电子电工教学课件

电子电工技术基础课程简介欢迎学习电子电工技术基础课程！本课程旨在帮助学生建立电子电工技术的基本理论知识体系，掌握电子电路的基本分析方法和设计技能我们将从电路基础理论出发，逐步探索模拟电路、数字电路及其实际应用，培养学生的动手实践能力和创新思维通过本课程的学习，您将能够理解现代电子设备的工作原理，为后续专业课程打下坚实基础无论您是电子工程专业的学生，还是对电子技术感兴趣的爱好者，本课程都将为您提供系统的知识架构和实用的技能培训让我们一起开启电子电工技术的奇妙之旅！课程目标和学习成果掌握电子电工基础理论1学习电路分析方法、半导体器件特性和数字电路设计原理，建立完整的电子电工理论体系，能够独立分析和解决电路问题培养实践操作能力2通过实验环节训练，掌握电子仪器使用方法，能够搭建电路、测量参数，培养动手能力和实验技巧，提高工程实践水平发展创新设计思维3学习电子产品设计方法，掌握电路仿真和设计技术，能够综合运用所学知PCB识解决实际工程问题，培养创新意识建立工程素养4了解电子工程领域的发展趋势和前沿技术，培养严谨的工作态度和团队协作精神，为未来职业发展打下基础电路基础概念电路的组成电路参数电路模型电路由电源、负载、导线和控制装置组基本电路参数包括电压、电流、电阻、理想电路模型包括理想电压源、理想电成电源提供电能，负载消耗电能并完功率等电压是电势差，单位是伏特流源、理想电阻等实际电路元件都有成特定功能，导线连接各个元件，控制；电流是电荷流动量，单位是安培一定的非理想特性，需要建立合适的等V装置调节电路工作状态；电阻是阻碍电流流动的特性，单效模型进行分析计算A位是欧姆Ω电压、电流和电阻的关系电功率P=UI电压与电流的乘积1欧姆定律U=IR2电压与电流成正比基本电路量3电压、电流、电阻U I R电压是电路中两点之间的电位差，单位是伏特，表示单位电荷在电场中获得的能量电流是单位时间内通过导体横截面的电荷量，单位是U VI安培，表示电荷流动的速率A电阻是导体阻碍电流流动的特性，单位是欧姆电阻值越大，在相同电压下，电流越小电阻与导体的材料、长度、截面积和温度有关RΩ这三个量之间的关系由欧姆定律描述，即电压等于电流与电阻的乘积电功率，表示单位时间内电能转换的速率U=IR P=UI=I²R=U²/R欧姆定律及其应用基本公式欧姆定律表达为，其中是电压，是电流，是电阻根U=IR UIR据需要，公式可变形为或，便于不同场景下的I=U/R R=U/I计算电路设计在电路设计中，利用欧姆定律可以确定电阻值，例如计算限流电阻、分压电阻、分流电阻等设计驱动电路时，需要根据LED的正向压降和工作电流计算合适的限流电阻LED故障分析故障诊断时，可通过测量电压和电流，利用欧姆定律判断电路是否正常工作例如，如果测得电压正常但电流过大，可能是负载电阻减小或出现短路现象基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电压定律KCL KVL在电路的任何节点上，流入该节在任何闭合回路中，所有电压降点的电流总和等于流出该节点的的代数和等于零数学表达式为电流总和数学表达式为入（规定电源电压为正，电∑I∑U=0出，或（规定流入为阻上的电压降为负）=∑I∑I=0正，流出为负）反映了能量守恒定律，电荷KVL反映了电荷守恒定律，在任在闭合回路中运动一周后，能量KCL何节点上电荷不会积累或消失状态不变实际应用基尔霍夫定律是分析复杂电路的基础工具，可用于求解含多个电源的电路、桥式电路等在实际电路分析中，常结合欧姆定律一起应用，建立方程组求解电路分析方法支路电流法步骤一标记支路电流1为电路中的每个支路标记电流方向和变量，通常假设电流从电源正极流向负极每个支路需要一个独立的电流变量，对于含有个支路的电路，n需要个变量n步骤二应用2KVL根据基尔霍夫电压定律，对电路中的每个独立回路列写方程在个支路n的电路中，需要列写个独立方程才能求解所有未知电流n步骤三求解方程组3将所得到的方程组联立求解，得到各支路电流值解得的电流如为负值，表示实际电流方向与假设方向相反步骤四计算其它参数4根据已知电流，利用欧姆定律计算各元件两端电压，或计算电路中的功率分配情况电路分析方法节点电压法选择参考节点选择一个节点作为参考节点（通常选择接地点或与多个元件相连的节点），其电压定义为零对于含有个节点的电路，需要确定个节点电压n n-1标记节点电压为除参考节点外的每个节点标记电压变量，表示该节点相对于参考节点的电位差这些节点电压是我们需要求解的未知量应用列方程KCL对每个非参考节点应用基尔霍夫电流定律，根据节点电压表达流经各支路的电流，列写节点电流方程对于个节点的电路，需要列写n n-个独立方程1求解节点电压解方程组得到各节点电压值，然后根据节点电压计算支路电流和元件电压节点电压法通常比支路电流法需要解的方程更少，特别适合于求解具有较多支路的电路电路分析方法网孔电流法识别网孔定义网孔电流网孔是指电路图中的最小闭合回路为每个网孔定义一个假想的环形电流，对于平面电路，如果电路有个支路，通常按顺时针方向网孔电流不一定b个节点，则有个独立网孔12是实际支路电流，但可用于计算实际n b-n+1电流应用列方程KVL求解网孔电流对每个网孔应用基尔霍夫电压定律，解方程组得到各网孔电流，然后计算根据网孔电流表达各元件电压，列写实际支路电流对于共用支路的两个43网孔电压方程对于含有个网孔的m网孔，该支路的实际电流为两个网孔电路，需要列写个独立方程m电流之差叠加原理原理定义计算步骤适用范围在线性电路中，由多个独立电先关断除一个电源外的所有电叠加原理适用于含多个独立电源共同作用产生的电压或电流，源（电压源短路，电流源开源的复杂线性电路分析，特别等于各电源单独作用时产生的路），计算该电源单独作用时是当电路中存在受控源时但电压或电流的代数和叠加原的电路响应；然后对每个电源不适用于计算功率，因为功率理基于线性系统的特性，只适重复此过程；最后将所有单独与电压、电流成非线性关系用于含线性元件的电路响应相加，得到总响应优势分析使用叠加原理可以将复杂问题分解为多个简单问题，逐一求解后叠加对于某些特定电路，叠加原理比其他方法更为简便，尤其是分析信号源对特定元件的影响时戴维南定理和诺顿定理戴维南定理诺顿定理两种等效的转换任何含有电源和线性元件的二端网络，任何含有电源和线性元件的二端网络，戴维南等效电路和诺顿等效电路可以相都可等效为一个电压源和一个电阻串联都可等效为一个电流源和一个电阻并联互转换，转换关系为Uoc=Isc×的电路等效电压源的电动势等于开路的电路等效电流源的电流等于短路电Req电压，等效电阻等于去除所有独立电源流，等效电阻与戴维南定理中的等效电在实际应用中，可根据电路特性和分析后在两端测得的电阻阻相同需求选择更方便的等效形式负载变化应用步骤计算开路电压；计算等应用步骤计算短路电流；计算等时，使用等效电路可以简化分析计算Uoc Isc效电阻；建立戴维南等效电路效电阻；建立诺顿等效电路Req Req电容器和电感器电容器特性电感器特性能量存储电容器是储存电场能量的元件，由两个导电感器是储存磁场能量的元件，通常由绕电容器储存的能量为，Wc=1/2·C·U²体极板和中间的绝缘介质组成其基本特制在铁芯或空芯上的导线线圈构成其基电感器储存的能量为WL=1/2·L·I²性是，表示电流与电压变化本特性是，表示电压与电流i=C·du/dt u=L·di/dt率成正比变化率成正比电容器和电感器是电路中重要的无源储能电容量与极板面积成正比，与极板间距离电感量与线圈匝数的平方成正比，与磁芯元件，广泛应用于滤波、振荡、定时、相C L成反比，与介质介电常数成正比电容器材料的磁导率成正比电感器中的电流不位补偿等电路中两端电压不能突变，电容器中的电流可以能突变，电感器两端的电压可以突变突变电路和电路RC RL瞬态分析1电路在接通或断开电源时，电压和电流会发生暂态变化，最终达到稳态这个过程称为瞬态过程RC/RL时间常数电路的时间常数，电路的时间常数，单位为秒时间常数表示电路响应达2RCτ=RC RLτ=L/R到最终值的所需的时间

