资源描述
u(t)和i(t)这两个变量是电路中最基本的两个变量，它们刻划了电路的各种关系。电荷和电流 电荷的概念是用来解释所有电气现象的基本概念。也即，电路中最基本的量是电荷。电荷是构成物质的原子微粒的电气属性，它是以库仑为单位来度量的。我们从基础物理得知一切物质是由被称为原子的基本构造部分组成的，并且每个原子是由电子，质子和中子组成的。我们还知道电子的电量是负的并且在数值上等于1.60210010-12C，而质子所带的正电量在数值上与电子相等。质子和电子数量相同使得原子呈现电中性。让我们来考虑一下电荷的流动。电荷或电的特性是其运动的特性，也就是，它可以从一个地方被移送到另一个地方，在此它可以被转换成另外一种形式的能量。当我们把一根导线连接到某一电池上时(一种电动势源)，电荷被外力驱使移动；正电荷朝一个方向移动而负电荷朝相反的方向移动。这种电荷的移动产生了电流。我们可以很方便地把电流看作是正电荷的移动，也即，与负电荷的流动方向相反，如图11所示。这一惯例是由美国科学家和发明家本杰明富兰克林引入的。虽然我们现在知道金属导体中的电流是由负电荷引起的，但我们将遵循通用的惯例，即把电流看作是正电荷的单纯的流动。于是电流就是电荷的时率，它是以安培为单位来度量的。从数学上来说，电流i、电荷q以及时间t之间的关系是：dqidt 从时间t0到时间t所移送的电荷可由方程（11）两边积分求得。我们算得：0ttqidt 我们通过方程（11）定义电流的方式表明电流不必是一个恒值函数，电荷可以不同的方式随时间而变化，这些不同的方式可用各种数学函数表达出来。电压，能量和功率 在导体中朝一个特定的方向移动电荷需要一些功或者能量的传递，这个功是由外部的电动势来完成的。图11所示的电池就是一个典型的例子。这种电动势也被称为电压或电位差。电路中a、b两点间的电压等于从a到b移动单位电荷所需的能量（或所需做的功）。数学表达式为：abdwudq 式中w是单位为焦耳的能量而q是单位为库仑的电荷。电压Uab是以伏特为单位来度量的，它是为了纪念意大利物理学家Alessandro Antonio Volta而命名的，这位意大利物理学家发明了首个伏达电池。于是电压（或电压差）等于将单位电荷在元件中移动所需的能量，它是以伏特为单位来度量的。图12显示了某个元件（用一个矩形框来表示）两端a、b之间的电压。正号（）和负号（）被用来指明参考方向或电压的极性，Uab可以通过以下两种方法来解释。1）在Uab伏特的电位中a点电位高于b点，2）a点电位相对于b点而言是Uab，通常在逻辑上遵循abbauu-虽然电流和电压是电路的两个基本变量，但仅有它们两个是不够的。从实际应用来说，我们需要知道功率和能量。为了把功率和能量同电压、电流联系起来，我们重温物理学中关于功率是消耗或吸收的能量的时率，它是以瓦特为单位来度量的。我们把这个关系式写成：dwpdt 式中p是以瓦特为单位的功率，w是以焦耳为单位的能量，t是以秒为单位的时间，从方程（11）、（13）和（15）可以推出pui 由于u和i通常是时间的函数，方程（16）中的功率p是个时间变量于是被称为瞬时功率，某一元件吸收或提供的功率等于元件两端电压和通过它的电流的乘积。如果这个功率的符号是正的，那么功率向元件释放或被元件吸收。另一方面，如果功率的符号是负的，那么功率是由元件提供的。但我们如何得知何时功率为正或为负？在我们确定功率符号时，电流的方向和电压的极性起着主要的作用，这就是我们在分析图13（a）所显示的电流i和电压u的关系时特别谨慎的重要原因。为了使功率的符号为正，电压的极性和电流的方向必须与图13（a）所示的一致。这种情况被称为无源符号惯例，对于无源符号惯例来说，电流流进电压的正极。在这种情况下，pui或ui0，表明元件是在吸收功率。而如果pui或ui0，那么a端的电位高于b端，当然，如果u0，反之亦然。在图14（a）中，电压u可以是随时间而变化，或者可以是恒定的，在这种情况下我们可能把它标为U，对于恒定电压源我们通常使用另一种符号，例如在两端只有U伏电压的电池组，如图14（b）所示。在恒定源的情况下我们可以交替地使用于图14（a）或图14（b）。我们可能已经注意到这一点，即图14（b）中的极性标号，是多余的因为我们可以根据长天线的位置符，确定电池极性。一个独立电流源是二端元件在两端之间特定的电流流过，该电流完全独立于元件两端的电压，一个独立电流源的符合如图15所示。图中i是特定电流，该电流的方向由箭头标明。独立源通常指的是向外电路释放功率而非吸收功率，因此如果u是电源两端的电压而电流i直接从其正端流出，那么该电源正在向对电路释放功率，由式pui算出。否则它就在吸收功率。例如图16（a）中电池正在向外电路释放功率24w，在图16（b）中，电池就在充电情况，吸收功率24w。受控源受控源 一个理想的受控源是一个有源元件，它的电源量是由另外一个电压和电流所控制。受控源通常用菱形符号表明，如图17所示。由于控制受控源的控制量来自于电路中其他元件的电压或电流，同时由于受控源可以是电压源或电流源。由此可以推出四种可能的受控源类型，即电压控制电压源（VCVS）电流控制电压源（CCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电流源（CCCS）受控源在模拟诸如晶体管、运算放大器以及集成电路这些元件时是很有用的。应该注意的是：一个理想电压源（独立或受控）可向电路提供以保证其端电压为规定值所需的任意电流，而电流源可向电路提供以保证其电流为规定值所必须的电压。还应当注意的是电源不仅向电路提供功率，他们也可从电路吸收功率。对于一个电压源来说，我们知道的是由其提供或所获得的电压而非电流，同理，我们知道电流源所提供的电流而非电流源两端的电压。Exercise（15）必须强调的是线性电阻器是一个理想的电路元件；它是物理元件的数学模型。我们可以很容易地买到或制造电阻器，但很快我们发现这种物理元件只有当电流、电压或者功率处于特定范围时其电压电流之比才是恒定的，并且这个比值也取决于温度以及其它环境因素。