第1章--電子系統(tǒng)概述

1、11.1 電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng) 實際電路系統(tǒng)主要有電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要作用：實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配和使用。電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)和電力用戶組成的整體，是將一次能源轉(zhuǎn)換成電能并輸送和分配到用戶的一個統(tǒng)一系統(tǒng)。2發(fā)電廠：發(fā)電廠： 通過發(fā)電機等設(shè)備將一次能源轉(zhuǎn)換成電能。水利發(fā)電廠：水的勢能電能 3火力發(fā)電廠：化學(xué)能（燃燒煤、石油等）電能核電廠：原子能電能。4 現(xiàn)在使用最普遍的民用核電站大都是壓水反應(yīng)堆核電站，它的工作原理是：用鈾制成的核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)進行裂變并釋放出大量熱能；高壓下的循環(huán)冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)生成蒸汽；高溫高壓的蒸

2、汽推動汽輪機，進而推動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。5 輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)是由電力變壓器、電力線路、電力開關(guān)設(shè)備和電力電容器等組成的、跨越廣大地理區(qū)域的一個巨大電路。變電站：變壓器，電容器，電力開關(guān)設(shè)備67輸電線路：桿塔，絕緣子，導(dǎo)線8 發(fā)電廠生產(chǎn)的電能經(jīng)過輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)將電能輸送和分配到用戶的用電設(shè)備（電動機、家用電器和照明等設(shè)備），從而完成電能從生產(chǎn)到使用的整個過程。 到達用戶的單相正弦配電電壓是220V、50Hz，三相正弦配電電壓是380V、50Hz。 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)為工業(yè)、農(nóng)業(yè)和社會生活的電氣化建立起堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，產(chǎn)生了服務(wù)于電力系統(tǒng)的電氣工程學(xué)科。 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)是由電子電路和傳輸介質(zhì)

3、組成的、完成特定功能的整體。 9 電子電路是由電子元件組成的、實現(xiàn)特定功能的電路。 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)是由電子電路和傳輸介質(zhì)組成的、完成特定功能的整體。 10計算機主板11 與電力系統(tǒng)處理能量不同，電子系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)電信號的產(chǎn)生、獲取、放大、變換、傳輸、識別和應(yīng)用等功能（或部分功能），處理的對象是電信號。 信號信號是隨時間變化的某種物理量，是信息的表現(xiàn)形式與傳送載體。例如，體溫反映人的健康信息，體溫37oC表示健康，38oC表示略有小疾。 一般情況下，用電子系統(tǒng)處理電信號(電壓或電流)比其他方式（如機械方式）容易、成本低和可靠性高，故通常將各種非電信號轉(zhuǎn)換為電信號再進行處理。 因此,電子系

4、統(tǒng)成為信息化社會的物質(zhì)基礎(chǔ)，例如通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)等。12例如， 有線擴音系統(tǒng)拾音器音頻放大器揚聲器傳感器傳感器(或換能器或換能器)：將非電信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，是電子系統(tǒng)實際的信號源之一。音頻放大器：音頻放大器：實現(xiàn)電壓和功率放大的電子電路。電壓（弱）電壓（強）聲音（強）聲音（弱）執(zhí)行器：執(zhí)行器：將電信號還原為原始的非電信號的部件，去影響物理世界。通常用電阻模擬，作為電子系統(tǒng)的負(fù)載。 end131.2 信號及其頻譜 信號信號是隨時間變化的某種物理量，是信息的表現(xiàn)形式與傳送載體 。 傳感器作為電子系統(tǒng)的一種實際信號源,可等效為電壓源或電流源,是時間的函數(shù)。R+-)