63.2%指数变化规律电容充放电和电感储释能过程遵循指数变化规律经过个时间常数35后，电路基本达到稳态（达到最终值的）

99.3%电路中，电容充电时，电容电压为，电流为放电时，电压为，电流为RC uct=U1-e^-t/RC it=U/Re^-t/RC uct=Ue^-t/RCit=-U/Re^-t/RC电路中，接通电源时，电流为，电感电压为断开电源时，电流为，RL it=U/R1-e^-Rt/L uLt=Ue^-Rt/L it=U/Re^-Rt/L电感电压为uLt=-Ue^-Rt/L正弦交流电路基础正弦交流电是最常见的交流电形式，由交流发电机产生其瞬时值表达式为，其中为峰值，为角ut=Um·sinωt+φUmω频率（），为频率，为初相位有效值（均方根值）为ω=2πf fφU=Um/√2≈

0.707Um交流电的频率在中国为，在电力系统中广泛应用相比直流电，交流电的优势在于易于变压、传输损耗小、易于产生和50Hz控制在交流电路分析中，需要考虑电感和电容的频率特性，不同元件对交流电的响应不同电阻在交流电路中的特性与直流电路相同，而电感和电容则表现出阻抗特性，既影响电流幅值，也影响相位关系相量法分析交流电路1相量定义相量是用复数表示正弦量的方法，将时域中的正弦函数转换为复平面上的旋转矢量2表示方式相量可用直角坐标（）或极坐标（）表示，两种表示法可相互转换a+jb Ae^jφ3元件特性在相量域中，电阻、电感和电容的特性分别表示为，，ZR=R ZL=jωL ZC=1/jωC4分析优势相量法将时域中的微分积分运算转化为代数运算，大大简化了交流电路的分析计算使用相量法分析交流电路时，首先将时域中的正弦量转换为相量形式，如转换为然后应用ut=Umsinωt+φU=Ume^jφ基尔霍夫定律和欧姆定律建立相量方程进行求解，最后将结果转换回时域在相量分析中，阻抗是描述元件特性的关键参数，其中为电阻，为电抗（电感电抗为正，电容电抗Z=R+jX RX XL=ωL XC=-为负）阻抗的模表示元件对电流的阻碍程度，辐角表示电压与电流的相位差1/ωC交流电路的功率有功功率无功功率交流电路的功率可分为三种类型有功功率、无功功率和视在功率有功功率，单位为瓦特，表示电能转化为其他形式能量的平均速率，为实际消耗的功率无功功P QS P=UIcosφW率，单位为乏，表示在电感和电容元件之间交换的能量，不产生实际功耗Q=UIsinφvar视在功率，单位为伏安，代表发电机容量三者关系为，可用功率三角形表示功率因数，反映电能利用效率，越接近，电能利用率越高在工S=UI VAS²=P²+Q²cosφ=P/S cosφ1业用电中，常采用并联电容器的方式进行功率因数校正，提高电能利用效率在纯电阻电路中，φ=0，cosφ=1，P=UI，Q=0；在纯电感电路中，φ=90°，cosφ=0，P=0，Q=UI；在纯电容电路中，φ=-90°，cosφ=0，P=0，Q=-UI三相电路基础三相交流发电星形连接三角形连接YΔ三相交流电由三相发电机产生，其定子星形连接中，三相负载的一端连接在一三角形连接中，三相负载首尾相连形成绕组在空间上相隔，产生三相对称起形成中性点，另一端分别连接到三相闭合回路，各个连接点连接到三相电源120°的电动势电动势表达式为电源线电压与相电压的关系为线电压与相电压的关系为UL UPUL UP，，线电流与相电流的关，线电流与相电流的关系为eA=Emsinωt eB=Emsinωt-UL=√3UP ILIP UL=UP ILIP，系为120°eC=Emsinωt-240°IL=IP IL=√3IP磁路基础磁场基本量磁感应强度，单位为特斯拉，表示磁场强弱；磁场强度，B TH单位为安米，表示产生磁场所需的励磁能力；磁通量，/A/mΦ单位为韦伯，表示穿过闭合面的磁力线数量Wb磁路定律磁路中的欧姆定律，其中为磁动势，单位为安匝Φ=F/Rm F，为磁路的磁阻，单位为安韦伯安培环路定A·N Rm/A/Wb律∮，表示闭合磁路中的磁场强度沿闭合路径的线积Hdl=NI分等于路径所包围的总电流磁路计算磁路计算与电路计算类似，但磁路中的磁阻与材料的磁导率非μ线性相关，需要结合材料的曲线进行分析对于含有气隙的B-H磁路，气隙的磁阻通常远大于铁芯的磁阻，是磁路设计中的关键因素变压器原理及应用电压变换电磁感应初、次级电压比等于匝数比₁₂U/U=变压器基于电磁感应原理工作，当初级线2₁₂，可实现电压升降N/N圈中通过交变电流时，产生交变磁通，诱1导产生次级电压电流变换初、次级电流比与匝数比成反比₁₂I/I3₂₁，功率近似守恒=N/N阻抗变换5电气隔离可实现阻抗变换，用于电路匹配，Z₁/Z₂=N₁/N₂²4初、次级电气隔离，提高安全性，防止电击危险变压器由铁芯和绕组组成，铁芯提供磁路，初级和次级绕组分别连接电源和负载理想变压器无损耗，初级功率完全传递给次级实际变压器存在铜损（绕组电阻损耗）、铁损（铁芯磁滞和涡流损耗）和漏磁（部分磁通未链接两个绕组）等损耗变压器广泛应用于电力系统（输电变压器）、电子设备（电源变压器）、音频设备（音频变压器）等领域根据用途可分为电力变压器、仪用变压器、电子变压器等；根据相数可分为单相变压器和三相变压器半导体基础知识半导体材料特性1半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，最常用的有硅和锗Si Ge纯半导体称为本征半导体，电导率低；掺入杂质后形成杂质半导体，电导率显著提高型和型半导体2N P将五价元素（如磷、砷）掺入四价硅中，形成型半导体，其主要载流子为电子，N少数载流子为空穴；将三价元素（如硼、铝）掺入四价硅中，形成型半导体，P其主要载流子为空穴，少数载流子为电子结原理3PN型和型半导体接触形成结，结区附近形成空间电荷区和内建电场结P NPN PN具有单向导电性，正向偏置（端接正，端接负）导通，反向偏置截止，是半P N导体器件的基本结构载流子运动机制4半导体中的载流子运动有两种机制漂移（在电场作用下的定向运动）和扩散（由于浓度梯度引起的随机运动）这两种机制共同决定了半导体器件的电学特性二极管及其应用二极管结构与特性主要类型典型应用二极管是由一个结构成的半导体器普通二极管用于整流、检波等；稳压整流电路将交流电转换为脉动直流；PN件，具有单向导电性其伏安特性曲线二极管利用反向击穿特性稳定电压；限幅电路限制信号幅度；检波电路分为正向区、反向区和击穿区正向导发光二极管正向导通时发光；从调制信号中提取低频信号；开关电路LED通时，电流与电压近似呈指数关系，硅变容二极管利用结电容随偏置电控制电路通断；逻辑门电路实现逻辑PN二极管的正向导通电压约为反压变化的特性调谐；肖特基二极管具运算功能；稳压电路维持恒定输出电

0.7V向偏置时，只有很小的反向饱和电流有快速开关特性；光敏二极管对光照压敏感整流电路半波整流全波整流滤波电路半波整流电路仅利用交流电的半个周期，全波整流利用交流电的全周期，有两种整流后的脉动直流需要通过滤波电路平由一个二极管和负载电阻组成当交流实现方式桥式整流（四个二极管）和滑，常用的滤波方式有电容滤波、电感电压为正半周时，二极管导通，电流流中心抽头式（两个二极管和中心抽头变滤波和复合滤波电容滤波利用电容储过负载；当交流电压为负半周时，二极压器）全波整流的平均输出电压为峰能特性，在电压下降时释放能量维持电管截止，无电流流过负载半波整流的值电压的倍，纹波系数小于半波压；电感滤波利用电感的电流惯性作用

0.636输出为脉动直流，平均输出电压为峰值整流，利用率高桥式整流是最常用的平滑电流波形；型滤波结合电容和电π电压的倍，纹波系数大，利用率整流电路，不需要中心抽头变压器感的优点，滤波效果最好

