记录器，可以每小时扫描一次。也就是说，信号从右到左从屏幕穿过。大多数具有此功能转换的示波器大概每10s从扫描模式转换到带状模式。这是因为不这样的话，示波器视为损坏:它搜集数据，但是看不到点。下一页返回上一页第二课示波器早期的示波器是模拟器件。近代数字信号采样越来越频繁地用于除了最简模式以外的所有示波器很多示波器针对不同的目的有不同的插件模块。例如，相对窄带的高灵敏放大器、微分放大器、4通道或多通道放大器、高频重复信号的采样插件和特殊用途插件7.软件今大，许多示波器提供一个或多个外部接口，允许由外部软件远程仪器控制。这些接口(或总线)包括GPIB、以太网、串行接口和USB。返回上一页第三课信号发生器信号发生器也称为测试信号发生器、函数发生器、音频发生器、任意波形发生器、数字模式发生器或频率发生器，它是一种产生重复或不重复电子信号(在模拟或数字领域)的电子装置。他们通常用于设计、测试、故障排除和维护电子或电声装置。有很多不同类型的信号发生器，它们具有不同的用途和应用。一般来说，没有任何一个装置可以适于所有可能的应用。下一页返回第三课信号发生器目录1.一般用途信号发生器1.1函数发生器1.2任意波形发生器2.特殊用途信号发生器视频信号发生器1.一般用途信号发生器1.1函数发生器(Fig.2-15)函数发生器是一种产生简单重复波形的设备。这种装置含有一个电子振荡器，即一个能够产生重复波形的电路。下一页返回上一页第三课信号发生器(现代设备可使用数字信号处理合成波形，然后通过数模转换器DAC产生模拟输出)。函数发生器能产生的最常见的波形是正弦波，但锯齿波、脉冲波、方波和三角波都能得到，可以说是任意波形发生器(AWGs)。如果振荡器运行在音频范围以上(>20kHz)，发生器通常将包括某种形式的调制功能，如调幅(AM),调频(FM),或调相(PM)以及提供音频调制波形的第二振荡器。函数发生器常用于简单电子产品的维修和设计，在测试情况下它们被用来激励电路。像示波器这样的设备用来测量电路的输出。函数发生器按输出特征、频率范围、频率精度和稳定性，及其他一些参数性能分为很多种类。下一页返回上一页第三课信号发生器1.2任意波形发生器(图2-16)任意波形发生器，简称AWGs，是高级的信号发生器，为用户生成任意波形。和函数发生器仅限于一个简单的波形不同的是，任意波形发生器允许用户以各种不同的方式产生一个源波形。AWGs一般比函数发生器更贵，而且往往可用带宽非常有限，因此，它们通常只限于高端设计和测试应用。2.特殊用途信号发生器(图2-17)除了上述一般用途的设备，还有几种特殊用途的信号发生器。下一页返回上一页第三课信号发生器视频信号发生器视频信号发生器是这样一种装置:它能产生预定视频或电视波形，或者产生检查故障的信号，或用于电视和视频系统的参数测量。有几种不同类型的视频信号发生器在被广泛使用不考虑具体类型如何，视频发生器的输出通常会含有适合电视的同步信号，包括横向和纵向的同步脉冲(模拟)或同步字(数字)。复合视频信号发生器(如NTSC和PAL)还将产生colorburst信号作为输出的一部分。视频信号发生器可有多种应用，以及各种各样的数字格式，其中许多还包括音频发生的能力(因为音轨是任何影片、电视节目或动画的一个重要组成部分)。返回上一页第四课电源电源类型有许多类型的电源。大多数电源的目的是把高电压交流电源转换成一个合适的低电压给电子电路和其他装置供电。一个电源可细分成一个个模块，每一个模块执行一个特定功能。以一个小型电源为例(图2-19)每个模块的功能描述如下:变压器使高压交流转化为低压交流。整流器将交流转换为直流，但直流输出是脉动的。滤波器使脉动剧烈的直流平滑为小的波纹的直流。稳压器稳定直流输出在一个固定的电压下，消除纹波。下一页返回第四课电源双电源一些电路需要电源提供正极和负极以及0电压(0V)输出，这称为双电源，因为这如同有两个相互连接的电源供给。双电源有3种输出，如一个19V的电源可输出±9V,0V和-9V整流二极管作为将交流转换为直流的整流器的连接方法有好几个。桥式整流器是最重要的，可以产生一个全波变化的直流。音频信号二极管也可以作为整流器，但它仅使用交流波的正半部分产生半波变化的直流。