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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工电子技术,能放大直流信号的放大器叫,直流放大器,。,直流放大器常用于测量仪表。在高精度电位测量和生物电与物理电测量中（见生物医学核电子仪器），电信号往往很弱，而且变化缓慢，含有直流成分，经放大后才便于检测、记录和处理。此外，在许多情况下，被测信号源的内阻高，要求放大器具有高增益和高输入阻抗。具有这种特性的直流放大器也适合用作运算放大器,直流放大器的类型很多。,直接耦合,的单管放大器是最简单的一种。这种放大器的缺点是零点漂移大。利用成对晶体管或场效应晶体管构成的差分放大器是一种零点漂移较小的直流放大器，常用于集成运算放大器的输入级和中间级。在测量仪器中还常用斩波式直流放大器。,特点,输入级采用差分放大电路，,K,CMRR,和,r,i,很高。,中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。,输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路，,r,o,很小，带负载能力很强。,直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。,体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。,集成运算放大器,集成运算放大器的组成,输入级,中间级,输出级,输入端,输出端,U,OM,u,O,=,f,(,u,D,),线性区,u,O,=A,o,u,D,=A,o,(,u,u,),饱和区,正饱和电压：,u,O,=,U,OM,U,CC,负饱和电压：,u,O,=U,OM,U,EE,二、电压传输特性,+,U,OM,u,D,O,u,O,负饱和区,正饱和区,线性区,理想运算放大器,一、理想运放的主要条件,开环电压放大倍数：,A,o,开环输入电阻：,r,i,开环输出电阻：,r,o,0,共模抑制比：,K,CMRR,u,u,u,O,u,D,理想运放的符号：,二、理想运放的电压传输特性,u,O,=,U,OM,U,CC,(2),当,u,u,时，,即,u,D,0,O,u,O,u,D,+,U,OM,U,OM,1.工作在饱和区时的特点,不加反馈时，稍有,u,D,即进入饱和区。,基本运算电路,A,f,一、比例运算电路,1.,反相比例运算电路,u,=,u,=0,i,D,=0,i,1,=,i,F,u,I,R,1,u,O,R,F,=,F,1,u,O,=,u,I,u,u,u,O,R,F,i,F,R,1,R,2,u,I,i,1,i,D,虚地,2.同相比例运算电路,i,1,i,D,u,u,u,O,R,F,i,F,R,1,R,2,u,I,不是虚地,A,f,u,O,u,R,F,u,R,1,=,R,F,R,1,u,O,=,),u,I,(1,u,=,u,=,u,I,i,D,=0,i,F,=,i,1,R,F,R,1,u,O,=,),u,(1,四、减法运算电路,当,u,I1,单独作用时,u,O1,=,F,1,u,I1,当,u,I2,单独作用时,R,F,R,1,u,O2,=(1,),u,R,3,R,2,R,3,u,=,u,I2,=(1,R,F,R,1,),R,3,R,2,R,3,u,I2,u,u,u,O,R,F,R,1,R,2,u,I2,u,I1,R,3,u,u,u,O,R,F,R,1,R,2,u,I1,R,3,u,u,u,O,R,F,R,1,R,2,u,I2,R,3,根据原理叠加:,u,O,=,u,O1,u,O2,六、,积分运算电路,u,=,u,=,0,i,I,=,i,F,1,R,1,C,u,O,=,u,I,d,t,u,C,u,u,u,O,R,1,R,2,u,I,i,F,C,i,I,虚地,d,u,C,d,t,C,u,I,R,1,=,u,O,=,u,C,说明,当,u,I,为阶跃电压时,u,O,随时间线性积分到负饱,和值为止。,O,u,I,U,I,t,t,O,u,O,U,OM,平衡电阻：,R,2,=R,1,门电路基础：,1.基本逻辑电路有“与”门电路，“或”门电路，另外还有“与非”门电路和“或非”门电路。,2.TTL集成电路是目前应用最为广泛的一种数字集成电路，由于这种集成电路的输入端和输出端电路结构都采用了双极型晶体管，所以称为晶体管晶体管逻辑电路，简称TTL电路。TTL与非门的输入端全为高电平时，输出低电平；输入至少有一个为低电平时，输出为高电平，输入端全部接地时，输出为高电平；输入端全部同时悬空时，输出为低电平。