0.318低稳压电路稳压二极管稳压并联型线性稳压利用稳压二极管反向击穿区电压几乎不变的特性实现稳压电路由调整管并联在输出端，通过改变分流电流控制输出电压当输出电限流电阻和稳压二极管并联负载组成当输入电压或负载变化时，压升高时，分流电流增大，负载电流减小，输出电压下降，反之亦通过二极管的电流随之变化，但两端电压保持稳定优点是结构简然优点是过载保护能力强；缺点是需要较大的限流电阻，功耗大单，缺点是稳压精度低，输出功率小1234串联型线性稳压开关型稳压由调整管（如三极管）串联在输入和输出之间，通过控制其导通程利用开关管周期性导通和关断，通过调节导通时间比例（占空比）度调节压降，使输出电压稳定电路包括参考电压源、采样网络、控制输出电压包括（降压）、（升压）和Buck BoostBuck-比较放大和功率调整环节优点是稳压精度高，纹波小；缺点是效（升降压）等拓扑结构优点是效率高，体积小；缺点是电Boost率低，功耗大路复杂，有开关噪声三极管的工作原理三极管（晶体管）是由两个结构成的半导体器件，分为型和型两种标准结构包括三个区域发射区、基区和集电区PN NPNPNP EB基区很薄且掺杂浓度低，是三极管工作的关键C三极管的工作原理基于电流放大作用当发射结正偏（型为极接负，极接正），集电结反偏时，发射区的多数载流子（电子）注NPN EB入到基区，由于基区很薄，这些电子大部分被收集到集电区，形成集电极电流很小的基极电流可以控制较大的集电极电流，电IC IBIC流放大倍数，通常为几十到几百β=IC/IB三极管有三种工作状态截止（两个结都反偏，无电流）、放大（发射结正偏，集电结反偏，用于放大信号）和饱和（两个结都正偏，常用于开关电路）三极管的基本放大电路共射放大电路共集放大电路输入信号加在基极和发射极之间，输入信号加在基极和集电极之间，输出从集电极和发射极之间取出，输出从发射极和集电极之间取出，发射极为公共端特点是电压放集电极为公共端特点是电压放大倍数大（几十到几百倍），电流大倍数接近但小于（无电压放大1放大倍数大（值），功率放大倍作用），电流放大倍数大（），ββ+1数最大，输入阻抗中等（几千欧功率放大倍数中等，输入阻抗高姆），输出阻抗较高，存在（几十到几百千欧姆），输出阻抗180°相位反转是最常用的放大电路低（几十欧姆），无相位反转主要用作阻抗变换，又称射极跟随器共基放大电路输入信号加在发射极和基极之间，输出从集电极和基极之间取出，基极为公共端特点是电压放大倍数大，电流放大倍数小于（无电流放大作用），1功率放大倍数中等，输入阻抗低（几十欧姆），输出阻抗高，无相位反转主要用于高频放大，频率特性好场效应管及其应用结构与原理结型场效应管绝缘栅场效应管JFETMOSFET场效应管是一种电压控制结型场效应管由结构成的栅FET PN型器件，通过控制栅极电压改变极控制沟道电流，分为沟道和绝缘栅场效应管的栅极与沟道之N沟道电导率来控制电流与三极沟道两种的栅极必须间有一层绝缘氧化层，分为增强P JFET管不同，场效应管的工作原理基反偏，是一种减型和耗尽型两种增强型Enhancement于多数载流子，输入阻抗极高，型器件，栅源电压控制漏源电流需要栅极电压超过阈MOSFET几乎不消耗控制信号功率具有良好的线性特性，常值才能导通；耗尽型JFET MOSFET用于小信号放大和开关电路在零栅压时已导通MOSFET输入阻抗更高，功耗低，广泛应用于集成电路和功率控制应用领域场效应管广泛应用于放大电路、开关电路、逻辑电路和功率控制功率在开关电源、电MOSFET机驱动、变频器等领域应用广泛与三极管相比，场效应管的优势在于输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、功耗小、频率响应好、易于集成集成运算放大器应用领域1信号处理、仪器仪表、模拟计算和控制系统典型应用电路2反相同相放大、加减法器、积分微分电路//主要特性参数3开环增益、输入阻抗、输出阻抗、带宽、摆率理想特性4无穷大开环增益、无穷大输入阻抗、零输出阻抗基本结构5差分输入级、增益级、输出级和偏置电路集成运算放大器是一种高增益直流耦合放大器，具有两个输入端（同相端和反相端）和一个输出端其输出电压与输入差分电压成正比⁺⁻，其中为开环增益，通常很Vo=AV-VA大（10⁵~10⁶）运放的金规则

①理想运放的输入电流为零；

②理想运放的差分输入电压为零（称为虚短和虚断特性）这些特性使运放电路分析变得简单而直观实际运放存在输入失调电压、输入偏置电流、共模抑制比、温度漂移等非理想特性，在设计中需要考虑常见运放芯片有、、等LM741LM324TL082负反馈放大电路基本原理负反馈是将放大器输出信号的一部分反馈到输入端，与输入信号相减，从而降低有效输入信号幅度虽然减小了增益，但显著改善了电路性能负反馈放大电路通常由基本放大器和反馈网络组成负反馈的类型根据取样方式和反馈方式，负反馈分为四种基本类型

①电压串联负反馈（取样电压，串联反馈）；

②电流串联负反馈（取样电流，串联反馈）；

③电压并联负反馈（取样电压，并联反馈）；

④电流并联负反馈（取样电流，并联反馈）负反馈的主要作用稳定放大倍数减小了放大倍数对器件参数变化的敏感性改善频率特性拓宽了放大器的频带宽度减小非线性失真改善了信号的保真度增大输入阻抗或减小输出阻抗改善了负载适应性抑制干扰和噪声提高电路的稳定性和可靠性设计考虑负反馈可能引起系统不稳定，产生振荡设计时需考虑相位裕度和增益裕度，确保系统稳定深度负反馈虽然改善性能，但也降低了增益，需要在性能和增益之间取得平衡运算放大器电路大多采用负反馈结构，以获得稳定可靠的性能功率放大器功率放大器的特点分类与工作原理保护电路功率放大器是放大器的最后一级，直接根据输出级的工作状态，功率放大器分功率放大器需要多种保护电路确保安全驱动负载（如扬声器），需要提供较大为类、类、类和类等类工作过流保护（限制输出电流，防止A B AB C A的输出功率与电压放大器相比，功率输出管全导通，效率低，失真输出短路损坏器件）；过热保护（当温≤25%放大器更注重效率和功率输出能力，而小；类推挽电路，每管导通半个周度过高时自动降低功率或关断）；扬声B不是电压增益功率放大器需要考虑散期，效率高，有交越失真；器保护（防止直流电压损坏扬声器）；≤

78.5%热问题，通常配备散热器，输出管常工类结合类和类优点，效率中等，安全工作区保护（确保功率管工作在安AB A B作在大信号状态失真小；类导通角小于，效全区域内）C180°率高，失真大，用于射频功

