電路與電子技術-第1章--電路基本概念演示文檔

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.,一、課程主要內容,模擬電子技術-微變等效電路,數字電子技術-分析和設計,電路分析-歐姆定律和基爾霍夫定律 直流電路 電路和電路模型 電路定律 等效變換 電阻電路的一般分析 瞬態(tài)電路 一階動態(tài)電路方程建立 零輸入響應 零狀態(tài)響應 全響應 交流電路 正弦穩(wěn)態(tài)電路分析 相量圖 功率分析 三相電路,邏輯代數 組合邏輯電路 時序邏輯電路,半導體二極管及其基本電路 半導體三極管及其放大電路基礎 放大電路基礎 集成運算放大器 負反饋電路 信號的運算與處理電路,.,二、課程結構和任務,前序課程 高等數學，大學物理 后續(xù)課程 計算機組成原理，微機原理等 課程任務 理論學習 實驗學習,.,四、實驗內容,2、戴維南，諾頓定理驗證,1、基爾霍夫定律驗證,5、集成運算放大器的應用,4、單級放大電路,3、儀器儀表的使用,6、組合邏輯電路（半/全加器）),7、譯碼器和數據選擇器,8、觸發(fā)器,9、計數器與寄存器,10、Multisim數字電路仿真 （計數器）,.,第一篇 電路分析,第1章 電路的基本概念,1.1 電路和電路模型,1.2 電路的基本物理量,1.3 常用元件介紹,1.4 電源,.,本章內容提要,重點： （1）電路模型的概念及科學建模； （2）電壓、電流的參考方向； （3）電位的概念；,難點： （1）關聯參考方向的判斷； （2）電路模型的建立；,.,地位：電路理論是關于電器件的模型建立、電路分析、電路綜合及設計等方面的理論，電路理論是物理學、數學和工程技術等多方面成果的融合。是高等學校本科非電類專業(yè)的一門技術基礎課程。 作用：目前，電工電子技術應用十分廣泛，發(fā)展非常迅速，并且日益滲透到其他學科領域，促進其發(fā)展，在我國社會主義現代化建設中占有重要的地位。 任務：學生通過本課程的學習，獲得電工電子技術必要的基本理論、基本知識和基本技能，并會用電工電子技術的“三基”和模塊的集成技術解決本專業(yè)的實際問題，了解電工電子技術的最新發(fā)展概況，為今后的再學習以及從事與本專業(yè)有關的工程技術工作打下一定的基礎。,1.1 電路理論基礎,1.1.1本課程的地位、作用和任務,.,1.1.2 電路和電路模型,1、電路,1）電路的分類,① 集總參數電路和分布參數電路：將實際電路的幾何尺寸d與其中的工信號波長λ比較，滿足d＜＜λ的稱為集總參數電路，不滿足d＜＜λ的稱為分布參數電路,② 線性電路和非線性電路：若描述電路特征的所有方程都是線性代數方程或線性微積分方程，則稱為線性電路，否則就是非線性電路。,③ 時不變電路和時變電路：時不變電路中元件參數不隨時間變化，描述其電路的方程是常系數的代數方程或常系數的微積分方程，而時變電路是由變系數的代數方程或微積分方程描述的電路。,.,1）實現電能的傳輸和轉換；,2）實現電信號的傳輸、處理和存儲。,例如電視接收天線將接收到的含有聲音和圖像信息的高頻電視信號，通過高頻傳輸線送到電視機中，這些信號經過選擇、變頻、放大和檢波等處理，恢復出原來的聲音和圖像信號，在揚聲器發(fā)出聲音并在顯像管屏幕上呈現圖像,例如電力網絡將電能從發(fā)電廠輸送到各個工廠、廣大農村和千家萬戶，供各種電氣設備使用,2）電路的功能,.,電源：,負載：,中間環(huán)節(jié)：,產生電能的設備統(tǒng)稱為電源,用電設備統(tǒng)稱為負載,電源又稱為激勵源簡稱激勵,由激勵而在電路中產生的電壓和電流稱為響應,用以連接電源和負載的部分稱為中間環(huán)節(jié)。如開關，導線等,3） 電路的定義,所有的實際電路是由電氣設備和元器件按照一定的方式連接起來，為電流的流通提供路徑的總體，也稱網絡。,.,將實際電路器件理想化（或稱模型化），即在一定條件下，突出其主要的電磁性質，忽略其次要因素，將其近似地看做理想電路元件，并用規(guī)定的圖形符號表示。電阻、電感、電容又稱無源元件。