,多谐振荡器电路基础及作用：,多谐振荡器是一种常用的产生矩形脉冲的电路，它没有稳态，只有两个暂稳态，不需外加触发脉冲，两个暂稳定会自动地不断相互转换，因此多谐振荡器又叫无稳态电路。常见的有TTL与非门RC环形振荡器和TTL与非门石英多谐振荡器,计数器电路基础：,计数器主要是由触发器组成，用以记忆输入脉冲的个数，若按触发器状态的更新次序来分类，计数器可分为同步式和异步式两类。计数器进位制不同，分为二进制、十进制计数器。,寄存器电路基础及应用：,寄存器一般用来暂时存储数据、指令等，为保证寄存器只在收到寄存器命令时才能寄存指令、数据。,寄存器除了触发器外，还需配有控制门电路。常见的有数据寄存器和移位寄存器两种。,数字显示电路基础,最常见的数码显示器按结构特点区分为：辉光数码管、荧光数码管、发光二极管显示器和液晶显示器等。,TTL电路与CMOS电路在性能上的区别：,1）电源电压：TTL电路的电源电压固定为5V，CMOS电路电源电压通常可取318V,2）输出电平：TTL高电平U 2.4V 低电平U 0.4V,CMOS高电平U 60%U 低点平U=0V,3）门坎电平：TTL：V 1.4V CMOS：V=U,4）输入端：TTL输入端接高电平时有电流流入，接低电平时有电流流出，输入端若悬空，相当于接高电平。CMOS电路因为输入端是绝缘的，所以无电流，并且输入端不允许悬空。,移位寄存器的逻辑功能，移位寄存器组成环形或扭环形计数器。,移位寄存器的逻辑功能是用串行输入的方式寄存数据，每一个CP可以使数据左移或右移一位。用移位寄存器组成环形计数器是把最高位的Q端与最低位的D端相连，并把其中某一位的初始值置“1”，其余置“0”。扭环计数器是把最高的Q端与最低的D端相连，并把所有位的初始值均置“0”。,基本,RS,触发器,(1),逻辑电路及逻辑符号,(2)RS触发器的特征表,Q,n,Q,n+1,0,0 0,0,1,1,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,X,X,0,0,1,1,0,1,非法,复位,置位,保持,置0,置1,提 示：,RS 触发器特征,1）全零非法，全1保持。,2）01置零，10置1。,R,:,R,eset,S,:,S,et,（3）,RS,触发器的特征方程,触发器输出端状态由 1 变为0 或由0 变为1 称为“翻转”。,（约束,条件）,多,谐,振,荡,器,多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能产生矩形脉冲波。产生矩形脉冲的电路很多，例如用TTL与非门构成的基本多谐振荡器和,RC,环形振荡器;用CMOS或非门组成的多谐振荡器。用集成定时器构成的多谐振荡器和频率稳定性高的石英晶体振荡器。,石英晶体多谐振荡器,(a)石英晶体的符号和阻抗频率特性;（b）石英晶体多谐振荡器电路,电磁干扰,任何电子设备产生的电磁干扰和响应过程，可以用辐射和传导来描述干扰发生源，可以用辐射敏感性和传导敏感性来描述响应接收设备特性，因此，所有电磁干扰的抑制方法可以从以下三个方面入手：,抑制电磁干扰源；,切断电磁干扰耦合途径；,降低电磁敏感装置的敏感性。,选择抑制电磁干扰的电路，采用合适的工作状态；实施正确的搭接、接地、屏蔽、滤波、分层防护；采用合理分类布线等方法都能有效地抑制电磁干扰或降低敏感。,屏蔽,屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能对外的传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。,屏蔽按机理可以分为：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。,磁场屏蔽,磁场屏蔽通常指对直流磁场或甚高频磁场的屏蔽。其屏蔽的效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多。在工程上抑制磁场干扰是一个十分棘手的问题。,磁场屏蔽主要是利用高磁导率、低磁阻特性的屏蔽体对磁通所起的磁分路作用，使屏蔽体内部的磁场大大减小，如图所示。,磁 场 屏 蔽,磁屏蔽体应选用高磁导率的铁磁性材料，防止磁饱和；,被屏蔽物与屏蔽体内壁应留有一定间隙，防止磁短路现象发生；,光栅传感器,感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。,发展,现代电子计算机之父,19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。