第1章电子系统概述.ppt

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1、12010年9月 熊 兰 电气工程学院电子技术课程组第1章电子系统概述现在学习的是第1页，共44页 电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。包括：模拟电子技术主要讨论线性电路；数字电子技术着重讨论脉冲与数字电路。本课程是电气工程、计算机、自动化等专业的技术基础课程，使学生掌握必须具备的电子技术基础理论知识及基本技能，初步掌握阅读和分析简单电子电路原理图的一般规律，电子电路的设计，了解电子技术在专业中的应用。前 言现在学习的是第2页，共44页本课程的特点和学习要求1.内容多、学时少2.概念抽象，较难理解和掌握3.知识相关性强、各知识点紧密联系 上课认真记笔记或标注，课后复习、预习、作

2、业 及时解决疑问，系统学习现在学习的是第3页，共44页参考教材和资料 1.电子技术基础-模拟部分（第5版）主编：康华光，高等教育出版社，2006年01月。2.电子技术基础模拟部分(第5版)-同步辅导及习题全解 主编：夏应龙，中国矿业大学出版社，2007年08月 3.模拟电子技术基础（第4版）主编：童诗白，华成英，高等教育出版社，2006年1月 4.模拟电子技术基础（第4版）习题解主编：华成英，高等教育出版社，2007年3月现在学习的是第4页，共44页特别要求 1.保持良好的课堂纪律，不迟到、早退、旷课、闲聊，手机静音。2.作业认真，书写工整规范，特别强调要独立完成。3.积极参加答疑，及时反馈意

3、见。现在学习的是第5页，共44页模拟电子技术：半导体器件、放大器、集成运算放大器、波形发生器、直流稳压电源。数字电子技术：门电路、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路、半导体存储器和可编程逻辑器件、脉冲波形的产生与变换、数模与模数转换器。课程内容体系现在学习的是第6页，共44页1.1 电力系统与电子系统1.2 信号及其频谱1.3 电子系统组成框图1.4 电子技术及其发展概述第1章 电子系统概述现在学习的是第7页，共44页1.1 1.1 电力系统与电子系统电力系统与电子系统 电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。主要作用：实

4、现电能的生产、变换、传输、分配和使用。6.3,10.5kV3.15kV6.3kV,10.5kV400/230V1000,500,330,220,110,35kV现在学习的是第8页，共44页 发电厂3.15kV6.3kV10.5kV13.8kV18kV升压输电线220kV330kV500kV1000kV降压变电站3kV6kV10kV降压用户（日常/生产）3kV6kV 380/220V36V降压我国电力系统的发输配电变压器电压等级现在学习的是第9页，共44页发电厂：通过发电机等设备将一次能源转换成电能。水利发电厂：水的势能电能 现在学习的是第10页，共44页火力发电厂：化学能（燃烧煤、石油等）电能

5、核电厂：原子能电能。现在学习的是第11页，共44页 输电网和配电网输电网和配电网是由电力变压器、电力线路、电力开关设备和电力电容器等是由电力变压器、电力线路、电力开关设备和电力电容器等组成的、跨越广大地理区域的一个巨大电路。组成的、跨越广大地理区域的一个巨大电路。变电站：变压器，电容器，电力开关设备现在学习的是第12页，共44页变电站：变压器，电容器，电力开关设备现在学习的是第13页，共44页输电线路：杆塔，绝缘子，导线现在学习的是第14页，共44页 发电厂和变电所的电气设备分为一次设备和二次设备。一次设备（也称主设备）是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送和分配电能的设备，包括发电机、电力

6、变压器、断路器、隔离开关、电力母线、电力电缆和输电线路等。一次设备及其连接的回路称为一次回路。二次设备是对一次设备进行控制、调节、保护和监测的设备，它包括控制器具、继电保护和自动装置、测量仪表、信号器具等。二次设备通过电压互感器和电流互感器与一次设备取得电的联系。二次设备按照一定的规则连接起来以实现某种技术要求的电气回路称为二次回路。电力系统还包括为保证其安全可靠运行的继电保护和安全自动装置,调度自动化和通信等辅助系统(又称二次系统)。电力系统的构成现在学习的是第15页，共44页 电子电路是由电子元件组成的、实现特定功能的电路。电子系统是由电子电路和传输介质组成的、完成特定功能的整体。电子系统

