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电气自动化专业英语（翻译仅供参考，有不同意见可以相互交流）第一部分：电子技术第一章电子测量仪表 电子技术人员使用许多不同类型的测量仪器。一些工作需要精确测量面另一些工作只需粗略估计。有些仪器被使用仅仅是确定线路是否完整。最常用的测量测试仪表有：电压测试仪，电压表，电流表，欧姆表，连续性测试仪，兆欧表，瓦特表还有瓦特小时表。所有测量电值的表基本上都是电流表。他们测量或是比较通过他们的电流值。这些仪表可以被校准并且设计了不同的量程，以便读出期望的数值。11安全预防仪表的正确连接对于使用者的安全预防和仪表的正确维护是非常重要的。仪表的结构和操作的基本知识能帮助使用者按安全工作程序来对他们正确连接和维护。许多仪表被设计的只能用于直流或只能用于交流，而其它的则可交替使用。注意：每种仪表只能用来测量符合设计要求的电流类型。如果用在不正确的电流类型中可能对仪表有危险并且可能对使用者引起伤害。许多仪表被设计成只能测量很低的数值，还有些能测量非常大的数值。警告：仪表不允许超过它的额定最大值。不允许被测的实际数值超过仪表最大允许值的要求再强调也不过分。超过最大值对指针有伤害，有害于正确校准，并且在某种情况下能引起仪表爆炸造成对作用者的伤害。许多仪表装备了过载保护。然而，通常情况下电流大于仪表设计的限定仍然是危险的。12基本仪表的结构和操作许多仪表是根据电磁相互作用的原理动作的。这种相互作用是通过流过导体的电流引起的（导体放置在永久磁铁的磁极之间）。这种类型的仪表专门适合于直流电。不管什么时候电流流过导体，磁力总会围绕导体形成。磁力是由在永久磁铁力的作用下起反应的电流引起。这就引起指针的移动。导体可以制成线圈，放置在永久磁铁磁极之间的枢钮（pivot中心）上。线圈通过两个螺旋型弹簧连在仪器的端子上。这些弹簧提供了与偏差成正比的恢复力。当没有电流通过时，弹簧使指针回复到零。表的量程被设计来指明被测量的电流值。线圈的移动（或者是指针的偏移）与线圈的电流值成正比。如果必须要测量一个大于线圈能安全负载的电流，仪表要包含旁路或者分流器。分流器被容纳在仪表盒内或者连接到外部。例子一个仪表被设计成最大量程是10A。线圈能安全负载0。001A，那分流器必须被设计成能负载9。999A。当时。001A流过线圈时指针指示10A。图1。1（A）说明了一个永久磁铁类型仪表。图1。1（B）显示了一个外部分流器连接到仪表端子上。永久磁铁类型仪表可以被用作安培表或者电压表。当量程被设计成指示电流并且内阻保持最小时，这个表可以作为安培表用。当量程被设计成指示电压，内阻相对高一些时，这个表可以用来测量电压值。注意：不管如何设计，指针移动的距离取决于线圈的电流值。为了让这类表用在交流电中，在设计时必须作微小的改动。整流器可以把交流变成直流电。整流器合并进仪表中并且量程要指示出正确的交流电压值。整流器类型的仪表不能用于直流电中并且它一般被设计成电压表。如图1。2，电测力计是另一种能用于交流电的既能作安培表也能作电压表的仪器。它由两个固定线圈和一个移动线圈构成。这三个线圈通过两个螺旋型弹簧串联在一起。这个弹簧支撑住移动线圈。当电流流过线圈时移动线圈顺时针方向移动。电测力计因为属永久磁铁型仪表，量程不是均匀分布的。作用在动线圈上的力根据流过该线圈的电流平方来变化。有必要在量程开始比量程结束分割的密一点。分割点之间距离越大，仪表的读数越精确。争取精确的读值是重要的。移动叶片结构是仪表的另一种类型。电流流过线圈引起两个铁片（叶片）磁化。一个叶片是可动的，另一个是固定的。在两个叶片间的磁的作用引起可动叶片扭转。移动的数值取决于线圈的电流值。警告：所有描述的取决于磁力作用的仪器，都不要放置在另一个磁性物质附近。它的磁力可能对引起仪表故障或者导致测量值不准确。13测量仪器的使用电压表是设计来测量电路的电压或者通过元器件的压降。电压表必须与被测量的电路或元器件并联。131压力检验计交-直流电压检验计是一种相当粗糙但对电工来说很有用的仪器。这种仪器指示电压的近似值。更常见类型指示的电压值如下：AC，110，220，440，550V，DC，125，250，600V。许多这种仪器也指示直流电的极性。那就是说(i.e=that is)电路中的导体是阳性（正）的还是阴性（负）。电压检验计通常用来检验公共电压，识别接地导体，检查被炸毁的保险丝，区分AC和DC。电压检验计很小很坚固，比一般的电压表容易携带和保存。图1。31。4描述了用电压检验计检查保险丝的用法。为了确定电路或系统中的导体接地，把测试仪连接在导体和已建立的地之间。如果测试仪指示了一个电压值，导体没有接地。对每一个导体重复这个步骤直到零电压出现（见图1。5）。为了确定任意两个导体间的近似电压值，把测试仪连接在导体之间。警告：要认真读并遵守电压检验计提供的说明书。132电压表电压表比电压检验计测量更精确。因为电压表与被测量的电路或元件并联，必须有相对高一点的电阻。内阻要保证通过仪表的电流最小。流过仪表的电流越小，对电路特性的影响越小。仪表的灵敏度用符号O/V表示。这个数值越高仪表的质量越好。高灵敏度可使电路特性的改变减到最小。