,计算机开关电路,1938年，信息论的创始人、美国科学家仙农发表论文继电器和开关电路的符号分析，首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。,ENIAC,人类第一台,电子数字计算机,1946年2月15日，世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研制成功，承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。,ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10件普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。,EDVAC离散变量自动电子计算机,1950问世的第一台并行计算机EDVAC，首次实现了冯诺依曼体系的两个重要设想：存储程序和采用二进制。,EDSAC（电子延迟存储自动计算机）是世界上首次实现存储程序计算机,EDSAC由英国剑桥大学威尔克斯（Maurice Vincent Wilkes）领导、设计和制造的，并于1949年投入运行。它使用了水银延迟线作存储器，利用穿孔纸带输入和电传打字机输出。,UNIVACUniversal Automatic Computer 通用自动计算机,UNIVAC由埃克特和莫克利研制成功，这也是第一个进行批量生产的计算机。1951年，电脑开始走出实验室服务于社会与公众。,PLC 整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理,稳压电路的作用:,交流,电压,脉动,直流电压,整流,滤波,有波纹的,直流电压,稳压,直流,电压,硅稳压管稳压电路,稳压电源类型:,以下主要讨论线性稳压电路。,稳压管,稳压电路,开关型稳压电路,线性,稳压电路,常用稳压电路,(小功率设备),电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。,效率较高，目前用的也比较多。,1.稳压原理,利用稳压管的反向击穿特性。,由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。,硅稳压管电路及工作原理,(2),稳压电阻,稳压电阻,R,的作用:,稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻,R,越大，稳压性能越好。,将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时,R,也是限流电阻。,显然,R,的数值越大，较小,I,Z,的变化就可引起足够大的,U,R,变化，就可达到足够的稳压效果。,但,R,的数值越大，就需要较大的输入电压,U,I,值，损耗就要加大。,组成：,基准电压、调整管、取样电路、放大比较环节。,硅稳压管稳压电路的特点,这种稳压电路的输出电压是不能调节的，负载电流变化范围较小，输出电阻较大，约几个欧姆到几,10,欧姆，因此稳压性能较差。但其电路结构简单，负载短路时，稳压管不会损坏。因此仅适用于,U,o,固定和要求不高的场合。,稳压管稳压电路的缺点：,（1）带负载能力差,（2）输出电压不可调,改进：,（1）提高带负载能力,在输出端加一射极输出器,U,O,=,U,Z,-0.7V,串联型稳压电源,串联型稳压电路的组成和稳压原理,改进：,（2）使输出电压可调,在射极输出器前加一带有负反馈的放大器。,调节反馈系数即可调节放大倍数,U,O,=,A,UF,U,Z,-0.7V,为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端,。,计数器的作用与分类,计数器,(,Counter,),用于计算输入脉冲个数，还常用于分频、定时及进行数字运算等。,计数器分类如下：,按时钟控制方式不同分,异步计数器,同步计数器,同步计数器比异步计数器的速度快得多。,异步,计数器,计数顺序,电路状态,等效十进制数,Q,2,Q,1,Q,0,0,1,2,3,4,5,6,7,8,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0 0 0,0,1,2,3,4,5,6,7,0,一、异步二进制加法计数器,三位二进制加法计数器状态表,异步计数器的分析方法,输入第,“1”,个计数脉冲时，计数器输出为,0001”；输入第“2”个,计数脉冲时，计数器输出为,“0010”。