1. 基本模拟概念

本章总结

关键术语

放大器：一种专门设计的具有幅度放大能力的电子线路。

模拟信号：在某个范围内具有连续取值的信号。

衰减：把功率、电流或者电压减小。

特性曲线：一幅描述器件两个变量之间关系的图。对于大多数电子器件，特性曲线表示的是电流作为电压函数的关系。

周期：在下一个完全相同的图案出现之前，一个波形呈现的完整序列值。

分贝：一个无量纲的量，是功率比对数的10倍，或者电压比对数的20倍。

数字信号：具有阶梯离散数值的非连续信号。

重要公式

小结

1.1 模拟电子学

本节问题

1. 什么是一个器件的特性曲线?

器件的特性曲线 是描述电气器件（如电阻、电容、二极管等）在不同工作条件下性能变化的图形。通常，特性曲线绘制的是器件的电流与电压（I-V）关系，或者其他相关参数如功率、频率等。通过特性曲线，工程师可以了解器件在不同操作条件下的行为，比如线性区域、饱和区、截止区等。

2. 一个大电阻的特性曲线和小电阻的特性曲线相比有什么区别?

• 大电阻：在特性曲线上，大电阻器通常显示出在较低电流下较高的电压，曲线斜率较小。这意味着它在相同的电压下会有较小的电流，且电流变化较小。
• 小电阻：在特性曲线上，小电阻器通常显示出在较高电流下较低的电压，曲线斜率较大。这意味着它在相同的电压下会有较大的电流，且电流变化较大。

3. 直流电阻和交流电阻有什么区别?

1. 直流电阻（DC Resistance）

• 定义：直流电阻是指在直流电流（DC）条件下测量的电阻值。
• 计算：使用欧姆定律 $R=\frac{V}{I}$ 计算得到，其中 $V$ 是电压，$I$ 是电流。
• 特性：直流电阻通常是材料对直流电流的固有阻抗，测量不受频率变化的影响。

2. 交流电阻（AC Resistance）

• 定义：交流电阻是指在交流电流（AC）条件下的电阻值。
• 计算：交流电阻不仅包括直流电阻，还包括由电感和电容引起的感抗和容抗。
• 特性：
  • 交流电阻受频率的影响：随着交流频率的变化，感抗和容抗也会变化，从而影响总阻抗。
  • 对于具有电感或电容的器件，交流电阻可能与直流电阻有所不同，尤其在高频情况下差异更明显。

1.2 模拟信号

本节问题

1. 模拟信号和数字信号的区别

模拟信号

• 定义：模拟信号是连续变化的信号，通常表示为随时间连续变化的电压或电流。
• 特性：模拟信号具有无限的分辨率，可以在任意时间点上取任意值。
• 示例：声音信号、温度传感器输出等。

数字信号

• 定义：数字信号是离散的信号，表示为在有限数量的离散时间点上取值的信号。
• 特性：数字信号具有有限的分辨率，信号值在每个离散时间点上是有限的、具体的数值。
• 示例：计算机数据、数字音频信号等。

2. 描述方波的频谱

方波是一种周期性的波形，其频谱可以用傅里叶变换表示。方波的频谱特征如下：

• 基频成分：方波的频谱包含基频成分，即与方波周期相对应的频率。
• 谐波成分：除了基频，方波的频谱还包括基频的奇次谐波成分，如 $3f_0,5f_0,7f_0$ 等，其中 $f_0$ 是方波的基频。
• 幅度衰减：谐波成分的幅度按照 $1/n$ 的比例衰减，其中 $n$ 是谐波的序号（奇数）。
• 频谱图：在频谱图中，基频和谐波成分表现为一系列离散的谱线。

3. 周期信号的频谱与非周期信号的频谱的区别

周期信号的频谱

• 特征：周期信号的频谱由一系列离散的频率成分组成，这些频率成分是基频及其谐波。
• 表示：周期信号的频谱可以用傅里叶级数表示。频谱图中呈现为一系列离散的谱线。

非周期信号的频谱

• 特征：非周期信号的频谱是连续的，表示为一个频谱密度函数。
• 表示：非周期信号的频谱可以用傅里叶变换表示。频谱图中呈现为一个连续的频谱密度分布。

1.3 信号源

1.3.1 独立源

信号源可以定义成电压的或者电流的，也可以定义成直流信号源或交流信号源。理想的独立电压源产生的电压与负载电流无关，理想的独立电流源产生的电流也与负载电压无关。

1.3.2 戴维南定理

戴维南定理告诉我们，可以用一个理想的独立电压源串联一个电阻来代替一个复杂的二端口线性电路。

1.3.3 诺顿定理

1.3.4 负载线

假设输出端口短路(电阻阻值为0)。在此情形下，负载两端的电压是)，电流可以通过欧姆定求出，为10mA。 现在假设负载开路(电阻无穷大)。在此情形下，负载电流是0，负载两端的电压等于戴维南电压。

戴维南电路的负载线和电阻R，的特性曲线(见图1-1)都画在了图1-15b 中。R1现在当做一个负载电阻RL，两条直线的交叉点就是工作点，或者叫做静态工作点，通常情况下称为Q点。

