电路与电子技术-第1章--电路基本概念演示文档

.,一、课程主要内容,模拟电子技术-微变等效电路,数字电子技术-分析和设计,电路分析-欧姆定律和基尔霍夫定律直流电路电路和电路模型电路定律等效变换电阻电路的一般分析瞬态电路一阶动态电路方程建立零输入响应零状态响应全响应交流电路正弦稳态电路分析相量图功率分析三相电路,逻辑代数组合逻辑电路时序逻辑电路,半导体二极管及其基本电路 半导体三极管及其放大电路基础 放大电路基础 集成运算放大器 负反馈电路 信号的运算与处理电路,.,二、课程结构和任务,前序课程高等数学，大学物理后续课程计算机组成原理，微机原理等课程任务 理论学习 实验学习,.,四、实验内容,2、戴维南，诺顿定理验证,1、基尔霍夫定律验证,5、集成运算放大器的应用,4、单级放大电路,3、仪器仪表的使用,6、组合逻辑电路（半/全加器）),7、译码器和数据选择器,8、触发器,9、计数器与寄存器,10、Multisim数字电路仿真 （计数器）,.,第一篇 电路分析,第1章 电路的基本概念,1.1 电路和电路模型,1.2 电路的基本物理量,1.3 常用元件介绍,1.4 电源,.,本章内容提要,重点：（1）电路模型的概念及科学建模；（2）电压、电流的参考方向；（3）电位的概念；,难点：（1）关联参考方向的判断；（2）电路模型的建立；,.,地位：电路理论是关于电器件的模型建立、电路分析、电路综合及设计等方面的理论，电路理论是物理学、数学和工程技术等多方面成果的融合。是高等学校本科非电类专业的一门技术基础课程。作用：目前，电工电子技术应用十分广泛，发展非常迅速，并且日益渗透到其他学科领域，促进其发展，在我国社会主义现代化建设中占有重要的地位。任务：学生通过本课程的学习，获得电工电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，并会用电工电子技术的“三基”和模块的集成技术解决本专业的实际问题，了解电工电子技术的最新发展概况，为今后的再学习以及从事与本专业有关的工程技术工作打下一定的基础。,1.1 电路理论基础,1.1.1本课程的地位、作用和任务,.,1.1.2 电路和电路模型,1、电路,1）电路的分类, 集总参数电路和分布参数电路：将实际电路的几何尺寸d与其中的工信号波长比较，满足d的称为集总参数电路，不满足d的称为分布参数电路, 线性电路和非线性电路：若描述电路特征的所有方程都是线性代数方程或线性微积分方程，则称为线性电路，否则就是非线性电路。, 时不变电路和时变电路：时不变电路中元件参数不随时间变化，描述其电路的方程是常系数的代数方程或常系数的微积分方程，而时变电路是由变系数的代数方程或微积分方程描述的电路。,.,1）实现电能的传输和转换；,2）实现电信号的传输、处理和存储。,例如电视接收天线将接收到的含有声音和图像信息的高频电视信号，通过高频传输线送到电视机中，这些信号经过选择、变频、放大和检波等处理，恢复出原来的声音和图像信号，在扬声器发出声音并在显像管屏幕上呈现图像,例如电力网络将电能从发电厂输送到各个工厂、广大农村和千家万户，供各种电气设备使用,2）电路的功能,.,电源：,负载：,中间环节：,产生电能的设备统称为电源,用电设备统称为负载,电源又称为激励源简称激励,由激励而在电路中产生的电压和电流称为响应,用以连接电源和负载的部分称为中间环节。如开关，导线等,3） 电路的定义,所有的实际电路是由电气设备和元器件按照一定的方式连接起来，为电流的流通提供路径的总体，也称网络。,.,将实际电路器件理想化（或称模型化），即在一定条件下，突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素，将其近似地看做理想电路元件，并用规定的图形符号表示。电阻、电感、电容又称无源元件。常见电路元件和符号如表1.1所列。,图1.1手电筒电路,1.1.2 电路和电路模型,.,今后如未加特殊说明，所说的电路均指电路模型。,.,以上用理想电路元件或它们的组合模拟实际器件的过程称为建模。建模时必须考虑工作条件，并按不同精确度的要求把给定工作情况下的主要物理现象及功能反映出来。需要注意的是，在不同的条件下，同一实际器件可能采用不同模型。例如图1-2（a）所示的线圈，在低频交流工作条件下，用一个电阻和电感的串联结构进行模拟，如图（b）所示；在高频交流工作条件下，则要再并联一个电容来模拟，如图（c）所示。