我们通常应当把线性电阻器仅仅称为电阻器。只有当需要强调元件性质的时候才使用更长的形式称呼它。而对于任何非线性电阻器我们应当始终这么称呼它，非线性电阻器不应当必然地被视为不需要的元件。第三节 欧姆定律 用来模拟材料阻流性能的电路元件是电阻，电阻是最简单的无源元件。德国物理学家乔治西蒙欧姆（17871854），1826年根据实验提出电阻的电流电压关系，为此而享誉世界。这一关系被称为欧姆定律。欧姆定律表明电阻器两端的电压正比于流过电阻器的电流。这个比例常值就是该电阻器以欧姆为单位的电阻值。电阻器的电路符号如图18所示。对于所示的电流和电压，欧姆定律就是()()u tR i t把方程（19）重新整理为 的形式，我们将看到：()()u tRi t1ohm1V/A 用来表示欧姆定律的方程（19）是一个直线方程，由于这个原因，电阻就被称为线性电阻。u（t）相对于i（t）而变化的图形，如图19所示。它是一条通过原点斜率为R的直线，显然，当u（t）与i（t）的比值对于所有的i（t）都为一恒定值时，其唯一可能的图形就是一条直线。对于不同端部电流而具有不同电阻的电阻器被称为非线性电阻器。对于这种电阻器，电阻就等于器件中所流动的电流的函数。非线性电阻器的一个简单的例子是白炽灯。这种器件的一个典型的伏安特性曲线如图110所示。图中我们看到其图形不再是一条直线。由于它不是一个恒值，对于包含有非线性的电路的分析显得更加困难。事实上，所有实际电阻器都是非线性的，因为所有电阻器的电气性能会受到例如温度等的环境因素所影响。不过很多材料在规定的工作范围内非常接近理想线性电阻。专注于这种类型的元件并且仅仅把它们称为电阻器。由于R值可以从0变化到无穷大，所以对我们来说研究两种极限可能的R值很重要的。具有R0的元件称为短路，如图111（a）所示。对于短路来说uR i 上式显示电压为0而电流可以是任何值。实际上，短路通常是指一段假设为理想导体的连接导线。于是，短路就是电阻近似为0的电路元件。类似地，具有R的元件被称为开路，如图111（b）所示，对于开路来说limRuiR 上式表明电流为0，虽然电压可以是任意值。于是，开路就是电阻近似为无穷大的电路元件。在电路分析中另一个有用的重要电量，被称为电导，定义为1iGRu 电导是对某一元件传导电流的容易程度的一种度量，电导的单位是西门子。Exercise（21）如果一个电路有两个或多个独立源，求出具体变量值（电流或电压）的一种方法是使用节点分析法或网孔分析法。另一种方法是求出每个独立源对变量的作用然后把它们进行叠加。而这种方法被称为叠加法。叠加法原理表明线性电路某个元件两端的电压（或流过元件的电流）等于每个独立源单独作用时该元件两端的电压（或流过元件的电流）的代数和。第四节 基尔荷夫定律 网络变量之间可能存在有很多相互关系。一些关系是由于变量的性质所决定。一些不同类型的关系是由于某些特定类型的网络元件对变量的约束而产生的。另一类关系是介于相同形式的一些变量之间的关系，这些变量是由于网络结构即网络的不同元件相互连接的方式而产生的。这样一种关系就被说成是基于网络拓扑结构的关系。基尔荷夫电流和电压定律是基于网络连接特性的定律，这些定律不涉及元件本身特性。基尔荷夫基尔荷夫电流电流定律定律 基尔荷夫电流定律基于电荷守恒定律，电荷守恒定律要求一个系统中电荷的代数总和不变。基尔荷夫电流定律（KCL）表明流进一个节点（或一个闭合边界）的电流的代数和为0，从数学上来说，KCL表明：10(1 13)Nnni 式中N为连接到节点的支路数而in是流入（或流出）节点的第n条支路电流。根据这个定律，流入一个节点的电流可以认为是“”电流，而流出节点的电流可以看成是“”电流。考虑图112的节点，应用KCL得到：12345()0(1 14)iiiii 由于电流i1，i3，i4流入节点，而电流i2和i5流出节点，重新整理方程（114），我们可以得到：13425(1 15)iiiii KCL定律的另一种形式是：流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。让我们注意KCL定律也可以应用于闭合边界。这可以被视为定律的广义应用情形。这是由于节点可以被看成是由某个闭合面收缩成一点而形成的。在二维情况下，一个闭合的界面等同于一个闭合的线路。图113所示的电路就是一个典型的例子。流入闭合面的总电流等于流出闭合面的总电流。基尔荷夫电压定律（KVL）基尔荷夫电压定律基于能量守恒原理。基尔荷夫电压定律（KVL）表明环绕闭合线路（或回路）的电压的代数和为0，从数学上来说，KVL表达为：10(1 16)Mmmu 式中M是回路电压总数而且um是第m个电压。为了解释KVL，让我们研究图114所示的电路。每个电压的符号就是当我们环绕回路时首先遇到的端部的极性。我们可以从任何一个电压开始并且可以顺时针或逆时针方向环绕回路。假设我们从电压源开始并如图所示顺时针环绕回路，那么电压将是u1、u2、u3、u4以及u5，按照这个顺序，举例说，当我们到达支路3时，我们首先遇到正极，于是，得到 u3，对于支路4，我们首先遇到负极，于是，得到u4。因此，应用KVL，得出：12345()0(1 17)uuuuu 重新整理以上各项，得到：23514(1 18)uuuuu 上式可以解释为：电压降之和等于电压升之和。这是KVL定律的另一种形式，注意如果我们逆时针环绕回路结果将是u1、u5、u4、u3以及u2，结果与前面相同，除了符号相反外。因此，方程（116）和方程（118）是一样的。Exercise(28)相电压与相电流之比等于电路的阻抗，符号为字母Z，阻抗是一个具有量纲为欧姆的复数量。阻抗不是一个相量，因此不能通过把它乘以 并取其实部把它转换成时域形式。但是，我们把电感器看作是通过其电感量L表现为时域形式而通过其阻抗 表现为频域形式，电容在时域里为电容量C而在频域里为 ，阻抗是某种程度上的频域变量而非时域变量。