工程師基礎培訓課件

工程師基礎培訓——基本元器件認識湖北省醫(yī)學工程分會青年委員會----青年工程師交流的平臺1分離元器件介紹單片機相關基礎電源知識介紹結束語內容大綱電子系統(tǒng)的簡介21電子系統(tǒng)的簡介傳感器接收器隔離、濾波、放大運算、轉換、比較功放執(zhí)行機構一個復雜電子產品內部的信號流程，大致可以用下圖概述31電子系統(tǒng)的簡介電子產品的大致組成：輸入、處理核心、輸出組件一組件三鍵盤\鼠標串行接口開關量模擬量顯示器蜂鳴器開關量模擬量組件二8位單片機32位單片機輸入部分處理核心輸出部分52分離元器件介紹電阻/電容/電感/電位器二極管/三極管/可控硅其他變壓器/整流橋/穩(wěn)壓器開關/插接件/繼電器集成電路元器件是構成復雜電子電路的最小元素，更是學習電路的基礎復雜電路62.1電阻/電感/電容/電位器是電子線路中不可缺少的一種器件，在電路中的作用是：緩沖、分壓分流、保護等。電阻也是最基本的元件之一。在電路中用于調諧、濾波、耦合、旁路、能量轉換和延時等。電容多被用在儲能、濾波、延遲和振蕩等方面，是保障電路穩(wěn)定安全運行的重要元件。電感與可變電阻工作原理相同，在電路中，主要用作分壓電路電位器72.1.1電阻普通電阻的標識方法

直標法：將電阻的標稱值用數(shù)字和文字符號直接標注在電阻體上

文字符號法：將電阻的標稱值和允許誤差用數(shù)字和字母按一定規(guī)律組合標示在電阻體上。

只要是R在最前面，即表示阻值小于1Ω，如0.22Ω=R22，而2R2=2.2Ω；只要出現(xiàn)R或者R在最后面，即表示阻值小于1K,如220Ω=220R、22Ω=22R、22.1Ω=22R1；只要是出現(xiàn)K或者K在最后面，即表示阻值大于1K，如2200Ω=2K2、22000Ω=22K、2210000Ω=2.21MΩ=2M21

色環(huán)法：普通電阻用四色環(huán)表示，精密電阻用五色環(huán)表示。緊靠電阻體一端頭的色環(huán)為第一環(huán)，露著電阻體本色較多的另一端頭為末環(huán)。最邊緣的色環(huán)如果為金色或者銀色，則該色環(huán)必為最后一環(huán)。92.1.1電阻電阻的色碼標識102.1.2電容電容的分類

根據介質的不同，分為陶瓷、云母、紙質、薄膜、電解電容幾種。電容的參數(shù)和選用

主要參數(shù)是容量和耐壓值常用的容量單位有μF（10-6F）、nF（10-9F）和PF（10-12F），標注方法與電阻相同。電容的選用應考慮使用頻率、耐壓。電解電容還應注意極性，使正極接到直流高電位，還應考慮使用溫度。

112.1.3電感電感的分類

按形式分為：固定電感、可變電感。

按導磁體性質分：空芯線圈、鐵氧體線圈、鐵芯線圈、銅芯線圈。

按工作性質分：天線線圈、振蕩線圈、扼流線圈、陷波線圈、偏轉線圈。

按繞線結構分類：單層線圈、多層線圈、蜂房式線圈。電感的主要參數(shù)

電感量L：表示線圈本身固有特性，與電流大小無關。除色碼電感外，電感量一般不專門標注在線圈上，而以特定的名稱標注。

132.1.3電感電感的主要參數(shù)

感抗：電感線圈對交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關系為XL=2πfL

品質因素Q：是表示線圈質量的一個物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=XL/R,線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小。

分布電容：線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小，穩(wěn)定性變差，因而線圈的分布電容越小越好。

142.1.4電位器電位器與可變電阻

電位器的功率比效大、一般按裝在機箱上有一個調整手柄便于人們調節(jié)。而可調電阻一般功率比較小，一般都按裝在線路板上用于調整電路的電流，調好后一般不再調整，無調整手柄。電位器的主要參數(shù)