5、(tvR)(ti1.2.1 信號信號1.2.1 信號1.2.2 信號的頻譜14 如果電壓（或電流）在某個值域內(nèi)可連續(xù)取值則稱為連續(xù)信號或模擬信號。 例如，電壓是時間的正弦函數(shù))sin()(tVtvm 值域: -Vm,+Vm 如果電壓（或電流）在某個值域內(nèi)只能是某個單位量的整倍數(shù)則稱為離散信號或數(shù)字信號。 例如，單位量為1mV，數(shù)字電壓信號的幅值只能是0 mV、1 mV、2 mV、n mV 。 )(tv)(tv)(tvtoto 模擬信號to 多值數(shù)字信號二值數(shù)字信號15 模擬電路（模擬電路（Analog Circuit）是處理模擬信號的電子電路，是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)要討論的主要內(nèi)容。 數(shù)字電路數(shù)字

6、電路(Digital Circuit)是是處理數(shù)字信號的電子電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(Analog to Digital Converter, ADC)是實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電子電路。 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（Digital to Analog Converter, DAC)是實現(xiàn)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電子電路稱為 通常，數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)要討論的主要內(nèi)容。end161.2.2 信號的頻譜信號的頻譜信號承載的重要信息之一是它的頻譜信息。角頻率相位，幅度信息：例如,)sin()(,mmVtVtv正弦信號常作為模擬電路的標(biāo)準(zhǔn)信號或測試信號。幅

7、度頻譜：幅度頻譜：信號幅度與頻率的關(guān)系相位頻譜：相位頻譜：信號相位與頻率的關(guān)系幅度頻譜和相位頻譜幅度頻譜和相位頻譜統(tǒng)稱為信號的頻譜。 1. 周期信號的頻譜如果信號是時間的周期函數(shù)則稱為周期信號。)()(,Ttvtvv例如Tf1T-信號的周期-信號的頻率17;)(00存在Tttdttv 如果周期信號滿足狄里赫利條件（Dirichlets Condition），則可展開為傅里葉級數(shù)。狄里赫利條件：在任意周期內(nèi)絕對可積，即在任意周期內(nèi)只有有限個極值；在任意周期內(nèi)只有有限個不連續(xù)點；nnnnnnTttTttnTttnnnnnnnbabaVdttvTaVdttntvTbdttntvTaTftnVVtnb

8、tnaatvarctan)(1)sin()(2)cos()(2122 :)sin()sin()cos()(220000001000100000000角頻率直流分量n=1基波分量n1諧波分量交流分量18例 求電壓周期方波信號的傅里葉級數(shù) 。TntTnTntnTVtvS) 1(2) 12(02) 12()(000002125sin523sin32sin22)(fTtVtVtVVtvSSSS解：toVST2ToVn()VS/203050o03050波形幅度譜相位譜)(tv)(n19212201)21(1VRVVRPnn)21(1220nnVVV2/nV周期電壓信號作用到電阻R上的平均功率P為 V是電

9、壓信號的有效值，總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,信號的幅度譜反映了信號的功率分布功率分布，是信號最重要的特性之一。20 如果周期T趨于無窮大，則周期信號變化為非周期信號。因此，非周期信號的角頻率0=2/T是無窮小量，信號的頻譜將在角頻率軸上連續(xù)分布。2. 非周期信號的頻譜非周期信號的頻譜dttv )( 如果模擬信號絕對可積，即則存在傅里葉變換對: 1)(21)()()(jdejVtvdtetvjVtjtj V(j)即是非周期信號的頻譜。其中V(j)是相位譜，|V(j)|是幅度譜，|V(j)|2是功率譜。21例 求電壓單脈沖信號的頻譜: ttVtvS0)(2si

10、n2)()(StjStjVdteVdtetvjV解: )(tvtoVS- 幅度譜是連續(xù)分布的，并且脈沖寬度（2）越窄，高頻分量越多；頻譜幅度與脈沖幅度和脈沖寬度之積（VS）成正比。 o|V(j)|VS24622 在工程實際中，信號作用的時段通常是有限的，滿足絕對可積條件，信號的頻譜總是存在的。 例如，音頻信號的頻譜在20Hz,20kHz范圍內(nèi)連續(xù)分布。 對工程實際問題有重要影響的信號稱為有用信號(有效信號),通常有用信號的頻譜范圍是有限的。 表1.2.2 典型信號的頻率范圍信 號頻率范圍信 號頻率范圍心電信號0.05Hz200Hz調(diào)頻無線電信號88MHz108MHz音頻信號20Hz20kHz超