电工使用的仪表精确度在95%到98%之间。这个精确度范围对大多数应用是满意的。然而，电力工作者力求最精确的可能读数是重要的。一个精确读数可以在仪表盘上显示也可以直接读出来。如果在指针后面有镜子，调整视线的角度直到指针在镜子中看不到映象。如要更精确可以使用数字表。电压表有与电压检验计同样的应用。电压表比电压检验计更精确。因而，也支持更多的应用。例如，如果一个建筑物的供电电压低于正常值，电压表能指示出这个问题。电压表也用来确定馈电线和支线电路导体的压降值。电压表有时有不只一个量程。选择一个能更精确测量的量程很重要。选择器开关范围达到这个目的。注意：开始用一个适当的高一点的量程，然后逐渐降低到在限定范围之内的最低量程。设定选择器开关在可用的最低量程上能使读数达到最精确。使用仪表之前，要检查仪表确保指针指在零上。在仪表盘下面有一个调整螺钉。一个轻微的扭动就能使指针偏移。扭转调整螺钉使指针对准零线。当在DC中使用电压表时，保持正确的极性是很重要的。大多数的直流电源和仪表都用颜色标记极性。红色指示阳极，黑色指示阴极。如果电路和元件的极性未知，触一下端子的导线观察指针。如果指针犹豫着试图摆动，仪表导线连接就要颠倒一下。警告：不要让仪表连接反的极性。133安培表安培表是用来测量电路或部分电路的电流数量的。他与被测电路元件串联连接。仪表的电阻必须非常低这样不会影响流过电路的电流。当测量很灵敏的设备的电流，安培表电流的轻微改变可能会引起设备的故障。安培表象电压表一样，也有一个调零的调整螺钉。许多仪表也有镜子帮助使用者保证读数精确。安培表常用来找出过载或者开路。他们也用来平衡线路的负荷和确定故障位置。安培表总是与被测电路或元件串联连接。如果使用在DC下要检查极性。图1。6（A）显示了安培表测量电路的电流。图1。6（B）显示的是AC安培表。1.3.3 欧姆表 欧姆表用来测量电阻，它内装电池提供操作时需要的动力。 警告：在接上欧姆表之前，必须确认电路或部件没有与常规电源相连接。将欧姆表与一 个没有断开电源的电路相连可能回损坏仪表甚至导致使用者受伤。 欧姆表的刻度的读取方向与其它仪表相反，当仪表电流开路时，指针应当指向无穷大。 可以通过调整旋纽使指针与无穷大标志对准。 多数欧姆表有数个量程，量程选择开关应当置于最能为精确测量的位置（刻度） 。量程一般为：r*1、r*10、r*100、r*1000。如果选择开关置于 r*1，表盘显示的值即为测量值；如 果选择开关置于 r*100，表盘显示的值必须乘以100。 在测量一个电阻之前，重要的是检查零刻度调整。程序如下：1设置理想的量程选择开关2 连接测试导线。指针指向零。3 如果指针没有和零刻度成一行，调节零位调整，直到指针和零刻度线成一行。记住：不要让测试导线连接在一起，因为在零电阻下，电池将迅速恶化。4 警告：确信电路是失电的。5 连接测试导线和被测的元件和电路。指针将显示电阻值。欧姆表示一个出色的断路探测试验器。连接欧姆表到被测的电路上。如果电路是闭合的，指针将显示电路的电阻值。刻度是零通常意味着一个短路。无穷大的度数意味着一个开路。1.3.5 通断测试仪/断路探查试验器1.3.6 兆欧表 兆欧表， 一般认为是由其商品名 MEGGER 而得名， 是一种测量极高电阻的仪器。 例如， 用来测量电路导体或马达绕组绝缘体的电阻。 兆欧表被设计成用来测量兆欧级的电阻； 一兆 欧等于一百万欧姆。 一个称之为磁发电机的小型发电机被包含于兆欧表外壳之内， 它为仪表提供动力， 就像 欧姆表中的电池所起的作用。 磁力发电机可以手动发电或由电池以及其它设备提供电源。 兆 欧表有很多不同电压档，其中最常用的设计工作于以下数值：500V、1000V、和1000V。 磁力发电机产生的电压取决于被测电阻的类型和欧姆值。 因为兆欧表是设计用于测量极高电阻， 它们通常用于绝缘测试。 肉眼观测绝缘性能和用 欧姆表进行漏电测试不是非常可靠，而兆欧表测试是维修电工们最为可靠的测试方法之一。 警告：在兆欧表连接到导体或电路之前，电路必须断电。绝缘测试通常是在导体与地之 间进行， 所以良好的接地是测试过程中至关重要的一部分。 应当用兆欧表和低电阻欧姆表检 测以确认接地的良好连通性。 绝缘测试应当在安装期间进行，并在以后定期进行。对于额定电压在600V 或以下的电 路和设备，可以使用1000V 磁力发电机。必须对测试进行记录，包括测试日期、时间、温 度、湿度和电阻值。 由于大气状况会影响绝缘电阻， 一段时间内可能会有很多不同的测试值， 因为绝缘电阻 随着温度、湿度和空气质量的不同而不同。 绝缘的共同敌人是湿气、污垢、油污、和化学物质，尽可能地保持设备和导体的清洁和 干燥是非常重要的。 良好的保养习惯和定期的绝缘测试应该成为制度而不是偶尔为之。 兆欧 表的快速通常被标注为最小10000欧姆， 最大200兆欧。 额定工作于600V 的导体的绝缘能力 应当显示其绝缘电阻在600000欧姆以上。对于马达、发电机、变压器和类似额定工作于1000V 或以下的设备，其最小绝缘电阻必须在1兆欧以上。对于工作于额定电压在1000V 以 上的导线和设备来说，一个不错的计算规则是：将额定电压除以1000即得到了该设备以兆 欧为单位的最小绝缘电阻。 