引言从电气性质-单片机应用及技术课件.ppt
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1、第一章 电路的基本概念和定律,一、电路模型 二、电路的分类,1.1 引言,目录,一、电流 二、电压 三、电功率和能量,1.2 电路变量,一、电路图 二、基尔霍夫电流定律 三、基尔霍夫电压定律,1.3 基尔霍夫 电流定律,一、电阻元件与欧姆定律 二、电阻元件吸收的功率 三、举例,1.4 电阻元件,一、电压源 二、电流源 三、受控源,1.5 电源,一、电路等效的概念 二、电阻的串联与并联等效 三、电阻的Y形电路与形电路 的等效变换 四、等效电阻,1.6不含独立源电路的等效,目录,一、独立源的串联与并联 二、实际电源两种模型及其等效 三、电源的等效转移,1.7 含独立源电路的等效,一、理想运放的符号
2、及电路模型 二、理想运放的三种运算方式 三、运放的两种典型运算,1.8 运算放大器概述,目录,-电在日常生活、生产和科学研究工作中得到了广泛应用。在收录机、电视机、录像机、音响设备、计算机、通信系统和电力网络中都可以看到各种各样的电路。这些电路的特性和作用各不相同。由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备按一定的方式连接而成(或有机地组成)的电路,称为实际电路。实际电路具有某种实际的功能。实际的电路都有一定的尺寸。,1.1 引言,(1)实际电路的概念,1.1.1 电路(Electrical circuit),1.1.1 电路(Elec
3、trical circuit),1.1 引言,电路是电流所流经的路径,称电子回路;或 电路是指由实际电元器件构成的电流的通路;或 电路是由金属导线和电气、电子部件组成的导电回路。或 电路是由电气设备和元器件(用电器),按一定方式联接起来构成的网络。在电路输入端加上电源使输入端产生电势差,电路即可工作。有些直观上可以看到一些现象,如电压表或电流表偏转、灯泡发光等;有些可能需要测量仪器知道是否在正常工作。,(1)电路的概念,1.1.1 电路(Electrical circuit),1.1 引言,电 阻 器,电 容 器,线圈,晶体管,运算放大器,电池,简单的手电筒电路,1.1.1 电路(Electr
4、ical circuit),1.1 引言,(1)电路的概念,1.1.1 电路,1.1 引言,-电路由电源、负载、连接导线和辅助设备四大部分组成。电源是可将其他形式的能量转换成电能、向电路提供电能的装置;负载:用电装置,统称为负载。是可将电能转换成其它形式的能量、在电路中接受电能的设备;连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路,起着传输电能的作用。辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备包括各种开关、熔断器、电流表、电压表及测量仪表等。,例如,电池是把化学能转变成电能;发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多,转变成电能的方式也很多。电源分为电压
5、源与电流源两种,只允许同等大小的电压源并联,同样也只允许同等大小的电流源串联,电压源不能短路,电流源不能断路。,负载的功能是把电能转变为其他形式能。例如,电炉把电能转变为热能;电动机把电能转变为机械能,等等。通常使用的照明器具、家用电器、机床等都可称为负载。,连接电源与负载而传输电能的金属导线,简称导线,(2)电路的构成,1.1.1 电路,1.1 引言,(3)实际电路的功能,一是实现电能的产生、传输、分配和转换使用。强电类。电力系统中电路的主要作用是传输功率,电能的传输、分配和转换。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。,实际电路种类繁多,功能各异。