,输入第,“15”,个脉冲时，输出,“1111”，当输入第“16”个,脉冲时，输出返回初态,“0000”，且,Q,3,端输出进位信号下降沿。因此，该电路构成 4 位二进制加法计数器。,0001,0010,CP,Q,3,Q,0,Q,1,Q,2,0,0,0,0,来一个,CP,翻转一次,来一个,Q,0,翻转一次,来一个,Q,1,翻转一次,来一个,Q,2,翻转一次,1111,0000,依次输入脉冲时，计数状态按,4,位二进制数递增规律变化。,工作原理,顺序控制器,根据生产工艺规定的时间顺序或逻辑关系编制程序，对生产过程各阶段依次进行控制的装置，简称顺控器。,顺序控制器的控制方式有时序控制和条件控制两种。时序控制：根据预先规定的时间序列进行控制，即动作的步骤只是时间的函数。条件控制：根据预先规定的逻辑关系进行控制。这种控制既可以按照预先确定的顺序逐步进行，即上一步动作完成后转入执行下一步；也可以按照几步动作的综合结果来决定下一阶段应执行的动作。,最初，顺序控制的功能是用继电器控制系统来实现的。这种系统简单，操作方便，价格便宜；但设计麻烦，因触点多轻易出现接触不良现象，可靠性差。被控制的生产工艺改变时，继电器的接线或继电器系统设计均需要改变，所以通用性、灵活性差。50年代出现具有一定通用性和灵活性的顺序控制器。,旋转变压器,输出电信号与转子转角成某种函数关系的电感式角度传感元件。微特电机的一种。旋转变压器的结构与自整角电机相似，区别在于旋转变压器定子和转子绕组通常是对称的两相绕组，分别嵌在空间相差90的电角度的槽中。自整角电机则是三相对称的形式。工作原理与一般变压器基本相同。对于变压器来说，其原、副边绕组耦合位置固定，输出电压恒定；旋转变压器的原、副边绕组则随转子位置而变化，故随着转子转角位置的改变，两相输出绕组的输出电压随转角改变而呈特定的函数关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号在解算装置中可作为函数的解算之用，故又称为解算器。,共射极放大电路,一、放大电路的组成和基本概念,1.三极管在放大电路中的三种连接方式,图2.1 三极管的三种连接方式,2.放大电路实现信号放大的实质,图2.4 放大电路实现信号放大的工作过程,放大器放大的实质是实现小能量对大能量的控制和转换作用。,根据能量守恒定律，在这种能量的控制和转换中，电源U,CC,为输出信号提供能量。,3.基本放大电路的组成原则,实现放大作用，三极管须工作在放大状态。,（1）直流偏置正确。,外加电源必须保证三极管的,发射结正偏,，,集电结反偏,。并提供合适的,静态工作点Q,（I,BQ,、I,CQ,和U,CEQ,）。,（2）交流通路畅通。,输入电压u,i,要能引起三极管的基极电流i,B,作相应的变化。,三极管集电极电流i,C,的变化要尽可能的转为电压的变化输出,。,4.放大电路的主要性能指标,（1）放大倍数A,u,、A,i,放大倍数是衡量放大电路对信号放大能力的主要技术参数。,电压放大倍数A,u,放大电路输出电压与输入电压的比值。,增益：用分贝（dB）表示电压放大倍数。,电压增益=20lg|Au|（dB）,电流放大倍数,A,i,放大电路输出电流与输入电流的比值。,（2）输入电阻R,i,从放大电路输入端看进去的等效电阻。,图2.5 放大电路的输入电阻,对于一定的信号源电路，输入电阻R,i,越大，放大电路从信号源得到的输入电压u,i,就越大，放大电路向信号源索取电流的能力也就越小。,u,S,：信号源电压,R,S：,信号源内阻,（3）输出电阻Ro,从放大电路输出端向左看，相当于存在内阻Ro。,图2.6 放大电路的输出电阻,输出电阻Ro的大小决定了放大电路的带负载能力。,Ro越小，放大电路的带负载能力越强，即放大电路的输出电压uo受负载的影响越小。,5.工作点稳定电路的分析,静态工作点Q的估算（找Q点）,图,2.25,稳定电路的直流通路,多级放大电路,实际应用中，放大电路的输入信号通常很微弱（毫伏或微伏数量级），为了使放大后的信号能够驱动负载，仅仅通过单级放大电路进行信号放大，很难达到实际要求，常常需要采用多级放大电路。采用多级放大电路可有效地提高放大电路的各种性能，如提高电路的电压增益、电流增益、输入电阻、带负载能力等。,多级放大电路是指两个或两个以上的单级放大电路所组成的电路。通常称多级放大电路的第一级为输入级。对于输入级，一般采用输入阻抗较高的放大电路，以便从信号源获得较大的电压输入信号并对信号进行放大。中间级主要实现电压信号的放大，一般要用几级放大电路才能完成信号的放大。通常把多级放大电路的最后一级称为输出级，主要用于功率放大，以驱动负载工作。,图2.43 多级放大电路的组成框图,一、多级放大电路的耦合方式,在多级放大电路中，各级放大电路输入和输出之间的连接方式称为耦合方式。