下一页返回上一页第四课电源滤波滤波是通过连接到直流电源的一个大的电解电容作为允放电器件实现的，当从整流器出来的变化的直流电压下降的时候，电容给负载供电。在变化直流的峰值附近，电容迅速充电，当给负载供电的时候，电容放电(图2-20)值得注意的是，滤波显著地使直流平均电压增加到接近峰值。由于在放电过程中电容电压会下降，产生一个小的脉动电压，因此滤波并不是很理想。下一页返回上一页第四课电源稳压器稳压器有固定(一般是5,12和15V)或可变的输出电压，输出电压也可以由通过的最大电流来设定。负极电压稳压器是可变的，主要用于双电源。大多数稳压器包含一些自动保护装置，避免受到大电流(超载防护)和温度过高(热防护)的冲击。返回上一页图2-19小型电源返回第三单元传感器第一课电路元件和参数第二课电压/频率转换器第三课用于轻质材料的光学传感器第四课即插即测TEDS:采用传感器认证插入测量第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装第一课电路元件和参数电路(或网络)是由实际电气装置相互连接而成的。电路的用途就是把电能分配和转换为其他形式。因此，基本的电路元件就是电源、能量转换器和连接它们的导体。电源(原生或再生电池、发电机等)把化学的、机械的、热的以及其他形式的能量转换为电能。能量转换器，也叫负载(例如灯泡、加热器或电动机)，可将电能转换成光、热、机械运动等。电路中的工作情况可以用电动势(或电压)和电流等术语来描述。当电能在产生、传输和转换时，若电路中相关的电流和电压不随时间而变化，我们可以称之为直流电路。下一页返回第一课电路元件和参数电流和电压不随时间而变化，相应的电气装置的磁场和电场也是时不变的。这就是为什么直流电路中不出现自感或互感现象，以及导体周围介质中不存在任何位移电流的原因。图3-1以简化的形式表示一个以蓄电池为电源、灯泡为负载的假定电路。电源和负载端通过导体相互连接(通常这种导体是导线，但少数情况下也有例外)。可以看到，电源、负载和导体形成了一个闭合回路。电源电动势产生一个绕该闭环回路的持续的、单向的电流。这种由一个电源、一个负载和两段导线组成的简单电路，在实践中即使有时能遇到，也是很少见的。实际电路可能包含大量的、以各种形式连接的电源和负载。下一页返回上一页第一课电路元件和参数为了简化实际电路的分析，通常在被称为电路图的图形中以符号的方式表示它们。电路图实际上是实际电路网络虚构的，甚至理想化的模型。这样的电路图由被称为电路元件或参数的符号相互连接而成。在表示直流电路时必须有两种元件:一是具有电动势E和内阻Rs的电源;二是负载电阻R(包含导体电阻)，如图3-2所示。无论图3-2(a)中的电动势E的原动力是什么(即不论是热的、机械的，还是其他什么形式)，其大小就等于1和2两端之间的开路电压，也就是电源中没有电流通过时的电压:下一页返回上一页第一课电路元件和参数电源电动势的方向从低电位点指向高电位点。在图上用箭头表示。当负载被接在电源端(电路被加载)且电路闭合时，电流开始流过整个电路。由于消耗在电源内的电压降Vs，1和2端的电压(称为端电压)不再等于电动势，即通过电源内阻的Vs=RsI。图3-3表示了带负载后电源的典型的所谓外部特性(另一个名称是电源的负载特性)。可以看到，电流从0增加到l≈l1，会导致电源端电压线性地下降。下一页返回上一页第一课电路元件和参数换句话说，通过电源电阻的电压降随电流成比例增加。该过程一直持续到电流达到某一临界值为止。然后，当电流继续增加，它与电源电压降之间的比例发生变化，外部特性不再为线性。电压的降低可能由电源电压的减少引起，也可能由于内阻的增加引起，或者两者兼而有之。电源释放的功率由方程Ps=EI给出，其中Ps表示电源功率。在此看来似乎可以相应地消除关于功率的普遍误解。比如人们可能会听到功率被产生、释放、消耗、传送、消失等。但是，事实上，只有能量才能被产生、释放、消耗、传送或消失。功率只是能量输入或转换的速度，即单位时间内能量产生、释放、传输的数量。下一页返回上一页第一课电路元件和参数作为常见的电路元件，负载电阻R(图3-2(b))给出了对能量消耗的清楚的认识，即电能到热能的转换。被定义为:P=RI2。一般情况下，负载电阻只决定于流过负载的电流，这一点可用函数R(I)表达。