常見電路元件和符號如表1.1所列。,,圖1.1手電筒電路,1.1.2 電路和電路模型,.,今后如未加特殊說明，所說的電路均指電路模型。,.,以上用理想電路元件或它們的組合模擬實際器件的過程稱為建模。建模時必須考慮工作條件，并按不同精確度的要求把給定工作情況下的主要物理現象及功能反映出來。需要注意的是，在不同的條件下，同一實際器件可能采用不同模型。例如圖1-2（a）所示的線圈，在低頻交流工作條件下，用一個電阻和電感的串聯結構進行模擬，如圖（b）所示；在高頻交流工作條件下，則要再并聯一個電容來模擬，如圖（c）所示。,建模,.,1.1.3 計算機輔助分析,對電路進行計算機輔助分析的軟件很多，如OrCAD,Multisim,Electuonic,PSpice,Matlab等，用相應的軟件對電路方程進行建模、求解；對線性和非線性交、直流電路的頻域和時域的分析進行虛擬仿真及計算，實現其最優(yōu)化設計。是目前大規(guī)模集成電路的一些新的分析方法。,.,其中：i 表示電流強度，單位是安[培]，用A表示，在計量微小電流時，通常用毫安（mA）或微安（μA）作電位；,1.2.1 電流 電荷的定向運動形成電流。電流的實際方向習慣上指正電荷運動的方向。電流的大小用電流強度來衡量，電流強度指單位時間內通過導體橫截面積的電荷量，電流強度簡稱電流，其數學表達式為,按照電流的大小和方向是否隨時間變化，分為恒定電流（簡稱直流DC）和時變電流，分別用符號I和i表示。。,dq為微小電荷量，單位是庫[侖]，用C表示；,dt為微小的時間間隔，單位是秒，用s表示。,我們平時所說的交流（AC）是時變電流的特例，它滿足兩個特點，一是周期性變化，二是一個周期內電流的平均值等于零。,在電路理論中，電路的基本物理量有4個：電流、電壓、電荷和磁通，其中最常用的是電流和電壓。電路的基本復合物理量為電功率和電能。電路分析的基本任務是計算電路中的電流、電壓和功率。,1.2 電路的基本物理量,(1.1),.,規(guī)定對其他物理量一般也用大寫字母代表恒定量，用小寫字母代表變化的量,參考方向的選擇具有任意性（任意假設的方向）。在電路中通常用實線箭頭或雙字母下標表示，實線 箭頭可以畫在線外，也可以畫在線上。為了區(qū)別，電流的實際方向通常用虛線箭頭表示，如圖1.4所示。,規(guī)定：若電流的實際方向與所選的參考方向一致（關聯方向），則電流為正值，即i＞0；若電流的實際方向與所選的參考方向相反 （非關聯方向） ，則電流為負值，即i＜0。如圖1.4所示。這樣以來，電流就成為一個具有正負的代數量。,在分析電路時往往不能事先確定電流的實際方向，而且時變電流的實際方向又隨時間不斷變化。因此在電路中很難標明電流的實際方向。為此，我們引入電流的“參考方向”這一概念。,.,1、定義：在數值上，電路中任意a、b兩點之間的電壓等于電場力把單位正電荷由a點移到b點所作的功。,,(1.3),定義：電路中任選一點作為參考點，則其他各點與參考點的電壓叫做該點的電位，用符號V表示。,2、表示：直流電壓用大寫字母U表示，交流電壓用小寫字母u表示，單位為伏[特]，用V表示。為了便于計量，還可以用毫伏（mV）、微伏（μV）和千伏（kV）等作為單位。,1.2.2 電壓,3、表達式,式中dW是電場力所作的功，單位是焦耳（J）。,4、電位,例如，電路中a、b兩點的電位分別表示為Va和Vb ，并且a、b兩點間的電壓與該兩點電位有以下關系： Uab = Va - Vb （1.4）,注意：兩點間電壓就是該兩點的電位之差。電位與電壓既有聯系又有區(qū)別。其主要區(qū)別在于：電路中任意兩點間的電壓，其數值是絕對的，與該兩點間的路徑無關；而電路中某一點的電位是相對的，其值取決于參考點的選擇。,今后如未說明，通常選接地點作參考點，并且參考點的電位為零。,.,電壓的參考方向（也稱參考極性）的選擇同樣具有任意性，在電路中可以用“+”、“-”號表示，也可用雙字母下標或實線箭頭表示。如圖1.5所示。電壓正負值的規(guī)定與電流一樣。,注意：在求電壓、電流時，必須事先規(guī)定好參考方向，否則求出的值無意義。