周期性的绝缘测试应当至少每两个月进行一次， 绝缘电阻值随温度和空气状况的不同而 不同，但是，1年到18个月的长时期内，绝缘电阻持续下降的趋势意味着存在问题，电路和 设备必须接受检查。 1.3.7 多用表 1.3.8 功率计 1.3.9 电度表 电能表等于功率和时间的乘积。 电表用于测量在某段时间内消耗的功率。 对于直流电表， 其速度正比于功率，它记录了给予用户的瓦时或千瓦时数。因为很多用户需要大量能源，标 准电表被设计成以千瓦时显示。 交流电表的工作原理为感应原理。 移动磁场产生电流流过铝制圆盘， 这种电流称为涡流， 它所产生的磁场于运动磁场相互作用，使得圆盘转动。旋转的圆盘驱动一个齿轮链，使指针 依次显示（电功值） 。 电表有四个或5个刻度盘，每个刻度盘有一个指针，标刻有0到9，刻度盘读数从左到右 （从右到左） ，从右到左刻度盘分别显示个位、十位、百位、千位和万位。如图1.11，4位刻 度盘显示1248千瓦时。如果指针在两个数之间，总是读取两个数中较小的那个2 Fundamentals of solid-state power device第二章 固体功率器件的基本原理2.1 Introduction （绪论）本章将集中讨论固态功率器件或功率半导体器件，并且只研究它们在采用相控（电压控制）或频率控制（速度控制）的三相交流鼠笼式感应电机的功率电路中的应用。 22固态功率器件 五种用于固态交流电机控制中的功率元器件是： 二极管；晶闸管（例如：可控硅整流器 SCR）；电子晶体管；门极可关断晶闸管（GTO）；双向可控硅。晶闸管 SCR 和双向可控硅一般用于相位控制（相控）。各种二极管，晶闸管SCR，电子晶体管，门极可关断晶闸管的组合用于频控。这些器件的共性是：利用硅晶体形成的薄片构成P-N结的各种组合。对二极管，SCR，GTO 一般 P 结叫正极 N 结叫负极；相应的电子晶体管叫集电极和发射极。这些器件的区别在于导通和关断的方法及电流和电压的容量。 让我们根据他们的参数简单看一下这些元器件。 221二极管 图2.1显示了一个二极管，左边部分显示的是在硅晶体中的一个 PN 结，右边显示的是 二极管的原理图符号。当P相对于 N 是正时，由于节上有一个相当低的压降，前向电流开始流动。当极性相反时，只有一个极小的反向漏电流流动。这些用图2.2所示。前向电压通常大约有1V，不受电流额定值的影响。 二极管正向导通电流的额定值取决于其尺寸和设计，而这二者是根据器件散热的要求来确定的，以保证器件温度不超过最大结温（通常为200C）。 反向击穿电压是二极管的另一个重要参数。它的值更取决于二极管的内部设计而不是它的物理尺寸。注意：一个二极管只有当加上正向电压时才会正向导通。没有任何固有（内在的）的方法控制导通的电流和电压值。二极管主要用在交流电路中作整流器，这意味着它们把 AC 整流成 DC，同时产生的直流电流和电压值没有固有的控制方法。单二极管可用额定值到4800A 和最大反向电压 1200V，2000A 最大反峰电压4400V（peak reverse voltage）。222晶闸管 图2.3显示了晶闸管（一般也叫可控硅）的 PN 结排列和它的原理图符号。注意这组从正到负结为PNPN结构，还有一个门极连到了内部的 P 层。如果没有连门极，并且阳极加反向电压，从正极到负极就没有电流通过。这是因为内部 P 结由于未通电而工作在阻断电路。这种情况对于正向阻断状态也是正确的。然而，当阳极是正的并且正信号作用到门上，则电流将从正极一直流向负极即使门极没有正信号。换言之，门极能打开晶闸管但不能关断它。关断晶闸管的唯一方法是通过外部方式在正极强加上一个零电流。 因此在前向导通只能通过强加零电流停止方面， 晶闸管与二极管是相似的。然而，晶闸管与二极管在如何启动前向导通方面是不同的。（1）阳极是正（2）门时刻为正。这个特性暗指了术语“可控硅”。图2. 4阐明了晶闸管的稳态伏安特性。注意反向电压和反向泄漏电流的形状与二极管的很相似。反向电压导通时比二极管的高，通常有1.4V。阻断状态也有一个极小的前向泄漏电流。在二极管中，稳态电流值是由器件的性能和底座（散热器）散发的热量确定的。晶闸管的最大结温比二极管要低，大约在125C。这意味着在同样的额定电流下，加上1。4V 的前向压降， 晶闸管比二极管的前向压降大的多。单晶闸管可用额定值在最大反向电压2200V 超 过2000A，在在最大反向电压4000V 超过1400A。223电子晶体管（电子管） 图2.5给出了一个典型功率电子管的结排列，原理符号图和伏安特性。如果集电极为正，除非在基电极和发射极间有电流才有电流从集电极到发射极。与晶闸管比较，晶体管没有自锁功能。只有在基极有电流时。电流才能从集电极流到发射极。基极开路，集电极到发射极将阻断电流。功率电子管与晶闸管在控制前向导通的启动时相似。它与晶闸管不同的地方在于它能控制关断和交流电机频率控制所必需的换向。注意伏安特性没有显示反向特性。一般的，一个反向分流二极管连在发射极和集电极之间，以保护电子管受反向电压伤害。功率电子管的可用额定值是最高反向电压1000V400A。 224门极可关断晶闸管 GTO 图2.6显示了 GTO 的原理符号。