78.5%率放大振荡器电路正反馈原理振荡条件振荡器基于正反馈原理工作，输出信号反馈部1满足幅度条件和相位条件反馈环路增益分增强输入信号2|Aβ|≥1且相位移动为360°振荡频率起振与稳振4由频率选择网络决定，如谐振回路或相移起振时使振荡增长，稳振时非线性效应LC RC|Aβ|13网络使维持恒定振幅|Aβ|=1振荡器是一种能将直流电能转换为交流信号的电路，无需外部输入信号即可持续输出特定频率的信号根据产生的波形，振荡器可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器常见的正弦波振荡器包括振荡器（如哈特莱振荡器、科尔皮兹振荡器等），利用谐振回路产生高频振荡；振荡器（如维恩电桥振荡器、LC LCRC移相振荡器等），利用网络产生低频振荡；晶体振荡器，利用石英晶体的压电效应产生高稳定度的振荡RC非正弦波振荡器主要有多谐振荡器（如施密特触发器、定时器），产生方波、矩形波；积分比较型振荡器，产生三角波、锯齿波；弛张振555-荡器，产生锯齿波数字电路基础进制转换进制基数数码例子二进制₂20,11010八进制₈80-712十进制₁₀100-910十六进制₁₆160-9,A-F A数字电路使用不同进制表示数值，其中二进制是数字系统的基础任何进制的数都可以写成⁻⁻，其中为基数，N=an×rⁿ+an-1×rⁿ¹+...+a1×r¹+a0×r⁰+a-1×r¹+...r为数码an进制转换是数字电路中的基本操作其他进制转十进制按权展开求和；十进制转其

