【大學(xué)課件】《電路與模擬電子技術(shù)》電路

電路與模擬電子技術(shù)本課程旨在深入探討電路基礎(chǔ)理論和模擬電子電路設(shè)計(jì)原理，并涵蓋關(guān)鍵概念和應(yīng)用。學(xué)生將學(xué)習(xí)電路分析、信號(hào)處理、放大器、濾波器等核心內(nèi)容，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的電子電路設(shè)計(jì)與制作。課程概述課程目標(biāo)深入理解電路理論和模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本電路分析方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容主要涵蓋直流電路、交流電路、磁路、半導(dǎo)體器件、放大電路、反饋電路、運(yùn)算放大器、模擬濾波器、穩(wěn)壓電路等內(nèi)容。學(xué)習(xí)方法理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐結(jié)合，通過課堂講解、實(shí)驗(yàn)操作、課后練習(xí)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)等方式掌握知識(shí)和技能。電路基本概念電路組成電路包含導(dǎo)體、電源、負(fù)載、控制元件等。導(dǎo)體連接電源和負(fù)載，電源為電路提供能量，負(fù)載消耗能量。控制元件控制電流方向和大小。電路類型電路類型主要包括直流電路和交流電路。直流電路是指電流方向恒定的電路，交流電路是指電流方向隨時(shí)間變化的電路。電壓1定義電壓是電路中兩個(gè)點(diǎn)之間電位差的量度，表示電流從高電位點(diǎn)流向低電位點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力。2單位電壓的國(guó)際單位是伏特（V），一個(gè)伏特表示每庫侖電荷移動(dòng)時(shí)獲得的能量為一焦耳。3測(cè)量電壓可以用萬用表、示波器等儀器測(cè)量，通常用符號(hào)“U”或“V”表示。4應(yīng)用電壓是電路分析和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，在各種電子設(shè)備中起著重要作用。電流電流的定義電流是指在導(dǎo)體中移動(dòng)的電荷數(shù)量。電荷的流動(dòng)方向定義為電流方向。電流的單位電流的單位是安培（A），以紀(jì)念法國(guó)物理學(xué)家安德烈-瑪麗·安培命名。電流的測(cè)量電流可以使用電流表進(jìn)行測(cè)量，電流表通常連接在電路中，以測(cè)量通過電路的電流大小。電阻電阻的定義電阻是材料阻礙電流流動(dòng)的屬性。當(dāng)電流流過材料時(shí)，電阻會(huì)使一部分能量轉(zhuǎn)化為熱量。電阻的單位電阻的單位是歐姆，用符號(hào)Ω表示。1歐姆表示當(dāng)1安培的電流流過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體兩端產(chǎn)生1伏特的電壓降。電阻的分類固定電阻可變電阻光敏電阻熱敏電阻歐姆定律1定律公式I=U/R2電流單位安培(A)3電壓?jiǎn)挝环?V)4電阻單位歐姆(Ω)歐姆定律是電路理論中最基本定律之一。它描述了電流、電壓和電阻之間的關(guān)系，是分析和計(jì)算電路的基礎(chǔ)。電功率電功率的定義電功率表示電路中電能轉(zhuǎn)換速度，單位為瓦特（W）。計(jì)算公式電功率等于電壓乘以電流：P=U*I，也等于電流的平方乘以電阻：P=I^2*R，或者電壓的平方除以電阻：P=U^2/R。功率單位常用單位還有千瓦（kW）、兆瓦（MW）等。應(yīng)用電功率在電路分析、電器設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用。電路中的能量形式電能是電路中能量的主要形式，以電荷運(yùn)動(dòng)的方式傳遞。熱能電能轉(zhuǎn)化為熱能是常見的能量轉(zhuǎn)換形式，例如電阻發(fā)熱。機(jī)械能電能可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，例如電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。光能電能可以轉(zhuǎn)化為光能，例如LED燈將電能轉(zhuǎn)換為光能。串聯(lián)電路定義串聯(lián)電路是指多個(gè)元件首尾相連的電路。電流從一個(gè)元件流向另一個(gè)元件，電流路徑只有一條。特點(diǎn)串聯(lián)電路中的電流大小相等，各個(gè)元件的電壓之和等于電源電壓。應(yīng)用串聯(lián)電路廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，例如燈串、電源供電線路等。示例例如，圣誕樹上的彩燈通常以串聯(lián)方式連接，它們共享相同的電流。并聯(lián)電路1并聯(lián)電路簡(jiǎn)介并聯(lián)電路中，元件共享相同的電壓，電流則在各個(gè)支路分別流動(dòng)。2電流關(guān)系并聯(lián)電路總電流等于各支路電流之和，可以用基爾霍夫電流定律來分析。3電壓關(guān)系并聯(lián)電路各支路電壓相等，與電源電壓相同，可以用基爾霍夫電壓定律來分析。4電阻關(guān)系并聯(lián)電路總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻的倒數(shù)之和，即總電阻小于任何一個(gè)支路電阻。復(fù)雜電路的分析1等效變換將復(fù)雜電路轉(zhuǎn)換為更簡(jiǎn)單的等效電路2節(jié)點(diǎn)分析通過應(yīng)用基爾霍夫電流定律分析電路3網(wǎng)格分析利用基爾霍夫電壓定律分析電路4疊加定理將多個(gè)電源的影響疊加分析復(fù)雜電路分析是電路理論中的重要組成部分，它允許我們理解和計(jì)算復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和行為。通過掌握這些方法，我們可以有效地分析和解決各種電路問題，例如：設(shè)計(jì)電源電路，放大電路，濾波電路等。