电子技术基础知识(4学时)模拟电子技术及应用.ppt

第1章 电子技术基础知识(共4学时) 学习目标: 1.了解电子技术发展历史； 2.了解模拟信号与数字信号的特点； 3.了解电子电路的基本分类和基本测量方法； 4.掌握电阻、电容和电感三种基本元件的识别方法和简单测试，为学习后续内容奠定基础。,本章内容 1.1 电子技术发展简史（0.5学时） 1.2 电子电路基础知识（2.5学时） 1.2.1 电子信号分类 1.2.2 电子电路的基本分类 1.2.3 电子测量简介 1.2.4 思考与练习 1.3 三种基本元件的识别与测试（1学时） 小结,1.1 电子技术发展简史,整体来说，电子技术的发展经历了电子 管时代、晶体管时代和集成电路时代。 请阅读教材1.1节内容。,1.2 电子电路基础知识,1.2.1 电子信号分类,电子电路主要处理的是电信号(Electric Signal)可以用电压、电流等电类物理量表示的信号。对于非电信号一般可以利用适当的换能器转换为电信号，例如声音可以通过话筒变换成电信号。,电子技术按信号与信息所对应的模式把电信号分为模拟信号(Analog Signal)和数字信号(Digital Signal)两大类。 模拟量的瞬时值变化是连续的，即取值为无限多，但时间变化可以连续的，也可以是离散的。表示模拟量的电信号叫做模拟信号。 “时间离散”的意思是指某一模拟量在某一段时间内有取值，而在另一段时间内没有取值(即取值为0)。,数字量是指其瞬时值随时间的变化是离散的，并且取值为有限个数值。表示数字量的电信号叫做数字信号，其特点是在时间上和幅度上都是离散变化的。,模拟信号随时间t 的变化一般可以用数学函数形式表达，例如正弦交流信号(Sinusoidal Alternating Signa)可以用正弦函数式表达（以电压为例） u(t)Umsin(t) Um、 称为正弦波的三要素，分别叫做振幅(或峰值)、角频率和初相(位)。,周期为T的非正弦周期性信号可以用傅里叶(Fourier)级数形式表示为： u(t)U0Um1sin(t1)Um2sin(2t2) Umnsin(ntn) 其中 叫做基频(角频率)，U0叫作平均值(即直流分量)，n叫作谐波次数。,由于任何一个复杂信号都可以看成由许多不同频率、不同振幅的正弦信号叠加而成的，所以，研究模拟信号和模拟电路的基础是直流分析方法和交流分析方法。通常把直流分析叫做静态分析(Quiescent Analyse)，把交流分析叫做动态分析(Dynamic Analyse)。,按照电子电路所采用的信号形式，把传送、变换和处理模拟信号的电路叫做模拟电路(Analog Circuit)，例如信号放大电路、模拟运算电路、频率变换电路等。 把传送、变换和处理数字信号的电路叫做数字电路(Digital Circuit).,1.2.2 电子电路的基本分类,按电路所具有的功能来说，电子电路主要包括放大电路、运算电路、信号产生电路、频率变换电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、自动控制电路等等。 按电路的制作方法来说，电子电路有分立元件电路和集成电路两大类。前者是由彼此孤立的电子元器件在线路板上用导线或印制导线联接而成的。后者是将电子元器件和导线都集中地制作在半导体基片或陶瓷、玻璃等绝缘基片上，构成一个完整的电路或电路系统。,(1) 重点介绍放大电路的有关概念,用来对电信号进行幅度放大的电路叫做放大电路（又称为放大器Amplifier），它是应用最为广泛的电子电路之一，也是构成许多电子仪器设备的基本单元电路。,“放大”的基本特征是放大后的信号(即输出信号)与放大前的信号(即输入信号)波形一样(频谱成分与相对比例相同)，只是信号的幅度增大了。若放大的是交流信号，则放大后的信号与放大前的信号频率与周期均相同。