《医用电子学》.ppt

医用电子学蚌埠医学院医学影像学系电子电工教研室,1,谢谢关注,2019-10-31,为什么要学习这门课程？,电路应用范围非常广泛，几乎遍布所有行业。医疗仪器：X线机、普通CT机、发射计算机体层成像(ECT)、核磁共振(MRI)、数字减影血管造影(DSA)、多普勒仪、内窥镜系统、超声成像系统、-闪烁成像系统、单光子发射计算机体层成像系统、正电子发射体层成像系统、化疗仪等等，都要用到电子技术。电子与医学关系：电子学促进医学的发展与深入，并为医学诊断与治疗提供丰富的手段。同时医学的发展又对电子学提出了更高的要求，刺激着电子学及相关知识的发展。,2,谢谢关注,2019-10-31,1.电路分析：在已知电路的结构、元件、参数的情况下，分析该电路的特点和功能.,主要教学内容:,2.模拟电路：,电子元器件,电子电路及其应用,二极管,三极管,集成电路,放大,滤波,电源,3.数字电路：,3,谢谢关注,2019-10-31,考核方式：理论考核闭卷笔试，占总成绩的50，实验考核占总成绩的30，实验报告与平时成绩占总成绩的20。,本课程是电子类课程的基础，学时少，内容多，不能轻视。否则对后续课程的学习影响很大。,4,谢谢关注,2019-10-31,参考教材及软件,参考教材：1.秦曾煌.电工学.高教2.电路分析.高教3.华成英,童诗白.模拟电子技术基础.高教软件：1.Pspice2.Multisim,5,谢谢关注,2019-10-31,第一章电路基础,6,谢谢关注,2019-10-31,电路的组成：电源、负载、中间环节,1.1电路的概念,举例1：手电筒电,第一节直流电路,7,谢谢关注,2019-10-31,电路模型,电路模型：理想元件组成的电路电路中的物理量：电流、电阻、电压电流的定义：方向和大小电路中物理量的正方向：实际正方向和假设正方向,8,谢谢关注,2019-10-31,电路中物理量的正方向,9,谢谢关注,2019-10-31,10,谢谢关注,2019-10-31,解决方法,在解题前先假设一个正方向，作为参考方向；根据电路的定理、定律，列出物理量之间相互关系的代数表达式；根据计算结果确定实际方向，如果计算结果为正数，则实际方向与假设方向一致；如果为负数，则与假设方向相反。,11,谢谢关注,2019-10-31,1.2基尔霍夫定律,支路(Branch)指在电路中流经一系列电子元件时电流保持不变的电路。（电路的每一个分支）,三个名词注释(术语)：,节点(Node)指三条及三条以上的支路汇总的地方称为节点。,回路(Loop)指电路中的任一闭合路径。,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括电流定律(Kirchhoffscurrentlaw,KCL)和电压定律(Kirchhoffsvoltagelaw,KVL)。,12,谢谢关注,2019-10-31,支路：ab、ad、.（共6条）,回路：abda、bcdb、.（共7个）,结点：a、b、.(共4个）,例,支路？,结点？,回路？,13,谢谢关注,2019-10-31,对任何结点，在任一瞬间，流入结点的电流等于由结点流出的电流。,KCL的依据：电流的连续性,1-2-1基尔霍夫电流定律（KCL),设：流入结点为正，流出结点为负。,在任一瞬间，一个结点上电流的代数和为0。,14,谢谢关注,2019-10-31,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面（广义结点）,I1+I2=I3,I=0,基氏电流定律的扩展,I=?,例,例,15,谢谢关注,2019-10-31,对电路中的任一回路，沿任意绕行方向的各段电压降的代数和等于零。,即：,1-2-2基尔霍夫电压定律（KVL）,即：,在任一回路的绕行方向上，电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和。,E、U和IR与绕行方向相同为正，反之为负。,16,谢谢关注,2019-10-31,例如：回路a-d-c-a,或：,注意：与绕行方向相同为正，相反为负。