由欧姆定律可知，电阻两端的电压为V=Rl。电路分析中，常使用电阻的倒数，即电导，定义为g=1/R。实际问题中，常将通过电阻的电压表示为电流的函数V(l)，或者反函数I(V)。函数V(I)或l(v)已成为人们熟知的伏安特性。下一页返回上一页第一课电路元件和参数图3-4表示金属丝灯泡的伏安曲线V1(I)和碳丝灯泡的伏安曲线V2(I)。可以看出，每种灯泡的电压和电流的关系不是线性的。随着电流的增加，金属丝灯泡的电阻也增加，而碳丝灯泡的电阻减少。包含非线性特性元件的电路称为非线性电路。如果假设电源的电动势和内阻、相关的负载电阻分别不受电流和电压影响，那么电源的外部特性V(I)和负载的伏安特性V1(I)将是线性的(图3-5)。只包含线性元件的电路称为线性电路绝大多数的实际电路可被归为线性电路。因此，对线性电路的性质和分析展开研究具有理论和实践的双重意义。返回上一页第二课电压/频率转换器电压/频率(V/F)转换器在数字式电压表和巡回检测器中的应用促进了用作标准件或集成电路组件的广泛发展。这就使得它们可以用在能够产生与被测参数成正比的模拟电压的一些传感器和仪表系统中。这些组件价格较低，并且还有精度高、在接收端只需要极少信号处理的数据传输性能。以频率形式传输的信号，实际上是一串数字信号，因此它具有数字系统的优点，而且只需要两根数据传输线。事实上，它和普通的串行数字数据传输相比，具有自定时、不需要同步的优点。下一页返回第二课电压/频率转换器以频率形式传输信号的另一优点是这种技术容易适应于那些在传感器与实际计数器之间或传感器与系统的其他部件之间要求完全在机械上或电气上隔离的设备。如图3-6所示，其中传感器和低功率的电压/频率传感器与一个发光二极管藕合、其输出以电压/频率转换器产生的频率进行闪烁。这种光发射是用光敏元件检测的，所得信号经过整形、计数或运算以便测量。发光二极管和光敏元件可以作为一个叫做发光二极管光学藕合器的单独组件来使用。下一页返回上一页第二课电压/频率转换器这种隔离形式，在某些医疗仪器中可能是有价值的。低功率的“前端”可用于电池驱动，从而与需要电网供电的其余部分设备完全隔离开来。这种方法在要求传感器用于气密的场合也是有用的。在这种情况下，可以用一个单独的发光二极管，并把光敏元件作适当屏蔽，数据就能够通过透明的窗孔被传送出来。图3-7所示的是脉冲数与输入电压成正比的电压/频率转换器的基本线路。在此线路中，每个脉冲都有相同的宽度和高度，因为它们就是单次脉冲发生器的输出。下一页返回上一页第二课电压/频率转换器由于温度变化，要产生线性输出，而脉冲速度的变化又要极小，这种简单的线路需要作相当大的改动。特别是电容器放电需要很多电路。因此，采用了许多其他可供选用的技术电压/频率转换器在用作数字传感器系统中的一个部件时，其主要缺点是取出读数需要时间。如果要计算脉冲数，只有当计数周期长到足以达到所需的分辨力时，才能保证精度。例如，对于一个13比特的数字，就要求4000个以上的脉冲，计数周期太长。然而，可以采取在输入信号内加偏压的办法使时间保持在合理的范围之内。下一页返回上一页第二课电压/频率转换器若采用测量脉冲之间时间间隔的方法，这个矛盾就不这么尖锐了，但又会失去电压/频率转换技术的某些优点，例如失去了计数法带来的抑制噪声能力强的优点。抑制噪声能力强是由于在整个计数周期内存在积分作用，它对该周期内的输入信号产生一个平均值，而任何共模噪声的总影响一般是很小的。如果计数的采样周期与电网电源同步，那么在此频率上产生的噪声及其谐波几乎都可以被平均。然而，模拟输入信号的噪声和波纹都可能改变单个脉冲的定时，因此脉冲之间的时间测量值将包含噪声分量。返回上一页第三课用于轻质材料的光学传感器现代轻质材料广泛应用于飞机、交通、建筑工程、机械工程和能源开采中。光纤复合材料使其重量更轻。现在，有很多场合使用传感器技术，如进行机械应力/温度评估和破坏探测，来达到更高的安全性和质量标准由于飞机监控的测量点非常多，传感器还需要进行信息传递和数据处理。由于空间非常小，需要防止电磁干扰，光学测量技术尤其适合此种应用。用一个波导进行测量点的数据传输和测量点的连接，可以降低测量系统的复杂性，并提高稳定性和实用性。