,建模,.,1.1.3 计算机辅助分析,对电路进行计算机辅助分析的软件很多，如OrCAD,Multisim,Electuonic,PSpice,Matlab等，用相应的软件对电路方程进行建模、求解；对线性和非线性交、直流电路的频域和时域的分析进行虚拟仿真及计算，实现其最优化设计。是目前大规模集成电路的一些新的分析方法。,.,其中：i 表示电流强度，单位是安培，用A表示，在计量微小电流时，通常用毫安（mA）或微安（A）作电位；,1.2.1 电流 电荷的定向运动形成电流。电流的实际方向习惯上指正电荷运动的方向。电流的大小用电流强度来衡量，电流强度指单位时间内通过导体横截面积的电荷量，电流强度简称电流，其数学表达式为,按照电流的大小和方向是否随时间变化，分为恒定电流（简称直流DC）和时变电流，分别用符号I和i表示。,dq为微小电荷量，单位是库仑，用C表示；,dt为微小的时间间隔，单位是秒，用s表示。,我们平时所说的交流（AC）是时变电流的特例，它满足两个特点，一是周期性变化，二是一个周期内电流的平均值等于零。,在电路理论中，电路的基本物理量有4个：电流、电压、电荷和磁通，其中最常用的是电流和电压。电路的基本复合物理量为电功率和电能。电路分析的基本任务是计算电路中的电流、电压和功率。,1.2 电路的基本物理量,(1.1),.,规定对其他物理量一般也用大写字母代表恒定量，用小写字母代表变化的量,参考方向的选择具有任意性（任意假设的方向）。在电路中通常用实线箭头或双字母下标表示，实线 箭头可以画在线外，也可以画在线上。为了区别，电流的实际方向通常用虚线箭头表示，如图1.4所示。,规定：若电流的实际方向与所选的参考方向一致（关联方向），则电流为正值，即i0；若电流的实际方向与所选的参考方向相反 （非关联方向） ，则电流为负值，即i0。如图1.4所示。这样以来，电流就成为一个具有正负的代数量。,在分析电路时往往不能事先确定电流的实际方向，而且时变电流的实际方向又随时间不断变化。因此在电路中很难标明电流的实际方向。为此，我们引入电流的“参考方向”这一概念。,.,1、定义：在数值上，电路中任意a、b两点之间的电压等于电场力把单位正电荷由a点移到b点所作的功。,(1.3),定义：电路中任选一点作为参考点，则其他各点与参考点的电压叫做该点的电位，用符号V表示。,2、表示：直流电压用大写字母U表示，交流电压用小写字母u表示，单位为伏特，用V表示。为了便于计量，还可以用毫伏（mV）、微伏（V）和千伏（kV）等作为单位。,1.2.2 电压,3、表达式,式中dW是电场力所作的功，单位是焦耳（J）。,4、电位,例如，电路中a、b两点的电位分别表示为Va和Vb ，并且a、b两点间的电压与该两点电位有以下关系： Uab = Va - Vb （1.4）,注意：两点间电压就是该两点的电位之差。电位与电压既有联系又有区别。其主要区别在于：电路中任意两点间的电压，其数值是绝对的，与该两点间的路径无关；而电路中某一点的电位是相对的，其值取决于参考点的选择。,今后如未说明，通常选接地点作参考点，并且参考点的电位为零。,.,电压的参考方向（也称参考极性）的选择同样具有任意性，在电路中可以用“+”、“-”号表示，也可用双字母下标或实线箭头表示。如图1.5所示。电压正负值的规定与电流一样。,注意：在求电压、电流时，必须事先规定好参考方向，否则求出的值无意义。,5、方向,.,通常，对于一个元件或在一段电路中，电流参考方向和电压参考方向都是可以任意选定的，彼此独立无关。但为了分析方便，习惯上将某一元件或某段电路的电压和电流的参考方向选得一致，即选定电流从标以电压“+”极性端流入而从标以“-”极性端流出，这样选定的电压和电流的参考方向称为关联参考方向，简称关联方向，如图1.6（a）和（b）所示。否则，称非关联方向，如图1.6（c）和（d）所示。,6、关联参考方向,注意：对关联欧姆定律表达式写成I=U/R；对非关联欧姆定律表达式写成I=-U/R（两套正负号：一是公式本身的，二是U.I的正负）,.,电能对时间的变化率即为电功率，简称功率。用p或P表示。功率的表达式为：,(1.5),应用（1.5）式计算元件功率时，首先需要判断u、i的参考方向是否为关联方向。,关联方向： p = u i；,非关联方向：p = -u i；,p0时，元件实际吸收或消耗功率（负载）P 0时，元件实际发出或者释放功率（电源）,1.2.3 功率与能量,注意：功率的分析与计算要和电压、电流参考方向配合使用，关联方向与非关联方向两种情况下，公式前相差一个负号。