第1章電子系統(tǒng)概述2

1.1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)和電子系統(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)。當前1頁，總共32頁。發(fā)電廠：通過發(fā)電機等設備將一次能源轉(zhuǎn)換成電能。水利發(fā)電廠：水的勢能→電能當前2頁，總共32頁?；鹆Πl(fā)電廠：化學能（燃燒煤、石油等）→電能核電廠：原子能→電能。當前3頁，總共32頁。

現(xiàn)在使用最普遍的民用核電站大都是壓水反應堆核電站，它的工作原理是：用鈾制成的核燃料在反應堆內(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；高溫高壓的蒸汽推動汽輪機，進而推動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。當前4頁，總共32頁。

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)設備當前5頁，總共32頁。當前6頁，總共32頁。輸電線路：桿塔，絕緣子，導線當前7頁，總共32頁。

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備（電動機、家用電器和照明等設備），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)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，產(chǎn)生了服務于電力系統(tǒng)的電氣工程學科。

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。當前8頁，總共32頁。

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)是由電子電路和傳輸介質(zhì)組成的、完成特定功能的整體。當前9頁，總共32頁。計算機主板當前10頁，總共32頁。

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、識別和應用等功能（或部分功能），處理的對象是電信號。

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,電子系統(tǒng)成為信息化社會的物質(zhì)基礎，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。當前11頁，總共32頁。例如，有線擴音系統(tǒng)拾音器音頻放大器揚聲器傳感器(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：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：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)的負載。end當前12頁，總共32頁。1.2信號及其頻譜

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+-R1.2.1信號1.2.1信號1.2.2信號的頻譜當前13頁，總共32頁。

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)

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0mV、±1mV、±2mV、…、±nmV。toto

模擬信號to

多值數(shù)字信號二值數(shù)字信號當前14頁，總共32頁。

模擬電路（AnalogCircuit）是處理模擬信號的電子電路，是模擬電子技術(shù)基礎要討論的主要內(nèi)容。

數(shù)字電路(DigitalCircuit)是處理數(shù)字信號的電子電路。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(AnalogtoDigitalConverter,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（DigitaltoAnalogConverter,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)基礎要討論的主要內(nèi)容。end當前15頁，總共32頁。1.2.2信號的頻譜信號承載的重要信息之一是它的頻譜信息。正弦信號常作為模擬電路的標準信號或測試信號。幅度頻譜：信號幅度與頻率的關(guān)系相位頻譜：信號相位與頻率的關(guān)系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。T----信號的周期----信號的頻率當前16頁，總共32頁。

如果周期信號滿足狄里赫利條件（Dirichlet‘sCondition），則可展開為傅里葉級數(shù)。狄里赫利條件：①在任意周期內(nèi)絕對可積，即②在任意周期內(nèi)只有有限個極值； ③在任意周期內(nèi)只有有限個不連續(xù)點；直流分量n=1–基波分量n>1–諧波分量交流分量當前17頁，總共32頁。例求電壓周期方波信號的傅里葉級數(shù)。解：toVST2TωoVn(ω)VS/2ω03ω05ω0oω03ω05ω0ω波形 幅度譜 相位譜當前18頁，總共32頁。周期電壓信號作用到電阻R上的平均功率P為V是電壓信號的有效值，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，是信號最重要的特性之一。當前19頁，總共32頁。

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ω0=2π/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

如果模擬信號絕對可積，即則存在傅里葉變換對:V(jω)即是非周期信號的頻譜。其中∠V(jω)是相位譜，|V(jω)|是幅度譜，|V(jω)|2是功率譜。當前20頁，總共32頁。例求電壓單脈沖信號的頻譜:

解:toVSτ-τ

幅度譜是連續(xù)分布的，并且脈沖寬度（2τ）越窄，高頻分量越多；頻譜幅度與脈沖幅度和脈沖寬度之積（τVS）成正比。ωo|V(jω)|τVS當前21頁，總共32頁。

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0.05Hz～200Hz調(diào)頻無線電信號88MHz～108MHz音頻信號20Hz～20kHz超高頻電視信號470MHz～806MHz模擬電視信號直流～4.5MHz衛(wèi)星電視信號3.7GHz～4.2GHz調(diào)幅無線電信號540kHz～1600kHz當前22頁，總共32頁。

電子電路總是處在復雜的電磁環(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，其頻譜分布與單脈沖信號相似，包含有豐富的高頻分量。toVSτ-τωo|V(jω)|τVS當前23頁，總共32頁。

噪聲是指電子不規(guī)則運動引起的對有用信號的擾動。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。----熱噪聲。+-i0ti(t)0ωI(jω)均勻譜

當有用信號遠大于噪聲時，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)劣的指標是信噪比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。end當前24頁，總共32頁。1.3電子系統(tǒng)組成框圖傳感器信號預處理模擬信號處理子系統(tǒng)數(shù)字信號處理子系統(tǒng)執(zhí)行器模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換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（如微伏級或毫伏級的電壓），且信號伴隨著噪聲信號。信號預處理：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：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)行器電信號還原成某種物理量，實現(xiàn)對工程實際的某種操作。end當前25頁，總共32頁。1.4電子技術(shù)及其發(fā)展概述

電子學或電子技術(shù)是研究電子器件、電子電路及其應用的科學和技術(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備。

電子器件是利用電子在真空或半導體中的運動規(guī)律構(gòu)成特定功能的器件。目前，半導體器件是電子器件的主體，包括半導體二極管、三極管、集成電路等。

電子電路廣泛地應用于通信、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體系。

電氣工程和電子工程的誕生歸功于許多科學巨人的開創(chuàng)性的研究成果。當前26頁，總共32頁。庫倫（Coulomb，1736～1806，法國）：庫侖定律。庫侖定律使電磁學的研究從定性進入定量階段。安培（Ampere，1775-1836，法國）：安培定律、安培定則和分子電流等。著書《電動力學現(xiàn)象的數(shù)學理論》。

歐姆（Ohm，1787-1854，德國）：在《金屬導電定律的測定》的論文論述了歐姆定律。奧斯特（Oersted，1777-1851，丹麥）：電流磁效應。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)學方面有巨大的貢獻。法拉第（Faraday，1791-1867，英國）：磁電感應。亨利（Henry，1797-1878，美國）：發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象。研究電磁中繼理論，是電報的基礎。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。預測了電磁波可以在空間中傳播和光是一種電磁波。當前27頁，總共32頁。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測。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（Lorentz，1853-1928）：1895年，假定了電子存在。湯普森（Thompson，1856-1940）：1897年，通過實驗發(fā)現(xiàn)了電子。弗萊明（，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（Forest，1873-1961）：1906年，發(fā)明了具有放大作用的真空電子三極管。當前28頁，總共32頁。Fleming'sfirstVaccumdiodesInventedin1904Thefirsttriode,inventedin1906

此后的近半個世紀，真空電子器件在無線電通信中得到廣泛的應用,并逐漸擴展到無線電廣播、電視和計算機等工程領(lǐng)域。

當前29頁，總共32頁。

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（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，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。