,(b) 图1-3 放大电路的输入等效电路与输出等效电路 (a)输入等效电路 (b) 输出等效电路,从放大器的输入端看去，一般情况下(如工作频率不高)可以等效为一只电阻，即放大器的输入电阻Ri (Input Resistance)，如图1-3a所示。输入电阻的高低表示放大器对信号源或前级电路影响的大小，输入电阻越高，说明放大器对信号源或前级电路的影响越小。,从曲线上可以看出， 如果Ri RS，则有UiUS，即信号源电压几乎全部输入给放大器，或者说放大器对信号源几乎没有影响。 反之，如果RiRS，则有Ui0，即信号源电压几乎不能输入给放大器，或者说放大器对信号源的影响大到极限。,从放大器的输出端看去，一般情况下可以等效为一个电压源与一只电阻相串联，即放大器的开路电压uoc与输出电阻(Output Resistance) Ro相串联的模型。(当然，也可以视为等效电流源与输出电阻相并联的模型。) 输出电阻的高低表示放大器对负载(RL)影响的大小，即放大器带负载能力的强弱。输出电阻Ro越低，说明放大器带负载能力越强。,如果RoRL，则有uo0，即此时负载几乎不能获得放大器输出的电压信号，或者说放大器无带负载能力。,常用的放大电路主要有三极管放大电路、场效应管放大电路、低频(音频)功率放大电路、高频小信号调谐放大电路、高频功率放大电路等等。,(2) 运算电路,能够实现运算功能的电路称为运算电路(Operational Circuit)，常用运算电路主要有比例运算电路、加减法运算电路、微分运算电路、积分运算电路、指数运算电路、对数运算电路等等。 运算电路主要采用集成运算放大器(Integrated Operational Amplifier )(简称集成运放)和反馈(Feedback)电路构成。,(3)信号产生电路,不需外加交流输入信号（但需加上直流电源），就能自行产生一定频率和幅度交流信号的电路称为信号产生电路(又称信号发生器Signal Generater)，也叫做振荡器(Oscillator)。,振荡器实际上是一种将直流能量转换成交流能量的换能器(Energy Converter)。 通常把既能产生正弦波又能产生三角波、方波等非正弦输出信号的电路或电子仪器叫做函数信号发生器(Function Generator)。一般电子实验室中经常使用函数信号发生器作为电子测量用的信号源。,(4)频率变换电路,(4) 能够将输入信号的频率（或频谱Frequency Spectrum）按照某种特定的关系变换成具有新的频率（或频谱）输出信号的电路叫做频率变换电路(Frequency Conversion Circuit)。 在电子技术、通信技术等领域，频率变换（或称频谱变换）是十分重要的概念。例如通信技术中的调制与解调过程就是典型的频率变换过程。,(5)集成电路,集成电路 是在同一块半导体材料上，利用各种不同的方法，同时制造出许多极其微小的电阻、电容及晶体管等元器件并将它们连接起来，使之成为具有特定功能的电路。 集成电路家族十分庞大，按不同的方式可以分成若干大类。分类方式可以是按制作工艺分类，按实现的功能分类，按集成度分类等。,1.2.3 电子测量简介,(1)元器件参数的测量 在电子电路实验中，经常需要进行元器件参数的测量，通常又把测量R、L、C参数叫做阻抗的测量。在对测量准确度要求不高的情况下，元器件参数的测量主要内容和常用仪器见表1-2。,表1-2 常用元器件参数的测量内容和使用仪器,表1-2 常用元器件参数的测量内容和使用仪器,(2)电压的测量 电压是电子技术中最重要的基本参数之一，许多电参数都可以通过测量电压而间接获得数据。测量电压时经常使用的测量仪器是万用表、晶体管毫伏表、示波器等。 普通万用表常用于测量直流电压或频率较低(例如工频)的正弦交流电压大小（即有效值）。晶体管毫伏表用于测量频率较高(几百Hz至几十MHz)的正弦交流电压大小。,示波器是一种可以显示被测电信号瞬时值随时间变化关系（时域波形）的测量仪器，是定性和定量观测电信号的重要仪器。