GTO与晶闸管的相似处在于PNPN结的排列和前向电流的操作。如果阳极是正的，导通由通过作用在门上的正脉冲启动。然而硅片和结是利用特殊特性设计的，所以即使阳极保持正值，加到门上的强负电流作用迫使前向电流阻断。 GTO常用的瞬间额定值是 PRV1200V2400A。225双向可控硅 图2.7显示了双向可控硅的原理符号图。一个双向可控硅由一个特殊的晶闸管包（包含前向和反向晶闸管）组成，由一个门引线来操作。他们常用在调光器电路中或者作为继电器的开关，这样截止态下很小的泄漏电流不会引起其它控制器的误操作。随着电流容量的增加以及其可用性，使得可控硅可以用于交流电机的相位控制中。23功率半导体容量 功率器件在稳态交流电机马力范围大于600V 时如何用， 用在哪里摘要显示在表2.1中。马力额定值基于没有并联的器件。24功率半导体的物理特性 在物理特性方面，三类最常用的功率半导体是：（1）栓接式（2）薄片或冰球式（3）绝缘散热器式。他们的共同特征是需要与其它器件有物理联系，这器件叫散热器，为了保持结温在设计值内把内部热量散发出去。散热器吸收结的热量并通过散热片，轮片（螺旋桨叶片） 或者液体冷却剂发散出去。（液体冷却剂几乎从不用于600V 级的固态交流电动机控制中，不包含在我们的讨论中。） 这三类功率半导体的不同在于它们如何安装，他们如何与散热器连接。241栓接式 螺纹部分可能是PN结的一部分，或者是与有源电子部分电子绝缘。在任一种情况下， 螺纹部分常常插入散热器的螺纹孔。 栓接式器件在小马力额定值下常用来作为直接功率控制器件，在大马力额定值下常用来作为辅助保护器件。在后一种情况下，它们常直接安装在较大器件使用的散热器上，如冰球式设计。242冰球式器件 典型冰球式功率器件可能是二极管，可控硅或 GTO。尺寸范围直径大约从25MM到 100MM。每一个平面即不是P也不是N结。该平面可以热传递和导电。冰球式器件典型安装是联接铝型材的散热器。特别的箝位电路，联接绝缘混合剂和扭矩扳手都必须保证最佳的热传递和电导率。由于栓接式和冰球式器件的散热器都能传递电流，他们必须与机械底托电子绝缘。轮片可以加到散热器上增加热量排放并且使得可以连续额定功率工作。由于散热器能在同样电压水平下作为功率器件，冰球式和栓接式的固态AC电动机控制必须通过附件（外壳）供给。附件（外壳）必须有合适的通风口或热交换器使得热量能散发。将这套设计用于全封闭外壳中是不切实际的，例如象 NEMA12的密封盒或相似的外围物。 243绝缘散热器件绝缘散热器功率器件可以是二极管，可控硅，GTO，三极管或双向可控硅。每个包中包含器件的联合体，在内部以线连接。区别的特征是术语“绝缘散热器”。在每个包下面有一个铝底盘。这个底板与功率器件之间是导热并绝缘的。结的大部分热量传给了铝盘。这个底 板依次安装在第二个更大的散热底板上。这个更大的散热底板在背面有扇面。 绝缘散热器的设计使它自己是个完全封闭的设计。他们也有经过预包装的已经内部加固过的复合器件的优点。其缺点是通过底部安装的底板散热的能力有限，所以连续负荷状态时间要比安装开放的散热器冰球式器件的时间小。尽管如此，绝缘散热器在一般应用和器件容量上都迅速增长。在较高的左上角的排列是唯一的，同样它联合了有所有封闭设计的绝缘散热器概念的冰球式的优点（例如易替换，易互换）它也被恰当的称为“开放块状”模式。25换流 在深入的讨论实际的固态交流电机的控制之前，将换流的概念及其种类阐述是必要的。换流的不同类型指所有讨论的固态电动机控制。换流是功率半导体器件中负载电流被截止或停止流动或转换到另一回路的过程。有以下三种换流方式：（1）自然或线电压换流（2）负载换流和（3）强制换流。2.5.1自然或线电压换流图2.8为用于将交流转换为直流的功率半导体电路，在数学上可以证明这种特殊电路可 以将60Hz460V 三相交流电转换为包含360Hz 脉动成分的600V 直流电。 因为60Hz 正弦交流线电压在每次正和负半周结束时都会过零，因此在线电压的每个半 周结束时，功率半导体是自动（关断）换流的，这也就是自然或电网（线电压）换流。 假设某一时刻图2.8电路产生的直流电压作用于一个具有反极性的电压源之上（见图 2.9），且该直流电压稍高于600V，如果该半导体器件为二极管，则会导致短路的发生。但是，如果这些器件是晶闸管、三极管或可关断晶闸管，由于它们除非触发，都处于关断状态，没有电路流过，所以不会有像使用二极管时的短路现象发生。因为器件将在每个半周经历一次零电压，所以如果它们在每个半周的任意时刻导通后，在每个周期结束时，交流线电压将使器件换流。这也是由电流从直流端流向交流端的自然或线电压换流。图2.10所示为一种连接于交流鼠笼感应电机交流接线端的半导体功率装置，如同图2.8 和图2.9，图2.10中的功率器件在将在每个交流线电压正弦波周期经历一次零电压。因此， 这些器件可以是二极管、晶闸管、三极管和可关断晶闸管，或是双向可控硅。二极管可以导致线路和电机短路，所以二极管是多余的。对图2.10，晶闸管和双向晶闸管对于相控比较实用，因为它们可以被关断。可关断晶闸管和三极管由于其固有的关断能力不相适应，所以它们也不适用于图2.10。