,在SI制中，电压单位为伏（V），电流单位为安（A），则功率单位为瓦特，简称瓦，用符号W表示，1 kW = 103 W。,1、电功率,p0时，元件实际吸收或消耗功率（负载）P 0时，元件实际发出或者释放功率（电源）,.,例1.1 在图所示电路中，已知U1 = 1 V，U2 = -6 V，U3 = -4 V，U4 = 5 V，U5 = -10 V，I1 = 1 A，I2 = -3 A，I3 = 4 A，I4 = -1 A，I5 = -3 A。试求各元件的功率，并判断实际吸收还是发出功率。,解： 根据题目所给已知条件可得P1 = U1 I1 = 11 = 1 W （吸收功率1 W，负载）P2 = U2 I2 = （-6）（-3） = 18 W （吸收功率18 W，负载）P3 = -U3 I3 = -（-4）4 = 16 W （吸收功率16W，负载）P4 = U4 I4 = 5（-1） = -5 W （发出功率5 W，电源）P5 = -U5 I5 = -（-10）（-3） = -30 W （发出功率30W，电源）,结论：电路中各元件发出的功率总和等于吸收功率总和，这就是电路的“功率平衡”。功率平衡是能量守恒定律在电路中的体现。,P1+ P2 + P3= P4 + P5=35W,.,2、能量,能量是功率对时间的积累。其表达式可写成W = Pt。电能的单位是焦耳（J），定义为：功率为1 W的设备在1 s时间内转换的电能。 工程上常采用千瓦小时（kWh）作为电能的单位，俗称1度电，定义为：功率为1 kW的设备在1 h内所转换的电能。,.,1）定义：导体对电子运动呈现的阻力称为电阻。对电流呈现阻力的元件称为电阻器，如下图（a）和（b）电路中的灯泡，在电路中可用下列所示的模型电阻元件来代替，字母符号为R。,1.3 常用元件介绍,1.3.1 电阻元件,1 电阻元件的电压、电流关系及功率,电阻元件分：线性电阻和非线性电阻,.,电阻单位： 欧姆 、,定义： 电导G=1/RG单位： 西门子、S,欧姆定律：,u、i 关联参考方向 u=Ri,u、i 非关联参考方向 u=Ri,总之：欧姆定律揭示了线性电阻电压与电流的约束关系。,2） 电阻元件的符号及电压、电流关系,电阻元件电压与电流之间的关系称为伏安关系，或称伏安特性（VAR)。根据欧姆定律，在坐标上电阻元件的伏安特性是过原点的一条直线。见右图。,.,有的电阻元件不遵循欧姆定律，电压与电流的比值不是常数。伏安关系也就不是过原点的一条直线。这样的电阻称为非线形电阻。,伏安关系是过原点的一条直线的电阻元件称为线性电阻；伏安关系不是过原点的一条直线的电阻称为非线性电阻。下图为非线性电阻的符号和一个非线性电阻元件的伏安特性曲线。,.,（a）金属膜电阻器 （b）碳膜电阻器 （c）线绕电阻器 （d）光敏电阻器 （e）消谐类电阻器,（f）合金箔电阻器 （g）水泥电阻器 （h）电位器 （i）直流电阻箱,下图所示为几种实际电阻器的外观图,.,对于线性电阻元件来说，在电压与电流关联参考方向下，则在任何时刻，电阻元件的功率,若电阻元件电压与电流参考方向相反，电阻元件的功率,综合上述两种情况，可得线性电阻的功率计算公式为,上式表明，电阻的功率恒为正值，说明电阻是耗能元件。,3）功率,p = - u Iu = -R i,p = u i u = R i,.,电容,电容是由间隔以不同介质（云母、绝缘纸、电解质等）的两块金属板组成;当在极板上加电压后，极板上分别聚集起等量的正、负荷，并在介质中建立电场。当电源移去后，电荷继续聚集在极板上。理想线性电容,1.3.2电容元件,电容的单位为法拉，用F表示。此外还有微法（F）、纳法（nF）和皮法（pF），关系为 1F = 106 F = 109 nF = 1012 pF,.,伏安关系,C为电容参数，表征电容储存电荷的能力。,电容元件是一种能够储存电场能量的元件。,q = Cu,总之：电容元件其电压与电流是一种微分关系，即电流与该时刻电压的变化率成正比。显然，电压变化越快，即变化频率越大，电流就越大；如果电压不变化，即加上直流电压，则i = 0，电容相当于开路。这正是电容的一个明显特征：通高频，阻低频；通交流，隔直流。利用该特性，可用电容制成滤波器。,.,上式表明：任意时刻电容的储能总是大于或等于零，由此可知，电容属于无源元件。,设t = 0时，电容两端电压u = 0，由式 可得到,同时还可得到电容的储能公式为,伏安关系,简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件(Active component );有源器件一般用来信号放大、变换等; IC、模块等都是有源器件。