j te1j cj L第五节 基本分析方法 在已经了解了电路理论的基本理论（欧姆定律和基尔荷夫定律）之后，我们准备应用这些定律导出电路分析的两个很有用的方法：节点分析法以及网孔分析法。前者基于基尔荷夫电流定律（KCL）的有序应用，后者基于基尔荷夫电压定律（KVL）的有序应用。根据这一节所导出的这两种方法，我们就能够通过列出一套有关方程然后求解所需的电压和电流来分析几乎任何电路。求解联立方程的一种方法涉及克莱姆法则，这个法则使我们可以把电路变量当作行列式系数来计算。节点分析法 对于很多网络来说，选择节点电压（作为电路变量）是一个很方便的做法。由于电压被定义为存在于两个节点之间的电压，所以我们可以方便地选择网络中的一个节点作为参考节点或基准节点，然后和其它节点的电压或电位差相联系。每个非参考节点的电压相对于参考节点来说被定义为该节点电压。通常的做法是选择极性时使节点的电压相对于参考节点为正。对于一个包含有N个节点的电路而言，将会有N1个节点电压，当然，如果存在电压源的话，他们中的一些可能是已知的。我们通常选择那个连接有最多条支路的节点作为参考节点。许多实际的电路是建立在金属底版或底盘上，并且通常有很多个元件连接到底盘上，然后这个底盘通常接地。这个底盘于是就可以被称为地，并在逻辑上被选作参考节点。由于这个原因，参考节点通常指地。于是，参考节点的电位就是地电位或零电位，其它节点可以被认为是处于零电位之上的某个电位。应用KCL我们将得到与节点电压有关的方程式。显然，连接有很多元件的节点被选为参考节点时，将结果方程进行简化是可以做到的。然而，我们应该知道，这并不是选择参考节点时的唯一标准，但它通常是最常用的标准。在图115所示的网络中，存在有3个节点，数目如图所示。由于有4条支路连接到节点3，所以我们把它选作参考节点，用所示的连地符号来标明。节点1和节点3之间的电压表明为u1，而u2定义为节点2和参考节点之间的电压。有这两个电压就够了，其它任意两个节点之间的电压可以根据这两个电压求出，例如，节点1相对于节点2的电压是（u1u2）。现在我们必须把基尔荷夫电流定律应用于节点1和节点2，我们可以通过使离开节点穿过n个电导的电流等于流入节点的总电流来做到这一点。于是，有：1120.50.2()3uuu120.70.23(1 19)uu 即在节点2，我们得到2210.2()2uuu120.21.22(1 20)uu 即 解方程（119）和（120）求得未知的节点电压u1和u2。于是电路中的任何电流和功率可以被求得。节点分析法的步骤为：1.选择一个节点作为参考节点，将剩下的n1个节点的电压定为u1，u2un1。2.将KCL定律应用于n1个非参考节点，应用欧姆定律，根据节点电压来表示支路电路电流。3.求解所得到的联立方程得到未知的节点电压，然后求解其它需要的变量。网孔分析法 网孔分析法为电路分析提供了另一种通用的方法，这种方法使用网孔电流作为电路变量。使用网孔电流代替元件电流作为电路变量很方便，因为它可以减少要求求解的联立方程的个数。让我们重温关于回路是一个经过的节点都相异的闭合线路，而网孔是一个其中不包含任何回路的概念。节点分析法应用KCL来求得某个给定电路的未知电压，而网孔分析法应用KVL来求得未知电流。由于网孔分析法仅适用于平面电路，所以网孔分析法不如节点分析法那样通用。平面电路是一个平面。平面电路是一种可以画在平板上而其中没有相互交叉的支路的电路。否则它就是非平面电路。一个电路可能会有交叉的支路但仍然算是平面电路如果这个电路可以被重新画过使得其中没有交叉支路的话。一个网孔是一个其中不包含任何回路的回路。例如，在图116中，电路中有两个网孔，在一个给定电路中流过网孔的电流被称为网孔电流。如果我们把题目中左手的网孔标为网孔1，那么我们就可以建立起这个网孔顺时针方向流动的网孔电流i1，网孔电流用一个几乎闭合的弯曲箭头符号标明并画在对应的网孔内，如图116所示。在剩下的网孔中建立网孔电流i2，方向也是顺时针。虽然网孔电流的方向是任意的，但我们应始终选择网孔电流为顺时针方向，因为这样做将由于对称法使方程中出现的错误减少到最少程度。使用网孔电流的另一个突出优点是因为它满足基尔荷夫电流定律，如果某个网孔电流流入一个给定的节点，显然它也会流出那个节点。把KVL应用于每个网孔，我们得到：1122124263()03()4100iiiiii12129342(1 21)3710iiii 我们注意到方程（121）中i1的系数就是网孔1的电阻总和，而电流i2的系数是网孔1和网孔2的共有电阻的负值。现在我们看到方程（122）也是同样情况。注意到支路电流不同于网孔电流，除非网孔是独立网孔。网孔分析法的步骤是：1.把几个网孔的网孔电流定为i1，i2in；2.将KVL应用于几个网孔的每个网孔。应用欧姆定律根据网孔电流来表达各个电压；3.求解所列的几个联立方程求得网孔电流，然后求出其它所需的变量；Exercises(36)无论是星型连接的电源还是三角形连接的电源都有重要的实际应用意义。星型连接的电源用于长距离电力传输，此时电阻损耗(I2R)将达到最小。这是由于星型连接的线电压是三角形连接的线电压的 倍，于是,对于相同的功率来说，三角型连接的线电流是星形连接的线电流的 倍。三角形连接的电源使用在根据三相电源而需要的三个单相电路中。这种从三相到单相的转变用在住宅布线中因为家用照明和设备使用单相电源。三相电源用在需要大功率的工业布线中。在某些应用场合，无论负载是星形连接还是三角形连接并不重要。33第六节 正弦交流电路分析和三相电路电路元件之间的相量关系 通过建立三个无源元件的相电压和相电流之间的关系，我们可以进行正弦稳态分析的简化工作。电阻器为我们提供了最简单的例子。在时域范围内，如图117（a）所示，如果流过电阻器R的电流是 ，电阻器两端的电压由欧姆定律得出：cos()miIt()cos()(1 23)ttmuR tRIt 此电压的相量形式为：(1 24)mmmURIRIURI 图117（b）显示在相量方面电阻器中电压电流之间的关系仍然反映欧姆定律，正如时域中一样。