磁性電路基礎(chǔ)磁場(chǎng)與磁力磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的，它對(duì)磁性材料產(chǎn)生磁力，吸引或排斥。磁力線磁力線是用來描述磁場(chǎng)的圖形，它從磁鐵的北極開始，指向磁鐵的南極。電磁鐵電磁鐵是一種利用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置，其磁性可以通過改變電流來控制。磁場(chǎng)與安培環(huán)路磁場(chǎng)是磁鐵周圍空間中存在的一種特殊形式的物質(zhì)。安培環(huán)路定律描述了磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系，它可以用來計(jì)算磁場(chǎng)的大小和方向。1磁力線描述磁場(chǎng)方向2磁通量通過某一面積的磁力線條數(shù)3安培環(huán)路定律磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比4磁場(chǎng)強(qiáng)度磁力線密度法拉第電磁感應(yīng)定律1變化磁場(chǎng)當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比，方向遵循楞次定律。3應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律是發(fā)電機(jī)、變壓器等電磁設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)。自感與互感1自感電流通過線圈時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與電流相互作用，產(chǎn)生自感現(xiàn)象。2自感系數(shù)自感系數(shù)表示線圈自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，與線圈的形狀、尺寸和繞線方式有關(guān)。3互感兩個(gè)線圈之間的相互作用，其中一個(gè)線圈的電流變化會(huì)感應(yīng)另一個(gè)線圈的電壓變化。4互感系數(shù)互感系數(shù)表示兩個(gè)線圈之間相互感應(yīng)的程度，與兩個(gè)線圈的距離、形狀和相對(duì)位置有關(guān)。變壓器及其應(yīng)用變壓器工作原理變壓器利用電磁感應(yīng)原理，將交流電從一個(gè)電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓等級(jí)。變壓器由兩個(gè)或多個(gè)繞在鐵芯上的線圈組成，通過磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)能量傳遞。變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電子設(shè)備和通信系統(tǒng)。例如，在電力系統(tǒng)中，變壓器用于將高壓電力傳輸?shù)降蛪河脩?。理想運(yùn)算放大器11.理想特性理想運(yùn)算放大器具有無限大的輸入阻抗、零輸出阻抗和無限大的開環(huán)增益。22.應(yīng)用廣泛用于構(gòu)建各種模擬電路，例如放大器、濾波器、振蕩器和比較器等。33.高精度理想運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)非常高的精度和線性度。44.易于使用其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和易于理解的操作使它成為模擬電路設(shè)計(jì)的理想選擇。反饋原理與應(yīng)用反饋的定義反饋是指將系統(tǒng)的輸出信號(hào)返回到輸入端，并與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能的調(diào)節(jié)。負(fù)反饋負(fù)反饋是指反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反，能夠穩(wěn)定系統(tǒng)，減小輸出信號(hào)的波動(dòng)。正反饋正反饋是指反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同，能夠放大輸出信號(hào)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)失控。應(yīng)用舉例反饋原理廣泛應(yīng)用于各種電子電路，例如音頻放大器、穩(wěn)壓電源等。正反饋電路1放大輸入信號(hào)輸出信號(hào)的一部分反饋到輸入端2增加信號(hào)幅度正反饋會(huì)累積放大信號(hào)3可能導(dǎo)致振蕩信號(hào)放大到極限，產(chǎn)生周期性波形正反饋電路的特點(diǎn)是輸出信號(hào)的一部分反饋到輸入端，并與輸入信號(hào)相加。這種反饋方式會(huì)放大輸入信號(hào)，導(dǎo)致輸出信號(hào)幅度不斷增加。如果放大程度足夠高，輸出信號(hào)可能會(huì)超過器件的承受能力，導(dǎo)致系統(tǒng)失控。正反饋電路常用于振蕩器、多諧振蕩器等產(chǎn)生周期性信號(hào)的電路中。負(fù)反饋電路穩(wěn)定性增強(qiáng)負(fù)反饋可減少電路增益變化，提高電路穩(wěn)定性。失真降低負(fù)反饋可抑制非線性失真，提高電路輸出信號(hào)質(zhì)量。帶寬擴(kuò)展負(fù)反饋可擴(kuò)展電路帶寬，提高電路對(duì)信號(hào)頻率的響應(yīng)。阻抗匹配負(fù)反饋可改變電路輸入輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。儀表放大器應(yīng)用精密稱重系統(tǒng)儀表放大器可用于高精度稱重系統(tǒng)，提高稱重靈敏度和穩(wěn)定性。血壓測(cè)量?jī)x器在血壓測(cè)量中，儀表放大器可以放大微弱的生物電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的血壓監(jiān)測(cè)。溫度測(cè)量系統(tǒng)儀表放大器能夠放大熱敏傳感器輸出的微弱信號(hào)，用于溫度測(cè)量和控制。