重庆大学模拟电子技术课件全集

2
1.1 电力系统与电子系统
实际电路系统主要有电力系统和电子系统。 电力系统的主要作用：实现电能的生产、变换、传输、分配 和使用。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。
3
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
则存在傅里叶变换对:



v(t ) dt
V ( j ) v(t )e jt dt 1 jt v(t ) V ( j ) e d 2
j 1
V(jω)即是非周期信号的频谱。其中∠V(jω)是相位谱，|V(jω)| 是幅度谱，|V(jω)|2是功率谱。
12
1.2 信号及其频谱（了解）
1.2.1 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 。 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,是时间的函数。
+
R
v(t ) 13
i (t )
R
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
9
计算机主板
10
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。 。
0
t0
②在任意周期内只有有限个极值； ③在任意周期内只有有限个不连续点；
傅 里 叶 级 数
v(t ) a0 [an cos(n0t ) bn sin(n0t )] V0 Vn sin(n0t n ) n 1 n 1 直流分量 交流分量 1 角频率 : 0 2f 0 2 T n=1：基波分量 n>1：谐波分量 2 t 0 T 2 t 0 T an v(t ) cos(n0t )dt bn v(t ) sin(n0t )dt t 0 T T t0 a 1 t 0 T 2 2 V0 a0 v(t )dt Vn an bn n arctan n T t0 bn
26
库伦（Coulomb，1736～1806 ，法国）：库仑定律。 库仑定律：在真空中，两个静止点 电荷之间的相互作用力的大小与它 们的电量q1和q2的乘积成正比，与 它们之间距离r的平方成反比；作用 力的方向沿着它们的连线，同号电 荷相斥，异号电荷相吸。 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 。安培定律宏观上表现为磁场对 载流导线作用的磁场力； 著书《电动力学现象的数学理论》。
4
火力发电厂：化学能（燃烧煤、石油等）→电能
核电厂：原子能→电能。 其它：太阳能、风能等。
5
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
6
变电站
7
输电线路：杆塔，绝缘子，导线
8
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。 电子电路是由电子元件组成的、实现特定功能的电路。
0
t
ωБайду номын сангаас
24
1.3 电子系统组成框图
传感器
信号 预处理 模数 转换 模拟信号 处理子系统 数字信号 处理子系统 执行器
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。 信号处理操作：包括对信号的放大，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。
17
例 求电压周期方波信号的傅里叶级数 。
V S v(t ) 0 T nT t (2n 1) 2 T (2n 1) t (n 1)T 2
解：
v(t )
VS
VS 2VS 2VS 2VS v ( t ) sin t sin 3 t sin 50t 0 0 2 3 5 2 1 2f ；n arctanan 0 0 bn T
频率范围
0.05Hz～200Hz 20Hz～20kHz 直流～4.5MHz
信 号
调频无线电信号 超高频电视信号 卫星电视信号
频率范围
88MHz～108MHz 470MHz～806MHz 3.7GHz～4.2GHz
调幅无线电信号
22
540kHz～1600kHz
3. 干扰和噪声信号的频谱
电子电路总是处在外部复杂的电磁环境中。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。 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。
高斯（Gauss，1777-1855，德国 ）：高斯发明了磁强计，第一个电话电报系统 ； 建立了地磁观测台；在数学方面有巨大的贡献。
法拉第（Faraday，1791-1867，英国 ）：电磁感应定律：穿过回路的磁通量变 化引起回路中电动势。
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也是一种电磁波。
Vn(ω)
(n )
t
o T 2T
VS/2
o ω0 3ω0 5ω0
ω
o ω 3ω 5ω 0 0 0
ω
波形
18
幅度谱
相位谱
2. 非周期信号的频谱（略） 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ω0=2π/T是无穷小量，信号的频谱将 在角频率轴上连续分布。
如果模拟信号绝对可积，即
20
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。 例如，音频信号的频谱在[20Hz,20kHz]范围内连续分布。 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
心电信号 音频信号 模拟电视信号
15
1.2.2 信号的频谱
信号承载的重要信息之一是它的频谱信息。
例如, v(t ) Vm sin(t ) 信息：Vm 幅度, 相位， 角频率
正弦信号常作为模拟电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。
11
例如， 有线扩音系统 拾音器
音频 放大器 扬声器
声音 （弱）
电压 （弱）
电压 （强）
声音 （强）
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。 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。
28
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），证实了麦克斯韦的电磁波可以在空间中传播和光也是一种电 磁波预测。 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,无线电报初露端倪。 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。
v(t )
VS
|V(jω)|
t
-τ o τ
τVS
o
ω
2 4 6
23
噪声是指内部电子不规则运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。 I(jω) i(t) i +
均匀谱
0 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。 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。
29
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。