在方程（124）中我们应当注意电压和电流之间的是关系相量之间的关系，正如图118中的相量图所示。对于电感器L，假设流过它的电流是 ，电感器两端的电压是cos()miItsin()(1 25)mdiuLLItdt cos(90)(1 26)muLIt 电压可以写成把它转换成相量形式：(90)9090(1 27)jjjjmmmULI eLI e eLIe 但由于 于是90,jmII ej(1 28)Uj LI 上式显示电压的幅度Im为而相位为90，电压和电流的相位相差90度，特别地，电流滞后电压90度。图119显示了电感器的电压电流之间的关系。图120显示了其相量图。对于电容器C，假设其两端的电压是 ，流过电容器的电流为：cos()muUt(1 29)duiCdt 按照我们在电感器中所采用的相同的步骤，我们求得(1 30)Ij CU 上式显示电压和电流的相位相差90度，特别地，电流超前电压90度，图121显示了电容器的电压电流之间的关系，图122显示了其相量图。正弦电路分析 我们还知道欧姆定律和基尔荷夫也适用于交流电路。电路分析的简化方法（例如节点分析法、网孔分析法、戴维南定理等）也应用于分析交流电流。由于这些方法已经在直流电路中介绍过了，我们在这里主要介绍交流电路分析的步骤。分析交流电路通常需要三个步骤：1.把电路转换成时域或频域形式2.利用电路方法（节点分析法、网孔分析法、叠加原理等）解决问题3.把得到的相量转换成时域形式平衡三相电压 典型的三相系统由三个电源构成，这三个电压源通过三根或四根导线（或输出线）与负载相连。三相系统等效于三个单相电路。电压源可以连接成Y形如图123（a）所示或连接成形如图123（b）所示。现在让我们研究图123（a）所示的Y形连接的电压。电压Uan，Ubn和Ucn分别介于a线与中线n之间，b线与中线n之间以及c线与中线n之间，这些电压被称为相电压。如果电压源具有相同的幅值和频率并且相互之间相位差120度，这些电压就被说成是平衡的。这表明：0(1 31)anbncnUUU (1 32)anbncnUUU 由于三相电压彼此之间相位相差120度，所以只有两种可能的组合。一种可能情况如图124（a）所示而在数学上可表达为：0120240anpbnpcnpUUUUUU上式中Up是有效值。这种情况被称为abc次序或正序，在这种相序中，Uan超前Ubn，Ubn接着超前Ucn。另外一种可能的情况如图124（b）所示，这种情况被称为acb次序或负序（反序），对于这种相序，Uan超前Ucn，Ucn接着超前Ubn。相序就是每个电压经过其各自幅值的时间顺序。相序取决于相量图中相量经过一个固定点的顺序。相序在三相电力分配中是很重要的。它决定了与电源相连的一台电动机的转动方向。如图发电机的连接一样，三相负载可以被连接成Y形或形，这取决于最终的应用，图125（a）显示了Y形连接的负载，而图125（b）显示了连接的负载。图125（a）的中线也可能没有，这取决于系统是四线还是三线的（当然，对于连接来说中线连接在拓扑结构上来说是不可能的）。Y形或形连接的负载如果负载阻抗在数值上或在相位上不相等,我们就说它是不平衡的，平衡负载指的是相阻抗在数值上和相位上相等的负载。由于三相电源和三相负载都可以连接成Y形或形，所以我们有四种可能的连接：YY连接（即Y连接电源和Y连接负载）；Y连接；连接，Y连接。在这里要适时地提出这一点：平衡形连接的三相负载比起平衡Y形连接的负载更为常用。这是由于形连接时可以方便地从形连接的每一相负载上增加或减少负载。而对于Y形连接负载做到这一点很困难，因为中点不易接近，另一方面，如果三相电压稍有不平衡就会在三角形连接的网孔中产生循环电流，因此实际情况中三角形连接的电源并不常见。Exercises(41)模拟电子电路是关于其中电压和电流是对物理量进行模拟的且连续变化那些系统。复制音乐的电子电路必须具有与声音成正比的电压和电流。一个高保真的放大系统要尽可能保持模拟量不失真，我们要仔细地设计模拟电子电路以使电压和电流反映输入信号。如果输入信号在幅值上增大一倍，输出的电压和电流也应增大一倍。这是可能的。因为为了保证线性（度）我们使电路元件工作在限定范围内。第二章 电子学 第一节 引言一、背景知识模拟信号和数字信号 （1）模拟信号 信号波形模拟着信息的变化而变化。其特点是幅度连续（连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值）。（2）数字信号 其特点是幅值被限制在有限个数值之内，即幅值不是连续的而是离散的。二、译文 谈论关于我们生活在一个电子学时代的论调是一种空泛的论调。从无处不在的集成电路到同样无处不在的数字计算机，我们在日常活动中总会遇到电子设备和电子系统。在我们日益发展的科技社会的方方面面无论是在科学、工程、医药、音乐、维修方面甚至是在谍报方面电子学的作用是巨大的，而且还将不断增强。一般说来，我们将要涉及到的工作被归结为“信号处理”工作，让我们来探究这个术语的含义吧。信号 信号就是其与时间有关的量值或变化包含信息的任何物理变量。这种信息或许像无线电广播的演讲和音乐，或许是像室内温度的物理量，或许像股市交易记录的数字数据。在电气系统中能够载有信息的物理变量是电压和电流。因此当我们谈到“信号”，我们不言而喻指的是电压和电流，然而，我们要讨论的大多数概念是可以被直接应用于载有不同信息的变量的系统，因此，一个机械系统（在这个系统中力和速度是其变量）或者液压系统（在这个系统中压力和流速是其变量）的性能通常可以用一个等效的电气系统来模拟或表示。因此，我们对于电气系统性能的理解为理解更宽领域的现象打下了一个基础。模拟和数字信号模拟和数字信号 一个信号可以以两种形式来承载信息。在一个模拟信号中电压或电流随时间而产生的连续变化载有信息。在图2-1中，当一对热电偶的接头处于不同的温度时由热电偶所产生的电压就是一个例子。当两个接头之间的温度差改变时，一对热电偶两端的电压也将改变。于是电压就提供了温度差的模拟表现形式。另一种的信号是数字信号。