《电子与电子元件》课件

电子与电子元件课程介绍课程目标帮助学生掌握电子与电子元件的基础知识，了解其工作原理和应用。学习内容包括电子工程概述、电学基础知识、电路基本组成、常用电子元件的工作原理、数字逻辑电路基础、单片机基础等。课程考核主要通过课堂讨论、实验操作和期末考试等方式进行考核。电子工程概述微电子技术微电子技术是电子工程的重要分支，涉及集成电路的设计、制造和应用。它推动了计算机、移动设备和其他电子产品的快速发展。通信与网络电子工程在通信系统和网络技术中发挥着关键作用，包括无线通信、光纤通信、互联网和卫星通信。自动化与控制电子工程在自动化系统和控制系统中扮演着重要角色，包括机器人技术、工业自动化、过程控制和智能家居系统。电子学的基本概念电流电流是指电荷在导体中定向移动的现象，是电子学的基本概念之一。它的大小用安培（A）表示，表示单位时间内通过导体横截面的电荷量。电压电压是指单位电荷在电场中移动时所做的功，用伏特（V）表示。电压是推动电流在电路中流动的动力。电阻电阻是指导体对电流的阻碍作用，用欧姆（Ω）表示。电阻的大小与导体的材料、长度、截面积和温度有关。功率功率是指单位时间内电流所做的功，用瓦特（W）表示。功率的大小与电流和电压的乘积有关。电学基础知识基本概念电流、电压、电阻是电学中的三个基本概念，它们之间相互关联。电流是指电荷的流动，电压是指电位差，电阻是指阻碍电流流动的能力。它们可以用欧姆定律来描述：电压等于电流乘以电阻。基本单位电流的单位是安培(A)，电压的单位是伏特(V)，电阻的单位是欧姆(Ω)。这些单位是国际单位制(SI)的标准单位，在电学研究和应用中被广泛使用。常用元件常见的电学元件包括电阻、电容、电感、二极管、三极管等。这些元件具有不同的特性，在电路中扮演着不同的角色，共同构成了各种电子电路。电路的基本组成1电源提供电路工作的能量来源。2负载消耗能量，完成特定的工作。3导线连接电路的各个元件。一个完整的电路通常由电源、负载和导线组成。电源是能量的提供者，负载是能量的消耗者，导线则连接着电源和负载，使电流能够顺利地流过电路，从而完成特定的工作。电阻的作用和分类1电阻的作用电阻是电路中不可或缺的一部分，其主要作用是限制电流的流动。它通过阻碍电子的移动来控制电流的大小，从而保护电路免受过载和短路损坏。2电阻的分类电阻可以根据材料、结构和用途进行分类。常见的分类有固定电阻、可变电阻、精密电阻、功率电阻等。3电阻的应用电阻广泛应用于各种电子电路中，例如电源电路、信号处理电路、计时电路、传感器电路等。它可以实现电流控制、电压分压、信号衰减、热敏控制等功能。电容器的工作原理电容器是一种能够储存电荷的电子元件，其基本原理是利用两个相互靠近但绝缘的导体，形成一个电场，当在电容器的两端施加电压时，电荷会分别积累在两个导体上，形成电场，从而储存电能。电容器的电容值由其结构决定，包括两个导体的面积、距离以及介质的介电常数。电容越大，储存的电荷越多，电容器能够储存的电能也越大。电容器在电路中具有多种应用，例如：滤波：电容器可以滤除交流信号中的直流成分，用于滤波电路。储能：电容器可以储存电能，用于电源电路的能量存储。耦合：电容器可以将信号从一个电路耦合到另一个电路，用于信号传输电路。电感器的特性电感器是一种储能元件，能够将能量以磁场的形式存储起来。电感器的特性主要包括电感值、Q值和电流容量等。电感值是电感器最重要的特性之一，它表示电感器储存能量的能力，单位为亨利(H)。电感值的大小与线圈的匝数、线圈的形状和尺寸以及线圈芯的磁导率有关。Q值是电感器的品质因数，表示电感器在储存能量时能量损耗的大小，Q值越高，能量损耗越小。电流容量是指电感器能够承受的最大电流值，电流容量过小会导致电感器过热或烧毁。电感器在电路中主要用于滤波、谐振、能量储存等方面。例如，在电源电路中，电感器可以滤除直流电源中的交流噪声；在无线电电路中，电感器可以与电容器组成谐振电路，用于选择特定频率的信号。