,5、方向,.,通常，對于一個元件或在一段電路中，電流參考方向和電壓參考方向都是可以任意選定的，彼此獨立無關。但為了分析方便，習慣上將某一元件或某段電路的電壓和電流的參考方向選得一致，即選定電流從標以電壓“+”極性端流入而從標以“-”極性端流出，這樣選定的電壓和電流的參考方向稱為關聯參考方向，簡稱關聯方向，如圖1.6（a）和（b）所示。否則，稱非關聯方向，如圖1.6（c）和（d）所示。,6、關聯參考方向,注意：對關聯歐姆定律表達式寫成I=U/R；對非關聯歐姆定律表達式寫成I=-U/R（兩套正負號：一是公式本身的，二是U.I的正負）,.,電能對時間的變化率即為電功率，簡稱功率。用p或P表示。功率的表達式為：,(1.5),應用（1.5）式計算元件功率時，首先需要判斷u、i的參考方向是否為關聯方向。,關聯方向： p = u i；,非關聯方向：p = -u i；,p＞0時，元件實際吸收或消耗功率（負載） P <0時，元件實際發(fā)出或者釋放功率（電源）,1.2.3 功率與能量,注意：功率的分析與計算要和電壓、電流參考方向配合使用，關聯方向與非關聯方向兩種情況下，公式前相差一個負號。,在SI制中，電壓單位為伏（V），電流單位為安（A），則功率單位為瓦特，簡稱瓦，用符號W表示，1 kW = 103 W。,1、電功率,p＞0時，元件實際吸收或消耗功率（負載） P <0時，元件實際發(fā)出或者釋放功率（電源）,.,例1.1 在圖所示電路中，已知U1 = 1 V，U2 = -6 V，U3 = -4 V，U4 = 5 V，U5 = -10 V，I1 = 1 A，I2 = -3 A，I3 = 4 A，I4 = -1 A，I5 = -3 A。試求各元件的功率，并判斷實際吸收還是發(fā)出功率。,解： 根據題目所給已知條件可得 P1 = U1 I1 = 1×1 = 1 W （吸收功率1 W，負載） P2 = U2 I2 = （-6）×（-3） = 18 W （吸收功率18 W，負載） P3 = -U3 I3 = -（-4）×4 = 16 W （吸收功率16W，負載） P4 = U4 I4 = 5×（-1） = -5 W （發(fā)出功率5 W，電源） P5 = -U5 I5 = -（-10）×（-3） = -30 W （發(fā)出功率30W，電源）,結論：電路中各元件發(fā)出的功率 總和等于吸收功率總和，這就是 電路的“功率平衡”。 功率平衡是能量守恒定律在電路 中的體現。,P1+ P2 + P3= P4 + P5=35W,.,2、能量,能量是功率對時間的積累。其表達式可寫成W = P·t。電能的單位是焦[耳]（J），定義為：功率為1 W的設備在1 s時間內轉換的電能。 工程上常采用千瓦小時（kW·h）作為電能的單位，俗稱1度電，定義為：功率為1 kW的設備在1 h內所轉換的電能。,,,,.,1）定義：導體對電子運動呈現的阻力稱為電阻。對電流呈現阻力的元件稱為電阻器，如下圖（a）和（b）電路中的燈泡，在電路中可用下列所示的模型—電阻元件來代替，字母符號為R。,1.3 常用元件介紹,1.3.1 電阻元件,1 電阻元件的電壓、電流關系及功率,電阻元件分：線性電阻和非線性電阻,.,電阻單位： 歐姆 、Ω,定義： 電導G=1/R G單位： 西門子、S,歐姆定律：,u、i 關聯參考方向 u=Ri,u、i 非關聯參考方向 u=－Ri,總之：歐姆定律揭示了線性電阻電壓與電流的約束關系。,2） 電阻元件的符號及電壓、電流關系,電阻元件電壓與電流之間的關系稱為伏安關系，或稱伏安特性（VAR)。根據歐姆定律，在坐標上電阻元件的伏安特性是過原點的一條直線。見右圖。,.,有的電阻元件不遵循歐姆定律，電壓與電流的比值不是常數。伏安關系也就不是過原點的一條直線。這樣的電阻稱為非線形電阻。,伏安關系是過原點的一條直線的電阻元件稱為線性電阻；伏安關系不是過原點的一條直線的電阻稱為非線性電阻。下圖為非線性電阻的符號和一個非線性電阻元件的伏安特性曲線。