下一页返回第三课用于轻质材料的光学传感器1.Fraunhofer研究院在复合材料上使用光学传感器在德国达姆斯达特的Fraunhofer研究院LBF进行了VLA非常轻的飞机结构测试，图3-9为VLA轴承进行可行性测试的表面片段。此案例中进行的是结构机械应力测试，但重量和重心数据的自动采集也同样重要。2.飞机建造复合材料的第一套光学监控系统光纤Bragg传感器和测量仪表已经在新的商业飞机CompAirCA-12上使用。下一页返回上一页第三课用于轻质材料的光学传感器美国公司CompAir委托ChandlerMonitoringSystemsInc.(CMS)负责监控系统的开发，采用了HBM技术合作伙伴MicronOpticsInc.的测量仪表、应变和温度传感器，并将Cleveland电子实验室的光纤传感器用于发动机部分的测试，以防止火灾。能容纳10人的涡轮螺旋桨飞机是全球第一架完全采用复合材料的飞机。安装有应变计和温度传感器的原型机在2007年进行了测试，必要的FAA认证在30个月后才能拿到。CompAirAviation作为飞机结构测试的领导者第一次采用了光纤监控系统。返回上一页第四课即插即测TEDS:采用传感器认证插入测量即插即用作为一个标准应用在电脑技术上已经有一段时间了，现在已经应用在专业的测量和测试领域中了。HBM现在采用传感器电子认证技术(TEDS)来实现此项功能。TEDS(传感器电子数据表)技术可以让测量工程师在30秒内完成精确的测量任务。但是，即插即测不仅仅是“插入就开始检测”。采用TEDS测量技术可以简单快速地对测量链进行配置，获得可靠的测量结果，尤其是在频繁改变测量配置或者是有大量的传感器需要连接时。因此，我们将传感器的主要特性存储在传感器的电子数据表中。放大器可以导入这些数据并自动转换成正确配置，而用户无需进行其他更改。下一页返回第四课即插即测TEDS:采用传感器认证插入测量TEDS的强大功能无论是复杂的测量任务还是测量过程中需要频繁更换配置或者需要将测试元器件集成到复杂设备中，TEDS都可以进行快速可靠的测量，并满足高精度要求。TEDS其强大的性能可以满足实验室和生产过程监控的应用要求。解决方案:HBM零点接线技术HBM采用标准的带反馈线的传感器标准电缆传输TEDS数据。这样就可以在模拟和数字模式之间智能切换。下一页返回上一页第四课即插即测TEDS:采用传感器认证插入测量连接器和电缆是类似的，因此，TEDS兼容元件可以和传统技术结合使用。现有的传感器无需其他接线就可以轻松升级。什么存储在TEDS内存中?TEDS芯片只存储传感器的技术数据:传感器型号、制造厂家和按照IEEE1451.4标准产生的ID号。第二个内存区存储制造商的指定数据，其主要数据配有模板，这些模板，如测量量、测量范围和特性等，遵从标准并应用于统一标准设计的放大器中。第三个内存区为用户区信息，如滤波设定，零点信号和简单的注释—HBM提供TEDS编辑器进行写入。下一页返回上一页第四课即插即测TEDS:采用传感器认证插入测量HBM的即插即测HBM提供带有TEDS的新传感器，并可以升级现有传感器，用于升级的TEDS模块也可升级其他厂家的传感器)，TEDS编辑器和可以读取TEDS的放大器。标准TEDS在2004年底颁布的IEEE1451.4标准中被定义。HBM是标准的制定者之一，并且是成功实现TEDS技术的测试、测量先行者。返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书安装探测器之前请仔细阅读本说明书。可以向西安盛赛尔公司索要本说明书的复制本。概述该探测器是二线制感温火灾探测器，设计这类探测器是为了对开放式区域提供保护，且需与所列的、具有兼容性的底座配套使用。探测器处于报警状态时，发光二极管(LED)锁定恒亮。