除用示波器于观测正弦波、三角波、方波等电压信号的波形外，还可用示波器测得各种波形的峰值（振幅），并能换算出各种电压的有效值、平均值等参数，此外示波器还可测量出交流信号的周期和频率。,可用示波器测得波形的峰-峰值（2倍振幅），并能换算出电压的有效值、平均值等参数，此外还可测量出交流信号的周期和频率。,在电子测量中，一般情况下可以不使用电流表测量某一支路的电流。因为使用电流表测量电流时需要先将被测支路断开，然后将电流表串联在被测支路中，这给测量带来不便。所以经常采用电压表间接测量电流的方法。,(3)电流的测量,要获得某一支路的电流测量值，可以先用电压表测量该支路中的一个已知电阻两端电压，然后用电压测量值除以该已知电阻的阻值，即得到电流的测量值。,测量放大器静态工作电流IEQ（直流）时，已知发射极电阻RE1.5k。测量时先去掉交流输入信号源uS，然后使用万用表直流电压挡测量发射极电阻RE两端电压，如UEO2V，即得电流IEQUEO/RE1.33mA。 当然在某些必要的情况下(例如需要比较准确地知道支路电流值、或被测支路中无已知电阻等)，可以采用电流表测量电流的方法。,(4)频率特性的测量 电子电路或电子器件的频率特性是指某一参数随频率变化的关系，频率特性曲线包括幅频特性(Amplitude-Frequency Characteristic)和相频特性(Phase-Frequency Characteristic)两种。一般情况下需要测量的是电路或器件的幅频特性曲线。,例如：测量放大器电压增益频率特性曲线(即Au随频率f 变化的关系曲线)、滤波器电压传输系数(Uo/Ui)频率特性曲线等。,测量频率特性的方法主要有点频法和扫频法两种。点频法采用的测量仪器是交流信号源和晶体管交流毫伏表。交流信号源可以是低频信号发生器、函数信号发生器、高频信号发生器，它们可以输出正弦交流电压信号，并且电压大小和频率均可调。 扫频法是采用专用仪器（扫频仪）进行幅频特性的测量，可在扫频仪的示波屏幕上观测到被测电路的幅频特性曲线，并且曲线上带有表示频率的坐标（频标）。,1.2.4思考与练习 1. 解释名词：(1)电信号，(2)模拟量，(3)数字量，(4)模拟信号，(5)数字信号，(6)模拟电路，(7)数字电路。 2. 在分析模拟信号和模拟电路过程中，静态分析和动态分析指的是什么? 3. 什么叫作放大电路?“放大”的基本特征是什么? 放大电路的输入电阻与输出电阻的物理意义是什么? 4. 什么叫作运算电路? 一般运算电路是怎样构成的? 5. 什么是集成电路？按制作工艺可分为几类？若按功能分类又可分为几类？,1.3 三种基本元件的识别与测试,元器件是组成电路的基本要素，在模拟电路中最常用的三种元件是电阻、电容和电感，常用的器件是半导体二极管、三极管(也称晶体管)、场效应管和集成运放等，本节仅简要介绍电阻、电容、电感的基础知识，半导体器件在以后各章陆续学习。,1.3.1电阻的识别与测试 电阻元件又称电阻器，其主要作用是限流、分流、降压、分压、负载、阻抗匹配、阻容滤波等。电阻器是电路元件中应用最广泛的一种。 电阻器有多种分类方式，按结构可分为固定电阻器、可变电阻器(电位器)和敏感电阻器；按其材料和工艺可分为膜式电阻、实芯式电阻、金属线绕电阻等。,图1-9 常见电阻器的外形,电阻器的主要参数有标称阻值、阻值误差、额定功率、最高工作温度、最高工作电压、噪声、温度特性和高频特性等。通常在选用电阻器时，只考虑标称阻值、阻值误差和额定功率3项。对有特殊要求的电阻器，需要考虑其他指标。,标称阻值 电阻器上所标的阻值即标称阻值。 阻值误差 也称允许误差，阻值误差为电阻器的实际值与标称值的差值除以标称阻值所得的百分数。普通电阻器的误差分为3个等级：阻值误差5称级；阻值误差10称级；阻值误差20 称级。误差越小，表明电阻器的精度越高。由于制造技术的发展，电阻器的阻值误差一般在5以内。,标志电阻器的阻值和误差的方法有两种：一是直标法，即用数字直接标注在电阻上。二是色标法(固定电阻器用)即用不同颜色的色环来表示电阻的阻值和误差。