分辨力：對于線繞電位器和線性電位器來說，分辨力是用動觸點在繞組上每移動一匝所引起的電阻變化量與總電阻的百分比表示。

152.2二極管/三極管/可控硅是一個由N型半導體和P型半導體形成的PN結。主要特性是單向導電性。主要作用：穩(wěn)壓、整流、檢波、開關、光電轉換等。二極管具有放大、電子開關、控制等作用，是電子電路與電子設備中廣泛使用的半導體元件。三極管多被用在儲能、濾波、延遲和振蕩等方面，是保障電路穩(wěn)定安全運行的重要元件?？煽毓?72.2.1二極管二極管分類

按材料來分：硅管、鍺管按結構來分：點接觸型、面接觸型按用途來分：穩(wěn)壓管、整流管、檢波管、開關管、變容管、發(fā)光管、光電管等。二極管的主要參數(shù)

最大整流電流：是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值，其值與PN結面積及外部散熱條件等有關。最高反向工作電壓：加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會損壞二極管。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。182.2.1二極管二極管的主要參數(shù)

額定正向工作電流IF：是指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。

反向擊穿電壓VBR：是指管子反向擊穿時的電壓值。一般手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM約為擊穿電壓的一半。

反向電流IR：是指管子未擊穿時的反向電流，其數(shù)值越小，則管子單向導電性越好。

最大浪涌電流Isurge

：是指允許流過的最大正向電流，該值為瞬間電流，一般為額定正向工作電流的20倍左右。192.2.1二極管二極管的主要特性

正向壓降基本不變特性和溫度特性：二極管正向導通后的管壓降基本不變，但不是絕對不變的。下列因素會導致二極管管壓降有一個微小的變化。當溫度升高時，其管壓降略有下降，當溫度降低時，其管壓降略有增大；當正向電流增大電流增大許多時，正向壓降會有微小的增大。

正向電阻小、反向電阻大特性：正向電阻是二極管正向導通后正、負極之間的電阻，這一電阻很小，即正向電阻?。环聪螂娮枋嵌O管處于反向偏置而未擊穿時的電阻，這一電阻很大，即反向電阻大。反向電阻遠遠大于正向電阻，并且希望越大越好。212.2.2三極管三極管的分類

按材料分類：硅管、鍺管

按結構分類：NPN管、PNP管

按功率分類：大功率管、中功率管、小功率管

按頻率分類：高頻管、低頻管

按用途分類：放大管、檢波管、開關管、光電管等。三極管的主要參數(shù)

222.2.2三極管三極管的主要參數(shù)

特征頻率fT：當f=fT時，三極管完全失去電流放大功能。

工作電壓/電流：用這個參數(shù)可以指定該管的電壓電流使用范圍。

hFE：電流放大倍數(shù)。

VCEO：集電極發(fā)射極反向擊穿電壓，表示臨界飽和時的飽和電壓。

PCM：最大允許耗散功率。

232.2.3可控硅可控硅簡介

可控硅是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件，亦稱為晶閘管。具有體積小、結構相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導體器件之一。該器件被廣泛應用于各種電子設備和電子產品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、調壓、無觸點開關等。

252.2.3可控硅可控硅主要參數(shù)

額定正向平均電流（IF)：在環(huán)境溫度小于40℃和標準散熱條件下，允許連續(xù)通過晶閘管陽極的工頻正弦波半波電流的平均值。

維持電流IH：在控制極開路且規(guī)定的環(huán)境溫度下，晶閘管維持導通時的最小陽極電流。正向電流小于IH時，管子自動阻斷。

觸發(fā)電壓UG和觸發(fā)電流IG：室溫下，當U=6V時使晶閘管從阻斷到完全導通所需最小的控制極電壓和電流。

正向重復峰值電壓UDRM：控制極開路時，允許重復作用在晶閘管上的最大正向電壓。一般UDRM=UBO×80%

反向重復峰值電壓URRM：控制極開路時，允許重復作用在晶閘管上的最大反向電壓。一般UDRM=UBR×80%

262.2.3可控硅可控硅工作原理

當晶閘管的陽極A和陰極C之間加正向電壓且控制極和陰極之間也加正向電壓時，J3處于導通狀態(tài)。若T2管的基極電流為iB2，則其集電極電流為β2iB2；T1管的基極電流iB1等于T2管的集電極電流β2iB2，因而T1管的集電極電流iC1為β1β2iB2；該電流又作為T2管的基極電流，再一次進行上述放大過程，形成正反饋。在很短的時間內（一般不超過幾微秒），兩支管子均進入飽和狀態(tài)，使晶閘管完全導通，這個過程稱為觸發(fā)導通過程。晶閘管一旦導通，控制極就失去控制作用，管子依靠內部的正反饋始終維持導通狀態(tài)。272.3.1變壓器變壓器分類按相數(shù)分：(1)單相變壓器：用于單相負荷和三相變壓器組。(2)三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。按冷卻方式分:(1)干式變壓器：依靠空氣對流進行自然冷卻或增加風機冷卻。(2)油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質。