数字信号是在两个离散的范围内能够呈现一定数值的信号。这种信号常用以表示“开关”或“是不是”信息。一个普通的家用恒温器传递一种数字信号来控制炉子。当房间的温度下降到预定温度以下时，恒温器的开关合上使炉子开始加热；一旦房间的温度上升到足够高，开关就断开使炉子关闭。流过开关的电流提供了温度变化的数字表示：ON即为“太冷”而OFF即为“不太冷”。信号信号处理系统处理系统 一个信号处理系统是某些元件或设备之间的相互连接，这些元件和设备能够接收一个输入信号或一组输入信号，信号处理系统以某种方式来处理这些信号即提取这些信号或提高这些信号的品质，然后在适当的时间以适当的形式把这个信号表示为输出量。图2-2显示了这样一个系统的组成部分。中间的圆圈代表了两种类型的信号处理（数字和模拟），而处于信号处理框之间的方框表示模拟信号向等效数字形式（A/D即模拟到数字）的转换，以及从数字信号向相应的模拟形式（D/A即数字到模拟）的逆转换。剩下的方框涉及输入和输出取得信号以及从处理系统输出信号。从物理系统获得的很多电气信号是从被称为传感器的器件中输入的。我们已经碰到了一个模拟传感器的例子。即热电偶。它把温度的变化（物理变量）转换成电压（电气变量）。通常，传感器是一种将物理或机械变量转换成等效电压或电流信号的器件。然而，不同于热电偶例子，大多数传感器需要一些形式的电激励以驱动传感器。一个系统的输出可以有多种形式，这取决于包含在输入信号中的信息所起的作用。我们可以选择何种方式显示这些信息，无论是以模拟形式（例如，使用一种仪表，仪表的指针的位置指明我们所感兴趣的变量的大小）或是以数字形式（使用一套数字显示元件，显示对应于我们所感兴趣的变量的数字）。其它的可能的情况下是将输出转换成声能（利用扬声器），或是将输出作为另一个系统的输入，或是利用输出作为控制信号来产生某个动作。Exercises（48）构建具有对应于不同数字运算的输入输出特性的电子电路的方法有很多种，某些类型的这些电路是以集成电路的形式制造的。具有相同电路类型的集成电路逻辑功能的集合被称为逻辑组合。在每一个逻辑组合中，逻辑输出和逻辑输入的接线路图等同于逻辑流程图（只有电源和接地必须加上）。因此，我们通常选择一个可以在特殊应用中实现所有数字电路的单一的逻辑组合。偶尔我们必须连接由逻辑组合所构造的不同的数字电路，这些数字电路具有相互之间不一致的输入电压和输出电压范围。在这种情况下，我们必须构造另外的电路，这些电路把不同的逻辑组合在接口处连接在一起。第二节 数字系统的布尔代数一、背景知识布尔代数也称为逻辑代数。它是英国数学家乔治布尔（18151864）于1849年创立的。在当时，这种代数纯粹是一种数学游戏。在布尔代数里，布尔构思出一种关于0和1的代数系数，用基础的逻辑符号系统描述物体和概念。这种代数不仅广泛于概率和统计等领域，更为重要的是，它为数字计算机开关电路设计提供了最重要的数学方法。二、译文 引言 计算机以及其它数字电子设备中的数学问题已由乔治布朗以及其它许多后继者的决定性的工作得以拓展。这个思想的主体整体被称为符号逻辑，它建立了获取数学证法的基本原理并奇迹般地改变了我们的认识以及数学的范畴。这种很有用的系统中只有一部分内容为我们所应用。布尔等人感兴趣的是推导出一种用来判断某个命题在逻辑上或在数学上是真还是假的系统性的方法，但我们要关注的仅仅是数字设备的输出的正确与否。真或假可以等同于 一和零，或者等同于开和关。这是电子元件中电压的两种唯一的状态。因此，由逻辑门所完成的这个奇异的代数中，只有两种值，一和零，任何代数组合或者计算只能产生这两种值。零和一是二进制运算中唯一的符号。不同的逻辑门和它们之间的相互连接可以用来完成计算以及判断所要求的必要的功能。在开发数 字系统时最简单的做法是把逻辑门以及它们之间的连接根据概念排放在一起 以最直接的方式完成 设定的任务。于是我们采用布尔代数来减小系统的复杂程度，如果可能的话，与此同时应保留其相同的功能。逻辑门之间等效的简单的组合可能使得费用更加便宜而在装配上更加容易。数字设备的布尔代数法则 布尔代数与任何代数一样具有结合律、交换律和分配律。为了表示代数的特性我们使用变量A,B和C以及诸如此类的变量。为了写出这些可能取值为0或1的各个变量之间的相互关系，我们采用来表示“非A”，因此如果A1，那么0。每个变量的补码用每个变量上方加一横线来表示，B的补码就是也即“非B”。同时还存在两个固定的量。第一个量是单位量，即I1，另外一个量是零，即null0。布尔代数应用于三种基本类型的逻辑门的运算：一种是或门，一种是与门，还有一种是反相器（非门）。逻辑门的符号和真值表如图23所示，真值表显示与门对应于乘，或门对应于加，而反相器产生其输入变量的补码。我们已经算出对于与门来说 AB=“A AND B”而对与或门来说 A+B=“A OR B”对于“与”，即逻辑乘，以及“或”，即析取，它们的代数形式必须遵循代数组合的三个法则。在接下来的等式中，读者可以把变量A,B,C设为两个 可能的值0和1来证明每个表达式的正确性。例如采用A=0,B=0,C=0，或A=1,B=0,C=0等等，在每个表达式中，结合律表明如何把变量进行重组。对于“与”有（AB）CA（BC）（AC）B而对于“或”有（AB）CA（BC）（AC）B 这个法则表明我们可以采用变量的不同组合而不改变代数表达式的正确性。交换率表明了变量的顺序。对于“与”有ABBA，而对于“或”有ABBA。这个法则表明了可以如上式所示进行运算的组合和展开。在我们展示数字设备布尔代数的剩下的那个法则之前，让我们通过写出真值表的方式即真值表21来验证对于“与”的分配律。我们将很快发现如何写出等式ABC（AC）（BC），这一等式由真值表证明了是一个正确的展开式。更为复杂的表达式和它的一次式产生了相等的值。由于二进制逻辑取决于某一代数，其单个变量之和等于一个变量，所以真值表允许我们在代数表达式中找出等效值，我们可以使用真值表来求出一个等效于变量之间较复杂的关系式的一次表达式。