1、模拟与数字电路 叶晓明 测量工程研究所,教材： 电子技术基础(模拟部分) 电子技术基础(数字部分) 华中理工大学电子学教研室编 主编：康华光,清华大学 数字电子技术基础（第四版） 阎石主编； 模拟电子技术基础（第三版） 童诗白、华成英主编； 电子技术常用器件手册 陈汝全主编 机械工业出版社 2000,参考文献,本课程的意义,现代工科教育的必修课程,高等数学、普通物理、普通化学、机械制图、电子技术基础、电子计算机原理、程序设计语言、英语、哲学。,本课程的意义,高科技时代对人才素质的基本要求。,在当今电子信息化时代，电子技术已经渗透到社会生产、生活的各个领域，电子技术是现代科技文明的强大动力源泉，
2、是科学研究的主要手段。,本课程的意义,现代测绘学科是在现代电子技术的推动下实现革命性进步的。,早期的测绘是以三角测量和模拟水准为基本作业模式，使用的都是模拟式仪器，工作量大，数据处理量大，效率低，精度低，劳动强度大。,上世纪60年代的电磁波测距技术实现了距离的毫米级测量，导线测量作业模式成为目前主要的测绘作业模式-现代测绘技术的第一次革命。,本课程的意义,电子计算机技术大大提高了测绘的数据处理效率，测绘数据处理这个曾经耗费大量劳动力的工作变得简便易行-现代测绘技术的第二次革命。,电子测角技术的突破实现了角度测量的数字化，诞生了电子经纬仪，进而和电子测距仪结合实现了全站仪。,本课程的意义,以电磁
3、波测距技术为支撑的GPS定位技术实现了大跨度基线的直接测量，再次提高了测量效率-现代测绘技术的第三次革命。,以电子条码影象测量技术为支撑的电子水准自动读数技术的突破，使得水准测量也实现了数字化。,本课程的意义,电子技术给测绘学带来了机遇的同时也带来了挑战,当测绘生产作业变得日益简便的时候，我们对测 量师的素质要求能降低吗？,当各类新型电子化、数字化甚至智能化、自动化的测绘仪器日益普及的时候，测绘学的科学研究方向是什么？,第一章 电路元件和电路定律,1.1 电路和电路模型 1.2 电压和电流的参考方向 1.3 电路元件 1.4 基尔霍夫定律,1. 电流、电压的参考方向,3. 基尔霍夫定律,电路元
4、件和电路定律,2. 电路元件,重点：,本章介绍电路模型的概念，电压、电流参考方向的概念，电阻、电压源和电流源等电路元件。还将学习基尔霍夫定律，它是分析电路基本定律，包括电流定律和电压定律。,内容提要：,教学要求：本章需要重点掌握基尔霍夫定律。能分析比较复杂的电路。,1.1 电路和电路模型,电路模型：,* 电路模型是由理想电路元件构成的。,由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具有基本相同的电磁性质，称其为电路模型。,*注意理想电路元件与实际器件的区别。,几种基本的电路元件：,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用,电容元件：表示各种电容器产生电
5、场，储存电能的作用,电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,一、电路中的主要物理量,二、电流 ：,1、电流的实际方向：为正电荷移动的方向。,1.2 电压和电流的参考方向,在线性电路分析中常用电流、电压等。,电流的实际方向只有两种可能，从A流入B，或从B流入A。,有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。 实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。,为什么要引入参考方向 ？,2、电流的参考方向,?,任意假定其中一个方向作为电流的
6、方向，这个方向就叫电流的参考方向。,参考方向,电流的参考方向与 实际方向的关系：,参考方向,实际方向,i 0,参考方向,i 0,实际方向,电流参考方向的两种表示：, 用箭头表示：, 用双下标表示：,箭头的指向为电流的参考方向。,如 , 电流的参考方向由A指向B。,1、电压的实际方向：,高电位点,低电位点,高电位点,低电位点,实际方向,实际方向,实际方向,实际方向,从高电位点指向低电位点的方向。,三、电压,参考方向,2、电压的参考方向,任意选定一个方向为电压的参考方向。,参考方向,实际方向,实际方向,U,U,电压参考方向的三种表示方式：,(1) 用箭头表示：,(2) 用正负极性表示：,(3) 用
7、双下标表示：,U,U,UAB,如 UAB ,小结：,(1) 电压和电流的参考方向是任意假定的。,(2) 参考方向一经假定，必须在图中相应位置标注 (包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。,分析电路前必须标明。,参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。,(4) 参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。,(3) 元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向，即流过元件的电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性的一端。,关联参考方向,非关联参考方向,把电压电流的这种参考方向称为关联参考方向。,反之，称为非关联参考方向。,电阻器、灯泡、电炉等在
8、一定条件下可以用电阻元件作为其模型。,一 . 线性电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件，简称电阻。,1. 符号,R,(1) 电压与电流的参考方向设定为一致的方向(关联 参考方向),R,2. 欧姆定律 (Ohms Law),u R i,R 称为电阻， 是一个正的实常数。, 1.3 电路元件,伏安特性曲线:,R tg ,伏安特性：电阻元件电压与电流的关系曲线。,令 G 1/R,G称为电导,则 欧姆定律表示为,电阻的单位： (欧) (Ohm，欧姆),u R i,电导的单位： S (西) (Siemens，西门子),i G u,电阻元件的伏安特性是 一条过原点的直线。,二、线性电容元件：,
9、电路符号,任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电压 u 成正比。,对于线性电容，有：,1. 元件特性,C 称为电容器的电容C是一个正实常数。,电容 C 的单位：F (法),q =Cu,库伏特性：描述电荷与电压关系的曲线。,线性电容的电压、电流关系： u, i 取关联参考方向,q =Cu,线性电容的qu 特性是一条过原点的直线,结论：,(1) i 的大小取决与 u 的变化率，与 u 的大小无关； (微分形式),(2) 电容元件是一种记忆元件；(积分形式),(3) 当 u 为常数(直流)时，du/dt =0 i=0。电容在直流电路中相当于开路，电容有隔直作用；,(4) 表达式前的正、负号与u，i 的