光學(xué)傳感器系統(tǒng)光電傳感器輸出信號(hào)微弱，儀表放大器可以放大信號(hào)，提高光學(xué)測(cè)量精度。模擬電子電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)流程模擬電子電路設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，例如器件特性、電路性能、成本等。設(shè)計(jì)流程一般包括需求分析、方案選擇、電路仿真、實(shí)物調(diào)試等步驟。常用的設(shè)計(jì)軟件有很多軟件可以幫助設(shè)計(jì)模擬電子電路，例如Multisim、PSpice、AltiumDesigner等。這些軟件可以進(jìn)行電路仿真，幫助工程師優(yōu)化電路性能。模擬濾波器頻率選擇通過控制不同頻率信號(hào)的通過或阻擋，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波功能。濾波器類型低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器電路實(shí)現(xiàn)模擬濾波器通常由電阻、電容、電感等元件組成。應(yīng)用領(lǐng)域音頻處理、圖像處理、通信系統(tǒng)等方面。模擬開關(guān)電路模擬開關(guān)電路模擬開關(guān)電路可用于控制信號(hào)的通斷，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換或隔離。模擬開關(guān)通常由半導(dǎo)體器件（如MOSFET或雙極型晶體管）組成，通過控制其導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。工作原理當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，模擬開關(guān)導(dǎo)通，信號(hào)可以無損通過。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，模擬開關(guān)截止，信號(hào)無法通過。模擬開關(guān)的切換速度通常比機(jī)械開關(guān)快，并且可以被電子控制，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用領(lǐng)域模擬開關(guān)在各種電子電路中都有應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理電路、通信系統(tǒng)、音頻設(shè)備等。模擬開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇、信號(hào)隔離、信號(hào)控制等功能。特性參數(shù)模擬開關(guān)的特性參數(shù)包括導(dǎo)通電阻、截止電阻、切換時(shí)間、開關(guān)電壓、隔離電壓等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模擬開關(guān)器件。穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓穩(wěn)壓電路可以將不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定輸出電壓，保證電路的正常工作。電路組成典型的穩(wěn)壓電路包括參考電壓源、誤差放大器、功率調(diào)節(jié)器等。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于電源系統(tǒng)、電子設(shè)備、儀器儀表等，確保敏感電路的穩(wěn)定工作。示波器原理與使用1示波器功能示波器是一種電子測(cè)量?jī)x器，它能將信號(hào)的變化以圖形的形式顯示出來，便于觀察和分析。2工作原理示波器通過電子束在熒光屏上掃描，并根據(jù)輸入信號(hào)的幅度和時(shí)間變化來控制電子束的偏轉(zhuǎn)，從而形成信號(hào)的圖形。3應(yīng)用場(chǎng)景示波器在電子電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修、信號(hào)分析等方面具有廣泛的應(yīng)用，是電子工程師必備的工具。信號(hào)發(fā)生器及其應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器概述信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生各種信號(hào)的電子設(shè)備。它們可用于測(cè)試電路、調(diào)試系統(tǒng)和進(jìn)行信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用領(lǐng)域信號(hào)發(fā)生器在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如電子工程、通信、生物醫(yī)學(xué)和科研等。常見類型常見的信號(hào)發(fā)生器類型包括函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器和音頻發(fā)生器等。選擇因素選擇信號(hào)發(fā)生器時(shí)，需要考慮信號(hào)類型、頻率范圍、輸出功率和精度等因素。常見測(cè)量?jī)x表萬用表萬用表是電子工程師常用的儀器，可測(cè)量電壓、電流和電阻等參數(shù)。它們能幫助診斷電路故障，并確定組件的性能。示波器示波器可以顯示信號(hào)的波形，提供電壓隨時(shí)間變化的圖像。它們?cè)陔娐贩治龊凸收吓懦蟹浅Ｓ杏?，因?yàn)榭梢圆榭葱盘?hào)的形狀和頻率。電子測(cè)量系統(tǒng)11.信號(hào)采集使用傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化處理。22.數(shù)據(jù)處理利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脙x器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和顯示。33.系