,17,谢谢关注,2019-10-31,KVL也适合开口电路,例,E,+,_,R,a,b,Uab,I,18,谢谢关注,2019-10-31,例,19,谢谢关注,2019-10-31,网孔,网孔,20,谢谢关注,2019-10-31,设：电路中有N个结点，B个支路,N=2、B=3,小结,21,谢谢关注,2019-10-31,1.3理想电源元件,理想电压源：指输出端的电压保持不变，变化的是输出电流(Idealvoltagesource),恒压源,22,谢谢关注,2019-10-31,理想电流源：指输出端的电流保持不变，变化的是输出电压。(Idealcurrentsource),恒流源,23,谢谢关注,2019-10-31,一、理想电压源（恒压源）:RO=0时的电压源.,特点：,（3）电源中的电流由外电路（负载）决定。,（2）电源内阻为“RO=0”。,（1）理想电压源的端电压恒定。,（4）理想电压源不能短路，不能并联使用。,24,谢谢关注,2019-10-31,恒压源中的电流由外电路（负载）决定,设:E=10V,当R1R2同时接入时：I=10A,例,25,谢谢关注,2019-10-31,二、理想电流源（恒流源):RO=时的电流源,特点：（1）输出电流恒定。,（3）输出电压由外电路决定。,（2）理想电流源内阻为无穷大（RO=）。,（4）理想电流源不能开路，不能串联使用。,26,谢谢关注,2019-10-31,恒流源两端电压由外电路决定,设:IS=1A,例,27,谢谢关注,2019-10-31,伏安特性,1.电压源模型,三、实际电源模型,28,谢谢关注,2019-10-31,2.电流源模型,电流源模型,29,谢谢关注,2019-10-31,电压源串联：,电流源并联：,（电压源不能并联）,（电流源不能串联）,30,谢谢关注,2019-10-31,两种电源的相互等效,31,谢谢关注,2019-10-31,两种电源的相互等效,E=ISR0R0=R0,32,谢谢关注,2019-10-31,1.4支路电流法（复杂电路分析方法）(Branchcurrentmethod),以各支路电流为未知量，应用KCL和KVL列出独立电流、电压方程联立求解各支路电流。,解题思路：根据基氏定律，列节点电流和回路电压方程，然后联立求解。,33,谢谢关注,2019-10-31,例,例,34,谢谢关注,2019-10-31,1-5叠加原理（复杂电路分析方法）(Superpositiontheorem),在多个电源同时作用的线性电路(电路参数不随电压、电流的变化而改变)中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。,+,35,谢谢关注,2019-10-31,I2,I1,A,I2,I1,+,B,I2,R1,I1,E1,R2,A,E2,I3,R3,+,_,+,_,E1,+,B,_,R1,R2,I3,R3,R1,R2,A,B,E2,I3,R3,+,_,令：,36,谢谢关注,2019-10-31,令：,其中:,37,谢谢关注,2019-10-31,例,用叠加原理求：I=?,I=2A,I=-1A,I=I+I=1A,将电路分解后求解,38,谢谢关注,2019-10-31,应用叠加定理要注意的问题,1.叠加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、电流的变化而改变）。,分解电路时只需保留一个电源，其余电源“除源”：即将恒压源短路，即令E=0；恒流源开路，即令Is=0。电路的其余结构和参数不变，,3.解题时要标明各支路电流、电压的正方向。原电路中各电压、电流的最后结果是各分电压、分电流的代数和。,39,谢谢关注,2019-10-31,4.叠加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功率。如：,5.运用叠加定理时也可以把电源分组求解，每个分电路的电源个数可能不止一个。