10、参考方向有关。,u，i为非关联方向时，,当 u，i为关联方向时,电容是一种储能元件，它本身不消耗能量。同时，电容元件也不会释放出多于它吸收的能量，所以它又是无源元件。,电容及与它相应的符号C既表示一个电容，又表示这个元件的参数。, L ：磁链, L ：磁通, L 、 L 与电流i 的参考方向成右手螺旋关系。,电感元件是实际线圈的一种理想化模型。,一、线性电感元件：,任何时刻，电感元件的磁链 与电流 i 成正比。,三、线性电感元件 ：,对于线性电感,有： =Li,电路符号,1. 元件特性, =N 为电感线圈的磁链,L 称为自感系数或电感，L是一个正实常数，单位为亨利，用H表示。, 单位：Wb （
11、韦伯）,N为电感线圈的匝数。,2.线性电感电压、电流关系：,u, i 取关联参考方向:,根据电磁感应定律与楞次定律,或,结论：,(1) u的大小取决与 i 的变化率，与 i 的大小无关； (微分形式),(2) 电感元件是一种记忆元件；(积分形式),(3) 当 i 为常数(直流)时，di/dt =0 u=0。 电感在直流电路中相当于短路；,(4) 表达式前的正、负号与u，i 的参考方向有关。,当 u，i为关联方向时,u，i为非关联方向时,一、理想电压源：,1. 特点：,(a) 电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 通过它的电流由外电路决定。,电路符号,四、 电源元件,实际电源有电池
12、、发电机、信号源等。,电源两端电压为uS， 其值与流过它的电流 i 无关。,直流电压源,一般电压源,2. 伏安特性,(1) 若uS = US ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与 电源中的电流无关。,US,外 电 路,(2) 若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是 这样。电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合,相当于短路元件。,i,3. 理想电压源的开路与短路,(1) 开路：R,(2) 短路：R=0,* 实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,u=USri,实际电压源,i=0，u=uS。,i ，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短
13、路。,二、理想电流源：,1. 特点：,(a) 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 电源两端电压由外电路决定。,电路符号,电源输出电流为iS，其值与此电源 的端电压 u 无关。,2. 伏安特性,IS,(1) 若 iS = IS,其伏安特性为平行于电 压轴的直线，反映电流与 端电压无关。,为直流电源,(2) 若iS为变化的电流源,i,u,电流为零的电流源，伏安曲线与 u 轴重合,相当于开路元件。,3. 理想电流源的短路与开路,(2) 开路：R,(1) 短路：R=0,i= iS ，u=0 ，电流源被短路。,i = iS ，u 。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。
14、,1. 定义：,电路符号,受控电压源,受控电流源,五、受控电源 (非独立源),电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。,受控源又称“非独立”电源。,(a) 电流控制的电流源, : 电流放大倍数,r : 转移电阻,2. 分类：,(b) 电流控制的电压源,CCCS,CCVS,g: 转移电导, :电压放大倍数,(c) 电压控制的电流源,(d) 电压控制的电压源,VCCS,VCVS,u2,i2,3 伏安特性,由于受控支路的性能如同电压源和电流源，但受控支路端的电压或电流是由控制支路的电压或电流确定的，因此其伏安特性可表示为：VCVS：U2=U1；CCVS：
15、U2=I1（是电阻量纲）VCCS：I2=gU1； CCCS：I2=I1（g是电导量纲） 、g、 为控制系数，若为常数，则称为线性受控源。 在电路中受控源的受控支路与控制支路不一定要画在一起，只需在电路中明确标出控制量即可。如图。,4含受控源电路的分析方法,由于受控源的性能与独立源类似，因此分析电路时，可将受控源当独立源看待，根据两类与约束条件列方程，然后，根据需要补充一个反映控制量与求解量关系的方程式。,例: 如图，求I。,1.4 基尔霍夫定律,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括基尔霍夫电流定律（KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)两个定律。,名词注释：,支 路,由一个或几
16、个元件首尾相接构成的无分支电路。,在同一支路内，流过所有元件的电流相等。,节 点,三条或三条以上支路汇聚的点称为节点。,节点,再看这个电路：,A、B点是节点 C、D、E、F点不是节点,回 路,任意的闭合电路叫回路。,3,1,2,注意：,这3个回路中，回路1和回路2内部不包含其它电路， 而回路3内部却包含了回路1和回路2。,因此，把内部不包含其它电路的回路称为网孔。,支路：ab、ad、 .（共6条）,回路：abda、 bcdb、 .（共7 个）,节点：a、 b、 .(共4个）,(一)基尔霍夫电流定律(KCL),基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性。,在集中电路中，任何时刻，对任何节点，所有支路电流的代数和恒等于零。或者说，在任何时刻流入节点的电流等于由节点流出的电流。,或：,KCL还可以推广到包围有几个节点的闭合曲面。,i1+i2=i3,i=0,基尔霍夫电流定律的推广,i=?,(二)基尔霍夫电压定律(KVL),例如： 回路 a-d-c-a,在集中电路中，任何时刻，沿任一回路内所有支路或元件电压的代数和恒等于零。,即：,或：,有源支路的欧姆定律,反映了有源支路两端电压与电流的关系,例1-6,I =?,解：,根据KCL,由节点A可得 I1+I2=I 得UA14.3V I=0.715A,例1-3,解：,