①②他进制整数部分除基数取余，小数部分乘基数取整；二进制与八进制、十六进制互转

③利用固定分组关系（位二进制对应位八进制，位二进制对应位十六进制）3141在数字电路中，常用码（二十进制码）、格雷码（相邻数值只有一位不同）、码BCD-ASCII（字符编码）等特殊编码方式表示和处理信息计算机中的负数通常采用补码表示正数的补码等于原码，负数的补码等于其原码的反码加1逻辑代数基础逻辑代数是研究逻辑运算的代数系统，由乔治布尔创立，又称布尔代数其基本运算包括与、或和非与运算两输入都为时输出为；或运算至少一个输入为时输出为·AND ORNOT·11+1；非运算输入为时输出为，输入为时输出为1¬1001逻辑代数的基本定律包括交换律，；结合律，；分配律，；吸收律，A·B=B·A A+B=B+A A·B·C=A·B·C A+B+C=A+B+C A·B+C=A·B+A·C A+B·C=A+B·A+CA·A+B=A；互补律，；双重否定律A+A·B=A A·Ā=0A+Ā=1Ā=A此外，还有重要的德摩根定律，，它建立了与、或、非运算之间的转换关系，在逻辑电路简化中有重要应用逻辑表达式可以通过这些定律进行等价变换和化简A·B=Ā+BA+B=Ā·B基本逻辑门电路与门或门非门复合逻辑门AND ORNOT与门实现逻辑与运算，仅当或门实现逻辑或运算，当任非门实现逻辑非运算，输出复合逻辑门包括与非门所有输入均为时，输出才一输入为时，输出即为始终与输入相反当输入为、或非门、11NAND NOR为，否则输出为与，仅当所有输入均为时，输出为；当输入异或门和同或门101010XOR门可以看作串联开关电路，时，输出才为或门可以为时，输出为非门等与非门相当于与001XNOR只有所有开关闭合，电路才看作并联开关电路，只要有是最基本的逻辑单元，可用门后接非门，或非门相当于导通与门可用二极管、三一个开关闭合，电路就导通一个三极管或管实现或门后接非门异或门输出MOS极管或管实现，常用于或门常用于判断多个条件是非门常用于信号取反、脉冲为当且仅当输入中的个MOS11判断多个条件是否同时满足否至少有一个满足整形和电平转换数为奇数，同或门则要求1的个数为偶数组合逻辑电路设计分析问题，确定输入输出根据设计要求，确定电路的输入变量和输出变量输入变量表示问题的条件，输出变量表示问题的结果明确输入输出的物理意义和数量，为后续设计奠定基础建立真值表列出所有可能的输入组合，并对每种输入组合确定相应的输出值，形成真值表真值表完整描述了输入与输出之间的逻辑关系，是逻辑表达式推导的依据写出逻辑表达式根据真值表，用代数方法或直观方法写出输出的逻辑表达式代数方法常用最小项表达式，即将所有输出为的最小项相加；直观方1法则根据设计者的经验直接写出表达式化简逻辑表达式利用逻辑代数定律或卡诺图方法对逻辑表达式进行化简，得到最简表达式化简的目的是减少所需的逻辑门数量，降低电路复杂度和成本绘制逻辑图并实现电路根据化简后的逻辑表达式，选择适当的逻辑门绘制逻辑图，然后根据逻辑图实现实际电路电路实现可以使用分立元件、中小规模集成电路或可编程逻辑器件等加法器和减法器半加器1半加器实现两个一位二进制数的相加，有两个输入和和两个输出和和进位当A BS C时，；当或时，；当时，A=B=0S=0,C=0A=0,B=1A=1,B=0S=1,C=0A=B=1S=0,C=1半加器的逻辑表达式为⊕，半加器由一个异或门和一个与门组成S=A BC=A·B全加器2全加器在半加器基础上增加了来自低位的进位输入，实现三个一位二进制数的相加，有三个Cin输入、和和两个输出和和进位全加器的逻辑表达式为⊕⊕，A BCinS CoutS=ABCin全加器可以由两个半加器和一个或门组成Cout=A·B+A·Cin+B·Cin多位加法器3多位加法器由多个全加器串联组成，实现多位二进制数的相加例如，四位并行加法器由四个全加器组成，每个全加器处理相应位的加法，低位的进位输出连接到高位的进位输入多位加法器是计算机算术逻辑单元的核心部件ALU减法器4减法器实现二进制数的减法运算在二进制系统中，减法通常通过补码加法实现被减数加上减数的补码因此，减法器可以由加法器和求补电路组成全减器的结构与全加器类似，但借位逻辑不同现代计算机中，加减法常集成在同一电路中编码器和译码器编码器译码器显示译码器编码器是将个输入信号编码成位二译码器是将位二进制代码译码成个显示译码器是一种特殊的译码器，它将2ⁿn n2ⁿ进制代码的组合逻辑电路常见的有输出信号的组合逻辑电路，每次只有一二进制码转换为驱动显示设备（如七段8线线优先编码器，它有个输入和个输出线有效常见的有线线译数码管）的信号常见的七段显-3833-8BCD-个输出，将激活的最高优先级输入转换码器，它有个输入和个输出，对应示译码器将位码转换为个段选384BCD7为对应的位二进制码若多个输入同输入的二进制代码，相应的一个输出线信号，使数码管显示相应的十进制数字3时有效，则只响应优先级最高的输入变为有效状态译码器广泛应用于地址译码、显示驱动、典型芯片如（七段译码74LS47BCD-编码器应用于键盘扫描、优先中断处理数据选择等场合典型芯片如器）七段显示器广泛应用于电子钟、等场合典型芯片如（线（线线译码器）计算器、仪器仪表等设备74LS148874LS1383-8线优先编码器）-3数据选择器和分配器数据选择器1MUX数据选择器是一种能够从多个输入信号中选择一个传送到输出端的组合逻辑电路它有2ⁿ个数据输入、个地址选择输入和个输出地址输入的二进制值决定选择哪一个数据输n1入传送到输出端，类似于一个多位置的旋转开关常见的数据选择器有选、选、选等例如，选数据选择器有个数据输入214181818₀₇、个地址输入₂₁₀和个输出，输出表达式为D~D3S S S1YY=D₀·S̄₂·S̄₁·S̄₀+D₁·S̄₂·S̄₁·S₀+...