7、现在学习的是第16页，共44页计算机主板现在学习的是第17页，共44页 与电力系统处理能量不同，电子系统的主要作用是实现电信号的产生、获取、放大、变换、传输、识别和应用等功能（或部分功能），处理的对象是电信号。信号是随时间变化的某种物理量，是信息的表现形式与传送载体。例如，体温反映人的健康信息，体温37oC表示健康，38oC表示略有小疾。一般情况下，用电子系统处理电信号(电压或电流)比其他方式（如机械方式）容易、成本低和可靠性高，故通常将各种非电信号转换为电信号再进行处理。因此，电子系统成为信息化社会的物质基础，例如通信系统、电视系统、计算机系统和工业控制系统等。电子系统现在学习的是第18页，

8、共44页有线扩音系统拾音器音频放大器扬声器传感器(或换能器)：将非电信号转换为电压或电流信号，是电子系统实际的信号源之一。音频放大器：实现电压和功率放大的电子电路。电压（弱）电压（强）声音（强）声音（弱）执行器：将电信号还原为原始的非电信号的部件，去影响物理世界。通常用电阻模拟，作为电子系统的负载。end 电子系统现在学习的是第19页，共44页1.2 信号及其频谱信号及其频谱1.2.1 信号1.2.2 信号的频谱电路的组成信号源负载电 子系 统现在学习的是第20页，共44页 信号是随时间变化的某种物理量，是信息的表现形式与传送载体。传感器作为电子系统的一种实际信号源，可等效为电压源或电流源，是

9、时间的函数。R+-)(tvR)(ti1.2.1 信 号电压源电流源现在学习的是第21页，共44页 如果电压（或电流）在某个值域内可连续取值则称为连续信号或模拟信号。例如，电压是时间的正弦函数)sin()(tVtvm 值域:-Vm,+Vm 如果电压（或电流）在某个值域内只能是某个单位量的整倍数则称为离散信号或数字信号。例如，单位量为1mV，数字电压信号的幅值只能是0 mV、1 mV、2 mV、n mV。)(tv)(tv)(tvtoto 模拟信号to 多值数字信号二值数字信号1.2.1 信 号现在学习的是第22页，共44页 模拟电路（Analog Circuit）是处理模拟信号的电子电路，是模拟电

10、子技术基础要讨论的主要内容。数字电路(Digital Circuit)是处理数字信号的电子电路。模数转换电路(Analog to Digital Converter,ADC)是实现模拟信号转换为数字信号的电子电路。数模转换电路（Digital to Analog Converter,DAC)是实现数字信号转换为模拟信号的电子电路。通常，数字电路、模数转换电路和数模转换电路是数字电子技术基础要讨论的主要内容。end1.2.1 信 号现在学习的是第23页，共44页1.2.2 信号的频谱信号承载的重要信息之一是其频谱信息。角频率相位，幅度信息：例如,)sin()(,mmVtVtv正弦信号常作为模拟电

11、路的标准信号或测试信号。幅度频谱：信号幅度与频率的关系相位频谱：信号相位与频率的关系幅度频谱和相位频谱统称为信号的频谱。1.2.1 信 号现在学习的是第24页，共44页1.2.2 信号的频谱1.周期信号的频谱如果信号是时间的周期函数则称为周期信号。)()(,Ttvtvv例如Tf1T-信号的周期-信号的频率周期性正弦信号波形周期性方波信号波形0ut0ut1.2.1 信 号1.2.2 信号的频谱1.周期信号的频谱现在学习的是第25页，共44页;)(00存在Tttdttv 如果周期信号满足狄里赫利条件（Dirichlets Condition），则可展开为傅里叶级数。狄里赫利条件：在任意周期内绝对可

12、积，即在任意周期内只有有限个极值；在任意周期内只有有限个不连续点；nnnnnnTttTttnTttnnnnnnnbabaVdttvTaVdttntvTbdttntvTaTftnVVtnbtnaatvarctan)(1)sin()(2)cos()(2122:)sin()sin()cos()(220000001000100000000角频率直流分量n=1基波分量n1谐波分量交流分量1.周期信号的频谱现在学习的是第26页，共44页例如：周期性方波信号可以分解为无数个谐波分量的累加。基波直流分量+基波t三次谐波直流分量Us/2u0Us周期性正弦信号波形周期性方波信号波形0ut0ut1.周期信号的频谱现