如果这样的等效关系存在，我们将很快看到利用真值表以及其它方法以一种系统性的方式如何完成这样一个复杂步骤的简化工作。表21 对于“与”的分配律的真值表 代数中另外的一些关系式，这些式子中使用单位一和零，是没有意义的，这里我们列举了运用分配律后“与”和“或”运算的性质，结果是1永远是1而零永远是0。与：AIA即A1A或：AnullA即A0A与：即或：即 与：Anull0即A00或：AII即A11与：AAA或：AAA_AAnull_AA0_A+AI_A+A1 关系式AAI指出了一个重要事实，即I，也就是单位量，是全集，而零被称为空集。我们已经研究了几种逻辑关系。对于电子学的二值布尔代数来说，选择何种方法取决于我们所期望的简化函数的性质。一些简单的函数可以通过观察它们的真值表很容易进行简化；而另一些函数需要通过计算布尔代数来揭示它们的关系。当我们研究有关二进制数相加的电路时，我们将看到需要布尔代数来揭示该特定应用中的简化过程。第三节 模数转换 一 背景知识 模拟量是随时间连续变化的量，例如温度、压力、速度、位移等非电量绝大多数都是连续变化的模拟量，它们可以通过相应的传感器变换为连续变化的模拟量电压或电流。而数字量是不连续变化的。在电子技术中，模拟量和数字量的互相转换是很重要的。例如用电子计算机对生产过程进行控制时，首先要将被控制的模拟量转换为数字量，才能送到数字计算机中去进行运算和处理；然后又要将处理得出的数字量转换为模拟量，才能实现对被控制的模拟量进行控制。再如在数字仪表中，也必须将被测的模拟量转换为数字量，才能实现数字显示。能将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC；能将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。因此，DAC和ADC是联系数字系统和模拟系统的“桥梁”，也可称为两者之间的接口。二 译文 许多量具有连续值，包括温度、压力、位移、旋度、电压、电流以及光强和声强。对于数字化处理和分析、调整和控制以及记录并将它们量化的数据进行传输这几方面来说，这些值的数字表达形式是很重要的，把这些连续值量化为二进制值的工作被称为模数转换（ADC）。数模转换是相反的过程，在这个过程中离散值状态的数据被转换成或恢复为连续变量形式。音乐或演讲的光读数字记录的清晰度和保真度以及将这些记录从背景杂音中提取出来是目前的先进技术，但人类的耳朵无法把唱片上的二进制数据记录转换成音乐或演讲，所以从二进制数据到模拟信号的电子转换是必要的。一些将模拟信号进行采样的方法不能被视为模数转换，因为信号的幅值，即信息内容的一个重要方面没有被转换成二进制形式。在对正弦波进行的简单采样中，幅值是信息内容的必要组成部分。对比来说，从模拟信号到数字信号的转换在每一个采样点都产生了一个二进制数。传感器是一种元件的名称，这种元件产生了正比于它所反映的物理现象的电压和电流。例如，温度传感器能产生一个与温度相关的电压。在某些情况下这个电压来自于电路中的敏感元件，比如当一个温敏电阻和一个恒电阻组成一个分压器，其电压直接与温度相关。某些传感器直接产生电压，比如说光电元件和压电元件。很多电压源需要将电压放大以便于将它们的模拟值转换成二进制数。模数转换 模数转换只存在两种基本的方法。一种方法是将模拟电压幅值与二进制电压值进行比较，在这个过程中匹配的结果产生了对应于幅值的二进制数。另一种方法是将模拟信号积分并在计算积分大小时采用测量时间（一个给定的时钟脉冲数）来求得某个值以获得一个等效的二进制数，下面讨论的每一个系统采用了这些方法中的一种方法或另一种方法。在选择一种转换方法或一种转换方法的变化时必须研究两个重要的参数，一个参数是模数转换所要求的精度，另一个参数是转换所允许的速度或时间间隔，这两个参数在本质上是不相容的，因为高精度转换和高速转换很难同时完成。高速或快速模电转换是一个相对的术语，但在数字计算机二进制数据从模拟向数字转换的过程中，“高速”采样间隔是大约十个计算机时钟周期而不是十个一千秒。一个微秒间隔内的转换是中等快的速度但不是极限速度。由于很多模数转换无需快速，所以有可能获得高精度。然而，获取高精度的复杂性以及费用可能会使我们改变目标。模拟变量转换的预期应用（目标）可能确定了需要何种程度的数字精度。模数转换的精度是由二进制数的位数确立的，这个位数对应于最大值或满量程的模拟值。四位（二进制数）容许0至15等间隔时间内的量化。幅值二进制表示改变一位，对应的模拟量幅值就一定改变了6.25。一个字节（8位）容许的精度为0.4，7位二进制代码对应于近似10的译码精度。数模转换 为了把数字信号转换成模拟信号，我们必须以这种加权方式处理每一位（二进制数），这样一个装置的方框图如图24所示。参考电压源给电压开关提供了一个精确的校准电压。一旦电压源提供给电压开关的校准电压被收到，并且一旦接收到一个转换信号，二进制数据就被锁进寄存器，同时每位就被配置一个加权的电流或电压。这些来自输入寄存器的二进制信号接着提供给电压开关，然后产生一个或两个可能的输出。于是，这个电压开关等效于一个由寄存器产生的二进制信号控制的普通SPDT开关。电压开关（的输出）提供给一个电阻性的加法电路，加法电路把每一位转变为对应的加权电流值，并求出总电流。这个总电流提供给放大器，放大器执行两个功能，即电流向电压的转换并计量，因此D/A转换器的输出电压将是一个正确的值。输入寄存器是一个并联输入、并联输出的元件。转换器的信号被用来锁住输入寄存器的数据，直到下一个转换器信号被接收到为止。无论A/D还是D/A转换器都具有特定的分辨率，精度，速度以及增益。A/D转换器还有漂移的问题。Exercises（54）双极型反相器是一种基本电路，大多数双极型饱和逻辑电路包括二极管晶体管逻辑电路（DTL）以及晶体管晶体管逻辑电路（TTL）可由这种电路导出。然而，基本的双极型反相器要受到负载效应的影响。二极管晶体管逻辑电路将二极管逻辑电路和双极型反相器结合在一起以使负载效应减小到最低程度。