,.,（a）金屬膜電阻器 （b）碳膜電阻器 （c）線繞電阻器 （d）光敏電阻器 （e）消諧類電阻器,（f）合金箔電阻器 （g）水泥電阻器 （h）電位器 （i）直流電阻箱,下圖所示為幾種實際電阻器的外觀圖,.,對于線性電阻元件來說，在電壓與電流關聯參考方向下，則在任何時刻，電阻元件的功率,若電阻元件電壓與電流參考方向相反，電阻元件的功率,綜合上述兩種情況，可得線性電阻的功率計算公式為,上式表明，電阻的功率恒為正值，說明電阻是耗能元件。,3）功率,p = - u I u = -R i,p = u i u = R i,.,電容,電容是由間隔以不同介質（云母、絕緣紙、電解質等）的兩塊金屬板組成; 當在極板上加電壓后，極板上分別聚集起等量的正、負荷，并在介質中建立電場。當電源移去后，電荷繼續(xù)聚集在極板上。 理想線性電容,,1.3.2電容元件,電容的單位為法[拉]，用F表示。此外還有微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF），關系為 1F = 106 μF = 109 nF = 1012 pF,.,伏安關系?,C為電容參數，表征電容儲存電荷的能力。,電容元件是一種能夠儲存電場能量的元件。,q = Cu,總之：電容元件其電壓與電流是一種微分關系，即電流與該時刻電壓的變化率成正比。顯然，電壓變化越快，即變化頻率越大，電流就越大；如果電壓不變化，即加上直流電壓，則i = 0，電容相當于開路。這正是電容的一個明顯特征：通高頻，阻低頻；通交流，隔直流。利用該特性，可用電容制成濾波器。,.,上式表明：任意時刻電容的儲能總是大于或等于零，由此可知，電容屬于無源元件。,設t = 0時，電容兩端電壓u = 0，由式 可得到,同時還可得到電容的儲能公式為,,伏安關系?,簡單地講就是需能（電）源的器件叫有源器件(Active component ); 有源器件一般用來信號放大、變換等; IC 、模塊等都是有源器件。 無需能（電）源的器件就是無源器件。無源器件用來進行信號傳輸。容、阻、感都是無源器件;,.,在實際中，考慮到電容器的容量及耐壓，常常要將電容器串聯或并聯起來使用。,電容元件的連接,1）電容并聯時，其等效電容等于各并聯電容之和。,電容的并聯相當于極板面積的增大，所以增大了電容量。 當電容器的耐壓符合要求而容量不足時，可將多個電容并聯起來使用。,.,電容元件的連接,2）電容串聯時，等效電容的倒數等于各串聯電容倒數之和。,3）電容串聯時，各個電容上的電壓與其電容的大小成反比。電容小的所承受的電壓高，電容大的所承受的電壓反而低。這一點在使用時要注意。,電容串聯時，其等效電容比串聯時的任一個電容都小。這是因為電容串聯相當于加大了極板間的距離，從而減小了電容。 若電容的耐壓值小于外加電壓，則可將幾個電容串聯使用。,.,電解電容器,瓷質電容器,聚丙烯膜電容器,1、固 定 電 容 器,電容器元件實際外形圖,（a）空氣電容器 （b）陶瓷電容器 （c）紙電容器,.,,,2、可 變 電 容 器,,,（d）云母電容器 （e）電解電容器,.,（2）當1 s≤t≤3 s時，uC（t）= 4 - 2 t，根據電容元件電壓電流關系式可得,（1）當0≤t≤1 s時，uC（t）= 2 t，根據電容元件電壓電流關系式可得,解 根據圖1-11波形的具體情況， 按照時間分段來進行計算：,由： 可計算uc與t之間的關系式,例1-2 已知C = 0.5 uF電容上的電壓波形如圖1-11所示，試求電壓與電流采用關聯方向時的電流iC（t），并畫出波形圖。,（3）當3 s≤t≤5 s時，uC（t）= -8 +2 t，根據電容元件電壓電流關系式可得,.,,（4）當5 s≤ t時，uC（t）= 12 -2 t，根據電容元件電壓電流關系式可得,根據以上計算結果， 畫出電流iC（t）的波形，如題圖1-12所示。 電容電壓為三角波形， 其電流為矩形波形。,.,實際的電感器（也叫線圈）是用導線繞制而成的。,1.3.3 電感元件,電感具有儲存和釋放能量的特點。當在電感中通入交流電流i時，電感周圍就會建立磁場，即儲存了磁場能量，而在電感兩端會出現感應電壓u。電感儲存能量的多少通常用電感系數（簡稱電感）這個參數來表征，該參數也用L表示。