二极管的结构和工作二极管是一种具有单向导电特性的半导体器件，由P型半导体和N型半导体组成。P型半导体中含有大量的空穴，而N型半导体中含有大量的自由电子。当P型半导体和N型半导体接触时，由于空穴和电子的相互扩散，在PN结附近形成一个空间电荷区，称为耗尽层。当在二极管两端加上正向电压时，PN结的势垒降低，空穴和电子可以穿过耗尽层，形成电流，二极管导通。当加上反向电压时，PN结的势垒升高，空穴和电子无法穿过耗尽层，电流几乎为零，二极管截止。正半波整流电路1原理正半波整流电路利用二极管的单向导电性，将交流电的正半周波形进行整流，使其变成脉动的直流电。当输入电压为正时，二极管导通，电流流过负载，产生输出电压。当输入电压为负时，二极管截止，电流无法流过负载，输出电压为零。2应用正半波整流电路主要应用于简单的直流电源电路中，例如为小型电子设备提供直流电源。它结构简单，成本低廉，但效率较低，输出电压波动较大。3特点正半波整流电路的优点是电路结构简单，成本低廉。但缺点是输出电压波动较大，效率较低，无法完全消除交流成分。因此，在实际应用中，通常使用全波整流电路或其他更复杂的整流电路来提高直流电源的质量。负半波整流电路1工作原理仅允许输入信号的负半周通过，正半周被阻断2电路组成二极管、负载电阻3特点效率低、输出波形不平滑负半波整流电路是一种简单的整流电路，它利用二极管的单向导电性，只允许输入信号的负半周通过，而将正半周阻断。该电路结构简单，但效率较低，输出波形不平滑，通常用于对信号进行简单的整流处理。全波整流电路工作原理全波整流电路使用两个二极管，分别连接在正弦波的正负半周，将正负半周的电流都导向负载，从而实现全波整流。这种电路可以将交流电转换为直流电，并且输出的直流电压更高，更稳定。优点全波整流电路的主要优点是效率高，输出直流电压较高，并且可以有效地减少输出电流中的波动。应用全波整流电路广泛应用于各种电子设备中，例如电源供应器、电池充电器、音频放大器等。稳压二极管的应用电源稳压稳压二极管可用于电源电路中，以稳定输出电压。它们可以使电路不受输入电压波动或负载变化的影响，确保稳定的工作条件。参考电压稳压二极管可以作为参考电压源，为各种电路提供稳定的电压参考。它们在精密测量、控制和信号处理等应用中非常有用。过压保护稳压二极管能够防止电路过压，它们可以吸收过量的电压，从而保护敏感的电子元件免受损坏。光敏二极管的工作原理光敏二极管光敏二极管是一种特殊的二极管，它可以将光能转换为电能。其结构类似于普通二极管，但其PN结的材料具有特殊的敏感性，能够吸收光子并释放电子-空穴对，从而产生电流。光照强度影响光敏二极管的电流大小取决于照射到其PN结上的光照强度。光照越强，产生的电子-空穴对越多，电流就越大。这种特性使得光敏二极管可以用来检测光照强度。应用场景光敏二极管被广泛应用于各种领域，包括光电传感器、光学测量、光通讯等。例如，光敏二极管可用于自动门控系统、光度计、光电鼠标等。三极管的结构和工作三极管是电子电路中最重要的半导体器件之一，它是一种具有三个电极的半导体器件，通常由硅或锗材料制成。三极管的三个电极分别是发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。三极管的工作原理基于电流放大作用。发射极是三极管的主要电流源，它向基极注入少量的电流。基极电流会控制从发射极流向集电极的电流，放大倍数由三极管的类型和特性决定。三极管可用于各种应用，例如放大信号、开关电路和逻辑电路。放大电路的基本原理信号放大放大电路的核心功能是将微弱的输入信号转换为强劲的输出信号，从而实现信号的增强和传递。放大倍数放大倍数是指输出信号幅度与输入信号幅度之比，它决定了放大电路的放大能力。频率响应放大电路对不同频率信号的放大能力不同，频率响应反映了放大电路对不同频率信号的放大特性。