下一页返回第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书技术条件直径10.2cm高度4.8cm质量72g工作温度范围-10℃~50℃工作湿度范围10%~95%相对湿度，无凝结工作电压范围直流8.5~35V最大纹波电压30%(峰峰值)最大上电电容0.02uF下一页返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书静态电流≤50uA报警电流直流3.1V时最小2mA直流6.5V时最大80mA报警复位瞬间断电报警温度60℃上电时间≤1s执行标准GB4716-2005认证标志下一页返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书安装每个JTW-SD-885型探测器配有一个安装底座，以便探测器可以直接安装在5060mm的接线盒上，如图3-11所示。注意:确认所有的探测器底座已经安装，启动装置电路已被测试，接线正确。警告:安装探测器之前，切断回路的电源1.将探测器放在安装底座上，并顺时针旋转，直至它锁定到位。2.安装完所有探测器后(见图3-12系统接线)，给控制器加电。3.按照本说明书测试一节所描述的，对探测器进行测试。4.在控制器上对探测器进行复位。5.通知有关部门该系统已经正常运行。下一页返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书防御特性探测器底座具有防御功能。当启用此功能后，不用钥匙就无法卸下探测器接线指导按照所选定底座的安装说明进行接线。探测器与控制器系统接线参见图3-12所示。测试注意:在测试之前，通告有关管理部门，感温探测器系统将进行维护，系统会因此而临时停止工作。切断将运行维护的区域或系统的逻辑控制功能，以免造成不必要的报警联动。下一页返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书探测器初装或经过一定时期的运行后都必须进行测试。该种探测器的测试，可在探测器的侧面手持热吹风机，距离探测器15cm左右对探测器吹热风。使热敏件集热盘允分吸收热量，并防止其被损坏，直至探测器报警如果测试不通过，则应该先按照本说明书“维护保养”一节所描述的，对探测器进行清洁;如果还是不能通过，则应该返修。测试结束后，通知有关管理部门系统恢复正常。下一页返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书维护保养注意:在拆卸探测器前，通告有关管理部门感温探测器系统将进行维护而临时停止工作。切断将进行维护的区域或系统的逻辑控制功能，以免不必要的报警联动。1.逆时针旋转从底座上卸下探测器。2.用吸尘器清理探测器金属集热盘上及其周围的浮尘、杂物。3.将探测器外表面擦拭干净。4.重新安装探测器。5.按“测试”一节所述对探测器进行测试。6.通知有关管理部门系统恢复正常。下一页返回上一页第五课JTW-SD885型点式感温火灾探测器的安装与维护说明书感温探测器的局限性本感温探测器是为触发并启动应急装置而设计的，没有电源不能工作。感温探测器本身也有探测局限性而且不可能永久工作。三年有限质量保证西安盛赛尔公司对所生产的探测器产品实行三年保修。如果是由于人为损坏、使用不当或自行调整改动产品而导致失效的产品，不属于本保修范围，而因此造成的后果西安盛赛尔公司将不负责任。返回上一页图3-1假定电路返回图3-2(a)具有电动势E和内阻Rs的电源;(b)负载电阻R返回图3-3电源的负载特性返回图3-4金属兹灯泡的伏安曲线V1(I)

和碳兹灯泡的伏安曲线V2(I)返回图3-5电源的外特性V(I)和负载的伏安特性V1(I)返回图3-6光隔离系统返回图3-7电压/频率转换器返回图3-9VLA轴承进行可行性测试的表面片段返回图3-10内嵌传感器的复合材料配线部分Fraunhofer研究院LBF，德国)返回图3-11探测器、底座及预理盒配合图返回图3-12探测器与控制器系统接线图返回第四单元通信系统第一课通信系统第二课频分复用时分复用脉冲编码调制第三课光纤通信第四课移动通信第一课通信系统今天，我们很容易观测到通信在我们的生活中几乎无处不在:我们手中的电话，家里的收音机、电视机，办公室和家用的连接在因特网上的计算机终端和报纸，这些都能提供来自全球各个角落的信息。通信可以为海上的船只、航行中的飞机及太空中的火箭和卫星提供感测。通信可以通过无线电话使汽车司机与几英里之外的办公室或家人保持联系。通信可以使气象预报员通过多个传感器的测量而获得气象情况。的确，包含在不同方面的通信的应用几乎是无穷无尽的。