292.3.1變壓器變壓器分類按用途分:(1)電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。(2)儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測量儀表和繼電保護裝置。(3)試驗變壓器：能產生高壓，對電氣設備進行高壓試驗。(4)特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調整變壓器、電容式變壓器、移相變壓器等。按繞組形式分:(1)雙繞組變壓器：用于連接電力系統(tǒng)箱式變壓器中的兩個電壓等級。(2)三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個電壓等級。(3)自耦變電器：用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。302.3.1變壓器變壓器的常用參數(shù)

變壓比n：表示了變壓器一次繞組匝數(shù)與二次繞組匝數(shù)之間的關系。n=N1/N2=U1/U2

額定功率：在規(guī)定頻率和電壓下，變壓器長時間工作而不超過規(guī)定溫升的最大功率，單位為伏安(V·A)

絕緣電阻：變壓器一次繞組與二次繞組之間（自耦變壓器除外），各繞組與鐵芯之間應完全絕緣，但實際上做不到。絕緣電阻=施加電壓(V)/漏電流(μA)

效率：變壓器在工作時，對電能有損耗，用效率表示損耗程度。效率=輸出功率/輸入功率×100%

溫升：指變壓器通電后，其溫度上升到穩(wěn)定值時，比環(huán)境溫度高出的數(shù)值。溫升越小，越安全312.3.2整流橋整流橋的結構

整流橋就是將整流管封在一個殼內了.分全橋和半橋.全橋是將連接好的四個二極管封在一起.半橋是將兩個二極管橋式整流的一半封在一起,用兩個半橋可組成一個橋式整流電路。整流橋的參數(shù)最大工作電流和最大反向電壓322.3.3三端穩(wěn)壓器簡介電子產品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有輸出電壓固定的穩(wěn)壓器和輸出電壓可調的穩(wěn)壓器二種。它的樣子像是普通的三極管。輸出電壓固定的穩(wěn)壓器

常見的有正電壓輸出的78××系列和負電壓輸出的79××系列輸出電壓可調的穩(wěn)壓器

LM117/LM217/LM317三端可調正電壓穩(wěn)壓器LM137/LM237/LM337三端可調負壓穩(wěn)壓器332.4開關/插接件/繼電器開關在電路中的作用就是對負載的供電進行通/斷控制的一種元器件開關插接件是為了方便兩個電路之間進行連接而設計的一種特殊的電子元器件，又稱連接器插接件繼電器是一種電子控制器件，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常用在自動控制電路中繼電器342.4.1開關開關的分類

依照開關的動作方式及內部構造，可大致分為：(1)單刀單擲開關/多刀多擲開關若一個開關只有一個刀片觸點且該觸點只能與一個定觸點接通，那么這種開關就是單刀單擲開關，若一個開關有三只引腳，且其中一個引腳與動觸點相連，另外兩個引腳與靜觸點相連，而且動觸點可以輪流在兩個靜觸點之間切換，那么這種開關就被稱為單刀雙擲開關。

352.4.1開關開關的分類

依照開關的動作方式及內部構造，可大致分為：(2)鎖定式開關/非鎖定式卡關鎖定式開關就是開關按一下，會維持導通，也就是自鎖，再按一下就會斷路。因為會自己維持在動作狀態(tài)，所以稱為鎖定式開關。非鎖定式開關就是開關只有在被壓下時導通或者被壓下時斷路，一放開就會回到原始狀態(tài)，所以又稱暫時開關或輕觸式開關或微動開關。

362.4.1開關開關的分類

依照開關的動作方式及內部構造，可大致分為：(3)撥碼開關撥碼開關又稱DIP開關，是由多個單刀單擲開關的組合，內部可以有多個微型開關。這種開關通常在正面上的一方標注有一個“ON”符號，當該路開關撥至“ON”時，該路開關為閉合狀態(tài)，否則為斷開狀態(tài)。開關的主要參數(shù)