共基极放大电路1输入阻抗低由于输入端接的是发射极，而发射极电阻很小，因此输入阻抗低。2输出阻抗高输出端接的是集电极，而集电极电阻很大，因此输出阻抗高。3电流放大倍数略小于1由于共基极电路中电流放大倍数接近1，因此不适合用于放大电流信号。共基极放大电路是一种常见的放大电路，它以发射极作为输入端，集电极作为输出端，基极作为公共端。这种电路的特点是输入阻抗低、输出阻抗高、电流放大倍数略小于1，适用于阻抗匹配和电压放大。共集电极放大电路1特点电压跟随器2优点高输入阻抗，低输出阻抗3应用信号缓冲，阻抗匹配共集电极放大电路，又称为射极跟随器，是一种重要的放大电路类型。其特点是输出电压跟随输入电压的变化，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。它常被用作信号缓冲器，用于将高阻抗信号源连接到低阻抗负载，以及阻抗匹配等应用场景。共射极放大电路结构特点共射极放大电路是三种基本放大电路之一，其特点是信号输入端连接在基极，输出端连接在集电极，发射极接地。放大原理当输入信号加在基极时，会引起基极电流的变化，进而影响集电极电流。由于集电极电流的变化幅度远大于基极电流的变化幅度，因此实现了电流放大。应用领域共射极放大电路在各种电子设备中广泛应用，如音频放大器、视频放大器、信号处理电路等。优缺点优点：放大倍数高，输入阻抗低，输出阻抗高。缺点：存在电流放大倍数随频率变化的现象，需要使用适当的补偿措施。运算放大器的工作原理基本原理运算放大器(OperationalAmplifier，简称运放)是一种高增益、低输出阻抗、高输入阻抗的模拟集成电路。它是一种非常灵活的器件，可以用于各种模拟电路应用，如放大信号、滤波、比较和生成特殊波形等。核心功能运放的核心功能是将输入信号放大至一个非常大的倍数。理想情况下，运放的增益是无限大的，但实际上，运放的增益是有限的，但仍然非常高(通常在100,000到1,000,000之间)。工作特点运放通常有两个输入端：同相输入端(+)和反相输入端(-)。当同相输入端电压高于反相输入端电压时，运放的输出电压为正值，反之则为负值。运放的输出电压会随着输入电压差而变化，但受限于运放的电源电压范围。反相运算放大器1基本原理反相运算放大器是一种利用运算放大器实现信号反转的电路。其输入信号接在运算放大器的反相输入端，输出信号则从运算放大器的输出端输出。2电路组成反相运算放大器通常由一个运算放大器、一个反馈电阻和一个输入电阻组成。输入信号通过输入电阻接入运算放大器的反相输入端，输出信号通过反馈电阻反馈到运算放大器的反相输入端。3信号反转反相运算放大器的输出信号与输入信号相位相反，即输入信号为正，输出信号为负；输入信号为负，输出信号为正。这种信号反转特性可以用来实现信号的极性转换。4应用场景反相运算放大器在电子电路中应用广泛，例如信号放大、信号滤波、信号调制解调等。它也是构建其他更复杂电路的基础单元。非反相运算放大器1高增益放大输入信号2正反馈增强输出信号3高输入阻抗最小化输入电流4低输出阻抗驱动负载非反相运算放大器是一种常见的运算放大器电路，其特点是输出信号与输入信号同相。它通常用于电压跟随器、放大器和缓冲器等应用。差动放大电路1结构差动放大电路由两个相同的放大电路组成，每个电路都包含一个三极管或场效应管作为放大元件，两个电路的输入端分别接收到不同的信号，输出端则分别输出两个放大后的信号。2工作原理当两个输入信号相等时，两个放大电路的输出信号也相等，此时差动放大电路的输出为零。当两个输入信号不同时，两个放大电路的输出信号也不同，此时差动放大电路的输出为两个信号之差的放大。3特点抗共模干扰能力强增益高线性度好输出阻抗低集成电路的结构和特性集成电路，简称IC，是指将多个电子元件，如晶体管、电阻、电容等，集成在一个半导体芯片上，形成一个微型的电子系统。