从最基本的意义上来讲，通信本身包含了从一点到另一点的一系列过程的信息传输，如下所述:下一页返回第一课通信系统1.信号的产生:语音、音乐、图像或计算机数据。2.用某个精确的物理量描述信源信号，可用系列符号表示，如电的、声学的或视频的。3.将这些物理量符号以适合于物质媒介传输的形式进行编码。4.编码的物理量传输到要求的目的地。5.原始信号的解码与还原。6.原始信号的再生—伴有一定的质量上的衰减，这种衰减是由系统的一些缺陷造成的。一般的通信系统由下列部分组成(见图4-1):下一页返回上一页第一课通信系统信息源。它产生消息，可以是写成的或口述的文字，或是某种形式的数据发信机。它把消息转变成信号，信号形式要适合在通信信道中传输。通信信道。通信信道是用于从发信机传送信号到接收机的媒介。信道可以是无线连路或者是直接的有线连接。接收机。接收机可以看做与发信机相反的东西。它把接收到的信号变回消息，并把消息传给终端，这个终端可以是一台扬声器、电传打字机或一个计算机数据库。所有通信信道的一个不好的特征是信号上叠加了噪声。这种人们不希望存在的噪声会引起电话中声音失真、电报报文或数据出现差错。返回上一页第二课频分复用时分复用脉冲编码调制频分复用频分复用是一种模拟技术。一个话音信号的频段在0~3kHz，用单边带振幅调制可以把话音信号搬移到新的频段。例如，采用这种调制，搬移4路类似信号，使之均分5~20kHz频段。各路之间的间隙称为保护间隔，这些允许在实际系统中存在频率误差及滤波不足等缺陷。一旦这个新的基带信号(由4路组成的群)形成后，它就作为一个单一的单元在主干网中传送。可以构成一个分级的体系，即以若干路组成一个群，若干群组成一个超群，再以若干超群组成一个主群或极群。下一页返回第二课频分复用时分复用脉冲编码调制通信设备把群或超群作为一些单一的单元来传送。对于无线电设备来说，并不需要知道含有多少路。只要有足够的带宽，无线电就可以处理一个超群。群的大小采取折中考虑确定，因为处理每一路都需要独立的滤波器、调制器及振荡器，这比每个群所需的设备要多得多。但是只要有一个部件失效，则将失去与这个群主相关的全部话路。时分复用采用脉冲编码调制时，有可能利用抽样值之间的时间传送来自其他电路的信号，这种技术称为时分复用。要做到这一点，必须在通信链路的两端采用同步开关，使对来自各条电路的抽样值依次轮流传送。下一页返回上一页第二课频分复用时分复用脉冲编码调制于是好几个用户看起来都好像在同时使用这条链路。虽然每个用户只有一些周期性的短时隙，抽样值之间的原始模拟信号却可在接收机中重新构成。典型的TDM系统如图4-2所示。脉冲编码调制脉冲编码调制是数字脉冲调制的基本形式。在脉冲编码调制中，消息信号用一串编码脉冲来表示，这些编码脉冲由在时间上和幅度上都离散的信号组成。PCM发射机(图4-3)中的基本操作有取样、量化、编码。量化和编码通常在同一个电路中完成，该电路称为模/数转换器。接收机(图4-4)中的基本操作包括衰减信号的再生、译码和量化了的取样脉冲的还原。下面就描述一下组成基本PCM系统的不同操作。下一页返回上一页第二课频分复用时分复用脉冲编码调制取样。输入的消息信号由一组窄的矩形脉冲进行取样。量化。消息信号取样后进而被量化，因此产生了新的信号形式，即时间上和幅度上都离散的信号编码。将一系列分立的取样值表示成一组特定的二进制代码的方法称为编码。再生。PCM系统最重要的特点在于它能够控制在信道内传送PCM信号时产生的失真和干扰噪声的影响。这种功能的实现是通过系列再生中继重组PCM信号，这些再生中继器位于传输路径上，间隔紧凑。下一页返回上一页第二课频分复用时分复用脉冲编码调制译码。译码过程涉及产生一个脉冲，其幅度是所有编码脉冲的线性总和，每一个脉冲可由码中位权值(20，21,22，…，2R-1)进行加权得到。这里R是每取样一次的比特数滤波。接收机的最后一个处理是消息信号经过译码器输出后将其通过一个低通滤波器还原出消息信号，低通滤波器的截止频率与信号的带宽W相等。返回上一页第三课光纤通信光纤通信的出现20世纪80年代，一项重要的技术发展是光纤通信成为主要的国际产业。光纤作为传播媒介的优点在于它是由绝缘体(玻璃或塑料)制成而且传送的信号是光。