開關的主要參數(shù)就是額定電壓和額定電流。這些參數(shù)通常標注在開關表面。開關兩端的電壓和流過開關的電流超過開關的額定值時，就可能會導致開關燒毀372.4.2插接件插接件是為了方便兩個電路之間進行連接而設計的一種特殊的電子元器件。要有兩種類型：一種是用于電子電器與外部設備進行連接的插接件；另一種是用于電子電器內部線路之間進行連接的插接件。根據不同的電路需求，插接件的種類也有很多。常見插接件有下列幾種：BNC插頭/插座S端子電路板插接件RJ-45插頭/插座RS-232插頭/插座

382.4.2插接件常見的插接件：BNC插頭/插座

BNC插頭/插座是一種用來連接同軸電纜的插接件。主要應用在需要采用同軸電纜的高頻發(fā)射/接收設備、網絡集線器或交換機上。RAC插頭/插座

RAC插頭/插座又稱蓮花插頭/插座，主要用于民用音響設備中，如常用的CD機、錄音機、電視機等。在音頻設備中，常用不同顏色RAC插頭/插座來傳輸兩個聲道的音頻信號：左聲道為白色，右聲道為紅色。有時也采用這種插頭/插座來傳送模擬視頻信號，此時插頭/插座顏色為黃色。

392.4.2插接件常見的插接件：S端子S端子是s-video的簡稱，是視頻信號的專用輸入/輸出接口。S端子主要安裝在高檔的錄像機、彩色電視機及激光視盤機上作為視頻視頻信號專用輸入/輸出接口。RJ-45插頭/插座RJ-45插頭俗稱“水晶頭”，主要用于網卡、集線器或交換機上進行網絡通信。RS-232接口

個人計算機上的通訊接口之一。通常以9個引腳(DB-9)或是25個引腳(DB-25)的型態(tài)出現(xiàn)，個人計算機有兩組，分別稱為COM1,COM2402.4.2插接件RS-232插頭/插座

串口與電子設備之間的連接關鍵問題：電平轉換電平轉換芯片RS232<->TTL：MAX232RS232<->LVTTL：MAX3232單片機應用PC機與單片機通訊串口仿真器/下載器412.4.3繼電器繼電器原理繼電器是一種電子控制器件，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)。繼電器可以使用一組控制信號來控制一組或多組電器接點開關，通常應用在自動控制電路中。繼電器實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”，故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護及轉換電路等作用繼電器分類

根據驅動方式，主要有電磁繼電器、固態(tài)繼電器等類型

422.4.3繼電器電磁繼電器原理

電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點及彈簧片組成。線圈是用漆包線在一個鐵芯上饒若干圈。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，鐵芯就會產生磁場，該磁場會產生強大的電磁力，吸動銜鐵帶動簧片，使得簧片上的觸點接通。當線圈斷電時，鐵芯失去磁性，電磁的吸力隨之消失，銜鐵就會離開鐵芯。由于簧片的彈性作用，因銜鐵壓迫而接通的彈簧片觸點就自動斷開了。

432.4.3繼電器固態(tài)繼電器原理

固態(tài)繼電器的功能與電磁繼電器相同，但沒有電磁繼電器的機械觸點。固態(tài)繼電器可分為控制輸入端與輸出端，而這兩者之間是隔離的。其控制端的輸入部分采用光耦合電路，而輸出部分采用單向晶閘管或雙向晶閘管。利用輸入的控制電壓令光耦內部的發(fā)光管發(fā)光，經過內部的控制電路后出發(fā)輸出端的單向晶閘管或雙向晶閘管導通，進而驅動負載。

44二極管經過半導體制造工藝，把構成具有一定功能的電路所需的半導體、電阻、電容等元件集成在一小塊硅片上，封裝在一個管殼內的電子器件三極管電阻電容集成電路2.5集成電路452.5集成電路集成電路分類

模擬集成電路：集成運算放大器，集成功放，集成穩(wěn)壓電源，集成模數(shù)A/D轉換和數(shù)模D/A轉換及各種專用的模擬集成電路。

數(shù)字集成電路：門電路，觸發(fā)器，計數(shù)器，存貯器，微處理器等電路。數(shù)字集成電路按結構不同分為雙級型（如TTL系列）和單極型（如CMOS系列）電路。