,电阻器阻值的色标,色标法是用不同颜色的色环来表示电阻的阻值和误差，各色环颜色所代表的含义如前所示，色标法表示的单位为欧姆。例如，图1-10a中第一色环为红(代表2)、第二色环为黄(代表4)、第三色环为绿(代表105)、第四色环为银(代表误差10)，则电阻值为241052.4M，阻值误差10。,电阻的测试：通常使用万用表的挡进行测试即可，方便快捷。,1.3.2 电容的识别与测试,电容元件又称电容器，是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、隔直、旁路、能量转换和延时等。 按其容量是否可调，可分为固定电容器、半可变电容器、可变电容器3种。 按其所用介质，可分为金属化纸介质电容器、钽电解电容器、云母电容器、薄膜介质电容、瓷介质电容器。,常用电容器的外形,固定电容器简称电容。 半可变电容器又称微调电容器或补偿电容器，其特点是容量可在小范围内变化(几皮法几十皮法，最高可达100pF)。 可变电容器的电容量可在一定范围内连续变化，它们由若干片形状相同的金属片并接成一组(或几组)定片和一组(或几组)动片，动片可以通过转轴转动，以改变动片插入定片的面积，从而改变电容量。,电容器的主要参数为标称容量、容量误差、额定工作电压、绝缘电阻和介质损耗等。 通常在选用电容时，只需考虑标称容量、容量误差、额定工作电压3项。 电容器的容量是指电容器加上电压后储存电荷的能力。标称容量是指电容器上标出的名义电容量值。电容器的容量是按国家规定的系列标注的。任何电容器的标称容量都是数值乘以10n(n为整数)。,表1-3 电容器的标称容量系列,容量误差或允许误差是指实际容量与标称容量之差除以标称容量所得的百分数。电容器的容量误差分8级，如表1-4所示。一般电容器常用、级，电解电容器常用、V、级。,表1-4 电容器的容量误差级别,电容器的标识方法,电容器的标识方法有3种： 直标法：将电容器的容量、耐压及误差直接标注在电容上。 数码法：用3位数字来表示容量的大小，单位为pF。前两位为有效数字，第三位表示倍率，即乘以10i，i的取值范围是19，但9表示101 。例如，333表示33103pF3.3104pF3.3104106F3.3102F 0.033F；229表示22101pF2.2pF。,色标法：与电阻器的色环表示法类似，其各色环颜色所代表的含义与电阻色环完全一样，单位为pF。 电容器的额定工作电压是在规定的工作温度范围内，长期、可靠地工作所能承受的最高电压。,电容器的选用,电容器的种类繁多，性能指标各异，合理选用电容器对实际电路很重要。 对于一般电路可选用瓷介质电容器； 要求较高的中高频、音频电路可选用涤纶或聚苯乙烯电容器(例如，谐振回路要求介质损耗小，可选用高频瓷介质或云母电容器)； 电源滤波、退耦、旁路可选用铝或钽电解电容。,电容器的测试,电容器装接前应进行测量，看其是否短路、断路或漏电严重，利用万用表的欧姆挡可以简单地测量。 容量大于100F的电容器用R100挡测量；容量在1100F范围内的电容器用R1k挡测量；容量更小的电容器用R10k挡测量。,极性电容的测试,对极性电容，将黑表笔接电容器的正极，红表笔接电容器的负极，若表针摆动大，且返回慢，返回位置接近，说明该电容器正常，且电容容量大； 若表针摆动大，但返回时，表针显示的值较小，说明该电容漏电流较大； 若表针摆动很大，接近于0且不返回，说明该电容器已击穿；,极性电容的测试,若表针不摆动，则说明该电容器已开路失效。对非极性电容，两表笔接法随意。另外，如果需要对电容器再一次测量时，必须将其放电后方能进行。 如果要求更精确的测量，可以用交流电桥和Q表(谐振法)来测量，这里不做介绍。,1.3.3电感的识别与测试,电感元件又称电感器，是利用电磁感应原理制成的储能元件。 它通常分两类：一类是应用自感作用的电感线圈；另一类是应用互感作用的耦合电感。 电感器的应用范围很广，它在调谐、振荡、匹配、耦合、滤波、陷波等电路中都是必不可少的。