11、高頻電視信號470MHz806MHz模擬電視信號直流4.5MHz衛(wèi)星電視信號3.7GHz4.2GHz調(diào)幅無線電信號540kHz1600kHz23 電子電路總是處在復(fù)雜的電磁環(huán)境中。因此,除了有用信號外,工程實際問題中還存在干擾和噪聲信號。3. 干擾和噪聲信號的頻譜 自然界的雷電、電力輸電線路、無線電臺和電視臺、電動機的起停等產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象必然在電子電路中產(chǎn)生電壓或電流脈沖電壓或電流脈沖信號信號，它們對電子電路的正常運行產(chǎn)生干擾，稱為干擾信號干擾信號，其頻譜分布與單脈沖信號相似，包含有豐富的高頻分量高頻分量。)(tvtoVS-o|V(j)|VS24624 噪聲噪聲是指電子不規(guī)則運動引起的對有用信

12、號的擾動。 例如，在電阻材料中電子總是在做無規(guī)則的熱運動，對外電壓引起的定向運動電流形成擾動電流擾動電流。-熱噪聲。+-i0ti(t)0I(j)均勻譜 當(dāng)有用信號遠(yuǎn)大于噪聲時，可忽略噪聲信號。相反，有用信號被淹埋在噪聲信號中。所以，噪聲信號限制了電子系統(tǒng)所能處理的最小信號。 評價信號優(yōu)劣的指標(biāo)是信噪比信噪比S/N，定義為有用信號的功率與噪聲信號的功率之比。信噪比越大，信號越好。 評價電子系統(tǒng)對噪聲和干擾的抑制能力用輸出信號的信噪比(S/N)o除以輸入信號的信噪比(S/N)i，商越大，抑制能力越強。 end251.3 電子系統(tǒng)組成框圖電子系統(tǒng)組成框圖傳感器信號預(yù)處理模擬信號處理子系統(tǒng)數(shù)字信號處理

13、子系統(tǒng)執(zhí)行器模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換傳感器傳感器將工程實際涉及的某些物理量轉(zhuǎn)換為電信號。為了避免對物理量的影響，傳感器攝取的能量很小，輸出的電信號很弱電信號很弱（如微伏級或毫伏級的電壓），且信號伴隨著噪聲信號噪聲信號。 信號預(yù)處理信號預(yù)處理：包括信號幅度的放大和濾除干擾及噪聲信號。信號處理操作信號處理操作：包括對信號的放大，運算（加法、減法、乘法、積分和微分等），各種函數(shù)變換，頻譜變換，邏輯運算，等等。 理論上，各種信號處理操作都可以用模擬或數(shù)字方式實現(xiàn)。 執(zhí)行器執(zhí)行器電信號還原成某種物理量，實現(xiàn)對工程實際的某種操作。end261.4 電子技術(shù)及其發(fā)展概述電子技術(shù)及其發(fā)展概述 電子學(xué)電子學(xué)或電子技術(shù)電

14、子技術(shù)是研究電子器件、電子電路及其應(yīng)用的科學(xué)和技術(shù)。 在電力系統(tǒng)中，主要是利用電子在金屬中的運動規(guī)律構(gòu)成電能的生產(chǎn)、傳輸和使用等電氣設(shè)備。 電子器件電子器件是利用電子在真空或半導(dǎo)體中的運動規(guī)律構(gòu)成特定功能的器件。目前，半導(dǎo)體器件是電子器件的主體，包括半導(dǎo)體半導(dǎo)體二極管、三極管、集成電路二極管、三極管、集成電路等。 電子電路電子電路廣泛地應(yīng)用于通信、計算機、自動控制、廣播電視、遙感和遙測等工程中，形成相對獨立的電子工程電子工程體系。 電氣工程電氣工程和電子工程電子工程的誕生歸功于許多科學(xué)巨人的開創(chuàng)性的研究成果。27庫倫庫倫（Coulomb，17361806 ，法國）：庫侖定律。庫侖定律使電磁學(xué)的

