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(nèi)容,模擬電子技術-微變等效電路,數(shù)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(shù) 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(jié)構(gòu)和任務,前序課程 高等數(shù)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(nèi)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(shù)據(jù)選擇器,8、觸發(fā)器,9、計數(shù)器與寄存器,10、Multisim數(shù)字電路仿真 （計數(shù)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(nèi)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(lián)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(shù)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(xiàn)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(shù)電路和分布參數(shù)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(shù)電路，不滿足d＜＜λ的稱為分布參數(shù)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(shù)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(shù)不隨時間變化，描述其電路的方程是常系數(shù)的代數(shù)方程或常系數(shù)的微積分方程，而時變電路是由變系數(shù)的代數(shù)方程或微積分方程描述的電路。,.,1）實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換；,2）實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)圖像,例如電力網(wǎng)絡將電能從發(fā)電廠輸送到各個工廠、廣大農(nóng)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(zhì)，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(xiàn)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(lián)結(jié)構(gòu)進行模擬，如圖（b）所示；在高頻交流工作條件下，則要再并聯(lián)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(xiàn)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(nèi)通過導體橫截面積的電荷量，電流強度簡稱電流，其數(shù)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(nèi)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(lián)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(lián)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(shù)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(shù)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(lián)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(shù)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?qū)嵕€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(lián)參考方向，簡稱關聯(lián)方向，如圖1.6（a）和（b）所示。否則，稱非關聯(lián)方向，如圖1.6（c）和（d）所示。,6、關聯(lián)參考方向,注意：對關聯(lián)歐姆定律表達式寫成I=U/R；對非關聯(lián)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(lián)方向。,關聯(lián)方向： p = u i；,非關聯(lián)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(lián)方向與非關聯(lián)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(jù)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(jié)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(xiàn)。,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(nèi)轉(zhuǎn)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(nèi)所轉(zhuǎn)換的電能。,,,,.,1）定義：導體對電子運動呈現(xiàn)的阻力稱為電阻。對電流呈現(xiàn)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(lián)參考方向 u=Ri,u、i 非關聯(lián)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(jù)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(shù)。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(lián)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(zhì)（云母、絕緣紙、電解質(zhì)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(zhì)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(shù)，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(lián)或并聯(lián)起來使用。,電容元件的連接,1）電容并聯(lián)時，其等效電容等于各并聯(lián)電容之和。,電容的并聯(lián)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(lián)起來使用。,.,電容元件的連接,2）電容串聯(lián)時，等效電容的倒數(shù)等于各串聯(lián)電容倒數(shù)之和。,3）電容串聯(lián)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(lián)時，其等效電容比串聯(lián)時的任一個電容都小。這是因為電容串聯(lián)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(lián)使用。,.,電解電容器,瓷質(zhì)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(jù)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(jù)電容元件電壓電流關系式可得,解 根據(jù)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(lián)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(jù)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(jù)電容元件電壓電流關系式可得,根據(jù)以上計算結(jié)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(xiàn)感應電壓u。電感儲存能量的多少通常用電感系數(shù)（簡稱電感）這個參數(shù)來表征，該參數(shù)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(chǎn)生的磁場隨時間變化時，在線圈中就產(chǎn)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián),注：只有電壓值相同的理想電壓源才能并聯(lián)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(lián)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(shù)，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(shù)，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(shù)、 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,