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2014/8/30. 山东广播电视大学. 《 计算机电路基础 》 ( 1 ). 第一讲. 授课人:夏少波(计算机与通信学院). Tel : 6512165. Email : xshaobo@sdtvu.com.cn. 几点说明. 2014/8/30. 自我介绍. 课堂纪律. 《 计算机电路基础 》 课程介绍. 本课的期末考试题型. 山东省广播电视大学 计算机与通信学院 工科教研室 副教授 《 计算机电路基础 》 课程的责任教师 Tel: 0531--6512165 Email: xshaobo@sdtvu.com.cn.
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2014/8/30 山东广播电视大学 《计算机电路基础》(1) 第一讲 授课人:夏少波(计算机与通信学院) Tel : 6512165 Email : xshaobo@sdtvu.com.cn
几点说明 2014/8/30 自我介绍 课堂纪律 《计算机电路基础》课程介绍 本课的期末考试题型
山东省广播电视大学 计算机与通信学院 工科教研室 副教授 《计算机电路基础》课程的责任教师 Tel: 0531--6512165 Email: xshaobo@sdtvu.com.cn 2014/8/30 授课人:夏少波 返回
希同学们能自觉保持课堂安静; 有问题尽量等到课间交谈。 2014/8/30 课堂纪律
计算机硬件技术(电路) 计算机软件技术(编程) 2014/8/30 计算机技术
计算机电路基础(1)本学期 (数字电子电路) 计算机电路基础(2)下学期 (模拟电子电路) 2014/8/30 计算机电路基础
电路分析基础 (第一章) 数字电子电路 (第二~八章) 2014/8/30 计算机电路基础(1)
一、填空题 :(每小题2分,共计28~30分) 二、选择题:(每小题2分,共计20分) 三、简答题:(每小题5~6分,共计10~12分) 四、分析计算题:(每小题8~10分,共计 40分) 2014/8/30 《计算机电路基础》(1) 期末考试题型
2014/8/30 第一章 电路分析的基础知识 第一节 :电路的组成及电路分析的概念 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向 第三节 :电路的基本元件 第四节 :基尔霍夫定律 第五节 :简单电阻电路的分析方法 第六节 :简单RC电路的过渡过程 本章教学要求 本章的考试题型及往届考题分析
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念① 电路:是由若干元件按一定方式相互连接而成的联结体,其主要作用是产生或处理信号及功率。 电路中一般涉及的线性元件有:电压源、电流源、电阻、电感和电容等。 返回
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念② 右图所示为一个简单电路图示例
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念③ 电路分析与设计是电路理论的两个组成部分。 电路分析:是在已知电路结构及参数的条件下,求解电路中待求电量的过程。 电路设计:是在设定输入信号或功率(能量)的条件下,欲在输出端口产生需求的信号或功率(能量),而求解电路应有的结构及参数的过程。
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念④ 右图所示为一个直流电路。 为对电路结构作进一步描述,先介绍支路、节点、回路等概念。
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念⑤ 支路:每一个二端元件构成一条支路;有时也将流过同一个电流的几个“串联”元件的组合称为一条支路。 注意:支路上不允许存在“分支”
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念⑹ 节点:电路中元件支路的连接点。有时也把三个或三个以上支路的连接点称为节点。如图中的E点、 D点、 C点和 O点等。当几条支路连接在一起时,对节点打“•”表示。
2014/8/30 第一节 :电路的组成及电路分析的概念⑺ 回路:是指电路中由若干条支路组成的闭合路径。图中有如下回路:回路Ⅰ:EDOFE回路Ⅱ:DCOD回路Ⅲ:ABCDEA 回路Ⅳ:EDCOFE
2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑴ 1.2.1 电流及其参考方向 电流是电路中一个具有大小和方向的基本物理量,其定义为:在单位时间内通过导体截面的电通量或电荷量。其大小叫电流强度,简称电流,其单位为安培(A)。 若电流不随时间而变化,即恒定的电流(直流),用大写字母I表示;若电流随时间变化(交流),或仅为了表达一般情况,则用小写字母i表示, 称为电流的瞬时值,有时也用i(t)表示。 返回
a b i 表示任何一个电路元件 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑵ 电流的真实方向及参考方向 电流是流动的,所以具有流动的方向。其流动的方向一般用一个箭头来表示。在物理学中,规定电流流动的方向是正电荷运动的方向,即电流的真实方向。 对任意假定的电流方向称为参考方向。
电路中的元件 a b i 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑶ 电流的真实方向及参考方向 一般情况下,电路图中所标出的电流方向的箭头是该电流的参考方向。再同时考虑该电流的正、负值后,才能确定该电流的真实方向。如当i=2A时,则说明真实方向与参考方向相同;反之,如当i=-2A时,则说明真实方向与参考方向相反。
2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑷ 1.2.2 电压及其参考方向(极性) 电压是电路中一个具有大小和方向(极性)的基本物理量。电压又叫做电压差或电压降,与电路中两点(例如A、B)有关。与电流的表示方式相似,用大写字母U表示恒定的电压(直流电压),用小写字母u表示电压的瞬时值。