6、电路的主要作用可概括为能量和信息两大领域。,1.1.1 电路,1.1 引言,3 负载,1 电源,2 中间环节,发电机,升压变压器,输电线,降压变压器,电灯电动机,负载:电能其它形式的能量,中间环节:连接电源和负载,传输、分配电能,电源:其它形式的能量电能,,(3)实际电路的功能,实际电路种类繁多,功能各异。电路的主要作用可概括为能量和信息两大领域。,1.1.1 电路,1.1 引言,二是实现电信号的产生、传输、处理、放大、存储和使用。弱电类。电子技术中的电路可对电信号进行传递、变换、储存和处理。例如通信系统、计算机网络都是传递信号。,(3)实际电路的功能,实际电路种类繁多,功能各异。电路的主要作
7、用可概括为能量和信息两大领域。,放大器,话筒,扬声器,信号源,负载,话筒把声音(信息)电信号,扬声器把电信号 声音(信息),若要细分电路作用,又可分为通信领域,车辆领域、医疗领域等。包括各种各样的车辆、传感器、雷达原理、测试设备等。作为电气工程系学生,这两方面都需要认真学习。例如电力系统的智能化问题,电力网的连接方式、供电设备也是信号控制与传输。,1.1.1 电路,1.1 引言,(3)实际电路的功能,例1:卡拉OK,例2:打电话将一个用户的信息传送给另一个用户通过通信系统完成信息的传递和交换,1.1.1 电路,1.1 引言,1.1.1 电路,1.1 引言,按照流过的电流性质,一般分为两种:直流
8、电通过的电路称为“直流电路”,交流电通过的电路称为“交流电路”。电路规模的大小,可以相差很大,小到硅片上的集成电路,大到高低压输电网。根据所处理信号的不同,电子电路可以分为模拟电路和数字电路。根据应用:电路又可分为(1)实际电路和(2)电路模型,光电电路:如太阳能电路。电机电路:常运用於大电源设备、如电力设备、运输设备、医疗设备、工业设备。显示器电路:形成萤幕、电视、仪表等各类显示器等,(4)电路的分类,1.1 引言,根据实际电路的几何尺寸(d)与其工作信号波长()的关系,可以将它们分为两大类:集总(或集中)参数电路(lumped circuit):满足d 条件的电路分布参数电路(distri
9、buted circuit):不满足d 条件的电路(与电磁场原理有关,能量可能辐射到空间)说明:本书只讨论集总参数电路,1.1.1 电路,(4)电路的分类,实际电路例3:低频信号发生器的内部结构,一个较老的设备电路,观察元器件结构,滤波,电源,工作电路:产生不同的信号频率,现在电路用集成电路实现,做的很小,电阻,电 容 器,晶体管,电路理论主要研究:电路中发生的电磁现象,一般用电流、电压(有时还用电荷、磁通)来描述电路中的工作过程。只关心电路中各器件端的电流和端子间的电压,而不涉及器件内部的物理过程。以上电路理论研究的现象,只有在满足集中化假设的条件下才是合理的。集总假设反映一种基本电磁现象。
10、,1.1 引言,1.1.2 集总参数电路,实际的器件、连接导线以及由它们连接成的实际电路都有一定的尺寸,占有一定的空间,电磁能量的传播速度(c=3108m/s)是有限的如果电路尺寸d,为电路最高工作频率f所对应的波长(=c/f),则可以认为传送到实际电路各处的电磁能量是同时到达的。因为,与电磁波的波长相比,电路尺寸可以忽略不计。从电磁场理论的观点来看,整个实际电路可看做是电磁空间的一个点,这与经典力学中把小物体看做质点相类似。,1.1 引言,1.1.2 集总参数电路,电路中实际元件在工作过程中和电磁现象有关实际电路集中化判据:100d当电路满足集中化判据条件时:这种电路称为理想电路或集总电路。
11、集中电路中不考虑电磁波现象,电场、磁场被认为只集中在相应元件的内部。即把电路元件的作用集总在一起。因而集中电路中的每一种元件只反映一种基本的电磁现象,且可由数学方法精确定义。(元件理想化)可用三种基本元件(R、L、C)表示集中电路的三种基本物理现象,并分别进行研究,这就是集总假设。,1.1 引言,(1)集总假设,1.1.2 集总参数电路,电阻、电容、电感都集中到一点;能量损耗、电场储能、磁场储能过程也分别集中在电阻、电容、电感元件中进行。,1.1 引言,1.1.2 集总参数电路,(1)集总假设,所谓电路元件的作用集总在一起,集中电路中的所有电路元件称为集总参数元件或理想元件。可以定义出几种“集