,1、定義,磁通鏈與感應電壓,電磁感應定律：,當一個線圈通以電流后產生的磁場隨時間變化時，在線圈中就產生感應電壓,.,3、電感元件及其韋安特性,動態(tài)元件 儲能元件,4、表達式,電磁感應定律：,在國際單位制中，電感的單位為亨[利]，用H表示，此外還有毫亨（mH）、微亨（μH），它們與H的關系是: 1H = 103 mH = 106 μH,2、單位,關聯方向下，電感元件的伏安關系為,上式表明，感應電壓與該時刻電流的變化率成正比。 電流的變化率越大，則u越大。 倘若電流不變化，即在直流電路中，則電壓u = 0，電感相當于短路。 電感具有通低頻、阻高頻的作用，也可用來制成濾波器。,.,,設當 t = 0時，電感中的電流 i（0）= 0,電感的儲能公式為,,上式表明：任意時刻電感的儲能總是大于或等于零，由此可知，電感也屬于無源元件。,,儲能關系,,簡單地講就是需能（電）源的器件叫有源器件，無需能（電）源的器件就是無源器件。有源器件,一般用來信號放大、變換等，無源器件用來進行信號傳輸，或者通過方向性進行,“,信號放大,”,。容、阻、,感都是無源器件，,IC,.,實際電感器的樣品圖,5、電感元件的連接,對于無互感的電感來說，當其串并聯等效電感方法同電容相似,但等效電感與等效電容的串并聯正好相反:,.,理想電壓源和實際電壓源：,特點：,1）任何時候，電壓源兩端電壓始終不變（大小、方向）,2）電壓源的電流隨外電路改變而改變，其大小由電壓源電壓和外電路共同決定,1、理想電壓源,2、實際電壓源,,U = US–IRi,1.4 電 源,1.4.1 獨立電壓源：,電源又分為獨立電源與受控電源,電源分為電壓源和電流源,電源種類：,.,1、理想電流源,特點：,1）任何時候，電流源的電流始終 不變（大小、方向）,2）電流源的兩端電壓隨外電路改變 而改變，其大小由電流源電流和外電路共同決定,2、實際電流源,,u= (IS–I)Ri,1.4.2 獨立電流源：,理想電流源和實際電流源,.,1、當圖(b) 與圖(a)中滿足US=US1 +US2時，圖(b) 與圖(a)有同樣的伏安特性。在電路中他們可以互相替代，不影響電路中其他的響應。這稱為圖(b) 與圖(a)等效。,例如： US1 =6V, US2 =3V, US=6 +3=9V。,圖(b) 與圖(a)分別在端口處接一個5Ω的電阻，圖(b) 與圖(a)所接電阻的電流都是9/5=1.8A，方向都是由上向下。,理想電壓源與理想電流源的串并聯,注：只有電壓值相同的理想電壓源才能并聯使用,.,2、當圖(d) 與圖(c)中滿足IS=IS1 +IS2時，圖(d) 與圖(c)有同樣的伏安特性。在電路中他們可以互相替代，不影響電路中其他的響應。這稱為圖(d) 與圖(c)等效。,圖(d) 與圖(c)分別在端口處接一個5Ω的電阻，圖(d) 與圖(c)所接電阻的電流都是5A，方向都是由上向下。每個電阻的電壓都是5*5=25V。,例如： IS1 =2A, IS2 =3A, IS=2 +3=5A。,注：只有電流值相同的理想電流源才能串聯使用,.,理想電壓源、電流源的特性,電壓源,電流源,定義,理想二端元件,理想二端元件,特性,1、端電壓是特定的時間函數，與其中的電流無關。 2、電壓源中電流取決于外電路。,1、其中的電流是特定的時間函數，與其端電壓無關。 2、電流源的端電壓取決于外電路。,電路符號,特例,直流電壓源,直流電流源,.,又稱“非獨立”電源，其大小和方向受另一支路的電壓或電流的控制。,電壓控制電壓源VCVS,電流控制電壓源CCVS,μ 、β 為無量綱的數、 r 單位為Ω、 g 單位為 S,Voltage Controlled Current Source,gu1,電壓控制電流源VCCS,,βi1,電流控制電流源CCCS,,1.4. 3 受控源,.,受控電源的分類比較,代號,VCVS,VCCS,CCVS,CCCS,名稱,電壓控制電壓源,電壓控制電流源,電流控制電壓流,電流控制電流源,符號,控制量,被控量,i2,u2,i2,u2,被控支路關系,u1,i1,i1,u1,注：受控電源的方向改變被控制的電源方向也隨著改變,