,I3,R3,40,谢谢关注,2019-10-31,1-6戴维南定理(Theveninstheorem),名词解释：,无源二端网络：二端网络中没有电源,有源二端网络：二端网络中含有电源,二端网络：若一个电路只通过两个输出端与外电路相联，则该电路称为“二端网络”。,41,谢谢关注,2019-10-31,电压源（戴维宁定理）,电流源（诺顿定理）,无源二端网络可化简为一个电阻,有源二端网络可化简为一个电源,42,谢谢关注,2019-10-31,注意：“等效”是指对端口外等效,核心内容：有源二端网络用电压源模型等效。,43,谢谢关注,2019-10-31,等效电压源的内阻（R0）等于有源二端网络除源后相应的无源二端网络的等效电阻。（除源：电压源短路，电流源断路）,等效电压源的电动势（E）等于有源二端网络的开路电压U0；,有源二端网络,R,A,B,E,R0,+,_,R,A,B,44,谢谢关注,2019-10-31,已知：R1=20、R2=30R3=30、R4=20E=10V求：当R5=10时，I5=?,等效电路,例,45,谢谢关注,2019-10-31,第一步：求开端电压U0,第二步：求输入电阻R0,46,谢谢关注,2019-10-31,47,谢谢关注,2019-10-31,第三步：求未知电流I5,时,48,谢谢关注,2019-10-31,求：U=?,4,4,50,5,33,A,B,1A,RL,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,U,例,49,谢谢关注,2019-10-31,第一步：求开端电压U0。,_,+,4,4,50,A,B,+,_,8V,10V,C,D,E,U0,1A,5,50,谢谢关注,2019-10-31,第二步：求输入电阻R0,4,4,50,5,A,B,1A,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,U0,51,谢谢关注,2019-10-31,等效电路,52,谢谢关注,2019-10-31,第三步：求解未知电压,53,谢谢关注,2019-10-31,如果在电路中电动势的大小与方向均随时间按正弦规律变化，由此产生的电流、电压大小和方向也是正弦的，这样的电路称为正弦交流电路。,第二节正弦交流电路(Sinusoidalalternatingcurrentcircuit),54,谢谢关注,2019-10-31,正弦交流电也有正方向,一般按正半周的方向假设。,实际方向和假设方向一致(正半周),实际方向和假设方向相反,2.1正弦交流电的基本概念,i,u,R,三要素：频率(Frequency)f、幅值(Amplitude)Im、Um初相角(Initialphase),55,谢谢关注,2019-10-31,周期(Period)T正弦量变化一次所需的时间（单位：s）,频率(Frequency)f每秒正弦量变化的次数（单位：Hz）,关系：f=1/T,中国电力标准频率：50Hz,美国：60Hz,角频率：正弦量每秒转过的弧度(Angularfrequency),（一个周期的弧度为2）,(单位：rad/s),一、频率与周期,56,谢谢关注,2019-10-31,例,已知：f=50Hz,求T和,解：T=1/f=1/50=0.02s=20ms,57,谢谢关注,2019-10-31,瞬时值(Instantaneousvalue)正弦量任意瞬间的值（用i、u、e表示）,幅值(Amplitude)瞬时值之中的最大值（用Im、Um、Em表示）,关系：,有效值(Effectivevalue)交流电“i”的大小等效于直流电“I”的热效应。,热效应相当,二、幅值和有效值,58,谢谢关注,2019-10-31,有效值则为：,其中：,因此：,59,谢谢关注,2019-10-31,同理有：,例,求：U和t=0.1秒时的瞬时值,解：,60,谢谢关注,2019-10-31,：t=0时的相位，称为初相位或初相角。