图2.10是另一种自然或线电压换流应用的例子。 2.5.2负载换流 负载换流发生于如下情形：负载具有某种特性可以导致交流电压自动为零，继而将导致器件每半个周期换流或关断一次。电机的旋转加上直流场的效果导致电机输入端正弦电压的产生。这种正弦波电压，如果连接到功率半导体器件，将提供半周一次的换流或关断，这就是负载换流，见图2.11。电路见图2.11，它不能用于交流鼠笼式感应电机，因为激励或励磁电流来源于与线电流 功率部件相同的电源。可以为功率半导体控制系统加装特殊电路，一旦感应电机速度达到某 一值时，可以为电机提供负载换流。对于大型电机这样更为节省成本，但对于373kW/600V 的电机不太多见。强制换流技术用于这类电机。2.5.3强制换流 图2.12所示为由功率半导体馈电的交流鼠笼式感应电机，依次由直流源馈电。如上所述，交流鼠笼式感应电机不能产生换流或使正弦波形转变极性，假设期望通过依次开、闭功率半 导体器件以提供电机的频率调节，则强制换流必须用于器件的关闭。 如果是三极管，基极信号将使其导通，基极信号的撤除将使其截止，三极管的强制换流 不需要其它功率器件。 对可关断可控硅，正门极脉冲使其导通，而负门极脉冲使其产生换流或关断，与三极管 一样，其强制换流不需要其它辅助功率器件 对于前面提到的晶闸管，门电路对关断无效，必须由与阴极和阳极并联的辅助功率器件 使阴极和阳极之间电流为零。典型的结构包括一个电容和一个晶闸管，如图2.13所示，当主晶闸管导通时，电容充电，主晶闸管关断的同时，辅助晶闸管同时导通，因而电容放电，强 制主晶闸管阳极中的电流为零。2.6 总结 紧记功率半导体器件在固态交流电机控制中使用的三种重要的选项是： （1）功率半导体器件（二极管、晶闸管、三极管和可关断晶闸管和双向可控硅）可以 用于控制交流电压、交流转换为直流、直流转换为交流、和直流开关。 （2）采用哪种类型的器件取决于要实现的功能和器件输入和输出侧功率电流的特性。 决定很大程度取决于可以使用的换流类型电网、负载、或强迫换流。 （3）器件的物理特性（拴接式、冰球式、或绝缘散热式）和相关的冷却要求，在很大 程度上取决于对成本的均衡考虑和控制器外壳的要求。 记住这三种选项的判据和性能， 让我们期待下一步器件会有最好的表现， 从将它们用于 固态交流电机的相控启动器开始第三章 模拟电子学31 引言 3.1.1 对比模拟电子学和数字电子学我们已经研究了怎样用晶体管和二极管作为开关元件来处理以数字形式表示的信息。数字电子学运用晶体管作为电子控制开关：晶体管或者饱和或者截断。这一动态区域仅用做一个状态向另一个状态的过渡。与此相反，模拟电子学依靠晶体管和其它类型的放大器的动态区域。希腊词根“analog” 的含义是“以一定的比率”，在这里表示信息被编码成为与被表达量成比例的电信号。在图3.1中，信息为一种音乐，是由乐器的激励和共鸣产生的。声音的传播存在于空气分子的有规则运动中，这最好理解为声波。这引起了麦克风的振动膜的振动，振动膜的振动又反过来形成了电信号。电信号的变化是声波的成比例描述。电信号被用电子的方法放大，即利用输入放大器的交流电能将信号功率放大。放大器的输出驱动一个记录头在磁盘上产生起伏不平的沟槽。如果整个系统良好的话，空气的每一个声波的变化都将被记录在磁盘上而且当记录被通过一个类似的系统回放时，信号就被一个喇叭以声音能量放出来，声音忠实地还原最初的音乐。基于模拟原理的电子系统组成一个重要类别的电子元件。收音机和电视的播放是模拟系统的典型例子，许多电子仪器也是模拟系统，它们的应用领域包括偏差监测（应变计量器）、运动控制（测速计）和温度测量（热电偶）。很多电子仪器，如伏特表，欧姆计，电流表和示波器，都利用了模拟技术，至少是部分利用。在数字计算机被开发出来之前就有了模拟计算机。在模拟计算机中，微分方程的未知量是用电信号来模拟的。这些信号被用电子的方法积分，比例变换和求和以获得方程的解，比解析或数值运算的求解方法要容易一些。 3.1.2本章的内容模拟技术广泛地运用了频域的概念。首先我们把频域概念扩展到包括周期性的、非周期性的，以及随机的信号。我们将看到大部分的模拟信号和过程能在频域中表示出来。我们将介绍频谱的概念，也就是，用同时存在的许多频率来表示一个信号。频域里的带宽（频谱的宽度）将与时域中的信息率有关。这个频域里的扩展概念也能帮助我们区分线性和非线性模拟元件的效果。已证明线性电路能够“过滤”掉不想要的频率部分。相反，也能用象二极管和晶体管之类的非线性的元件产生新的频率。这个特性允许我们在频域中通过调幅和调频调制技术来改变模拟信号，它广泛用于公共及私人的通信系统。作为一个例子，我们将介绍调幅收音机的工作情况。下一步，我们来研究反馈的概念，模拟系统里的一种方法是牺牲增益换取其它所期望的品质，比如线性或更宽的带宽。若没有反馈，类似收音机或电视之类的模拟系统的性能将会很差。了解反馈的好处能给在模拟电子学中更广泛使用运算放大器提供基础。运算放大器（缩写为op amps）是模拟电路的基本构成单元，正如或非和与非门电路是数字电路的基本单元一样。我们将介绍运算放大器的一些较常用的应用，包括它们在模拟计算机中的应用。3.2 运算放大电路 3.2.l 引言（l）运算放大器的重要性。