本节问题

1. 什么是独立电源？

独立电源 是一种能够提供稳定电压或电流的电源，其输出不依赖于其他电源或电路的条件。独立电源在电路中不受负载变化影响，其电压或电流输出保持稳定。常见的独立电源包括：

• 电池：例如干电池或充电电池，提供固定的电压。
• 电源适配器：将交流电转换为稳定的直流电。
• 发电机：在一些应用中用于提供稳定的电压或电流。

2. 戴维南电路和诺顿电路的区别

戴维南定理（Thevenin's Theorem）

• 定义：戴维南定理指出，任何线性电路都可以被等效为一个独立电源和一个串联电阻的组合。
• 表示：戴维南等效电路包括一个戴维南电压源（$V_{th}$）和一个戴维南电阻（$R_{th}$）串联在一起。
• 应用：适用于计算电路的开路电压和电流源影响的简化分析。

诺顿定理（Norton's Theorem）

• 定义：诺顿定理指出，任何线性电路都可以被等效为一个独立电流源和一个并联电阻的组合。
• 表示：诺顿等效电路包括一个诺顿电流源（$I_N$）和一个诺顿电阻（$R_N$）并联在一起。
• 应用：适用于计算电路的短路电流和电压源影响的简化分析。

区别

• 电源类型：戴维南电路使用独立电压源，而诺顿电路使用独立电流源。

• 电路配置：戴维南电路是电压源串联电阻，诺顿电路是电流源并联电阻。

• 转换关系

  ：两个等效电路可以通过以下关系相互转换：

  • $V_{th}=I_N\cdot R_N$
  • $R_{th}=R_N$

3. 无源传感器和有源传感器的区别

无源传感器（Passive Sensor）

• 定义：无源传感器不需要外部电源供电，其输出信号直接与输入的物理量（如温度、压力等）相关。它们通常只在被激励时改变其电阻、电容或电感等参数。
• 示例：热电偶、应变计（应变片）等。
• 特点：无源传感器通常具有较简单的结构，但需要额外的电路来读取其信号。

有源传感器（Active Sensor）

• 定义：有源传感器需要外部电源来提供激励信号，其输出信号与输入的物理量（如温度、压力等）直接相关。它们通常能够将输入的物理量转换为电信号（如电压、电流）并提供增强的输出。
• 示例：电容式传感器、光电传感器、集成电路温度传感器等。
• 特点：有源传感器能提供较高的输出信号，并且通常具备更高的灵敏度和精度，但需要额外的电源来操作。

1.4 放大器

1.4.1 线性放大器

评价电路的一种有效方法就是看对于一个给定的输入，其输出的大小。这种曲线称为传输曲线，反映了一个电路的响应。

电压增益公式

1.4.2 非线性放大器

它们主要分成两类：波形整形和开关。波形整形放大器通常用于改变波形的形状。开关放大器从其他波形中产生出一个矩形输出。

1.4.3 分贝功率比

功率比的数值通常比较大。在早期电话通信系统的开发中，工程师就用分贝值来描述大的增益或衰减。分贝(dB)被定义为功率增益对数的10倍。

500W和1W的比值是500∶1，分贝值为27dB。而100mW : 0.2mW的比值也是27dB。当比值小于1时，就存在功率衰耗或衰减。对于功率增加，分贝值是正数;对于功率衰减，分贝值是负数。

1.4.4 分贝电压比

本节问题

1. 什么是理想放大器？

理想放大器 是一种理想化的放大器模型，具有以下特点：

• 无限增益：理想放大器的增益是无限的，意味着即使输入信号非常微弱，它也能够提供无限大的输出。
• 无限输入阻抗：理想放大器的输入阻抗是无限的，这意味着它不会对输入信号产生负载效应。
• 零输出阻抗：理想放大器的输出阻抗是零，这意味着它能够向负载提供完全的电流，不受负载阻抗的影响。
• 无限带宽：理想放大器的带宽是无限的，因此它能够放大所有频率范围的信号。
• 零失真：理想放大器不会引入任何失真或非线性效应，其输出信号与输入信号严格成比例。

在实际应用中，理想放大器是理论模型，用于简化设计和分析，但实际放大器不可能完全符合这些理想条件。

2. 什么是独立信号源？

独立信号源 是指能够提供稳定和不受其他电路影响的信号源，其输出信号的特性（如电压、频率、波形等）是固定的，不依赖于连接的负载或其他电路条件。独立信号源常见于测试和测量应用中，确保信号源的输出可以精确控制和预测。常见的独立信号源包括：

• 函数发生器：产生不同类型的周期性信号（如正弦波、方波、三角波等）。
• 电压源：提供稳定的直流电压。
• 电流源：提供稳定的直流电流。

3. 什么叫分贝（dB）？

分贝（dB） 是一种用于表示声音强度、电信号强度或功率的单位，主要用于量化相对强度或比值。它是对数单位，以便能够处理非常大的范围的数值。分贝的定义依赖于对数函数，并通常用于以下几种情况：

• 声音强度：在声音领域，分贝用于表示声音的相对强度。通常以参考声压为基准，例如 20 μPa（微帕斯卡）。

分贝的使用允许我们更方便地处理和比较非常大的动态范围的信号或功率。例如，声音的响度、无线电信号的强度等都可以用分贝来描述。

1.5 故障检测