医学电子学基础.ppt
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1、医学电子学基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望课程安排课程安排n n理论学时理论学时36,实验学时,实验学时18,共,共54学时。周学时。周4学学时,实验安排在周三下午。时,实验安排在周三下午。n n考试课。闭卷考试。考试课。闭卷考试。n n实验成绩按出勤、实验报告等计入总成绩,实验成绩按出勤、实验报告等计入总成绩,占占20分。分。学习建议学习建议n n掌握基本原理和基本分析方法掌握基本原理和基本分析方法n n理论和实验相结合,加深对理论的理解理论
2、和实验相结合,加深对理论的理解n n掌握典型例题掌握典型例题第一章第一章 电路基础电路基础 电路理论是从物理学中的电磁学发展起来的,其电路理论是从物理学中的电磁学发展起来的,其电路理论是从物理学中的电磁学发展起来的,其电路理论是从物理学中的电磁学发展起来的,其基本概念和基本定律是电子技术的基础,分析和综合基本概念和基本定律是电子技术的基础,分析和综合基本概念和基本定律是电子技术的基础,分析和综合基本概念和基本定律是电子技术的基础,分析和综合方法已在仪器设计中得到广泛应用方法已在仪器设计中得到广泛应用方法已在仪器设计中得到广泛应用方法已在仪器设计中得到广泛应用n n第一节第一节第一节第一节 直流
3、电路直流电路直流电路直流电路n n第二节第二节第二节第二节 电路的暂态过程电路的暂态过程电路的暂态过程电路的暂态过程n n第三节第三节第三节第三节 交流电路交流电路交流电路交流电路第一节第一节 直流电路直流电路一一一一.电路的基本概念电路的基本概念电路的基本概念电路的基本概念 电荷在电场作用下的定向移动叫电荷在电场作用下的定向移动叫电荷在电场作用下的定向移动叫电荷在电场作用下的定向移动叫电流电流电流电流(current)(current),习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方,习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方,习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方,习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的
4、方向,而向,而向,而向,而电路电路电路电路(circuit)(circuit)则是电流所流过的路径。则是电流所流过的路径。则是电流所流过的路径。则是电流所流过的路径。形成电流必须具备两个条件,一是电路中有自形成电流必须具备两个条件,一是电路中有自形成电流必须具备两个条件,一是电路中有自形成电流必须具备两个条件,一是电路中有自由移动的电荷由移动的电荷由移动的电荷由移动的电荷(即载流子即载流子即载流子即载流子),二是电路两端必须,二是电路两端必须,二是电路两端必须,二是电路两端必须加有电压。加有电压。加有电压。加有电压。注意:电流及电压的单位及不同单位之间的换算关系。注意:电流及电压的单位及不同单
5、位之间的换算关系。注意:电流及电压的单位及不同单位之间的换算关系。注意:电流及电压的单位及不同单位之间的换算关系。导体两端的电压导体两端的电压与通过它的电流强度与通过它的电流强度的关系称为的关系称为欧姆定律欧姆定律。R(resistance):电阻电阻G(conductance):电电导,导,两者互为倒数。两者互为倒数。电路的组成如图电路的组成如图1-1所示。所示。欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律内电路内电路二二二二.基尔霍夫定律(基尔霍夫定律(基尔霍夫定律(基尔霍夫定律(irchhoffs Law)irchhoffs Law)用于进行复杂电路的计算。用于进行复杂电路的计算。用于进行复杂电路的
6、计算。用于进行复杂电路的计算。支路支路支路支路(branch):(branch):通过同一电通过同一电通过同一电通过同一电流的每个分支电路。流的每个分支电路。流的每个分支电路。流的每个分支电路。节点节点节点节点(nodal point):(nodal point):二条或三二条或三二条或三二条或三条以上通电支路的汇合点。条以上通电支路的汇合点。条以上通电支路的汇合点。条以上通电支路的汇合点。1.1.基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律流入节点的电流之和等于流流入节点的电流之和等于流流入节点的电流之和等于流流入节点的电流之和等于流出节点电流之和。出节点电流之和。出节点