,i,：正弦波的相位角或相位,三、初相角(Initialphaseangle)相位差(Phasedifference),61,谢谢关注,2019-10-31,两个同频率正弦量间的相位差(初相角),t,62,谢谢关注,2019-10-31,两种正弦信号的关系,同相位,相位落后,相位领先,同相位,63,谢谢关注,2019-10-31,三相交流电路：三种电压初相位各差120。,t,64,谢谢关注,2019-10-31,相量,前两种不便于运算，重点介绍相量表示法。,正弦波的表示方法：,2.2正弦交流电的相量(Phasor)表示法,65,谢谢关注,2019-10-31,1.复数(Complexnumber)的表示形式,代数形式A=a(实)+jb(虚)其中：,由上图可知,一、复习复数及其基本运算,66,谢谢关注,2019-10-31,三角形式,指数形式,极坐标形式,（欧拉公式）,67,谢谢关注,2019-10-31,2.复数的基本运算,（1）加、减,则：,（加）,（减）,68,谢谢关注,2019-10-31,（2）乘、除,（乘）设：,或：,69,谢谢关注,2019-10-31,（除）,70,谢谢关注,2019-10-31,3.讨论,（1）,设：,71,谢谢关注,2019-10-31,（2）由欧拉公式可知,72,谢谢关注,2019-10-31,概念：一个正弦量的瞬时值可以用一个旋转的有向线段在纵轴上的投影值来表示。,矢量长度=,矢量与横轴夹角=初相位,二、正弦波的相量表示法,73,谢谢关注,2019-10-31,3.相量符号包含幅度与相位的信息。,有效值,1.描述正弦量的有向线段称为相量。若其幅度用最大值表示，则用符号：,最大值,相量的书写方式,2.在实际应用中，幅度更多采用有效值，则用符号：,74,谢谢关注,2019-10-31,例1：将u1、u2用相量表示,75,谢谢关注,2019-10-31,76,谢谢关注,2019-10-31,注意：,1.只有正弦量才能用相量表示，非正弦量不可以。,2.只有同频率的正弦量才能画在一张相量图上，不同频率不行。,77,谢谢关注,2019-10-31,相量的复数表示,78,谢谢关注,2019-10-31,欧拉公式,79,谢谢关注,2019-10-31,设a、b为正实数,80,谢谢关注,2019-10-31,解：,例1:,已知瞬时值，求相量。,求：i、u的相量,81,谢谢关注,2019-10-31,A,V,相量图,82,谢谢关注,2019-10-31,求：,例2：,已知相量，求瞬时值。,83,谢谢关注,2019-10-31,提示,计算相量的相位角时，要注意所在象限。如：,84,谢谢关注,2019-10-31,符号说明,瞬时值-小写,u、i,有效值-大写,U、I,复数、相量-大写+“.”,最大值-大写+下标,85,谢谢关注,2019-10-31,正误判断,？,瞬时值,复数,86,谢谢关注,2019-10-31,根据欧姆定律,一、电阻元件的交流电路,87,谢谢关注,2019-10-31,1.频率相同,2.相位相同,3.有效值关系：,电阻电路中电流、电压的关系,4.相量关系：设,88,谢谢关注,2019-10-31,二、电感元件的交流电路,三、电容元件的交流电路,自学内容,89,谢谢关注,2019-10-31,单一参数正弦交流电路的分析计算小结,电路参数,电路图（正方向）,复数阻抗,电压、电流关系,瞬时值,有效值,相量图,相量式,功率,有功功率,无功功率,R,i,u,设,则,u、i同相,0,L,i,u,C,i,u,设,则,设,则,u领先i90,u落后i90,0,0,基本关系,90,谢谢关注,2019-10-31,第三节暂态电路,1.暂态电路的微积分求解：,指按照基尔霍夫第二定律展开,的电压微积方程，利用微分方程的数学性质来求解,1,2,Ic,Ic,91,谢谢关注,2019-10-31,2.暂态电路的三要素求解：,指电路的初始与终止的稳定时,展开,电路开始工作瞬间,U(0-),U(0+),电路工作趋向稳定U(),的电压(或电流)U(0-),U()以及电路的时间常数按照公式,工作电路中的等效电阻与等效电容或电感,92,谢谢关注,2019-10-31,电路稳定判断依据：,电容稳定的依据：指流经电容器的电流