晶体管晶体管逻辑电路，是从DTL电路直接演变而来，这种电路使传输延迟时间缩短，正如我们将展示的那样。在DTL和TTL电路中，双极型晶体管在截止和饱和之间的区域被驱动。由于晶体管实质上是作为一个开关被使用，所以其电流增益不如放大器电路中的电流增益那么重要。特别地，对于使用在这些电路中的晶体管，假设电压增益在25至50这个范围内。这些晶体管的 带宽不必做得象高增益放大器的晶体管那么严格。第四节 运算放大器一 背景知识 运算放大器（简称运放）是一种包含许多晶体管的集成电路，它是目前获得广泛应用的一种多端器件。一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再输送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。运放是一种高增益（可达几万倍甚至更高）、高输入电阻、低输出电阻的放大器。由于它能完成加法、积分、微分等数理运算而被称为运算放大器，然而它的应用远远超出上述范围。二 译文引言 运算放大器是一种高增益的差分放大器，它在第二次世界大战期间得到完善，并成为模拟计算机的基础。由于运算放大器被用来解差分方程，因此一段时期内模拟计算机被称为“差分分析器”。运算放大器也是很多重要仪器的主要组成部分。模拟放大器由基本的差分放大器组成，通过反馈以及其它补偿放大电路实现线性反应、稳定性、来自漂移的自由度以及其它我们所期望的性能。我们要求它具有复杂性，因为运算放大器放大直流以及交流信号，在放大阶段不允许有容性耦合。因此我们很难隔离由温度的变化和电源电压以及其它引起输出电压漂移的因素而产生的长效变化。在发明了晶体管后，固态运算放大器被引入成为集成电路。现在运算放大器被用来制造高品质、低功率的模拟放大器，因而我们可以在很多应用场合免去了设计单个的晶体管放大器的过程。对于大多数要求放大和很多测量和控制应用的场合，具有反馈电路的简单的运算放大器将满足设计者的需要。以双列直插式封装或以其它密封形式出现的运算放大器做成的集成电路的可用性使模拟信号问题在很多方面类似数字逻辑问题那样得到解决，也就是通过集成电路的相互连接得到解决。运算放大器 图25显示了运算放大器的符号。它有两个输入端：标有正号的为非倒向输入端，而标有负号的为倒向输入端，由运算放大器放大的电压是两个输入端之间的电压。由于开始增益是如此大，从105到106，所以仅仅是几微伏的电压差将产生相当大的输出电压。由于运算放大器是一种差分放大器，因此，在两个输入端必须都连接电压才能使之正常工作。如果两个不同的正电压分别被加在两个输入端，而且非倒向输入端的电压大于倒向输入端的电压，那么运算放大器的输出端电压将处于最大值（饱和值）。如果电压进行相互交换其相对值也就是，如果倒向输入端的电压大于非倒向输入端的电压运算放大器将产生一个最小的输出，即为饱和负电压。每当相对电压值改变时这种转换就会很快地发生。我们将看到运算器是非常好的电压比较器，因为它在瞬间电压变换时产生很大的电压起伏。此时仅仅几微伏的电压将使先前的电压大小关系产生逆转。如果运算放大器工作在其线性范围内，在其倒向输入端和非倒向输入端之间必须存在非常小的电压差。在分析运算放大电路时，我们假设由于存在很大的开路电压增益，所以输入端两端的电压差可以忽略不计。在某些场合我们将把电压设为零。当输出信号的一部分返回输入端作为负反馈，电压差就无法增大因为输出改变使输入端的电压差减小。另外两个性质也存在于运算放大器，它们是非常高的输入阻抗，大约106，以及很小的输出阻抗，大约100。这些性质使运算放大器变得有用因为它可以允许信号源用非常小的电流来驱动放大器，反过来，运算放大器可以驱动具有很高信号要求的器件。概括起来，一个好的运算放大器具有以下特性：1.非常大的大约一百万的开路增益，倒向输入端和非倒向输入端之间相当小的电压差；很高的输入阻抗以及很小的输出阻抗。而一个理想的运算放大器将会有一个无穷大的增益。输入端之间的一个零电位差，一个无穷大的输入阻抗以及一个零输出阻抗。2.很多运算放大器要求两个数值相等但符号相反的供电电压，一个为正而另一为负，典型的值是12V或15V。其它运算放大器可能工作在单端输入电源，比如说15V。运算放大器的有用的输出电压范围等于大约80的供电电压，对于具有双边电源电压15V的运算放大器，输出信号被限制在大约12V。很多运算放大器都有其局限性，其中有两点需要在这里提到，一个局限性是随着频率的增加其增益下降得很快。在低频阶段如象10Hz那么低电路增益就开始下降（功率在20分贝处开始以每10分贝的速度减小）。增益相对频率的局限性通过负反馈的补偿作用而使频带得以增宽。另外一个局限是大多数运算放大器对输入信号的改变所能起反应的速率。与逻辑门相比较，运算放大器在这个方面的性能不算好，普通运算放大器在大约1v/us的速率时可以改变状态。而一个TTL数字逻辑门从一个状态到另一个状态的翻转大约比这个速度快500倍。运算放大器的重要性在于使用负反馈网络的优点。同时应用运算放大器和逻辑门的电路因为具有两种技术优势而允许进行数字处理和分析。Exerciese（60）1.运算放大器是一种集成电路，这种电路把两个输入电压的差值进行放大，然后产生一个单一的输出。运算放大器在模拟电子学中很常用，并且它在很多方面与二极管或场效应管一样，可以被视为另一种电子设备。运算放大器这个术语来源于二十世纪六十年代早期电子设备的最初应用。运算放大器与电阻器和电容器连接在一起，被应用在模拟计算机中用来完成数学运算以求解微分方程和积分方程。运算放大器的应用自从早期以来已得到很大的拓展。2.TTL电路的输入晶体管在饱和和反相运行模式之间的区域被驱动，这种晶体管通过从饱和晶体管的基极快速拉动电荷来减少开关时间。为了提高输出阶段的开关速度我们引入了推拉式输出这个环节。最大输出取决于确定输出晶体管工作在饱和区并且确定输出晶体管的集电极电流处于最大值。最大输出值也是一定传输延迟时间的函数。