13、在学习的是第27页，共44页例 求电压周期方波信号的傅里叶级数。TntTnTntnTVtvS)1(2)12(02)12()(000002125sin523sin32sin22)(fTtVtVtVVtvSSSS解：toVST2ToVn()VS/203050o03050波形幅度谱相位谱)(tv)(n同一电路对不同频率的信号的响应是相同的吗？1.周期信号的频谱现在学习的是第28页，共44页212201)21(1VRVVRPnn)21(1220nnVVV2/nV周期电压信号作用到电阻R上的平均功率P为 V是电压信号的有效值，总平均功率等于各次分量平均功率之和。是各次正弦波的有效值。所以,信号的幅度谱反

14、映了信号的功率分布，是信号最重要的特性之一。1.周期信号的频谱现在学习的是第29页，共44页 如果周期T趋于无穷大，则周期信号变化为非周期信号。因此，非周期信号的角频率0=2/T是无穷小量，信号的频谱将在角频率轴上连续分布。2.非周期信号的频谱dttv)(如果模拟信号绝对可积，即则存在傅里叶变换对:1)(21)()()(jdejVtvdtetvjVtjtj V(j)即是非周期信号的频谱。其中V(j)是相位谱，|V(j)|是幅度谱，|V(j)|2是功率谱。1.2.2 信号的频谱现在学习的是第30页，共44页例 求电压单脉冲信号的频谱:(参见信号与系统课程)ttVtvS0)(2sin2)()(St

15、jStjVdteVdtetvjV解:)(tvtoVS-幅度谱是连续分布的，并且脉冲宽度（2）越窄，高频分量越多；频谱幅度与脉冲幅度和脉冲宽度之积（VS）成正比。o|V(j)|VS2462.非周期信号的频谱现在学习的是第31页，共44页 在工程实际中，信号作用的时段通常是有限的，满足绝对可积条件，信号的频谱总是存在的。对工程实际问题有重要影响的信号称为有用信号(有效信号),通常有用信号的频谱范围是有限的。表1.2.2 典型信号的频率范围信 号频率范围信 号频率范围心电信号0.05Hz200Hz调频无线电信号88MHz108MHz音频信号20Hz20kHz超高频电视信号470MHz806MHz模拟

16、电视信号直流4.5MHz卫星电视信号3.7GHz4.2GHz调幅无线电信号540kHz1600kHz1.2.2 信号的频谱现在学习的是第32页，共44页 电子电路总是处在复杂的电磁环境中。因此，除了有用信号外，工程实际问题中还存在干扰和噪声信号。3.干扰和噪声信号的频谱 自然界的雷电、电力输电线路、无线电台和电视台、电动机的起停等产生的电磁现象必然在电子电路中产生电压或电流脉冲信号，它们对电子电路的正常运行产生干扰，称为干扰信号，其频谱分布与单脉冲信号相似，包含有丰富的高频分量。)(tvtoVS-o|V(j)|VS2461.2.2 信号的频谱现在学习的是第33页，共44页 噪声是指电子不规则运

17、动引起的对有用信号的扰动。例如，在电阻材料中电子总是在做无规则的热运动，对外电压引起的定向运动电流形成扰动电流。-热噪声。+-i0ti(t)0I(j)均匀谱 当有用信号远大于噪声时，可忽略噪声信号。相反，有用信号被淹埋在噪声信号中。所以，噪声信号限制了电子系统所能处理的最小信号。3.干扰和噪声信号的频谱1.2.2 信号的频谱现在学习的是第34页，共44页+-i0ti(t)0I(j)均匀谱 评价信号优劣的指标是信噪比S/N，定义为有用信号的功率与噪声信号的功率之比。信噪比越大，信号越好。评价电子系统对噪声和干扰的抑制能力用输出信号的信噪比(S/N)o除以输入信号的信噪比(S/N)i，商越大，抑制

18、能力越强。3.干扰和噪声信号的频谱1.2.2 信号的频谱现在学习的是第35页，共44页1.3 电子系统组成框图传感器信号预处理模拟信号处理子系统数字信号处理子系统执行器模数转换数模转换传感器将工程实际涉及的某些物理量转换为电信号。为了避免对物理量的影响，传感器摄取的能量很小，输出的电信号很弱（如微伏级或毫伏级的电压），且信号伴随着噪声信号。信号预处理：包括信号幅度的放大和滤除干扰及噪声信号。例如：在线检测：变压器油中气体、变压器防盗、开关柜中的温度分布；电缆故障定位与测距现在学习的是第36页，共44页传感器信号预处理模拟信号处理子系统数字信号处理子系统执行器模数转换数模转换信号处理操作：包括对