集成电路的结构主要包括以下几个部分：芯片：集成电路的核心，由半导体材料制成，包含所有电子元件。封装：将芯片保护起来，并提供连接外部电路的引脚。引脚：连接外部电路的接口，用于输入信号、输出信号、供电等。集成电路具有以下特性：体积小巧：与传统的电子元件相比，集成电路的体积非常小，可以实现更紧凑的电子系统设计。可靠性高：集成电路内部的连接方式非常稳定，不容易受外界环境的影响。性能优越：集成电路可以实现更复杂的电路功能，并具有更高的工作效率。成本低廉：由于集成电路的生产效率高，其成本也相对较低。单片机的基本结构单片机是一种将中央处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)和输入输出(I/O)接口集成在一个芯片上的微型计算机。它具有体积小、功耗低、成本低等特点，广泛应用于各种嵌入式系统中。典型的单片机结构包括以下几个部分：中央处理器(CPU):负责执行程序指令，控制整个单片机系统的运作。存储器(ROM、RAM):ROM用于存储程序和数据，而RAM用于存放运行时的数据和临时变量。输入输出(I/O)接口:用于连接外部设备，如传感器、执行器、显示器等。定时器/计数器:用于实现定时和计数功能。中断系统:用于响应外部事件，如按键按下、传感器触发等。串行通信接口:用于与其他设备进行通信，如发送和接收数据。A/D和D/A转换器:用于将模拟信号转换成数字信号或反之。单片机的输入输出接口1I/O端口单片机通常包含多个I/O端口，每个端口由多个引脚组成。这些引脚可用于连接外部设备，如传感器、显示器、电机等。2输入端口输入端口用于接收外部信号，例如开关状态、传感器数据等。当外部信号发生变化时，单片机能够读取并处理这些信息。3输出端口输出端口用于向外部设备发送信号，例如控制灯的亮灭、驱动电机等。单片机可以根据程序逻辑，向输出端口发送不同的信号，实现对外部设备的控制。单片机的存储器接口程序存储器单片机程序存储器用于存储程序代码，通常采用ROM、EPROM或FLASH等。这些存储器具有非易失性，即即使断电后，程序也能被保存。数据存储器单片机数据存储器用于存储程序运行过程中产生的数据，通常采用RAM。RAM具有易失性，即断电后，数据将丢失。外部存储器一些单片机提供外部存储器接口，用于连接更大的存储器芯片，例如外部RAM或EEPROM，以扩展数据存储空间。单片机的定时器/计数器定时器单片机内部的定时器模块，可以产生精确的延时，用于控制定时任务，如定时中断、定时控制等。计数器可以记录外部事件发生的次数，用于测量时间间隔、计数脉冲等。应用定时器/计数器在单片机应用中广泛使用，例如：定时器用于控制LED闪烁、电机转速等。计数器用于测量外部信号的频率、计数外部事件的发生次数等。单片机的中断系统中断源外部中断、定时器中断、串行口中断、键盘中断、ADC转换完成中断等中断优先级可以设置不同中断的优先级，以便在多个中断同时发生时，优先处理高优先级的中断。中断处理程序当中断发生时，单片机将自动跳转到相应的中断处理程序，执行预先编写的代码。单片机的串行通信接口串行通信的特点单片机串行通信使用一条数据线传输数据，适合远距离数据传输，并能节省IO口资源。串行通信的类型同步串行通信异步串行通信串行通信的应用与PC机通信与其他单片机通信与外围设备通信单片机的A/D和D/A转换模数转换(A/D)将模拟信号转换成数字信号，例如将温度传感器读数转换为数字值。数模转换(D/A)将数字信号转换成模拟信号，例如将数字控制信号转换为控制电机转速的模拟电压。微控制器的应用案例微控制器在现代生活中无处不在，从家用电器到工业自动化，都离不开它的身影。以下是一些常见的应用案例：家电控制：洗衣机、冰箱、空调等家电的控制系统，通常使用微控制器来实现自动运行、节能和故障检测等功能。