运算放大器是一个受负反馈控制的高增益的电子放大器，用来在中完成许多运算功能或者在模拟电路中进行运算。这类放大器原来是为了在模拟计算机中解微分方程时，进行类似积分、求和等运算而开发的。目前，运算放大器的应用范围增加了，大部分的模拟电子电路都是基于它的技术工作的。比如，你若需要一个增益为10、方便、可靠，低成本的放大器，你可以使用运算放大器。就这样，象与非门和或非门是数字电路的基本组成元件一样，运算放大器成为了模拟电路的基本组成元件。（2）运算放大器模型的典型特性。典型的运算放大器是利用十二个或更多的晶体管，若干个二极管以及许多电阻，制成的复杂晶体管放大器。这样的放大器被大量生产成半导体芯片，以每个低于1美元的价格出售。这些元件可靠、耐用，接近于它们理想的电子特性。图3.2画出了运算放大器的表示符号以及其基本特性。两个输入电压u+和u-相减，放大得到一个大的电压增益A，一般为105106 。输入电阻Ri较大，在100K100M之间。输出电阻R0较小，在10100之间。放大器经常供以直流电。在这种情况下，输出电压介于供电电压之间， -UCC Uo+UCC 。有时一个电源接地（即“-UCC”=0）。此时输出范围在0Uo+UCC 。电源接点在电路图中极少画出；假定把运算放大器接在合适的电源上。这样，运算放大器是一个高输入电阻、低输出电阻以及高增益，接近于理想的电压放大器。高增益通过很强的负反馈转变为其它的有用的特性。运算放大器电路利用了负反馈的所有好处。这一章前面列出的那些好处，对运算放大器电路我们将再增加三条：低成本，易设计，结构简单。（3）本节内容。我们先从分析两个普通的运算放大器开始,反相放大器和同相放大器。我们通过一种简单且对任何运算放大电路都有效的方法推导出这些放大器的增益。接着我们讨论了有源滤波器，它是一种带电容以形成其频率响应的运算放大器。最后我们简单地介绍了一下模拟计算机以及通过讨论一些运算放大器的非线性应用。3.2.2运算放大器 （l）反相放大器。如图3.3所示，反相放大器运用了一个运算放大器和两个电阻。运算放大器的正极输入（+）接地（零信号）；负极输入通过R1和输入信号连接，通过RF和从输出来的反馈信号相连接。在下面的讨论中一个可能混淆的地方在于我们必须同时讲两个放大器。运算放大器是这样的一个放大器，它构成一个反馈放大器中的放大元件，包含运算放大器以及相关电阻。为了减少混淆，我们约定“放大器”这个词只表示总的反馈放大器。运算放大器决不能称做放大器；它叫做运算放大器。例如，如果我们提到放大器的输入电流，我们指的是通过R1的电流，而不是输入运算放大器的电流。我们既能通过基本电路定理（KCL，KVL），也能通过把电路分为主要放大器和反馈系统两部分来解得图3.3中的反相放大器的增益。不过我们将介绍另外一种方法，这种方法是基于假定运算放大器的增益非常高，接近于无限大。接下来，我们将给一个一般的假定，它也许可以被用在任何运算放大器电路中，然后我们将把这假定应用到目前的电路中。结果，我们将确定反相放大器的增益和输入电阻。（1）我们假定输出性能良好，不会趋于无穷大。从而我们假定负反馈使放大器稳定，故适中的输入电压能产生适中的输出电压。例如，如果供电电源为l0V和-l0V，则输出必介于它们之间。（2）因为是输出电压被运算放大器很大的电压增益去除，所以，运算放大器的输入电压非常小，实质上为零，u+-u-0，u+u- 例如，如果| Uo|10 V并且A=105 , 那么| u+-u-|10/105=100 V 。因此对任何运算放大器电路来说，正常情况下u+和u-相等，且不超出100V ，或者更小。对于图3.3所示的反相放大器u+接地；故u-0。因此放大器的输入电流为： (3.1)(3)由于u+u-且Ri很大，流入运算放大器的+端口和断口的电流非常小，实质上为零。例如,当 Ri=100 k, |i-|10-4/105=10-9 A. 对于反相放大器，方程（3.2）表示输入电流ii,流经RF,如图3.4所示。这允许我们计算输出电压。RF上的电压为ii RF ，并且因为RF的一端和u-0相连接，这样电压增益为 (3.3)增益表达式中的负号意味着输出相对于输入是负的：输入的正信号将在输出上产生一个负信号，方程（3.3）表明增益取决于RF和R1的比率。这将意味着只有比率而不是单独的RF和R1的值，更有用。如果放大器的输入电阻不重要的话，这将是正确的；但是，放大器的输入电阻经常是十分关键的。反相放大器的输入电阻将遵从方程（3. l）； (3.4)对于电压放大器，输入电阻是一个重要的因素，因为，如果Ri太小时信号源（ Ui ）会因为Ri而过载。因此，在设计中R1必须足够的高以便能避免它的负载问题。一旦R1固定，可以选择RF来获得所需的增益。因为单个的电阻值影响到放大器的输入电阻，所以它们就变得重要了。让我们设计一个反相放大器来得到-8的增益。输入信号来自于一个输出电阻为100 的电压源。为了减少负载，输入电阻R1必须远大于100。为了减少5 %的负载，我们将设定R1=2 000。为了获得的-8的增益（考虑到负载，实际上仅为-8的95 %），我们要求RF=82 000=16 k。反馈效果决定了放大器的特性。