+D₇·S₂·S₁·S₀数据分配器2DEMUX数据分配器是数据选择器的逆操作，它将一个输入信号分配到个输出端中的一个它有2ⁿ个数据输入、个地址选择输入和个输出地址输入的二进制值决定数据输入传送1n2ⁿ到哪一个输出端常见的数据分配器有分、分、分等例如，分数据分配器有个数据输入、121418181D个地址输入₂₁₀和个输出₀₇，当地址为时，₀，其他输出为；3SSS8Y~Y000Y=D0当地址为时，₁，其他输出为；以此类推001Y=D0应用实例3数据选择器可用于实现任意组合逻辑函数，将逻辑函数的最小项或最大项作为地址输入，将对应的函数值或接入数据输入这种方法特别适用于设计复杂的组合逻辑电路或动01态可重构电路数据分配器常用于数据分路、信号分配和地址译码等场合在计算机系统中，数据选择器和分配器是重要的数据通路控制元件，用于数据路由和信号切换触发器触发器RSRS触发器是最基本的触发器类型，具有两个输入R-复位和S-置位和两个互补输出Q和Q̄当S=1,R=0时，触发器置位，输出Q=1,Q̄=0；当S=0,R=1时，触发器复位，输出Q=0,Q̄=1；当S=R=0时，触发器保持原状态；而S=R=1是禁止状态，会导致Q=Q̄=1，违反互补关系触发器可用两个交叉耦合的与非门或两个或非门实现基本触发器对输入信号的变化立即响应，属于异步触发器如果在触发RSRS RS器输入端增加时钟控制，则构成同步触发器，只有在时钟有效时才响应输入变化RS触发器的主要缺点是存在禁止状态，且从禁止状态恢复后的状态不确定它常用于开关去抖动电路、单稳态触发器和简单的存储电路，RS但在现代数字系统中已较少直接使用，更多作为构建其他类型触发器的基础触发器触发器JK功能与状态表应用实例当时，保持状态；当触发器可用于构建二进制计数J=0,K=0JK时，复位；当器、频率分频电路、状态机和移J=0,K=1Q=0结构与特点时，置位；当位寄存器等通过不同连接方式，J=1,K=0Q=1竞争冒险问题触发器是触发器的改进版，J=1,K=1时，Q=Q̄翻转JK触JK触发器可以实现D触发器和T触JK RS发器的这一特性使其功能更加完发器的功能，具有很强的通用性，消除了触发器的禁止状态它边沿触发触发器可能出现竞争RS JK善，当时触发器状态翻转，是早期应用最广泛的触发器典有两个输入置位和复位、J=K=1冒险问题当时，如果时J-K-J=K=1避免了触发器的禁止状态问题型芯片如（双触发一个时钟输入和两个互补输RS74LS76JK钟频率过高，触发器状态可能来CP器）出Q和Q̄JK触发器是边沿触发不及稳定就迎来下一个时钟沿，的，在时钟上升沿或下降沿时采导致工作异常解决方法包括使样、输入，并相应改变输出状用主从结构（主从触发器）或J KJK态提高触发器的响应速度2314触发器触发器和触发器D T触发器触发器1D2T触发器是一种数据触发器，有一触发器是翻转触发器，有一个触D DataT Toggle个数据输入、一个时钟输入和两个互发输入、一个时钟输入和两个互补输D CPT CP补输出Q和Q̄在时钟上升沿或下降沿时，出Q和Q̄当T=0时，触发器保持状态不变；输出等于输入的值，即当时，在时钟上升沿或下降沿触发Q DQn+1=Dn T=1D触发器本质上是一个带时钟控制的锁存器状态翻转，即Qn+1=Q̄n T触发器器，能够在时钟边沿到来时捕获并保持输本质上是一种特殊连接的触发器JK入数据J=K=T触发器是数字系统中最常用的触发器类触发器主要用于构建二进制计数器和频率D T型，主要用于数据存储、缓冲和延迟多分频电路例如，将恒定为，则触发器T1个触发器可以组成寄存器，用于暂存多在每个时钟脉冲到来时翻转一次，实现D2位二进制数据典型芯片如（双分频触发器虽然功能简单，但在计数应74LS74T触发器）用中非常实用D各类触发器的比较3触发器结构最简单但有禁止状态；触发器功能最完善但可能有竞争冒险问题；触发器最RS JKD适合数据存储但功能相对单一；触发器最适合计数和分频但通常由其他类型触发器转换而来T在实际应用中，需根据具体需求选择合适的触发器类型现代集成电路中，触发器使用最为广泛，而其他类型触发器通常通过触发器加外部逻辑来实D D现计数器电路异步计数器1异步计数器（又称串行进位计数器或纹波计数器）中，只有第一级触发器由时钟信号直接驱动，后续级触发器由前一级的输出触发优点是结构简单，缺点是计数速度受限于触发器的传播延迟累积常见的有二进制异步加计数器和减计数器同步计数器2同步计数器中，所有触发器都由同一时钟信号直接驱动，状态变化同步发生计数速度快，不受传播延迟累积影响，但电路较复杂典型的有同步二进制计数器、计数器（计循环）BCD0-9和任意进制计数器通过设计不同的状态转换逻辑，可实现各种复杂的计数序列可逆计数器3可逆计数器能够根据控制信号在加计数和减计数之间切换常用于上下计数场合，如电子表的/时间调节典型集成电路如（可逆计数器）可逆计数器通常采用同步设计，74LS193BCD内部逻辑较为复杂可编程计数器4可编程计数器允许预置初值并在达到特定计数值时产生进位或借位信号广泛应用于定时器、分频器和数字控制系统现代可编程计数器通常集成在微控制器或内部，提供丰富的功FPGA能和灵活的配置选项移位寄存器串入串出移位寄存器1串行输入数据，串行输出结果结构最简单，由多个触发器串联组成D串入并出移位寄存器2串行输入数据，并行输出结果常用于串行数据的并行处理，如串行通信接收并入串出移位寄存器3并行输入数据，串行输出结果用于数据并行加载后的串行传输，如串行通信发送并入并出移位寄存器4并行输入数据，并行输出结果功能最全面，可用于数据缓存和处理移位寄存器是由一系列触发器级联组成的，能够存储和移动二进制数据的时序逻辑电路每个触发器存储一位数据，在时钟脉冲的控制下，数据按特定方向移动移位寄存器的基本单元通常是触发器，因为触发器能够在时钟上升沿直接传递输入数据D D除了基本的移位功能，现代移位寄存器还可能具有多种功能循环移位（数据循环移动而不丢失）、双向移位（能够左移或右移）、带并行加载功能（能在任何时候并行载入新数据）和带移位控制（能控制是否执行移位操作）移位寄存器广泛应用于数据存储、数据传输、序列检测、信号延迟和数字滤波等领域典型集成电路如（位串入并出移位寄存器）和（位并入串74LS164874LS1658出移位寄存器）模拟数字转换原理/采样定理量化过程采样定理（奈奎斯特定理）指出，要无失量化是将采样值映射到有限数量的量化级真地恢复模拟信号，采样频率必须至少是的过程量化分辨率由位数决定，位n信号最高频率的两倍实际应用中，采样具有个量化级量化过程不可避ADC2ⁿ频率通常取最高频率的倍以上，以确免地引入量化误差，量化误差的最大值为

