2024-7-1,星期一,16:56,天气:阴转小雨,心情:晴。大家好啊,今天换了一个新的主题,为什么嘞,是因为截止到昨天,电路基础部分的内容已经暂时告一段落啦(但是不意味着停止学习,像这种基础课肯定是要反复学哒,后面还是会找一些英文教材来看,然后不定时的更新笔记)。从今天开始,正式学习模拟电子电路的理论知识和51单片机的实操部分,C语言也在一直学习。模拟电子电路选用的教材是Thomas L.Floydd的模拟电子技术基础(系统方法),英文好的同学可以直接找原版来阅读,我的基础比较差,英文也一般,所以线找了中午版进行学习,打好基础后,后面再使用英文教材持续学习(需要英文版教材的老铁们也可以公众号私信我领取哦);51单片机使用的教材是清华大学宋雪松老师的手把手教你学51单片机(C语言版),暂时不想听课学习。
学习笔记
今日学习了自选教材第一章得内容,主要学习内容为:模拟信号和数字信号,信号源,放大器,并完成了相应公式的推导与例题练习;进行了单片机开发软件Keil5的安装(需要安装包的可以加公众号私信我领取!)。
一、 模拟电子学基本概念
1. 总览:
在学习模拟电子学之前我们首先要在脑海中形成一个概念:由于现在常用的设备如计算机等,均是数字电子设备,所以,我们很容易忽视一个事实,即我们可以测量到的实验现象(数据),如压力、流速和温度等都是模拟信号!我们使用各类型的传感器将这些模拟量转化成电压和电流,而后进行诸如放大等一些其他处理。
2. 模拟信号和数字信号:
(1)模拟信号:值在一定范围内连续变化的信号称为模拟信号,一个模拟信号的值可以是呈周期变化的,如下图a,也可以是携带信息(音乐、语音等)的连续变化的信号,如下图b。
模拟电路比较简单,处理速度快、成本低,容易模拟出自然现象,常用于处理线性函数、波形整形、电压和电流之间的相互转化,乘法运算以及混频;而数字信号抗噪声能力强,没有漂移问题,故很多电子系统中会将模拟信号与数字信号昏庸
(2)模拟信号与数字信号的转化:将模拟信号转化为数字信号有两个步骤,即采样和量化(如下图),采样是将模拟波形在时域上进行切分,每个切片大小大致等于原来波形的值(这一过程往往会丢失部分信息);在采样完成后,给每个时间片分配一个数字,该过程称为量化。
(3)周期信号(正弦波为例):正弦波是最基本,最重要的周期波,通常可以由交流发生器或者射频电波产生,正弦波的数学表达式为:
y(t) = Asin(ωt ± Φ)
从上是可以看出,正弦波可由频率、幅度以及相位三个参数进行定义。
正弦波的几个重要参数:
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频率和周期:频率为1s内完成整个周期的个数(当旋转向量转过2Π时,表明他经历了一个完整周期),由下式表示:
f(Hz) = ω(rad/s)/2Π(rad/cycle),每秒走过一个完整周期为1Hz,周期是一个循环所经历的时间(将2Π看作是路程,ω看作是速度,则T = v = 2Π/ω),则T=1/f。
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瞬时值:如果使用正弦曲线表示电压,则可写成:v(t) = Vp(t)sin(ωt ± Φ),这个电压v(t)为瞬时值,表示每一时刻的电压。
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正弦曲线的峰值:一个正弦曲线的峰值是与水平轴的最大偏移。
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正弦曲线的平均值:一般情况下,均值是指在一个周期内不考虑正负符号得出的平均值,即先将负值转化为正值再取平均值,用峰值电压表示均值电压为:Vavg=2Vp/Π,Vavg = 0.637Vp。
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有效值:为了将交流电压(电流)与直流电压(电流)相对比,计算与直流电压(电流)产生相同的热效应时的交流电压(电流),通过积分可以求出等效电压(电流),称为方均根(rms)电压(电流),rms电压(电流)与峰值电压电流的关系为:Vrms(Irms) = 0707Vp(Ip)
(4)时域信号:以时间为变量的信号。
(5)频域信号:以频率为横轴,幅值(对数形式较多)为纵轴的信号图,也即频谱图。上述的时域正弦曲线也可以看成频谱中的一条直线:
(6)谐波:一个非正弦波由一个基频(基波)和几个谐频(谐波)组成,谐波是更高频率的正弦波,谐频都是基频的整数倍,谐波也都是基波的整数倍;奇次谐波为基波频率的奇次倍(1次谐波,3次谐波...),偶次谐波为基波频率的偶次倍(2次谐波,4次谐波...)。一个纯正弦波的任何变化都会产生谐波,一个非正弦波是基波和多次谐波的组合,一般来说,只有基波和低次谐波对波形影响比较重要,如方波:
3. 信号源:
(1)戴维南定理和诺顿定理的适用范围:当等效电阻很小时,戴维南定理更加适用,因为此时的戴维南等效电路近似于一个理想电压源(内阻为0);当等效电阻很大时,诺顿定理更适用,因为此时诺顿等效电路近似于一个等效电流源(内阻无穷大)。
4. 放大器:
(1)放大增益:输出量与输入量的比值,对于一个电压放大器,其电压增益为:A = Vout(t) / Vin(t)。
(2)传输曲线:评价电路的一种方式就是看对于一个给定的输入,其输出的大小,该曲线即为传输曲线,例如,对于一个线性放大器,在达到饱和值时,转移曲线为一条直线:
值得注意的是,所有放大器都必须工作在有源状态下(一般是直流电源),放大器从电源出得到一定的能量,并将其转化为信号功率。
(3)波形整形器&开关放大器:波形整型器通常用于改变波形的型状;开关放大器用于将任意型状的波形输出为矩形输出。
(4)放大器模型:在仅分析源和负载特性的时候,可以将放大器内部进行简化,即可以认为放大器和负载间的一个接口,一般的,可以用戴维南和诺顿模型进行等效:
例:
(5)分贝功率比:分贝被定义为功率增益对数的10倍,即:dB = 10log(P2 / P1),因为功率放大倍数一般很大,故常用分贝值比来表示功率增益:A'p = 10log(Pout / Pin),功率增加,分贝值为正数;功率降低,分贝值为负数。特别的需要记住以下两个特殊的分贝值:
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3dB:此时的功率比为2:1,即功率被放大了2倍(6dB则放大22倍,9dB放大23倍,12dB放大了24倍,依次类推),此外,常用比值1:2(3dB)来表示仪器的截止频率。
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10dB:此时的功率比为10:1,即功率被放大了10倍。
综上,若信号衰减了23dB(20 + 3),可由2个10dB的衰减器和1个3dB的衰减器表示,总衰减比为1:200(两个10dB的衰减器共衰减100倍,一个3dB的衰减器衰减2倍)。
在多级级联增益(衰减)电路中,总电压增益(衰减)比是各级增益(衰减)比的绝对值乘积:Av = Av1 × Av2 × Av3 × ... × Avn,总分贝值则为各级分贝值绝对值得和:A‘v = A‘v1 + A’v2 + A‘v3 + ... + A’vn