《电子技术基础（第2版）》 课件 第1章 绪论

第1章绪论1.1电子技术的发展与应用领域1.2信号与电子系统1.3电子电路的辅助分析与设计软件1.电子技术的发展1.1电子技术的发展与应用领域

从电子整流装置到集成电路，电子技术的发展已经有100多年的历史。从工程应用角度，可以用主要电子元器件的发展与应用作为电子技术发展各阶段的里程碑。

（1）电子管阶段。电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中电子流的作用获得信号放大或振荡的电子器件。电子管早期应用于电视机、收音机、扩音机等电子产品，现在已被晶体管和集成电路所取代。

（2）半导体分立元件阶段。与电子管相比，半导体器件（二极管、三极管、场效应管）的体积大大缩小，从而使得电子系统的体积也大大缩小，电子系统所消耗的功率也明显降低，系统的效率得到了很大提高。

（3）集成电路阶段。1958年，美国TI公司工程师JackKilby发明了第一块模拟集成电路。集成电路的发明，是电子技术发展的重要里程碑。集成电路技术不仅大大缩小了电子系统的体积，减小了功率损耗，进一步扩大了电子技术的应用范围，还提供了更加简单的应用技术。2.电子技术的应用领域

在现代工程技术中，只要把任何其他形式的信号转变为电信号（大部分是电压信号），都可以使用电子技术对其进行处理。从信息传输和处理的角度，所有工程系统都可以看成一个信号和信息处理系统，而任何信息处理，都可以看成对输入信号进行某种数学运算。实现信号和信息处理的最好办法，是使用电子技术的理论与知识设计出相应的电子系统。

（1）通信系统。现代通信系统本身就是一个复杂的电子系统，所有通信设备无一例外都是电子产品，如电话机、电视机、寻呼机、移动电话等。

（2）控制系统。现代控制系统的基本实现技术之一就是电子技术。利用集成电路设计与制造技术，可以把控制系统集成在单片的集成电路中，实现信息对系统设备运行的智能控制。特别是在智能控制领域，如机器人、自动驾驶系统等，电子技术已经成为必不可少的基本实现技术。

（3）信息处理系统。信息处理系统的基本处理设备是由电子技术所支持的硬件来实现的，如各种计算机和计算设备、嵌入式系统、显示设备、网络设备等。

（4）测试系统。由于电子技术的信号处理能力十分强大，特别是电子系统的计算功能强，因此电子技术在测试系统中占有十分重要的地位。从传感器到测试仪器，几乎所有的测量系统都离不开电子技术。

（5）计算机。计算机实际上是一个软件控制下的复杂电子系统。在硬件的支持下，通过运行相应的软件，计算机可以完成十分复杂的信号和信息处理任务。

（6）生物医学电子系统。在生物医学工程中，生物医学电子系统是各种生物医学仪器的基本实现技术，也是现代信息医学和定量医学的重要技术基础。除此之外，近年来基因技术和生物技术的发展，促使了生物芯片的产生。

另外，还有许多其他应用领域，如家用电器、机电一体化、农业机械等，此处不再一一列举。1.2信号与电子系统1.2.1信号信息：信息是指人类社会和自然界中需要传送、交换、存储和提取的抽象内容。信息具有抽象性，为了实现交换和传送，必须通过一定的表现形式将它表示出来。人们把表示信息的语言、文字、图像、数据等称为消息，而信息是消息之中赋予人们新知识与新概念的内容。信号：我们把声、光、电等运载消息的物理量称为信号。因此，信号就是表示消息的物理量，它是运载消息的工具，是消息的载体。在作为信号的众多物理量中。

电信号：电信号是指随时间变化而变化的电压u或电流i，在数学描述上可将其表示为时间t的函数，并可画出其随时间变化的波形。电子电路中的信号均为电信号，以下简称信号。电信号是应用最广泛的物理量，因为它容易产生、传输和控制，也容易实现与其他物理量的相互转换。因此，我们通常所指的信号主要是电信号。非电信号（如声音、压力、光强、流量、速度等）可以通过各种传感器较容易地转换成电信号。1.2.2模拟信号和数字信号

对信号的分类方法很多，按数学关系、取值特征、能量功率、处理分析、所具有的时间函数特性、取值是否为实数等，可以分为确定性信号和非确定性信号（又称随机信号）、连续信号和离散信号（模拟信号和数字信号）、能量信号和功率信号、时域信号和频域信号、时限信号和频限信号、实信号和复信号等。电子电路中主要讨论的是模拟信号和数字信号。

（1）模拟信号是指信号波形模拟了信息的实际变化过程，主要特征是其幅度是连续的，可取无限多个值；在时间上可连续，也可不连续。它的数学表达式较复杂，如正弦函数、指数函数等。图1-1（a）所示为典型的模拟信号。

传输、处理模拟信号的电路称为模拟电路。模拟电路中主要关注输入与输出信号间的大小、相位、失真等方面的问题。

电子系统中一般均含有模拟和数字两种构件。模拟电路是系统中必需的组成部分。但是，为了便于存储、分析或传输信号，数字电路更具优越性。图1-1（a）模拟信号

（2）数字信号是指时间和数值上都不连续变化的信号，即数字信号具有离散性，如图1-1（b）所示。交通信号灯控制电路、智力竞赛抢答电路，以及计算机键盘输入电路中的信号都是数字信号。对数字信号进行传输、处理的电路称为数字电路。数字电路中主要关注输入、输出之间的逻辑关系。