当输入电压的时候，u-的值将增加。这将导致Uo在相反的方向上迅速增加。这个负的电压将一直增加，直到Uo通过RF在输入端的效果能抵消Ui通过R1对其产生的效果为止。换句话说，输出将通过RF自我调节以减小通过Ui流入R1的任何电流，由于运算放大器的输入电流非常小。这样输出仅仅取决于RF和R1 。(2)同相放大器。如图3.5所示的同相放大器，其输入连接在输入端上。来自于输出的反馈仍连接在运算放大器的输入端上，正如负反馈所需的那样。为了确定增益，我们应用上文所述的假定。 (1)因为u+u- , 则有 u-Ui (3.5)(2)因为i-0, RF和R1上有同样的电流。因此Uo和u-间有一个电压分配的关系 (3.6) 结合等式(3.5)和 (3.6)，我们确定增益为 增益表达式前的号强调放大器的输出具有和输入相同的极性：正的输入信号产生正的输出信号。又一次我们看到RF和R1的比率决定了放大器的增益。当一个电压加到放大器上时，输出电压迅速地增加，并将一直上升直到R1上的电压值达到输入电压值。这样很小的输入电流流入放大器，并且增益仅仅取决于RF和R1。同相放大器的输入电阻将非常高，这是因为放大器的输入电流也是运算放大器的输入电流，而i+必须非常小。用这个电路可以很简单地获得超过1 000 M的输入电阻。这个高输入电阻的特点是同相放大器的一个重要优点。3.2.3有源滤波器（l）什么是有源滤波器？有源滤波器把放大器和滤波器结合在一起。我们以前研究过的RC滤波器叫做无源滤波器，因为它们仅仅提供了过滤功能。有源滤波器用一个运算放大器来提供增益，同时在输入和反馈电路中加入电容以形成滤波器特性。前面我们推出了时域中的反相放大器的增益特性。在图3.6中我们画出了频域里的图。我们可以很容易地把前面的推导转化到频域中： 因此，滤波函数， Fu () ，是两阻抗的比率，一般来说，它将给出增益以及滤波效果。我们能把负号写作180，因为在频域中反相等于相位移了180。(2)低通滤波器。将RF与一个电容并联（见图3.7）将会在高频时降低ZF并因此降低放大器的增益；从而，这个电容器把反相放大器和增益一起转换成低通滤波器。我们可以写出(3.8)则增益为：这里Au=- RF /R1是没有电容器时的增益， c=1/ RFCF是截止频率。放大器的增益近似恒定，直到频率超出c，在此以后增益将随着增加而降低。这个滤波函数的波特图如图3.8所示，在这个例子中RF =10k, CF =1 F。(3)高通滤波器。图3.9表示的高通滤波器用一个电容器与R1串联以减少低频的增益。分析的细节将被留做一个问题。这个滤波器的增益是： 这里Au=- RF /R1是没有电容器时的增益，c=1/ R1C1是截止频率，低于这个频率时放大器的增益减小。这个滤波特性的波特图如图3.10所示。 (4)其他的有源滤波器。通过使用更先进的技术，我们可以模拟RLC带通滤波器，并且通过使用附加的运算放大器，可以获得许多复杂的滤波器特性。讨论这类应用超出这本书的范围，但在许多介绍电路和给出有关有源滤波器的设计信息的手册上有这方面的知识。3.2.4模拟计算机微分方程经常通过积分求解。积分可以在数字计算机上用解析法，或数学方法求解。积分也可以用运算放大器电路来求解。实际上，运算放大器最初是为了对微分方程进行积分而研制的。（l）积分器。图3.11里的运算放大器电路用负反馈通过一个电容器来实现积分。我们已经在反馈回路中装载一个初始值电压为U1的电容器，然后在t=0时移去这个预偏置电压。让我们在研究当开关被断开后会发生什么之前，先检查一下电路的初始状态。因u+约等于零，所以u-也大致为零，因此输出电压恒为U1。放大器的输入电流， Ui/R,将流经电压源U1，流入运算放大器的输出端。这样直到开关打开前输出电压仍为U1。在t=0时刻打开开关，输入电流将流经电容器，因此Uc为：则电路的输出电压为：除了负号，输出是对Ui的积分然后乘以1/RC ，通过选择合适的R和C值可以得到任何期望的值。(2)比例，求和。用模拟计算机方法解简单的微分方程时我们需要另外两个电路。比例常数是指乘以一个常数，比如：U2=KU1，此处K是一个常数。这是放大器的一个等式，因此我们用图3.3里的反相放大器来实现号，或者用图3.5里的同相放大器实现号。加法器产生两个或更多的信号的加权和。图3.12为有两个输入的加法器。我们可以通过应用前面理解反相放大器时的同样原理来理解电路的运算。因为u-0 ，流经R1和R2的电流和为： （3.11）输出电压将自我调整以得到流经RF的电流，因此输出电压为： 则输出是U1和U2与各自的增益因子， RF/R1和RF/R2 ，相乘后的和。如果不需要加法器产生的反相的话，可在加法器后跟一个增益为-1的反相比例器。很明显，我们能加入其它和R1、R2并联的输入。在接下来的例子中，我们将把三个信号相加来求解一个二阶微分方程。（3）解微分方程。让我们设计一个模拟计算机电路来解微分方程 and(3.12) 除最高阶导数项外把其余的都移到右侧得到：(3.13)图3.13为解方程（3.12）的电路。电路用两个积分器来对方程（3.13）左边项进行积分，一个加法器来表示右边，两个反相器来纠正符号。同相输入接地，并且输入和反馈都和运算放大器的反相输入端相接。