模拟电子技术基础（第2版普通高等教育电气类特色专业系列规划教材）

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第1章 电子系统概述
　　学习本章后，读者将了解：
　　 实际的两大电路系统（电力系统和电子系统）的主要功能；
　　 信号的概念，典型信号的频谱；
　　 电子系统的组成框图；
　　 电子技术及其发展简史。
　　1.1 电力系统与电子系统
　　实际电路系统主要有电力系统和电子系统。
　　电力系统的主要作用是实现电能的生产、变换、传输、分配和使用。电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。发电厂通过发电机等设备将一次能源转换成电能。例如，火力发电厂将化学能（燃烧煤、石油、天然气等）转换为电能，水力发电厂将水的势能转换为电能，核电厂将原子能转换为电能。输电网和配电网是由电力变压器、电力线路、电力开关设备和电力电容器等组成的、跨越广大地理区域的一个巨大电路。在我国，通常到达用户的单相正弦配电电压是220V、频率50Hz，三相正弦配电电压是380V、频率50Hz。发电厂生产的电能经过输电网和配电网输送和分配到用户的用电设备（电动机、家用电器和照明等），从而完成电能从生产到使用的整个过程。电力系统为下业、农业和社会生活的电气化建立起坚实的物质基础，产生了服务于电力系统的电气下程孛科。
　　根据电力系统的功能，电力系统的设备丁作在高电压和强电流的状态（俗称为强电）。例如，截至2012年7月4日，三峡水电站共安装32台70万千瓦水轮发电机组，还有两台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦，年发电量约1000亿千瓦时。70万千瓦水轮发电机组的额定输出电压是20kV，额定输出电流达22.5kA，功率因素是0.9，电压频率是50Hz。由于金属材料的能量损耗很小，为了提高电能生产、传输和使用的效率，电力系统中的电气设备主要使用金属、磁性材料和绝缘材料，传导电流的机理主要是电子在金属材料中的运动。
　　电子系统则是由电子电路和传输介质组成的、完成特定功能的整体。与电力系统处理能量不同，电子系统的主要作用是实现电信号的产生、获取、放大、变换、传输、识别和应用等功能（或前述的部分功能），处理的对象是信号。所谓信号，是随时间变化的某种物理量，是信息的表现形式与传送载体。例如，体温反映人的健康信息，体温37℃表示健康，38℃表示略有小疾。一般情况下，用电子系统处理电信号（电压或电流）比用其他方式（如机械方式）处理更容易、成本更低、可靠性更高，故通常将各种非电信号转换为电信号后再进行处理．因此，现代电子系统（通信系统、电视系统、计算机系统和工业控制系统等）成为信息化社会的物质基础。
　　由于真实世界的信号是多种多样的，存在于世界的各个角落，所以有许多不同的电子系统。例如，电力系统中有电能的质量信息、安全信息和调度信息等，故电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化和电力通信等相应的辅助系统，它们统称为二次系统。目前，二次系统通常由电子系统实现。
　　一个简单的有线扩音系统框图如图1.1.1所示。人的语音信息通过声音传输，拾音器将声音引起的空气振动转换为电压信号；音频放大器将输入电压信号的幅度和功率放大，并驱动扬声器；扬声器将放大的电压信号还原成声强大的声音，听众提取语音信息并做出相应的反应。
　　图1.1.1 有线扩音系统
　　将非电信号转换为电信号（电压或电流）的部件称为传感器（或换能器），如图1.1.1所示的有线扩音系统的拾音器。电子系统的核心是由电子元器件组成的实现信号处理的电路，称为电子电路，如图1.1.1所示的有线扩音系统的音频放大器。信号处理泛指对输入信号进行放大、运算、滤波、变换和传输等操作。经过电子系统处理后的电信号需要被还原为原来的非电信号，去影响物理世界。实现这种功能的部件称为执行器，如图1.1.1所示的有线扩音系统的扬声器。执行器消耗电能，通常用电阻模拟（RL），作为电子系统的负载。