2.5保信号质量如果采样频率过低，会导致半个量化间隔量化误差在音频系统中表频谱混叠，产生假信号现为量化噪声，影响信号质量架构ADC常见的架构包括逐次逼近型（），通过二分法逐步逼近输入电压，速度ADC SARADC适中，精度高；闪速型（），使用个比较器并行比较，速度最快，但电Flash ADC2ⁿ-1路复杂；积分型（如双积分），通过测量电容充放电时间确定电压，精度高但速度慢；ADC型，采用过采样和噪声整形技术，精度极高Σ-Δ模拟数字转换器（）是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的装置的性能由/ADC ADC多个参数表征分辨率（位数）、转换速率（采样频率）、精度（线性度）、信噪比和动态范围等不同应用对这些参数的要求不同，需要在设计时进行权衡转换过程通常包括采样、保持和量化三个步骤首先，采样保持电路在特定时刻对模拟信ADC号进行采样，并在量化期间保持该值不变；然后，量化电路将采样值转换为数字编码；最后，输出接口将数字编码传输到后续数字处理电路数字模拟转换原理/1加权电阻网络DAC采用与二进制位权相对应的电阻值构建的网络，直接将数字编码转换为对应的模拟电压或电流2梯形网络R-2R DAC只使用两种电阻值（R和2R）构建梯形网络，简化电路设计，减小电阻匹配要求3电流模式开关DAC使用电流源和开关阵列，根据数字输入控制开关状态，将电流相加产生模拟输出4过采样DAC结合数字插值和噪声整形技术，以更高的采样率输出简单的数字值，再通过简单滤波获得高精度模拟信号数字/模拟转换器（DAC）是将离散的数字信号转换为连续的模拟信号的装置DAC的核心原理是将二进制数字编码转换为与之成比例的电压或电流DAC的性能指标包括分辨率、转换速率、积分非线性、微分非线性、建立时间和信噪比等DAC输出通常需要经过低通滤波，以去除转换过程中产生的高频分量和阶跃噪声在高精度应用中，还需考虑温度漂移、参考源稳定性和器件匹配等因素的影响现代DAC多采用CMOS或BiCMOS工艺制造，集成度高，性能优越DAC广泛应用于音频播放、视频显示、自动控制、信号发生和通信系统等领域典型芯片如DAC0808（8位DAC）和AD5360（16位多通道DAC）在实际系统中，DAC常与微处理器、DSP或FPGA配合使用，实现数字系统对外部世界的控制常用电子仪器介绍数字万用表示波器信号发生器数字万用表是最基本的电子测量仪器，示波器用于观察和分析电信号的波形、信号发生器用于产生各种波形的电信用于测量电压、电流、电阻、电容、频率、幅度和相位等参数数字示波号，如正弦波、方波、三角波和脉冲频率等参数现代数字万用表具有自器具有信号捕获、存储和分析功能，等现代信号发生器能够产生复杂的动量程切换、数据保持、最大值最能够处理复杂的周期性和瞬态信号调制信号和数字序列，广泛应用于电/小值记录等功能，是电子工程师的必使用示波器时，需正确设置时基、垂路测试、通信系统开发和教学演示备工具测量时需注意量程选择和测直灵敏度和触发条件，以获得稳定清使用时需注意输出幅度、频率范围和量方法，以确保安全和准确晰的波形显示输出阻抗等参数逻辑分析仪逻辑分析仪专门用于数字电路测试，能够同时观察多个数字信号的时序关系和逻辑状态它对于数字系统的调试和故障诊断非常有用，能够捕获和分析复杂的数据流和控制信号现代逻辑分析仪通常集成了协议分析功能，支持、、等常见通信协议I²C SPIUSB的解码电路仿真软件应用系列工具Multisim SPICE Proteus EDA是公司开发的电路是一款集成了电路仿真、电子设计自动化工具如Multisim NISPICESimulation ProgramProteus EDA设计和仿真软件，拥有友好的设计和虚拟单片机的软件、with IntegratedCircuit PCBCadence AltiumDesigner用户界面和丰富的元器件库是一类电路仿真程平台其最大特色是能够仿真和等，集成了电路设计、Emphasis KiCad其特色是集成了虚拟仪器功能，序，最初由加州大学伯克利分包含微控制器的电路系统，支仿真和布局功能这些工PCB如示波器、频谱分析仪等，能校开发现有多种商业和开源持多种常用单片机，如、具不仅支持电路功能仿真，还8051够实时观察电路响应版本，如、和和等，并可加载实际能进行信号完整性分析、电磁PSpice LTspicePIC AVR特别适合教学和学习等强大的数学程序进行系统级仿真兼容性分析和热分析等它们Multisim