19、信号的放大，运算（加法、减法、乘法、积分和微分等），各种函数变换，频谱变换，逻辑运算等。理论上，各种信号处理操作都可以用模拟或数字方式实现。执行器电信号还原成某种物理量，实现对工程实际的某种操作。1.3 电子系统组成框图现在学习的是第37页，共44页1.4 电子技术及其发展概述 电子学或电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学和技术。电力系统主要是利用电子在金属中的运动规律构成电能的生产、传输和使用等电气设备。电子器件是利用电子在真空或半导体中的运动规律构成特定功能的器件。目前，半导体器件是电子器件的主体，包括半导体二极管、三极管、集成电路等。电子电路广泛地应用于通信、计算机、自动控制、

20、广播电视、遥感和遥测等工程中，形成相对独立的电子工程体系。现在学习的是第38页，共44页库伦（Coulomb，17361806，法国）：库仑定律。库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段。安培（Ampere，1775-1836，法国）：安培定律、安培定则和分子电流等。著书电动力学现象的数学理论。欧姆（Ohm，1787-1854，德国）：在金属导电定律的测定的论文论述了欧姆定律。奥斯特（Oersted，1777-1851，丹麦）：电流磁效应。高斯（Gauss，1777-1855，德国）：高斯发明了磁强计，第一个电话电报系统。在数学方面有巨大的贡献。法拉第（Faraday，1791-1867，英国

21、）：磁电感应。电气工程和电子工程的诞生归功于许多科学巨人的开创性的研究成果。1.4 电子技术及其发展概述现在学习的是第39页，共44页亨利（Henry，1797-1878，美国）：发现自感现象。研究电磁中继理论，是电报的基础。麦克斯韦（Maxwell，1831-1879，英国）：麦克斯韦方程，提出了统一的电磁理论，预测了电磁波可以在空间中传播和光是一种电磁波。赫兹（Hertz，1857-1894，德国）：1888年，用火花间隙振荡器产生了电磁波（赫兹波），证实了麦克斯韦的预测。马可尼（Marconi，1874-1937，意大利）：1896年，成功地发射赫兹波，并在2英里外检测到赫兹波，无线电报

22、初露端倪。电气工程和电子工程的诞生归功于许多科学巨人的开创性的研究成果。1.4 电子技术及其发展概述现在学习的是第40页，共44页在研究有效地进行无线电通信的过程中，电子技术时代悄然到来 洛伦兹（Lorentz，1853-1928）：1895年，假定了电子存在。汤普森（Thompson，1856-1940）：1897 年，通过实验发现了电子。弗莱明（J.A.Fleming，1849-1945）：1904 年，发明了真空电子二极管(diode)，用于检测微弱的无线电信号（电磁波）。福雷斯特（Forest，1873-1961）：1906 年，发明了具有放大作用的真空电子三极管。此后的近半个世纪，真

23、空电子器件在无线电通信中得到广泛的应用，并逐渐扩展到无线电广播、电视和计算机等工程领域。1.4 电子技术及其发展概述现在学习的是第41页，共44页 世界上第一台数字电子计算机于1946年在美国研制成功，IBM公司将其取名为爱尼亚克（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）。这台计算机使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格40多万美元。每秒可进行5000次加法和减法运算，把计算一条弹道的时间缩短为30秒。ENIAC服役长达9年。1.4 电子技术及其发展概述现在学习的是第42页，共44页 194

24、7 年底美国贝尔实验室的肖克莱（Shockley，1910-1989）、布拉顿（Brattain，1902-1987）、巴丁（Bardeen，1908-1991）发明了晶体管。电子管制造复杂，成本高，体积大，耗电多。在大多数领域中电子管已逐渐被晶体管取代，真空管时代结束,晶体管时代诞生。他们三人也因为发明晶体管而荣获1956年的诺贝尔物理学奖。1.4 电子技术及其发展概述现在学习的是第43页，共44页 在1958年,美国的基尔比（Kilby，1923-2005）和诺伊斯（Noyce，1927-1990）间隔数月分别发明了集成电路（Integrated Chip,IC）。第一个锗材料集成电路放大器。标志着电子技术发展到了一个新的阶段-微电子技术时代（Microelectronics）。基尔比也因为发明集成电路而在2000年荣获诺贝尔物理学奖。集成电路技术是通过一系列特定的加工工艺，将电子电路“集成制造”在一块半导体晶片上，执行特定的电路或系统功能。集成电路实现了材料、元件、电路三者之间的统一。优点：成本低、功耗小、工作速度快、可靠性高、体积小。1.4 电子技术及其发展概述现在学习的是第44页，共44页