15、研究從定性進入定量階段。安培安培（Ampere，1775 -1836 ，法國）：安培定律、安培定則和分子電流等 。著書電動力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論電動力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。 歐姆歐姆（Ohm，1787-1854，德國）：在金屬導(dǎo)電定律的測定的論文論述了歐姆定律歐姆定律 。奧斯特奧斯特 （Oersted ，1777 -1851，丹麥 ）：電流磁效應(yīng) 。高斯高斯（Gauss，1777-1855，德國 ）：高斯發(fā)明了磁強計，第一個電話電報系統(tǒng) 。在數(shù)學(xué)方面有巨大的貢獻。法拉第法拉第（Faraday，1791-1867，英國 ）：磁電感應(yīng) 。亨利亨利（Henry，1797-1878，美國）：發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象。研究

16、電磁中繼理論，是電報的基礎(chǔ)。麥克斯韋麥克斯韋（Maxwell，1831-1879，英國）：麥克斯韋方程，提出了統(tǒng)一的電磁理論 。預(yù)測了電磁波可以在空間中傳播和光是一種電磁波。 28赫茲（赫茲（Hertz，1857-1894，德國 ）：1888年，用火花間隙振蕩器產(chǎn)生了電磁波（赫茲波），證實了麥克斯韋的預(yù)測。馬可尼馬可尼（Marconi，1874-1937，意大利）： 1896年，成功地發(fā)射赫茲波，并在2英里外檢測到赫茲波,無線電報初露端倪。 在研究有效地進行無線電通信的過程中，電子技術(shù)時代悄然到來 洛倫茲洛倫茲（Lorentz，1853-1928） ：1895年，假定了電子存在。湯普森湯普森（

17、Thompson，1856-1940）： 1897 年，通過實驗發(fā)現(xiàn)了電子。弗萊明弗萊明（J.A.Fleming，1849-1945） ：1904 年，發(fā)明了真空電子二極管(diode)，用于檢測微弱的無線電信號（電磁波）。 福雷斯特福雷斯特（Forest，1873-1961） ：1906 年，發(fā)明了具有放大作用的真空電子三極管。 此后的近半個世紀(jì)，真空電子器件在無線電通信中得到廣泛的應(yīng)用,并逐漸擴展到無線電廣播、電視和計算機等工程領(lǐng)域。 29 世界上第一臺數(shù)字電子計算機于1946年在美國研制成功，IBM公司將其取名為愛尼亞克（Electronic Numerical Integrator a

18、nd Calculator，ENIAC）。 這臺計算機使用了18800個電子管，占地170平方米，重達30噸，耗電140千瓦，價格40多萬美元。 每秒可進行5000次加法和減法運算，把計算一條彈道的時間縮短為30秒。 ENIAC服役長達9年。 30 1947 年底美國貝爾實驗室的肖克萊（Shockley，1910-1989）、布拉頓（Brattain，1902-1987）、巴丁（Bardeen，1908-1991）發(fā)明了晶體管。 電子管制造復(fù)雜，成本高，體積大，耗電多。 在大多數(shù)領(lǐng)域中電子管已逐漸被晶體管取代,真空管時代結(jié)束,晶體管時代誕生。 他們?nèi)艘惨驗榘l(fā)明晶體管而榮獲1956年的諾貝爾物理學(xué)獎。 31 在1958年,美國的基爾比（Kilby，1923-2005）和諾伊斯（Noyce，1927-1990）間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路（Integrated Chip, IC）。 第一個鍺材料集成電路放大器。 標(biāo)志著電子技術(shù)發(fā)展到了一個