常见的连接方式有三种：阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。,1.阻容耦合,将前一级放大电路的输出端通过电容接到后一级放大电路的输入端的连接方式。这个电容称为耦合电容。,图2.44 阻容耦合两级放大电路,阻容耦合放大电路的特点是：,（1）阻容耦合多级放大电路中，各级直流通路之间是不连通的，因此各级的静态工作点独立。,（2）阻容耦合多级放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。,（3）由于大电容不容易制作，所以阻容耦合方式不便于集成。,2.直接耦合,直接耦合方式是将前一级放大电路的输出端直接送到后一级放大电路的输入端的连接方式。,图2.44 直接耦合两级放大电路,直接耦合电路的特点：,（1）各级放大电路的静态工作点相互影响，不利于电路的设计、调试和维修。,（2）频率特性好，可以放大直流、交流以及缓慢变化的信号。,（3）输出存在温度漂移。,（4）电路中无大的耦合电容，便于集成化。,3.变压器耦合,变压器耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过变压器接到后一级放大电路的输入端或直接接负载电阻的连接方式。,变压器耦合放大电路的特点是：,（1）变压器耦合多级放大电路中，各级直流通路之间是不连通的，因此各级的静态工作点独立，便于分析、设计和调试；,（2）变压器耦合多级放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；,（3）由于变压器具有阻抗变换作用，能够实现阻抗匹配、获得最大输出功率。,（4）由于变压器的体积和重量都很大，所以变压器耦合多级放大电路不便于集成。,正弦波振荡的条件,一、,正弦波信号振荡电路的产生条件,图4.13 正弦波信号振荡电路方框图,正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频环节的正反馈放大电路。,1、正弦波振荡的平衡条件,振幅平衡条件：|=AF=1,相位平衡条件：,A,+,F,=2n,2、正弦波振荡的起振条件,|1,二、正弦波信号振荡电路的组成,（,1,）放大电路（,2,）正反馈网络,（,3,）选频网络（,4,）稳幅环节,三、正弦波信号振荡电路的分类,选频网络构成元件的不同，正弦波信号振荡电路分为：,RC振荡电路（一般产生低频信号）；,LC振荡电路（一般产生高频信号）；,石英晶体振荡器（选频特性好、频率稳定度 高）。,RC正弦波振荡电路,采用RC选频网络构成的RC振荡电路，一般用于产生1Hz1MHz的,低频信号,。,一、,RC,串并联选频网络,图 RC,串并联选频网络,频率较低,频率较高,取R,1,R,2,R，C,1,C,2,C,当=,0,=或f=f 0=时，,电压传输系数，也就是反馈系数最大，即：,二、RC桥式振荡电路,振荡频率,起振条件,图 采用热敏电阻稳幅的RC桥式振荡电路,即,LC,正弦波振荡电路,正弦振荡电路选频网络由,LC,谐振元件组成，称,LC,正弦波振荡电路。,LC,振荡电路产生频率高于,1MHz,的高频正弦信号。,根据反馈形式的不同，,LC,正弦波振荡电路可分为互感耦合,式,(,变压器反馈式,),、电感三点式、,电容三点式等几种电路形式。,图4.17 LC并联谐振回路,测速发电机,tachogenerator,输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。,交流测速发电机 有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。,空心杯转子异步测速发电机：结构原理如图所示，主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，,在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。,反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。,笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。,同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。由于输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。,