7、电流之和。出节点电流之和。I=I1+I2 I-I1-I2=0n n对于各节点应用基尔霍夫第一定律可以写出对于各节点应用基尔霍夫第一定律可以写出一组电流方程,称为基尔霍夫第一方程组,一组电流方程,称为基尔霍夫第一方程组,通常记为通常记为I=0 n n其中其中流入节点的电流规定为正,流出节点的流入节点的电流规定为正,流出节点的电流为负电流为负。在应用第一定律时,如果支路电。在应用第一定律时,如果支路电流的方向不能预先确定,可以先任意假定一流的方向不能预先确定,可以先任意假定一个方向,最后由计算结果来确定它的实际方个方向,最后由计算结果来确定它的实际方向,如果计算值为正,则实际方向与假设方向,如果计
8、算值为正,则实际方向与假设方向相同;如果计算值为负,则实际方向与假向相同;如果计算值为负,则实际方向与假设方向相反。设方向相反。2.基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律n n在分支电路中,任一闭合路径称为回路在分支电路中,任一闭合路径称为回路(1oop),如图,如图1-3所示,所示,abdca和和abfea都是闭都是闭合回路。合回路。n n基尔霍夫第二定律指出:沿任一闭合回路的基尔霍夫第二定律指出:沿任一闭合回路的电势增量的代数和等于零。即电势增量的代数和等于零。即 E+IR=0n n对于各闭合回路,应用基尔霍夫第二定律可对于各闭合回路,应用基尔霍夫第二定律可以列出一组电压方程,称为基尔霍夫第二方
9、以列出一组电压方程,称为基尔霍夫第二方程组。程组。在使用基尔霍夫定律求解时,电流的在使用基尔霍夫定律求解时,电流的方向和绕行方向是任意选定的,并规定,方向和绕行方向是任意选定的,并规定,电势升高者为电势升高者为“+”,电势降低者为,电势降低者为“-”。具体按以下规则确定电势增量的正、具体按以下规则确定电势增量的正、负号负号:当电阻当电阻R中的电流方向与选定的中的电流方向与选定的回路绕行方向相反时,电势增量为回路绕行方向相反时,电势增量为+IR,相同时,电势增量为相同时,电势增量为-IR;如果电动势如果电动势E从负极到正极的方向与选定的绕行方向相从负极到正极的方向与选定的绕行方向相同,则电势增量
10、为同,则电势增量为+E,相反时,电势增量,相反时,电势增量为为-E。电路如图电路如图电路如图电路如图1-31-3所示。所示。所示。所示。E E E El l l l=4.0V,E=4.0V,E=4.0V,E=4.0V,E2 2 2 2=6.0V,R=6.0V,R=6.0V,R=6.0V,R1 1 1 1=1.0=1.0=1.0=1.0,R,R,R,R2 2 2 2=1.5=1.5=1.5=1.5,R,R,R,R3 3 3 3=10=10=10=10,计算计算计算计算I I I I1 1 1 1,I,I,I,I2 2 2 2,I,I,I,I3 3 3 3的值。的值。的值。的值。解:假设各支路的电
11、流方向如图中的箭头所解:假设各支路的电流方向如图中的箭头所解:假设各支路的电流方向如图中的箭头所解:假设各支路的电流方向如图中的箭头所示,根据基尔霍夫第一定律,对于节点示,根据基尔霍夫第一定律,对于节点示,根据基尔霍夫第一定律,对于节点示,根据基尔霍夫第一定律,对于节点a a a a,有,有,有,有 I I I I1 1 1 1+I+I+I+I2 2 2 2-I-I-I-I3 3 3 3=0 (a)=0 (a)=0 (a)=0 (a)根据基尔霍夫第二定律,对于回路根据基尔霍夫第二定律,对于回路根据基尔霍夫第二定律,对于回路根据基尔霍夫第二定律,对于回路dcabd(dcabd(dcabd(dca
12、bd(逆逆逆逆时针方向时针方向时针方向时针方向),有,有,有,有 E E E El l l l-I-I-I-I1 1 1 1R R R Rl l l l+I+I+I+I2 2 2 2R R R R2 2 2 2-E-E-E-E2 2 2 2=0(b)=0(b)=0(b)=0(b)对于回路对于回路对于回路对于回路abfea(abfea(abfea(abfea(顺时针方向顺时针方向顺时针方向顺时针方向),有,有,有,有 I I I I2 2 2 2R R R R2 2 2 2-E-E-E-E2 2 2 2+I+I+I+I3 3 3 3R R R R3 3 3 3=0 (c)=0 (c)=0 (c)