u + - A B A B u (b) (a) 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑸ 电压的概念 电压的极性 电压uAB的大小,定义为:在电路中,单位正电荷经任意路径由节点A运动到节点B电场力所做的功。电压的单位为伏特(V),做功的单位为焦耳(J)。电压的方向称为电压的极性。
u + - A B 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑹ 电位的概念 由上述分析可看出:电压与电路中的两个节点有关。在电路中,可以把任意一个节点选为参考节点。这时,电路中的其它节点与参考节点之间的电压,称为该节点的电位。 右图所示:若节点A、B之间的电压为uAB=5V,若选B点为参考节点,则uB=0V, uA=5V
u + - A B A B u (b) (a) 电压的极性 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑺ 电压的参考极性 电路中,A、B两节点的电压参考极性常用一对“+”“-”号来标注,如图(a)所示;也可以用一个箭头来表示(不常用),如图(b)所示。但应注意,标识电压极性的箭头与表示电流方向的箭头的含义是不同的。
2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑻ 应当注意:电流与电压是两个相互独立的物理量。电路中的某个元件,其上有电压却不一定有电流流过,例如不接负载的电压源等;但是,如果元件中有电流流过,其上一般会产生电压(理想导线除外)。 将电流与电压联系起来进行考虑,可以看出它们之间的共同点:它们都是同时具有大小和方向的基本物理量。在考虑方向时都应注意参考方向及真实方向。这两个方向是否一致,是由电压和电流的正负值所决定的。
-2A 2A + + + + 3V -3V 3V 3V - - 2A - - -2A (a) (b) (c) (d) 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑼ ★当电路中某元件上的电压的参考极性与电流的参考方向相一致时,称这种情形为关联参考方向,反之称为非关联参考方向。 上图中,(a)、(c)为关联参考方向, (b)、(d)为非关联参考方向(不要看正、负号)
2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑽ 1.2.3 功率 功率定义为:单位时间内,电路元件上能量的变化量,是具有大小及正负值的物理量。功率的单位为瓦特(W)。 在电路中通常用电流i及电压u的乘积来描述功率。若i、u取关联参考方向,则电路元件上吸收的功率被定义为:p=u•i; 若i、u取非关联参考方向,则该电路元件上吸收的功率被定义为:p=-u•i;
i i i i + - + - u u u u + + - - (a) (b) (c) (d) 2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑾ ★功率计算举例:设下图中u=-2V;i=-3A 由前述可知:图(a)(b)为关联参考方向;有p=u•i =(-2)×(-3)=6W ;(吸收功率) 而图 (c)(d)为非关联参考方向有p=-u•i =-(-2)×(-3)=-6W ; (产生功率)。
2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⑿ 在一个电路中,一些元件上产生的功率一定消耗在该电路的其它一些元件上,这就是电路中的功率平衡原理。 能量也是电路中常使用的一个物理量。是功率与时间的乘积。其单位为焦耳(J)。有时也用千瓦•小时(度)表示。
2014/8/30 第二节 :电路中的主要物理量及参考方向⒀ 前面讲的电压、电流、功率等都是国际单位制的单位。而实际应用中,还有辅助单位。 表1.2.1 部分常用的辅助单位词头
i R a b + - u 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑴ 1.3.1 电阻元件 电阻是电阻元件(电阻器)的简称,是电路中最常用的元件之一。常见的电阻类型有碳膜电阻、金属膜电阻和线绕电阻等。 电阻在电路中的符号是R(有时也可写成小写字母r),电阻值的单位是欧姆(Ω)。 返回
上图所示的电阻元件,其伏安关系为: 若u、i取非关联参考方向,则有: 在电路分析中,有时也常用电阻的倒数,即电导G来表示电阻元件: i R a b + - u 电导的单位是西门子(S)。有: 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑵
i R a b + - u 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑵ 电阻上消耗的功率为: 或: 注意:只要R0,则有p 0。即在一般情况下,电阻总是消耗(吸收)功率。而与其上电流的方向或电压的极性无关。
1.3.2 电容元件 电容是电容元件(电容器)的简称,以储存电荷为其特征,因此具有储存电场能量的功能。常见的电容类型有:电解电容、陶瓷电容、钽(tan)电容等。电容器主要用于交流电路及脉冲电路中,在直流电路中电容器一般起隔直流电流的作用。 电容的符号用大写字母C表示,其电容量与电容器存储的电荷q以及电容器两端的电压u有关。即: 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑶
电容量的单位为法拉(F),通常使用的单位有微法μF(1 μF=10-6F)、纳法nF(1 nF=10-9F)、皮法pF(1 pF=10-12F)等。 C i a b + - u 上图所示为电容元件C,u、i取关联参考方向,其伏安关系为: 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑷
或写成: C i a b + - u 其中,u(t0)表示在计时起点t=t0时刻电容上的初始电压值。如果电容上没有被充电,初始电压为零,则有u(t0)=0V。 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑸
2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑹ 对于电容应注意以下几个问题: ⑴只有当电容上的电压发生变化时,电容上才有电流流动;剧烈变化的电压可能引起很大的电流。在直流电路中,由于电容两端的电压恒定,所以无电流通过,即隔直作用。 ⑵电容上的电压一般不会跳变。 ⑶实际应用中,在选择电容器时,应注意其标称电压(耐压)一定要高于其实际工作电压,并应留有余地。对于有正、负极性的电容(如电解电容)其正极应接电路中的高电位。
2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑺ 1.3.3 电感元件 电感元件是实际电感器的理想化模型,它具有储存磁场能量的功能。实际中常用的电感器是由导线绕制的线圈,常用于交流电路中。电感的符号是用大写字母L来表示,其电感量与线圈中通过的电流及产生的感应电动势有关。电感量的单位为亨利(H),常用的单位有毫亨mH(1mH=10-3H)和微亨μH(1μH=10-6H)等。
L i + u - 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑻ 1.3.3 电感元件 上图所示的电感元件,其u、i取关联参考方向,L两端的伏安关系为: 或写成: 其中,i(t0)表示在计时起始时刻电感上的初始电流值。
2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑼ 对于电感应注意以下几个问题: ⑴只有当电感上的电流发生变化时,电感上才能产生电压,且剧烈变化的电流,可能产生很大的电压。电感在直流电路中相当于一根导线,即电感不消耗直流电源的功率。 ⑵电感上的电流一般不会发生跳变。
a I + + US U - - b 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑽ 1.3.4 电压源 电压源是实际电源的一种抽象。本节内容仅涉及直流电压源(恒压源),用符号US表示。直流电压源在电路中的模型图如下所示 US=某恒定值; I由US及外电路共同决定; 其中,外电路是指图中a、b两端点右边的其它电路部分。
a I + + US U - - b 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑾ 对于电压源应注意以下几个问题: ⑴流过电压源电流的真实方向不一定如图所示,也可以流入电压源,即I为负值,真实电流由高电位点a经US流入低电位b点。电压源消耗的功率为:P=- US •I(公式前的负号是因为US、I取非关联参考方向) 。若P>0,则表明US是处于吸收功率状态,例如当US是一个正在被充电的电池时。 ⑵当US =0时,图中a、b两点间相当于短路,这一点可以由符号中的一段短的“短路线 ”形象的表示。
a I + U IS - b 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⑿ 1.3.5 电流源 电流源也是实际电源的一种抽象。本节内容仅涉及直流电流源(恒流源),用符号IS表示。直流电流源在电路中的模型图如下所示 IS=某恒定值; U由IS及外电路共同决定; 由定义知,电流源流出的电流是恒定的,即I= IS。
a I + U IS - b 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒀ 对于电流源应注意以下几个问题: ⑴右图中的电流源所吸收的功率为:P=- U• IS(公式前的负号是因为IS,U取非关联参考方向) ,若P>0,则表明IS是处于吸收功率状态;若P<0,则表明IS是处于产生功率状态。 ⑵当IS =0时,图中a、b两点间相当于开路,这一点可以由符号中的一个短横的“阻断电流流过的闸 ”形象的表示。
2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒁ 上述的电压源或电流源,都是指独立电源同时又是理想电源。非独立的电源,例如受控源和实际电源(含内阻的非理想电源),稍后将介绍。此外,前面讨论的电路元件R、L、C的元件模型,都是作了理想化假设: 即假设这些元件是“理想模型”,理想模型是对实际模型的一种抽象简化,实际模型远较理想模型复杂的多。
低阻值 高阻值 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒂ 例如,对于电阻器而言:⑴低阻值的金属膜电阻在频率超过100千赫兹(KHZ)以后,其等效模型通常为R与一个等效电感LS相“串联”的组合,如图(a)所示;⑵而对于高阻值的金属膜电阻在频率超过几十兆赫兹(MHZ)以后,其等效模型通常为R与一个等效电容CP相“并联”的组合,如图(b)所示。
实际的电压源 实际的电流源 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒃ 一个实际的电压源是由理想的电压源US与一个内阻RS串联构成的,如图(a)所示,当有电流I流向外电路时,实际电压源端口的电压就会有所下降,即:U=US-IRS<US。
实际的电压源 实际的电流源 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒄ 一个实际的电流源是由理想的电流源IS与一个内阻RS并联构成的,如图(b)所示,当有电流I流向外电路时,实际电流源提供的电流就会有所下降,即:I=IS-U/RS<IS。
2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒅ 1.3.6 受控源 受控源是一种四端元件,由控制支路和受控支路两部分组成。受控源反映了电路中两部分之间的某种电耦合关系。 下面介绍四种类型的受控源,在每种受控源的内部,左边是控制支路部分,右边是受控支路部分。
i1 + + + + + u1 μu1 u2 γi1 u2 - - - - - (a) (b) (a)电压控制电压源(VCVS) u2=μu1 (b)电流控制电压源(CCVS) u2=γi1 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒆ 四种类型的受控源
i2 i2 i1 + u1 gu1 αi1 - (c) (d) (c)电压控制电流源(VCCS) i2=gu1 (d)电流控制电流源(CCCS) i2=αi1 2014/8/30 第三节 :电路的基本元件⒇ 四种类型的受控源