20世纪50年代初，研究人员制造出第一根具有包层玻璃光纤时，并不想用于通信，而是用它们传送内窥镜需要的成像光束。1970年10月，第一根低耗(20db/km)石英光纤问世了。由此将这一日期作为光纤通信时代的开端。下一页返回第三课光纤通信光纤通信系统光纤通信系统基本上是基于使用光纤的通信基本的光纤通信系统如图4-5所示，在光纤通信系统中，光缆是作为一种传输媒介来使用的，位于发信机一侧的光源可以把电信号变换成光信号(电/光变换器);位于收信机一侧的光检测器，把传输来的光信号变换成电信号(光/电变换器)。因此光源、光检测器和光缆是光纤通信系统的重要功能部件。当半导体光源的结中有电流通过时，它就会发射光能量。这个结是半导体元件内部生成的，因此可以按照要传输的信号，通过调节电流来方便地调制光输出。半导体检测器则吸收光功率，激励检测器内的电子，这一过程导致光信号变换成电信号电流。下一页返回上一页第三课光纤通信使用光纤有很多优点，如低损耗、重量轻、宽频带和灵活性等光纤的损耗比PEF(聚乙烯塑料)电缆和同轴电缆及毫米波波导均低。在波长为1.0~1.7um的区域(1.4um除外)，可以得到小于1分贝/千米的低损耗值。光纤比其他电缆轻，提高了架设的简易性，降低了成本。光纤的传输容量大于任何其他电缆。由于光缆的传输容量可以从少传输通道到多传输通道的范围内变化，系统的设计很灵活。实际上它可以应用于目前使用的传统通信系统的所有领域。下一页返回上一页第三课光纤通信光纤末来的应用人们对于光纤在其他领域的应用潜力刚刚开始认识。用于计算机系统和办公室的光纤网络逐渐变得更加重要。在电话系统中，光纤在主要的城市地区中心交换局间互连和低级交换中的使用一直在迅速增加。许多观察家相信，全国电话系统将因使用光纤传输视频宽带信号而逐渐升级。这些宽带用户环路系统将使可视电话、视频娱乐节目等业务成为可能。宽带业务广泛使用光纤将变得经济可行。返回上一页第四课移动通信移动通信系统的发展过程移动通信系统最初以模拟方式工作，其频段在450MHz，后来逐渐发展到900MHz的数字GSM系统，下一步是工作在1800MHz的个人通信系统。移动通信的发展可以分为几代。第一代系统如美国的高级移动电话系统(AMPS)、欧洲多数国家的全接入通信系统(TACS)以及北欧的移动电话系统(NMT)，这些都是模拟系统。第二代移动通信系统(2G)在很大程度上是由欧洲特别移动小组(GSM)委员会所制定的标准决定的，这一系统是作为一种全球移动通信系统而设计的。目前使用的系统有4个:数字先进移动电话系统(D-AMPS、全球移动通信系统(GSM、码分多址(CDMA)和个人数字蜂窝电话(PDC)。下一页返回第四课移动通信目前在欧洲正在开发第三代移动通信系统(3G)，其目的是要综合第二代系统的所有不同业务并覆盖更广的业务(话音、数据、视频和多媒体)范围，而且还要与固定电信网络的技术发展保持一致和兼容。理想的移动电话系统将在有限的给定频段上工作，但却可以向任意多的地区中几乎是任意多的用户提供服务。实现这一理想系统的方法主要有以下3种:单边带(SSB)，可将给定频段分为最大可能数目的信道蜂窝式，可将给定的频段在不同的地理位置上重复使用。扩展频谱与跳频，能在频带上产生许多代码。下一页返回上一页第四课移动通信几种常见的移动电话系统介绍下面我们介绍几种常见的电话系统。蜂窝式移动电话系统一个基本的蜂窝系统由移动站、基站和一个移动交换中心(MSC)组成。一个移动站包括无线电收发机、大线和控制电路，它可以安装在交通工具或可移动手持设备里。基站包括许多发射机和接收机，能同时进行全双工通信，通常还有支持收/发无线电的大线塔。基站在所有的移动通信用户间建立了一座桥梁，并通过电话线或微波连到MSC，把同步移动电话连接起来。下一页返回上一页第四课移动通信MSC负责统一所有基站的操作及整个蜂窝系统到PSTN的连接。一个典型的MSC一次可以处理100000个蜂窝通信用户，同时进行5000个通话，并完成所有计费和系统维护功能。在大城市中，一个独立的载波可以接受若干个MSC的服务。全球移动通信系统(GSM)世界范围移动通信系统的成功标志着通信更加个人化，更加方便。GSM系统基于蜂窝通信系统原则。但GSM网络使用数字无线传输和先进的无线越区算法，可以得到比模拟蜂窝系统好得多的频率利用，因而增加了能够服务的用户数。