无需能（电）源的器件就是无源器件。无源器件用来进行信号传输。容、阻、感都是无源器件;,.,在实际中，考虑到电容器的容量及耐压，常常要将电容器串联或并联起来使用。,电容元件的连接,1）电容并联时，其等效电容等于各并联电容之和。,电容的并联相当于极板面积的增大，所以增大了电容量。当电容器的耐压符合要求而容量不足时，可将多个电容并联起来使用。,.,电容元件的连接,2）电容串联时，等效电容的倒数等于各串联电容倒数之和。,3）电容串联时，各个电容上的电压与其电容的大小成反比。电容小的所承受的电压高，电容大的所承受的电压反而低。这一点在使用时要注意。,电容串联时，其等效电容比串联时的任一个电容都小。这是因为电容串联相当于加大了极板间的距离，从而减小了电容。若电容的耐压值小于外加电压，则可将几个电容串联使用。,.,电解电容器,瓷质电容器,聚丙烯膜电容器,1、固 定 电 容 器,电容器元件实际外形图,（a）空气电容器 （b）陶瓷电容器 （c）纸电容器,.,2、可 变 电 容 器,（d）云母电容器 （e）电解电容器,.,（2）当1 st3 s时，uC（t）= 4 - 2 t，根据电容元件电压电流关系式可得,（1）当0t1 s时，uC（t）= 2 t，根据电容元件电压电流关系式可得,解 根据图1-11波形的具体情况，按照时间分段来进行计算：,由： 可计算uc与t之间的关系式,例1-2 已知C = 0.5 uF电容上的电压波形如图1-11所示，试求电压与电流采用关联方向时的电流iC（t），并画出波形图。,（3）当3 st5 s时，uC（t）= -8 +2 t，根据电容元件电压电流关系式可得,.,（4）当5 s t时，uC（t）= 12 -2 t，根据电容元件电压电流关系式可得,根据以上计算结果，画出电流iC（t）的波形，如题图1-12所示。电容电压为三角波形，其电流为矩形波形。,.,实际的电感器（也叫线圈）是用导线绕制而成的。,1.3.3 电感元件,电感具有储存和释放能量的特点。当在电感中通入交流电流i时，电感周围就会建立磁场，即储存了磁场能量，而在电感两端会出现感应电压u。电感储存能量的多少通常用电感系数（简称电感）这个参数来表征，该参数也用L表示。,1、定义,磁通链与感应电压,电磁感应定律：,当一个线圈通以电流后产生的磁场随时间变化时，在线圈中就产生感应电压,.,3、电感元件及其韦安特性,动态元件 储能元件,4、表达式,电磁感应定律：,在国际单位制中，电感的单位为亨利，用H表示，此外还有毫亨（mH）、微亨（H），它们与H的关系是: 1H = 103 mH = 106 H,2、单位,关联方向下，电感元件的伏安关系为,上式表明，感应电压与该时刻电流的变化率成正比。电流的变化率越大，则u越大。倘若电流不变化，即在直流电路中，则电压u = 0，电感相当于短路。电感具有通低频、阻高频的作用，也可用来制成滤波器。,.,设当 t = 0时，电感中的电流 i（0）= 0,电感的储能公式为,上式表明：任意时刻电感的储能总是大于或等于零，由此可知，电感也属于无源元件。,储能关系,简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件，无需能（电）源的器件就是无源器件。有源器件,一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行,“,信号放大,”,。容、阻、,感都是无源器件，,IC,.,实际电感器的样品图,5、电感元件的连接,对于无互感的电感来说，当其串并联等效电感方法同电容相似,但等效电感与等效电容的串并联正好相反:,.,理想电压源和实际电压源：,特点：,1）任何时候，电压源两端电压始终不变（大小、方向）,2）电压源的电流随外电路改变而改变，其大小由电压源电压和外电路共同决定,1、理想电压源,2、实际电压源,U = USIRi,1.4 电 源,1.4.1 独立电压源：,电源又分为独立电源与受控电源,电源分为电压源和电流源,电源种类：,.,1、理想电流源,特点：,1）任何时候，电流源的电流始终 不变（大小、方向）,2）电流源的两端电压随外电路改变 而改变，其大小由电流源电流和外电路共同决定,2、实际电流源,u= (ISI)Ri,1.4.2 独立电流源：,理想电流源和实际电流源,.,1、当图(b) 与图(a)中满足US=US1 +US2时，图(b) 与图(a)有同样的伏安特性。在电路中他们可以互