第三章 Semiconductor switches are very important and crucial components in power electronic systems.these switches are meant to be the substitutions of the mechanical switches,but they are severely limited by the properties of the semiconductor materials and process of manufacturing.在电力电子系统，中半导体开关是非常重要和关键部件。半导体开关将要替换机械开关,但半导体材料的性质和生产过程严重限制了他们。Switching losses开关损耗Power losses in the power eletronic converters are comprised of the Switching losses and parasitic losses.电力电子转换器的功率损耗分为开关损耗和寄生损耗the parasitic losses account for the losses due to the winding resistances of the inductors and transformers,the dielectric losses of capacitors,the eddy and the hysteresis losses.寄生损失的绕组电感器、变压器的阻力、介电损耗的电容器,涡流和磁滞损耗the switching losses are significant and can be managed.这个开关损耗是非常重要的,可以被处理。they can be further divided into three components:(a)the on-state losses,(b)the off-state losses and the losses in the transition states.他们可以分为三个部分:通态损耗，断态损耗和转换过程中产生的损耗。On-State Losses通态损耗通态损耗：The electrical switches conduct heavy current and have nonzero voltage across the switch in the on-state.The on-state power losses are given by Pon=Uson if.这个电子开关能导通大电流，并且在通态时有非零的压降。这个通态功率损耗的公式为Pon=Uson if.The Uson and If are respectively the switch voltage in the on-state and the forward current through the switch.For example,the typical power diodes and the power transistors have nearly 0.5 to l volt across them in the on-state.The forward currents can be hundreds to thousands of amperes.The on-state power losses are very significant.其中Uson是通态时开关上的压降，if是流过开关的电流。例如，典型的功率二极管和功率晶体管有近似0.51伏的通态压降。而电流会有数百到数千安培。这个通态损耗非常重要。Off-State Losses断态损耗The electrical switches withstand high voltages and have nonzero leakage current through the switch in the off-state.The off-state power lesses are given by Poh=Uoff ir在关断状态时，电子开关到经受得起高电压，并会有非零的漏电流。断态损耗的公式为Poh=Uoff ir.The Usoff and Ir are respectively the reverse bias voltage in the off-state and the reverse current through the switch.For example,the typical power diodes and the power transistors have high reverse voltages in hundreds to thousands of volts and microamps to milliamps through them in the off state.其中Uoff在断态时的反向偏置电压，ir是流过开关的反向漏电流。例如，典型的功率二极管和功率晶体管有很高的反向压降几百到几千伏和几微安到几毫安的漏电流。Transition-State Losses转换损耗转换损耗：The practical switching devices have limited capabilities of rate of voltage transition and the rate of current steering.These nonabrupt transition rates give rise to power losses in the switching devices.We will examine these switching losses in two cases sep
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