13、=0 (c)将将将将(a)(a)(a)(a)、(b)(b)(b)(b)、(c)(c)(c)(c)三式联立,通过对方程组三式联立,通过对方程组三式联立,通过对方程组三式联立,通过对方程组求解,可得各支路的电流分别为求解,可得各支路的电流分别为求解,可得各支路的电流分别为求解,可得各支路的电流分别为 I I I I1 1 1 1=-0.53A I=-0.53A I=-0.53A I=-0.53A I2 2 2 2=0.98A I=0.98A I=0.98A I=0.98A I3 3 3 3=0.45A=0.45A=0.45A=0.45A n n上面的计算结果,流过上面的计算结果,流过上面的计算结果
14、,流过上面的计算结果,流过E El l的电流的电流的电流的电流I Il l为负值,说明该为负值,说明该为负值,说明该为负值,说明该电流与图中假定的方向相反,即实际上电流与图中假定的方向相反,即实际上电流与图中假定的方向相反,即实际上电流与图中假定的方向相反,即实际上I Il l不是从不是从不是从不是从E El l的正极流出,而是从的正极流出,而是从的正极流出,而是从的正极流出,而是从E E1 1的正极流入,的正极流入,的正极流入,的正极流入,I Il l非但没有向非但没有向非但没有向非但没有向负载供电,相反由负载供电,相反由负载供电,相反由负载供电,相反由E E2 2对它进行充电。对它进行充电
15、。对它进行充电。对它进行充电。n n从上面的例子可以看出,利用基尔霍夫定律求解电从上面的例子可以看出,利用基尔霍夫定律求解电从上面的例子可以看出,利用基尔霍夫定律求解电从上面的例子可以看出,利用基尔霍夫定律求解电路时,如果有路时,如果有路时,如果有路时,如果有mm个未知数,则需要列出个未知数,则需要列出个未知数,则需要列出个未知数,则需要列出mm个独立方个独立方个独立方个独立方程,若电路有程,若电路有程,若电路有程,若电路有n n个节点,则只能列出个节点,则只能列出个节点,则只能列出个节点,则只能列出(n-1)(n-1)个节点电个节点电个节点电个节点电流方程,其余流方程,其余流方程,其余流方程
16、,其余m-(n-1)m-(n-1)个方程应为独立的回路方程个方程应为独立的回路方程个方程应为独立的回路方程个方程应为独立的回路方程(电压方程电压方程电压方程电压方程),即所选择的每一个回路至少含有一个,即所选择的每一个回路至少含有一个,即所选择的每一个回路至少含有一个,即所选择的每一个回路至少含有一个其他回路没有包含的未知数。其他回路没有包含的未知数。其他回路没有包含的未知数。其他回路没有包含的未知数。n n上例中上例中上例中上例中n=2(a,b)n=2(a,b),m=3m=3,独立的回路方程为,独立的回路方程为,独立的回路方程为,独立的回路方程为2 2个。个。个。个。三三.电压源和电流源电压
17、源和电流源 电压源和电流源是维持电路中电流的能源。电压源和电流源是维持电路中电流的能源。电压源和电流源是维持电路中电流的能源。电压源和电流源是维持电路中电流的能源。1.1.电压源电压源电压源电压源 电压源可以看成是电动势电压源可以看成是电动势电压源可以看成是电动势电压源可以看成是电动势E E和内阻和内阻和内阻和内阻R R0 0的串联组合,的串联组合,的串联组合,的串联组合,如图如图如图如图1-4(a)1-4(a)虚线框内所示。当电压源向负载虚线框内所示。当电压源向负载虚线框内所示。当电压源向负载虚线框内所示。当电压源向负载R RL L提供电提供电提供电提供电压和电流时,电源两端的电压压和电流时
18、,电源两端的电压压和电流时,电源两端的电压压和电流时,电源两端的电压U(U(也叫输出电压也叫输出电压也叫输出电压也叫输出电压)与输与输与输与输出电流出电流出电流出电流I I之间有如下关系:之间有如下关系:之间有如下关系:之间有如下关系:U=E-IR U=E-IR0 0 上式表明,随着输出电流的增大,电压源的输出上式表明,随着输出电流的增大,电压源的输出上式表明,随着输出电流的增大,电压源的输出上式表明,随着输出电流的增大,电压源的输出电压线性下降,如图电压线性下降,如图电压线性下降,如图电压线性下降,如图1-4(b)1-4(b)所示,且内阻所示,且内阻所示,且内阻所示,且内阻R R0 0愈大,
19、下愈大,下愈大,下愈大,下降愈多。降愈多。降愈多。降愈多。当电压源内阻当电压源内阻当电压源内阻当电压源内阻R R0 0=0=0时,时,时,时,不论电源的输出电流不论电源的输出电流不论电源的输出电流不论电源的输出电流I I如何如何如何如何变化,其输出电压变化,其输出电压变化,其输出电压变化,其输出电压U U将等将等将等将等于电动势于电动势于电动势于电动势E E,即,即,即,即U=EU=E,这,这,这,这样的电压源称为样的电压源称为样的电压源称为样的电压源称为理想电压理想电压理想电压理想电压源或称为恒压源源或称为恒压源源或称为恒压源源或称为恒压源。右图。右图。右图。右图1-1-4(c)4(c)是它