工业自动化：工业生产线上的机器人、自动化设备和控制系统，都广泛应用微控制器来实现精确控制、数据采集和远程监控等功能。汽车电子：汽车的发动机控制系统、安全气囊系统、车身电子系统等，都依赖于微控制器来实现高效和安全的操作。医疗设备：医疗设备如心率监测仪、血糖仪、呼吸机等，使用微控制器来实现数据采集、信号处理和控制功能。消费电子产品：智能手机、平板电脑、智能手表等消费电子产品，都使用微控制器来实现各种功能，如通信、多媒体播放、传感器控制等。数字逻辑电路基础数字逻辑电路是使用逻辑门来实现逻辑运算的电路，是现代电子系统中不可或缺的一部分。数字逻辑电路使用二进制数表示数据，每个逻辑门都执行特定的逻辑操作，例如“与”、“或”、“非”。数字逻辑电路广泛应用于计算机、通信、控制系统、消费电子产品等领域。组合逻辑电路设计1真值表描述电路功能2逻辑表达式用逻辑符号表示电路3逻辑门实现用逻辑门构建电路组合逻辑电路设计涉及以下步骤：首先根据电路的功能建立真值表，然后根据真值表写出逻辑表达式，最后用逻辑门实现电路。真值表以表格形式描述电路的功能，逻辑表达式用逻辑符号表示电路，逻辑门实现则用逻辑门构建电路。时序逻辑电路设计时序电路的特点时序逻辑电路除了有组合逻辑电路的特性外，还具有记忆功能。这意味着它们可以存储信息，并根据当前状态和输入信号的变化来改变其输出。例如，计数器，寄存器，移位寄存器等。时序电路的构成通常由组合逻辑电路和存储器组成，存储器用于保存状态信息，组合逻辑电路用于根据当前状态和输入信号产生输出。时序电路的设计方法通常采用状态机模型，用状态图和状态表描述电路的行为，然后根据状态图或状态表设计出电路。时序电路的应用时序逻辑电路在数字系统中有着广泛的应用，例如计算机系统中的CPU，内存控制器，外设接口等。可编程逻辑器件定义可编程逻辑器件(PLD)是一种可重新配置的集成电路，允许用户自定义逻辑功能。它们提供了一种灵活的方式来实现数字电路，而不必使用传统的固定逻辑门。优势PLD具有许多优点，包括：灵活性：可重新配置以实现不同的逻辑功能速度：比传统的逻辑门更快成本效益：降低了设计和制造成本可靠性：由于使用集成电路，可靠性更高类型PLD的主要类型包括：可编程逻辑阵列(PLA)可编程逻辑阵列(PAL)复杂可编程逻辑器件(CPLD)现场可编程门阵列(FPGA)现场可编程门阵列FPGA芯片现场可编程门阵列(FPGA)是一种可以根据用户需求进行编程的集成电路，由可配置逻辑块(CLB)、输入输出块(IOB)和连接线组成。CLB可以实现各种逻辑功能，而IOB则用于与外部电路连接。设计流程FPGA的设计流程一般包括以下步骤：系统设计：确定系统功能和架构逻辑设计：使用硬件描述语言(HDL)进行逻辑设计综合：将HDL代码转换为门级网表布局布线：将门级网表映射到FPGA器件的特定结构配置：将配置信息加载到FPGA器件，实现设计的功能应用场景FPGA广泛应用于各种领域，例如：数字信号处理(DSP)图像和视频处理通信系统工业控制人工智能复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(CPLD)是一种更强大的可编程逻辑器件，它比FPGA具有更低的成本和更快的速度，但灵活性也更低。CPLD通常包含多个可编程逻辑块(CLB)和可编程互连矩阵(ICM)，它们可以用于实现各种数字逻辑功能。CPLD的设计和编程通常比FPGA更简单，并且它们的编程工具也更成熟。因此，CPLD在各种应用中广泛使用，包括工业控制、通信系统和消费电子产品。逻辑器件的应用案例工业自动化逻辑器件在工业自动化中广泛应用，例如控制生产线、机器运行、检测和安全系统。例如，可编程逻辑控制器(PLC)使用逻辑门来实现复杂的操作序列，提高生产效率和安全性。通信系统逻辑器件在通信系统中用于数据传输、信号处理和网络控制。例如，逻辑门用于实现数据编码和解码，路由器和交换机使用逻辑电路