大多数物理量经传感器转换后都成为模拟信号，且如今的自动化控制系统都是以计算机为核心的电路系统，计算机内部是典型的数字化电路，因此，首先需要对模拟信号进行数字化处理，将其转换为计算机能够识别的数字信号，经计算机处理后的信号，通常还要转换为能够驱动负载的模拟信号。图1-1（b）数字信号

1.2.3电子系统1.电子系统的组成

用不同种类、不同功能的电路构成具有特定功能的仪器、设备，这样的系统称为电子系统。

图1-2所示为典型的电子系统组成示意图。它是模拟-数字混合系统，信号的提取、预处理、加工、驱动与执行由模拟电路完成，计算机或其他数字系统由数字电路组成，A/D转换、D/A转换为模拟电路和数字电路提供了接口。图1-2电子系统的组成示意图

系统首先采集信号，即进行信号的提取。通常，这些信号来自用于测试各种物理量的传感器、接收器，或者来自信号发生器。对于实际系统，传感器或接收器所提供的信号的幅值往往很小，噪声很大，且易受干扰，有时甚至分不清哪些是有用信号，哪些是干扰或噪声。因此，在加工信号之前，需对其进行预处理。进行信号的预处理时，要根据实际情况利用隔离、滤波、阻抗变换等各种手段将信号提取出来并进行放大。当信号足够大时，再进行信号的运算、转换、比较等不同的加工。最后，还要经过功率放大，以驱动执行机构（负载）。若要进行数字化处理，则首先通过A/D转换电路将预处理后的模拟信号转换为数字信号，输入计算机或其他数字系统，处理后，再经D/A转换电路将数字信号转换为模拟信号，以便驱动负载。图1-2电子系统的组成示意图

2.电子系统中的模拟电路

从对信号的分析可知，对模拟信号最基本的处理是放大，而且放大电路是构成各种功能不同的模拟电路的基本电路。图1-3所示为电子系统中常用的模拟电路及其功能。（1）放大电路：用于电压、电流或功率信号的放大。（2）滤波电路：用于对不同频率信号的提取、变换或抗干扰。（3）运算电路：完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算。（4）信号变换电路：改变信号的变化规律，将电流与电压信号进行相互转换，将直流与交流信号进行相互转换，将直流电压转换成与之成比例的频率等。图1-3常用的模拟电路及其功能

（5）信号发生电路（振荡电路）：用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。（6）取样电路：将随时间连续变化的模拟信号变成离散信号。（7）直流电源电路：将220V、50Hz交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子电路的供电电源。图1-3常用的模拟电路及其功能

3.电子系统中的数字电路

数字电路又叫开关电路或逻辑电路，它利用半导体器件的开关特性使电路输出高、低两种电平，从而控制事物相反的两种状态，如灯的亮和灭、开关的开和关、电动机的转动和停转等。数字电路中的信号只有高、低两种电平，分别用二进制数字1和0（本书中，二进制数均加粗处理）表示，即数字信号都是由0、1组成的一串二进制代码。

数字电路按照逻辑功能的不同分为两大类，即组合逻辑电路和时序逻辑电路。计算机的硬件系统就是典型的数字电路，其内部的各个部件都是这两种功能的数字电路，例如，编码器、译码器、加法器、数值比较器、数据选择器、数据分配器等是组合逻辑电路，寄存器、计数器等是时序逻辑电路。

随着电子计算机技术的发展，模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电路板、集成电路版图等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。而大规模集成电路的发展，使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求，所以采用计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）来完成电路的设计已经势在必行。同时，计算机以及适合计算机系统的电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation，EDA）软件的迅速发展，使得CAD技术逐渐成为提高电路设计速度和质量的不可缺少的重要工具。EDA技术自20世纪70年代开始发展，其标志是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的SPICE于1972年研制成功，并于1975年推出实用化版本。当时，EDA技术仅适用于模拟电路的分析，而且只能用程序的方式输入。此后，在扩充电路分析功能、改进和完善算法、增加元器件模型库、改进用户界面等方面做了很多实用性的工作，使之成为享有盛誉的电子电路辅助设计工具，1988年被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用仿真软件应运而生，常用的有PSpice和Multisim。1.3电子电路的计算机辅助分析和设计软件PSpice是较早出现的EDA软件之一，1985年就由Microsim公司推出。在电路仿真方面，它的功能非常强大，在国内被普遍使用，现在使用较多的是PSpice 9.1版本，其工作于Windows环境，整个软件由电路原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各个部分有独立的窗口。PSpice软件具有强大的电路原理图绘制、电路模拟仿真、图形后处理和元器件符号制作功能。该软件以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路；用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电路、信号与电子系统等课程的计算机辅助教学；与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。1.3.1PSpice

EWB（ElectronicsWorkbench）是基于PC平台的电子设计软件，它提供了一个功能全面的SPICE仿真系统，支持模拟和数字混合电路的分析和设计，创造了集成的一体化设计环境，把电路原理图的输入、仿真和分析紧密结合起来。系统将SPICE仿真器完全集成在电路原理图输入和测试器等工具之中。与其他Windows环境下的系统软件类似，它具有图形化界面，提供按钮式的工具栏，各个菜单中各个选项的物理意义一目了然。在输入电路原理图时，自动将其编辑成网络表传送到仿真器中，加快了建立和管理的时间。在仿真过程中，若改变设计，将会立刻获得该变化所带来的影响，实现了交互式的设计和仿真。Multisim是EWB的升级版本，它是加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟-数字电路设计工作。它包含电路原理图的图形输入方式和电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了更大的提升。