20、的伏安特性。是它的伏安特性。是它的伏安特性。是它的伏安特性。在电子技术中使用的在电子技术中使用的在电子技术中使用的在电子技术中使用的电源,一般要求电源有稳电源,一般要求电源有稳电源,一般要求电源有稳电源,一般要求电源有稳定的输出电压,尽量接近定的输出电压,尽量接近定的输出电压,尽量接近定的输出电压,尽量接近恒压源,其内阻应愈小愈恒压源,其内阻应愈小愈恒压源,其内阻应愈小愈恒压源,其内阻应愈小愈好。好。好。好。2.2.电流源电流源电流源电流源实际的电流源可以看成是恒值电流实际的电流源可以看成是恒值电流实际的电流源可以看成是恒值电流实际的电流源可以看成是恒值电流I Is s与内阻与内阻与内阻与内阻
21、R Rs s的的的的并联,如图并联,如图并联,如图并联,如图1-5(a)1-5(a)虚线框内所示。虚线框内所示。虚线框内所示。虚线框内所示。假定电流源与负载电阻假定电流源与负载电阻假定电流源与负载电阻假定电流源与负载电阻R RL L相连时,电流源向相连时,电流源向相连时,电流源向相连时,电流源向R RL L提供的电流为提供的电流为提供的电流为提供的电流为I I,加于,加于,加于,加于R RL L的电压为的电压为的电压为的电压为U U,则流过内阻,则流过内阻,则流过内阻,则流过内阻R Rs s的电流为的电流为的电流为的电流为U UR Rs s,电源两端的电压,电源两端的电压,电源两端的电压,电源
22、两端的电压U U与输出电流与输出电流与输出电流与输出电流I I的关的关的关的关系为:系为:系为:系为:上式表明,在输出电压上式表明,在输出电压上式表明,在输出电压上式表明,在输出电压U U一定的情况下,输出电一定的情况下,输出电一定的情况下,输出电一定的情况下,输出电流随电流源内阻流随电流源内阻流随电流源内阻流随电流源内阻R Rs s的减小而变小,内阻的减小而变小,内阻的减小而变小,内阻的减小而变小,内阻R Rs s愈小,其愈小,其愈小,其愈小,其分流作用愈大,输出电流愈小,电流源的伏安特性分流作用愈大,输出电流愈小,电流源的伏安特性分流作用愈大,输出电流愈小,电流源的伏安特性分流作用愈大,输
23、出电流愈小,电流源的伏安特性愈差,如图愈差,如图愈差,如图愈差,如图1-5(b)1-5(b)所示。所示。所示。所示。n n在电流源内阻在电流源内阻在电流源内阻在电流源内阻R R R Rs s s s=的情况下,的情况下,的情况下,的情况下,式式式式(1-5)(1-5)(1-5)(1-5)中的输出电流中的输出电流中的输出电流中的输出电流I I I I将恒将恒将恒将恒等于等于等于等于I I I Is s s s,而不随负载电阻,而不随负载电阻,而不随负载电阻,而不随负载电阻R R R RL L L L的变动而变化,称为的变动而变化,称为的变动而变化,称为的变动而变化,称为理想电理想电理想电理想电流
24、源或恒流源流源或恒流源流源或恒流源流源或恒流源,伏安特性如,伏安特性如,伏安特性如,伏安特性如图图图图1-5(c)1-5(c)1-5(c)1-5(c)所示。所示。所示。所示。n n实际中,如果电流源内阻实际中,如果电流源内阻实际中,如果电流源内阻实际中,如果电流源内阻RsRsRsRs远大于负载电阻远大于负载电阻远大于负载电阻远大于负载电阻R R R RL L L L时,可近时,可近时,可近时,可近似地看成是恒流源。似地看成是恒流源。似地看成是恒流源。似地看成是恒流源。n n从上面的讨论可以看出,为从上面的讨论可以看出,为从上面的讨论可以看出,为从上面的讨论可以看出,为了使电压源和电流源更接近了
25、使电压源和电流源更接近了使电压源和电流源更接近了使电压源和电流源更接近理想的电压源和电流源,电理想的电压源和电流源,电理想的电压源和电流源,电理想的电压源和电流源,电压源的内阻压源的内阻压源的内阻压源的内阻R R R R0 0 0 0应越小越好,应越小越好,应越小越好,应越小越好,而电流源的内阻而电流源的内阻而电流源的内阻而电流源的内阻R R R Rs s s s应越大越应越大越应越大越应越大越好。好。好。好。3电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换 在简化电路分析时,有时需要将电压源变在简化电路分析时,有时需要将电压源变换成电流源,或者将电流源变换成电压源。但换成电流源,或者将电流
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- 医学 电子学 基础
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