12、总参数元件”(lunmped parameter e1ement),用来构成实际部/器件的(理想化)模型。集总电路可用三种最基本的理想电路元件参数(R、L、C)描述电路中实际元件在工作过程中和电磁现象,这样的电路参数叫做集总参数。分别是:表示消耗电能的理想电阻元件R;表示贮存电场能的理想电容元件C;表示贮存磁场能的理想电感元件L,组成电路模型的理想元件,能反映实际电路中实际元件的主要物理特征。,1.1 引言,(2)集总参数元件,1.1.2 集总参数电路,1.1 引言,集中参数电路中的电压、电流为时间的函数:v=v(t),i=i(t),电路可用常微分方程来描述。,在一定的条件下,有些部、器件的模
13、型较简单,只需涉及一种元件,而有些部、器件的模型则要由几种元件构成。,1.1.2 集总参数电路,(2)集总参数元件,除以上三种(R、L、C)集总元件(理想元件)外,还有电源元件(电压源、电流源)和耦合元件。,其中:二端元件有:电阻元件 电感元件 电容元件 电压源 电流源。四端元件有:受控源 耦合电感 理想变压器。,1.1 引言,(1)有源元件:独立源:电压源,电流源。受控源:电压控制电压源,电流控制电压源,电压控制电流源,电流控制电流源,(2)无源元件:电阻元件,电容元件,电感元件,耦合电感,理想变压器。,也可分为有源元件和无源元件:,1.1.2 集总参数电路,(2)集总参数元件,1.1 引言
14、,(3)集总参数电路,集总参数电路,忽略元件次要性质。由电阻、电容、电感等集总参数元件组成的电路称为集总电路。分电阻电路和动态电路两大类。只含电阻元件和电源元件的电路称为电阻电路(线性电路)。含有储能元件L、C的电路称为动态电路,1.1.2 集总参数电路,f:20Hz25kHz,=3108/25103=12000m,对实验室仪器而言,可不必考虑分布参数。,实验室电子仪器的尺寸 l:330cm,允许信号波长=3003000cm,则 f=c/=31010/f:107Hz108Hz(10兆100兆),在实验室,一般情况下50兆频率的信号,可作集中参数电路来处理。,1.1 引言,1.1.2 集总参数电
15、路,例:,信号频率继续升高,分布参数将上升到主导地位。,信号频率升高到微波波段(称超高频或射频),f 1010 Hz,1mm10cm。在这种情况下,集中电路概念完全被破坏,只能用电磁场理论分析各种现象。如天线,它的下端有电流,顶端电流为零。,1.1 引言,1.1.2 集总参数电路,设联接于电视接收天线与电视机间的平行双导线(称传输线)没有损耗,并延伸至无限长(这样可不涉及反射波),若天线端口A点感生了频率为100MHz,即=2108rad/s 的电压。vA(t)=VmSint,在距A点1.5m 处B点的电压vB(t)相对于A点的电压vA(t)将延迟,相当于相位落后t0=2108510-9=ra
16、d,于是B点的电压 vB(t)=VmSin(t-)=-VmSint=-vA(t)。,与A点的线间电压反相。这信号的波长,A到B这段传输线能不能看作集中参数电路?,1.1 引言,若C点距A点较近为0.015m,从A点到C点的传输时间是510-11s 相位落后2108510-11=10-2 rad=1.8,在任意时刻t均可认为vC(t)vA(t),即可以将该段传输线看作是集中参数电路。这是AC间的距离远小于信号波长的缘故。,1.1 引言,1.1 引言,1.1.3 分布参数电路,在实际问题中,参数的分布性质是普遍存在的。但在很多情况下可以部分甚至全部地忽略这种分布性质,以便简化对问题的研究。可以用有
17、限个变量描述的系统,称为集中参数系统或集总参数系统。状态变化不能只用有限个参数而必须用场(场是一维或多维空间变量的函数)来描述的系统,称为分布参数系统。,例如:对于一个有质量分布的弹性飞行器,在研究它的扭转运动时,必须考察其内部各点的运动,把它当作分布参数系统。但在研究它的整体运动轨线时,就不必逐点考虑其内部运动,而把质量集中到质心来分析,即把它当作集中参数系统。,1.1 引言,分布参数系统的典型实例有:电磁场、引力场、温度场等物理场,弹性梁型的运动体;大型加热炉;水轮机和汽轮机;化学反应器中的物质分布状态;长导线中的电压和电流等控制对象;环境系统(如污染物在一区域内的分布);生态系统(如物种
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