　　1.2 信号及其频谱
　　1.2.1 信号
　　如前所述，信号是随时间变化的某种物理量，是信息的表现形式与传送载体。一般情况下，用电子系统处理电信号（电压或电流）比其他方武（如机械方式）容易、成本低和可靠性高，故通常将各种非电信号转换为电信号再进行处理。
　　传感器作为电子系统的一种信号源，可等效为电压源或电流源，如图1.2.1所示。图中的电阻R表示转换过程中传感器的能量损耗，电压v（t）或电流i（t）通常与被转换的非电信号成正比（或其他函数关系）。由于非电信号随时间变化，故电压或电流都是时间的函数。
　　如果电压（或电流）在某个值域内可连续取值，则称其为连续信号或模拟信号。例如，电压是时间的正弦函数，电压在值域内可取任何值，v（t）是模拟信号。如果电压（或电流）在某个值域内只能是某个单位量的整数倍，则称其为离散信号或数字信号。例如，单位量为1mV，数字电压信号的幅值只能是。图1.2.2是信号的波形图，图1.2.2（a）是模拟信号，图1.2.2（b）是多值数字信号，图1.2.2（c）是二值数字信号。
　　图1.2.1 传感器等效为电压源或电流源
　　图1.2.2 信息的波形图
　　处理模拟信号的电子电路称为模拟电路（Analog Circuit），是模拟电子技术基础教材要讨论的主要内容。处理数字信号的电子电路称为数字电路（Digital Circuit）。实现模拟信号转换为数字信号的电子电路称为模数转换电路（Analog to Digital Converter，ADC），实现数字信号转换为模拟信号的电子电路称为数模转换电路（Digital to Analog Converter，DAC）。通常，数字电路、模数转换电路和数模转换电路是数字电子技术基础教材要讨论的主要内容。
　　1.2.2 信号的频谱
　　信号承载的重要信息是它的频谱信息。例如，正弦信号，其全部信息是幅度、相位和角频率。正因为正弦信号是如此简单，它常作为模拟电路的标准信号和测试信号。
　　信号幅度与频率的关系称为幅度频谱，信号相位与频率的关系称为相位频谱，它们统称为信号的频谱。
　　1．周期信号的频谱
　　如果信号是时间的周期函数则称为周期信号。例如，电压周期信号
　　（1.2.1）
　　以周期T重复变化，每秒重复变化的次数称为频率，即
　　（1.2.2）
　　如果周期信号v（t）满足狄利克雷条件（Dirichlet's Condition）：
　　（1）v（t）在任意周期内绝对可积，即在任意时刻t0，积分都存在；
　　（2）v（t）在任意周期内只有有限个极值；
　　（3）v（t）在任意周期内只有有限个不连续点，则v（t）可展开为傅里叶级数，即
　　（1.2.3）
　　式中，平均值V0称为周期信号v（t）的直流分量，其余正弦量部分统称为v（t）的交流分量。交流分量中n=1的正弦分量称为v（t）的基波分量，w1是基波角频率（基波频率），n>1的正弦分量称为v（t）的谐波分量，整数n称为谐波次数。各次分量的幅值Vn与频率或角频率的关系是周期电压信号的幅度频谱，而相位与频率或角频率的关系是周期电压信号的相位频谱。
　　例如，电压周期方波信号
　　（1.2.4）
　　的傅里叶级数为
　　（1.2.5）
　　周期方波信号的波形、幅度频谱和相位频谱如图1.2.3所示。
　　图1.2.3 周期方波信号的波形、幅度谱和相位谱
　　由傅里叶级数的特性和周期方波信号的频谱实例可知，周期信号的频谱是离散谱，即频谱由直流分量、基波分量和高次谐波分量组成，且幅度谱随谐波次数的递增而减小。如果截取Nw1以内的分量则可获得原始周期信号的近似波形，N越大，误差越小。