,根据电感器的电感量是否可调，电感器分为固定、可变和微调电感器。,可变电感器的电感量可利用磁芯在线圈内移动而在较大的范围内调节，它与固定电容器配合用于在谐振电路中起调谐作用。 微调电感器可以满足整机调试的需要和补偿电感器生产中的分散性，一次调好后，不再变动。 除此之外，还有一些小型电感器，如色码电感器、平面电感器和集成电感器，可满足电器设备小型化的需要。,电感器的主要参数,电感器的主要参数为电感量、品质因数、额定电流和分布电容等。 电感量是指电感器通过变化电流时产生感应电动势的能力，其大小与磁导率线圈几何尺寸和匝数等有关。电感量的表示方法有直标法、色标法和电感值数码表示方法三种。,直标法是指在小型固定电感器的外壳上直接用文字标出电感器的主要参数，如电感器的电感量、误差和最大直流工作电压直接标注在电感器上。 色标法是用不同颜色的色环来表示电感器的参数，其颜色所代表的含义与电阻色环完全相同，单位为H。,数码法是用3位数字来表示电感量的大小，单位也是为H，前两位数字为电感值的有效数字，第三位数字表示倍率，即乘以10i，i的取值范围是09，如223表示22103220mH。小数点用R表示，例如1R8表示1.8H；R68表示0.68H。,电感器的主要参数,品质因数 是线圈中存储能量和消耗能量的比值，通常用Q来表示，它反映电感器传输能量的效能。Q值越大，损耗越小，传输效能越高，一般要求Q值为50300。 额定电流主要对高频电感器和大功率调谐电感器而言。通过电感器的电流超过额定值时，电感器将发热，严重时会烧坏。,电感器的主要参数,分布电容 由于线圈每两圈(或每两层)导线间可以看成是电容器的两块金属片，导线之间的绝缘材料相当于绝缘介质，这样形成一个很小的电容，叫做分布电容。由于分布电容的存在，将使线圈品质因数Q值下降。,电感器的选用,根据电路要求选择电感器的类型、电感量、误差及品质因数； 根据线路工作电流选择电感器的额定电流。 选电感器时，首先应明确其使用频率范围(铁芯线圈只能用于低频，一般铁氧体线圈、空心线圈可用于高频)，再考虑电感量、误差及品质因数等。,电感器的安装,电感线圈是磁感应元件，它对周围的电感性元件有影响，安装时一定要注意电感性元件之间的相互位置，一般应使相互靠近的电感线圈的轴线互相垂直，必要时可在电感性元件上加屏蔽罩。,电感器的测试,电感器的常见故障有断路、短路等。为了保证电路正常工作，电感器装接前必须进行测量。 用万用表欧姆挡可以对电感器进行简单的测量，测量出电感线圈的直流电阻，并与其技术指标相比较：若阻值比规定的阻值小得多，则说明线圈存在局部短路或严重短路情况；若阻值很大或表针不动，则表示线圈存在断路。 电感器的准确测量方法有电桥法、谐振回路法，请参看相关书籍。,1.3.4思考与练习,1.获得电阻器的阻值有几种方法？ 2.如何简单测试电容器的性能好坏？ 3.如何简单测试电感器的性能好坏？,本章小结 1. 电子技术发展简史 电子技术发展十分迅猛，经历了电子管时代、晶体管时代和集成电路时代。电子技术产品以飞快速度由大规模和超大规模集成电路时代进入到巨大规模集成电路（也称甚大规模集成电路）时代。 2.电子信号分类 电子信号分为模拟信号与数字信号。 电子电路主要处理的是电信号可以用电压、电流等电类物理量表示的信号。对于非电信号一般可以利用适当的换能器转换为电信号。模拟量的瞬时值变化是连续的，即取值为无限多，表示模拟量的电信号叫做模拟信号。传送、变换和处理模拟信号的电路叫做模拟电路。本书主要学习模拟电子技术基础知识。,本章小结 3电子电路基本分类 在电子技术中，按电路所具有的功能来说，电子电路主要包括放大电路、运算电路、信号产生电路、频率变换电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、自动控制电路等等。 按电路的制作方法来说，电子电路有分立元件电路和集成电路两大类。 本书主要学习二极管应用电路、三极管应