因此，我们仅仅看到了那些反相输入。用d2u/dt2做积分器的输入，第一个积分器的输出将是du/dt （如方程（3.13）中那样，电池给出了3 V的初始条件），因此，第二个积分器的输出将为+u （具有-2 V的初始条件）。这个输出和负的du/dt，以及传动函数cos10t一起被加入加法器，在加法器中cos10t也必须被反相来抵消负号。连接三个信号到加法器里的输入电阻产生方程（3.l3）里的有关加权因子，从此，加法器的输出代表了方程（3.l3）的右边部分。因此我们把那个输出和我们的“输入” d2u/dt2接在一起来满足方程（3.l2）。为了观察方程的（3.l2）解，我们仅在t =0时刻打开开关。明显地，这些技巧能用到高阶方程中。模拟计算机复杂的应用需要各种各样的改进。经常情况下，被解的方程是在时间上（时间在计算机上被加快，或被减慢）进行比例计算以适应实际的电阻和电容的值。同样，电压和电流值在计算机允许的范围内也可进行比例运算以求得未知数。在下一节中我们介绍怎样通过模拟的方法用非线性运算来求解非线性微分方程。3.2.5运算放大器的非线性应用运算放大器能和譬如二极管和晶体管之类的非线性电路元件组合在一起制成各种有用的电路。下面我们讨论一些这样的应用。更多的电路在标准手册和制造商的产品应用说明中有详细叙述。改进的半波整流器。图3.14里的运算放大器驱动一个半波整流器。当输入电压为负时，运算放大器的输出将为负，二极管将关断；所以，输出是零。当输出为正时，二极管将导通，因为图3.5所示的电路在RF =0时起同相放大器的作用，故输出和输入一致。运用运算放大器将有效的减少二极管的导通电压。如果输入电压大于0.7/A，此处A是运算放大器的电压增益，输出电压将超过0.7 V，并且二极管将导通。所以，导通电压有效地减少到0.70.7/A范围内。这个电路不能用在有源电路中；相反，在检波器或其它检测小信号的电路中使用它更合适些，其中二极管的导通电压将是一个问题。 第四章 数字电子学4.1 数字思想 4.1.1 什么是数字信号(1)一个历史故事。“听着孩子们,你们将听到保罗里维尔午夜策马飞奔的传奇”根据朗费罗诗中所述，保罗瑞维尔骑马通过新英格兰农村送出来自波士顿老北教堂的信号。“如果从陆路为1，如果从海路则为2。也就是说，若英国的军队从波士顿顺路朝着康克德挺进，则点一盏灯；如果他们穿过神秘河走迂回路线则点两盏灯。爱国者们收到的消息就是数字形式的编码。我们今天将说这两个“位”的信息通过代码运载传送(严格地说， 二位能表明4个可能消息，并且要求可分辨的灯，一个红灯和一个白色的灯) 第一盏信号灯用信号表示英军在前进。第二盏信号灯表示他们以什么样的路线前进。因为仅仅有两条前进的路线可供考虑，所以信息的第二位可用来指示两条路线中的一条。如果信息能够被定义为一系列是/否状态的话，它就能够以数字的形式交流。每个用来传递信息的变量仅有两个状态。把信息简化为一系列是/否状态似乎是对这种方法的严格限制，但是这种方法实际上非常有效。数字可以以2为基数表示，字母可以用数字码形式表示。实际上，任何具有有限个结果的情况都能被简化为一个数字编码。特别地，n个数字位能代表2n个可能的结果状态。正如我们的历史故事中那样，数字通讯可以采用一个末端双方都知道了的定义好的编码。（2）里维尔通信编码的分析。为了进一步树立数字信息的思想，我们将定义两个描述保罗里维尔通信系统的数字变量。令B表示英国人是否来了，L表示他们行进的路线，假定他们正在来。 数学变量B和L不是普通的数学变量，因为每个都只能有两个值。我们可以用我们希望的任何名字来称这两个值：是/否，正确/错误，1/0，高/低，甚至黑/白。当这种类型的数学主要用来通过逻辑符号分析哲学问题时，根据被描述的逻辑命题的合理性，我们称变量的值为正确或错误。最近，1/0已经成了工程师和程序员在处理数字编码时的首选。这些命名有一个明显的优点，即与代表数字信息的二进制（以2为基数）系统相适应；但这些命名偶尔会给数字系统的讨论带来混淆。然而，我们将用 1/0 或 one/zero 作为我们的数字变量B和L的两种可能状态。那么B和L的定义为：B = l 如果英国人来B =0 如果英国人不来L = l 如果由海路来L = 0 如果从陆路来第一个信号灯（B）单独地决定了他是否应该骑上马。当第一个信号灯出现的时候，他骑上他的马。但直到第二个信号灯（L）出现（或者没能出现）前他不能离开，因为第二个信号灯揭示了英国人的路线，所以定义了被宣布的部分信息。 （3）用电学上的方法表示数字信息。在数字电子学中，用逻辑电平表示数字变量。在任何给定的时间内，期望电压有一个值或另一个值，更确切的说是正好在一个区域或另一个区域内。在典型的系统中，0 V和0.8 V之间的电压将被看成零，0.8到2V之间的电压禁止出现；也就是说，如果电压落在此范围内，你就知道数字装备需要修理。这些定义如图4.1所示。作为数字电路的一个实例，我们将把放大器开关看成一个非门电路。非门电路的输出是数字补码，或输入的相反值。首先我们将用真值表表示非门电路的定义。这如用图4.2所示：A代表输入，它可以为1或0；B代表输出，它也可以为1或0，但要取决于输入。非或