　　周期电压信号作用到电阻R上的平均功率P为
　　（1.2.6）
　　（1.2.7）
　　式中，是各次正弦波的有效值；V是电压信号的有效值，等于各次分量有效值的平方和开平方。总平均功率等于各次分量的平均功率之和。所以，信号的幅度谱反映了信导的功率分布，是信号最重要的特性之一。
　　2．非周期信号的频谱
　　如果周期T趋于无穷大，则周期信号变化为非周期信号。因此，非周期信号的角频率an＝2π/T是无穷小量，信号的频谱将在角频率轴上连续分布。
　　由数学分析可知，如果模拟信号v（t）绝对可积，即，则存在下述傅里叶变换对
　　（1.2.8）
　　V（jw）通常是复数，角度称为相位谱，幅值称为幅度谱，称为功率谱。
　　例如，电压单脉冲信号
　　（1.2.9）
　　的傅里叶变换是
　　（1.2.10）
　　电压单脉冲信号的波形和幅度谱如图1.2.4所示，其幅度谱是连续分布的，并且脉冲宽度（2r）越窄，高频分量越多；频谱幅度与脉冲幅度和脉冲宽度之积成正比。
　　图1.2.4 电压单脉冲信号的波形和幅度谱
　　在工程实际中，信号作用的时段通常是有限的，满足绝对可积条件，信号的频谱总是存在的。例如，音频信号的频谱在[20Hz，20kHz]范围内连续分布。对工程实际问题有重要影响的信号称为有用信号（有效信号），通常有用信号的频谱范围是有限的。表1.2.1列出了一些典型信号（有用信号）的频率范围。
　　表1.2.1 典型信号的频率范围
　　3．干扰和噪声信号的频谱
　　除了有用信号外，工程实际问题中还存在干扰和噪声信号。
　　电子电路总是处在复杂的电磁环境中。例如，自然界的雷电、电力输电线路、无线电台和电视台、电动机的启停等产生的电磁现象必然在电子屯路中产生电压或电流脉冲信号，它们对电子电路的正常运行产生干扰，所以称为干扰信号。干扰信号通常用单脉冲信号近似表示，故其频谱分布与图1.2.4相似，包含丰富的高频分量。
　　噪声通常是指由于电子的不规则运动引起的对有用信号的扰动信号。例如，在电阻材料中电子总是在做无规则的热运动，对外电压引起的定向运动电流形成扰动电流，如图1.2.5所示。这种由于电子的热运动产生的扰动信号称为热噪声。扰动电流很小，并且是随机产生的，与定向运动电流的频率无关，具有均匀分布的功率频谱。当定向运动电流（有用信号）远大于扰动电流时，扰动电流可忽略不计。但是，当定向电 与扰动电流相当时，有用信号被淹埋在扰动信号中。所以，噪声信号限制了电子系统所能处理的最小信号。
　　图1.2.5 电阻中的定向电流和噪声电流
　　干扰和噪声对信号源和电子电路都有影响，电子系统必须对它们有一定的抑制能力。评价信号优劣的指标是信噪比S/N，定义为有用信号的功率与噪声信号的功率之比。信噪比越大，信号越好。评价电子系统对噪声和干扰的抑制能力用输出信号的信噪比（S/N）。除以输入信号的信噪比（S/N）i，商越大，抑制噪声的能力越强。
　　有关信号分析的其他内容，请读者阅读“信号与系统”方面的书籍。
　　1.3 电子系统组成框图
　　电子系统是由若干互相连接和相互作用的基本电子电路组成的、实现特定功能的电路整体。电子系统的主要作用是实现电信号的产生、获取、放大、变换、传输、识别和应用等功能（或前述的部分功能），处理的对象是电信号。电子系统组成框图1.3.1所示。
　　图1.3.1 电子系统组成框图
　　传感器先将工程实际涉及的某些物理量转换为电信号。通常，为了避免对物理量状态的影响，传感器摄取的能量很小。所以，传感器输出的电信号很微弱（例如，微伏级或毫伏级的电压信号），并且信号不可避免地伴随着干扰和噪声信号。目前，电子电路对电信号进行可靠的各种处理必须达到数百毫伏或伏级以上，因此，通常应该对传感器输出信号进行预处理，包括信号幅度的放大和滤除干扰及噪声信号。
　　根据工程实际的要求，可以选择不同的信号处理操作，包括对信号的放大、运算（加法、减法