ngspiceSPICEProteus使用，支持模拟电路、数字电模型使其成为业界标准的电路特别适合嵌入式系统开发和测是专业电子工程师进行复杂系路和混合信号电路的仿真仿真工具，能够进行直流分析、试统设计的首选工具交流分析、瞬态分析和噪声分析等设计基础PCB原理图设计设计首先从原理图设计开始，使用软件绘制电路原理图，确定各元器件之间PCB EDA的电气连接关系原理图设计需要注意元器件选型、电气规则检查和网络标号等完成后需要生成网络表（），作为布局布线的依据Netlist PCB元器件封装库每个元器件都需要对应的封装，定义其实际尺寸、引脚布局和焊盘形状等可以使PCB用软件自带的标准封装库，也可以根据元器件数据手册自定义封装准确的封装是确保能够正确装配的关键，需要严格按照元器件规格进行设计PCB布局布线PCB布局决定各元器件在上的位置，布线确定导线的走向和层次良好的布局应考虑信PCB号流向、热分布、电磁干扰和机械结构等因素布线需遵循一定规则，如线宽与电流的匹配、关键信号的阻抗控制、差分对的等长等多层板需合理规划各层的分工，如电源层、地层和信号层等设计规则检查与输出完成设计后，需进行设计规则检查，确保满足制造工艺要求然后生成制造文件，DRC包括文件铜箔图、钻孔文件、装配图和表等现代设计还可能包括GerberBOM PCB模型输出，用于机械装配检查在复杂设计中，可能还需进行信号完整性和电源完3D整性等高级分析电子产品制作工艺元器件准备制造PCB包括元器件采购、检验和分类，确保器件质量和2从材料准备到成品板，包括钻孔、电镀、蚀刻和规格符合要求1表面处理等工序贴装焊接表面贴装或通孔插装工艺，将元SMT THT3器件固定在上PCB组装包装5测试检验将电路板装入外壳，连接接口和电源，完成成品组装和包装4功能测试、老化测试和可靠性测试，确保产品质量电子产品制作工艺是将电路设计转变为实际产品的过程现代电子制造广泛采用表面贴装技术，与传统的通孔插装技术相比，具SMT THTSMT有更高的自动化程度、更高的集成密度和更好的高频特性典型的生产线包括锡膏印刷、元器件贴装和回流焊接三个主要环节SMT在小批量或原型制作中，常采用手工焊接或半自动设备手工焊接需要一定的技巧和经验，常用工具包括电烙铁、焊台、吸锡器和放大镜等对于特殊器件如和等，可能需要使用热风返修台进行焊接BGA QFN电子产品制造过程中的质量控制至关重要，包括来料检验、过程检验和成品检验常用的检测方法有自动光学检测、检测、在线AOIX-Ray ICT测试和功能测试等FCT电子电工实验安全注意事项用电安全1实验前确认设备良好接地，使用符合安全标准的插座和电源线操作高压设备时，应佩戴绝缘手套，使用绝缘工具，避免单手操作断电后应先放电再接触电路不要在潮湿环境下操作电气设备，防止触电危险记住一只手规则操作高压设备时，将另一只手放在身后或口袋中，减少电流通过心脏的风险元器件使用安全2注意电容器的极性和额定电压，使用前应确认已放电处理大功率器件时注意散热，避免烫伤静电敏感器件如器件需使用防静电措施，如防静电手环、防静电垫等焊接时注意烙铁MOS温度，避免烫伤和吸入焊接烟雾锂电池使用不当可能引起火灾，应按规定存放和使用实验环境安全3保持工作区域整洁，避免杂物堆积确保良好通风，特别是在焊接和使用化学品时实验室应配备灭火器和急救箱，并了解其使用方法设置明确的应急通道和出口标识大型设备应固定稳妥，防止倾倒危险化学品应按规定存放，并有清晰标识应急处理4发生意外时保持冷静，立即切断电源触电时，应先使伤者脱离电源，可用绝缘物挑开电线或关闭电源开关，切勿直接接触带电体烧伤应立即用冷水冲洗伤处，不要涂抹药膏或油脂严重情况下立即呼叫急救，会做的人员可进行急救定期进行安全演练，熟悉应急程序CPR课程总结与展望新技术发展人工智能芯片、量子计算、新型半导体材料1职业发展方向2集成电路设计、嵌入式系统开发、物联网应用进阶学习建议3微电子学、通信原理、单片机与应用FPGA核心能力培养4电路分析、故障诊断、系统设计能力基础知识掌握5电路理论、半导体器件、模拟数字电路/通过本课程的学习，我们系统地掌握了电子电工技术的基础理论和实用技能，从电路基础到模拟电路、数字电路，再到电子系统设计，建立了完整的知识体系这些知识为后续专业课程和工程实践打下了坚实基础电子技术是现代信息社会的基础，正经历着快速发展未来的发展趋势包括芯片集成度不断提高，功耗持续降低；新型半导体材料如碳纳米管、石墨烯开始应用；人工智能芯片成为热点；低功耗物联网设备普及；柔性电子和可穿戴设备兴起希望同学们能够在掌握基础知识的同时，保持对新技术的关注和学习热情，不断提升自己的专业能力和创新意识，为电子技术的发展和应用做出贡献本课程是起点，而非终点，电子世界的奇妙之旅才刚刚开始！。