由于GSM可提供共同的服务标准，蜂窝用户可以在整个GSM服务区使用电话。下一页返回上一页第四课移动通信除了国际漫游外，GSM还可以提供新型服务，如高速数据通信、传真和短消息业务。GSM技术范围可与其他通信标准保持一致，如综合业务数字网(ISDN)。这样可以保证标准的互通。展望未来，利用数字技术的蜂窝系统将成为通信的通用方式。GSM系统以突发脉冲序列传输方式工作。在900MHz频段有124个无线通信，这些突发脉冲序列可以传输不同的信息。第一类信息是语音，编码速率为6.5kb/s或13kb/s。第二类信息是数据，可以3.6kb/s,6kb/s或12.6kb/s的速率传输。这两类信息是传输信息的有用部分，但是传输还必须得到额外管理信息的支持，管理信息通过控制信道传输。码分多址(CDMA)下一页返回上一页第四课移动通信CDMA和AMPS,D-AMPS及GSM完全不同。CDMA没有将可用频带分割为几百个窄带信道，而是一直允许信号在整个频谱范围内传送。使用编码理论可以将多个同时传送的信息分割开来。CDMA也不会使相遇的数据帧造成数据间的混淆;相反，CDMA假定多路信号之间是线性相加的。CDMA的关键在于能够提取出希望得到的信号，而把其他信号当做随机噪声加以抑制。这里我们不具体谈CDMA的许多其他的复杂的因素。总之CDMA是一种非常精巧的设计，它正迅速地应用于无线移动通信中。它的工作带宽为1.25MHz(D-AMPS是30kHz而GSM是200kHz)，但它在这样一个带宽范围内比其他系统支持多得多的用户。实际上，CDMA的用户可用带宽至少和GSM一样出色，且往往比GSM还要好得多。返回上一页图4-1通信系统组成返回图4-3发射机返回图4-4接收机返回图4-5基本的光纤通信系统结构返回第五单元新技术第一课新纳米涂层提高太阳能效率第二课电子纸第三课什么是“蓝牙”技术?第四课3G第一课新纳米涂层提高太阳能效率研究者开发了一种新的抗反射涂层，用来提高太阳能面板的效率，使它几乎能吸收来自任何一个角度的太阳光。Rensselaer科技学院的研究者说，他们在太阳光吸收方面取得了进展。位于纽约的Rensselaer科技学院FCC研究组的科学家开发出了这种利用纳米技术生产的涂层材料。(纳米技术是一种基于分子级别的工程装置。)在未来几年里，他们有望改变太阳能市场。典型的未经处理的硅太阳能电池吸收2/3的太阳光。但是，FCC的经纳米技术处理过的涂层可以将这一数据提高到96.21%。下一页返回第一课新纳米涂层提高太阳能效率在发表于科学杂志《光学快报》上的题为“为硅太阳能应用提供几近完美的抗反射涂层问世”的论文报告中，研究者指出，吸收的阳光中包含了光谱中的全部光—紫外线、可见光和红外线。Rensselaer科技学院的物理学教授林尚佑是FCC研究组的负责人，他说:“当太阳能转换成电能时，要获得最大的效率，就需要有块能吸收几乎所有光子的面板，不管太阳在大空中什么位置。我们新的抗反射涂层使之成为可能。”涂层由7个微小的层面组成，每个层面的高度在50~100纳米之间。涂层材料是由具有倾斜角度的二氧化硅和二氧化钛的纳米棒组成。下一页返回上一页第一课新纳米涂层提高太阳能效率FCC小组发现，在一个涂层上面再垒上一层有助于提高每层的抗反射性。有一个系列的层面也会有助于将光线“折弯”，而这使得原本被反射掉的光线被捕获。林教授是纳米结构光子学的专家和光子晶体领域的先锋人物，他说这一新的涂层材料可以运用于几乎所有的光伏材料上。迄今为止的传统太阳能技术认定，太阳能面板应该被安装在朝南的屋顶，或者是太阳光没有限制且光线强的地方。但是，这一新的涂层可以改变这一切。这也意味着，大型的太阳能发电场，如位于葡萄牙阿连特如的陈列(太阳能面板)，将大规模提高发电量，同时降低追踪太阳所耗费的能量。下一页返回上一页第一课新纳米涂层提高太阳能效率林教授告诉CNN说:“抗反射层要求涂布多层，这比典型的单层要复杂些不过，每一层的厚度不需要很精确，这使得加工比较简单。”林教授现在在寻找合作者和经营许可。他估计，最快两三年，产品就能面世。林教授说:“现有太阳能电池的经济性很大程度上取决于感光层的厚度(500~1000微米)和接缝处的处理成本。我们的涂层只有0.7~1.