462.5集成電路數(shù)字集成電路分類472.5集成電路數(shù)字集成電路的四電壓參數(shù)數(shù)字集成電路的噪聲容限

當某電路的輸出端信號送到其他電路的輸入端時，為保證輸入端能正確地接收信號，必須滿足以下條件:VOH≥VIH，VOL≤VIL如果僅僅滿足VOH=VIH、VOL=VIL。似乎就能E確地傳送邏輯信號，但是在傳送過程中不可避免地要受到各種干擾而造成接收端接收不到正確的信息。482.5集成電路數(shù)字集成電路使用注意事項

電源電壓：TTL集成電路對電源要求較高，如74LS系列為5V±0.25V。使用中超出此范圍則可能造成電路工作不正常，甚至損壞器件。盡管CMOS集成電路的電源電壓范圍較寬，在使用中還是應當注意不要超出范圍。特別是對于那些引腳排列和封裝形式完全一致，但電性能參數(shù)有所不同的CMOS集成電路，換用時要十分注意，使用者不要犯經驗主義錯誤。

輸入電壓：應保證輸入電壓不超過集成電路的電壓范圍。否則有可能對器件造成損壞。當信號源和集成電路使用兩組電源，開機時，必須先接通集成電路電源，后接通信號源電源；關機時，應先關斷信號源電源，后關集成電路電源。

空引腳處理：對于TTL器件懸空的輸入引腳相當于接"1"，但懸空狀態(tài)容易受到外界干擾。因此應當將空余的輸入引腳按邏輯功能接"0"或接"1"。對于CMOS器件，由于輸入阻抗很高，懸空狀態(tài)極易感應靜電而損壞器件，因此CMOS器件的空余輸入引腳一定不能懸空。無論何種集成電路器件，空余的輸出引腳必須懸空，不得接電源正極或地，否則會損壞器件。492.5集成電路集成電路引腳和識別

集成電路的常見封裝形式有晶體管封裝、扁平封裝和直插式封裝等。集成電路的引腳排序有一定的規(guī)律，一般是從外殼頂部向下看，從左下角按逆時針方向讀數(shù)，其中第一腳附近一般有參考標致，如凹槽、色點等。

引腳排列的一般規(guī)律為：圓形金屬殼封裝的集成電路多用于集成運放等。其引腳識別方法為：正視引腳，以管殼上凸起部分為參考標記，按順時針方向數(shù)引腳依次為1、2、3。扁平和雙列直插式集成電路，通常都有一個缺口或色點作為第一腳的識別標記。識別時，將有文字符號的一面正放（一般將缺口或者色點置于左方），由頂部俯視，從左下角起，按照逆時針方向數(shù)、依次為1、2、3。50

常用的8位單片機

常用的16位單片機單片機技術開創(chuàng)了現(xiàn)代電子技術時代MCS-51PICAVR新龍華（增強型51）MSP430凌陽dsPIC系列單片微型計算機，是典型的嵌入式微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上，相當于一個微型的計算機。單片機3單片機基礎知識51什么是單片微型計算機？在一片芯片上集成了計算機的所有基本組成部分構成四要素：CPU、ROM、RAM、IO口，互相之間通過總線連接片上外設：UART、ADC、DAC、增強型定時器、SPI、IIC、USB控制器、LCD控制器等3.1單片機定義5251單片機內部結構CPU、RAM、ROM、IO口、UART、定時器、外部中斷、時鐘電路3.2MCS-51單片機結構53最小系統(tǒng)電源復位電路時鐘電路PIN31(EA/VPP)拉高P0上拉電阻3.2MCS-51單片機最小系統(tǒng)54水能、熱能、核能日常生活中使用的電能，主要來自其他形式能量的轉換，包括水能、熱能、原子能、風能、化學能及光能等。各類發(fā)電站電力變換設備電能的產生過程4電源知識介紹55串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的原理

VO=VI-VR，當VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響。若負載電流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對輸出電壓減小的影響。4.1線性電源在實際電路中，可變電阻R是用一個三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當于VR。56串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構成：

調整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準電壓源4.1線性電源57串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作過程：

4.1線性電源1.輸入電壓變化時VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓2.負載電流變化時IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑58線性穩(wěn)壓電源存在的問題：