1、第1章電路“大樓”平地起我們正處在一個高速發展的信息時代。電路構成了形形色色的電子產品和設備，人們每天都不得不與電路打交道。最近新下線的國產時速350公里CRH3“和諧號”動車組將從今年的8月1日起擔負起北京天津的城際鐵路運輸，如圖1-0所示。圖1-0 國產時速350公里的動車組圖1-0中顯示的動車組駕駛室內中我們能粗略地看到電子通信設備、行車控制設備等。毫無疑問，這些設備都是由各種電子器件組成的、實現特定功能的電路構成的。中學的物理課本中就有一些關于電路的概念和實驗。但是如果大家有些淡忘或者是第一次接觸電路，第1章有必要通過一些身邊的例子來掌握一些基本的概念和對電路的應用有一個初步的印象，以

2、便為后面的學習打下基礎。本章的學習重點在于了解而不是記憶。通過尋找身邊應用電路的例子，感受生活中無處不在的電路。在本章后面還安排了一些關于電路設計的內容，可以作為日后設計電路的參考。按照規范的設計步驟進行設計是一個優秀電路設計工程師的基本技能之一。本章的內容如下：² 從一個例子中看電路² 都有哪些電子器件² 電子器件、電路和電子系統² 如何設計電路² 如何進行電路實驗² 嘗試一下調光燈的設計1.1. 從一個例子中看電路一開始，我們通過一個簡單的例子對電路生產一個感性的認識，如圖1-1所示。家里的一個簡單的電燈包括了燈泡、開關和電源。這

3、三者就組成了一個最簡單的電路，我們對這個電路操作的效果就是燈光的亮和滅。 圖1-1 最簡單的電路圖1-1出現了三個常用元器件的電路符號插座、開關和燈泡。如表1-1所示，最左一列是實際器件的外觀，而最右一列是對應的電路符號。表1-1圖1-1中對應的電路符號實際器件器件名稱電路符號開關電燈交流電源插頭在實際器件和電路符號的基礎上，為了方便分析可以把圖1-1的電路轉換成電路圖，如圖1-2所示。但是在第一章我們先使用文字來描述這個過程：（1） 按下開關時，電路閉合，電燈亮；（2） 斷開開關時，電路開路，電燈滅。（b）開關閉合時（a）開關打開時圖1-2 圖1-1對應的電路圖原來每天開燈關燈的動作就是在操

4、作一個最簡單的電路！可以看出電路在我們的生活中確實是無處不在的。為了更清晰地描述電路，可通過下面這個例子調光燈組成和工作過程來更深入地看電路。調光燈是一種可以通過按鍵或其他輸入設備控制光線強度的照明裝置，圖1-3給出了一款飛利浦調光燈實物及其操作面板。（a） 調光燈實物（飛利浦公司產品）（b） 操作面板圖1-3 飛利浦調光燈實物及其操作面板當順時針轉動旋鈕的時候，臺燈亮度逐漸增加，逆時針轉動則電燈逐漸變暗?？梢酝ㄟ^一個比較形象的比喻來理解調光燈的工作原理，把旋鈕看成一個定時器，順時針轉動定時時間減少，逆時針轉動定時時間增加，通過轉動手動發電機來使電燈亮的實驗我們在高中就做過?，F在我們根據定時器

5、的時間轉動小型手動發電機來使電燈亮。我們根據定時器的時間按一定的頻率來轉動發電機。假如定時時間為1秒，那么我們每隔1秒鐘轉動發電機一圈，可以想象，當定時時間越短，發電機轉動的頻率就越快，電燈亮滅交替就越快，在一段很長的時間內看起來電燈就越亮，反之電燈就變暗。如圖1-4所示。圖1-4 調光燈工作原理 通過前面電燈和調光燈這兩個例子，能對電路有一些比較清晰的認識：² 一個最簡單的電路應該包括電源（220V交流電源），用電器（電燈）和傳輸路徑（導線），而開關在電路中是可有可無的，視實際情況而定。² 電路可完成特定的功能，比如電燈的電路完成對電燈的開關操作，而調光燈除了完成對電燈的

6、開關操作，還能實現對電燈亮度的控制。最后，我們給電路下一個定義，電路，或稱電子回路，是由電氣設備和元器件，按一定方式聯接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路。1.2. 都有哪些電子器件我們已經知道，電路組成了各式各樣的電子產品和設備，而電子器件是組成電路最基本的單元。認識電子器件是學習電路設計的第一步，只有了解電子器件的性能、特點和使用方法，才有可能進一步學習電路基本知識和設計電路。在本章節中只是對各種電子器件做簡要的介紹，目的在于開闊大家的視野，喚起大家對電路設計的興趣，在以后的章節中將對各種電子器件進行詳細的分類介紹。圖1-5 各種電子器件1.2.1. 無源器件無源器

7、件簡單的說就是一種從外界獲取能量并消耗能量的器件。無源器件包括電阻，電容和電感等等，我們可以先大致瀏覽一下表1-2所示和一些常見無源器件，在今后的章節中還會有詳細的介紹。表1-2 無源器件的外觀實際器件器件名稱簡單介紹固定電阻固定電阻的阻值固定不變。主要用于控制電路電流和電壓。熱敏電阻熱敏電阻的阻值隨溫度的改變發生顯著變化，是溫度傳感器的一種?？勺冸娮杩勺冸娮栌址Q電位器，其阻值在一定范圍內是可以調節的，主要用于調節電壓或電流。阻排阻排是把多個一定阻值固定電阻集成到一起，可以分為有公共端和無公共端兩種。電容電容的基本功能是存儲電荷。在電路中起濾波、耦合等作用?？梢苑譃楣潭娙莺涂勺冸娙?。電感電感

8、又稱線圈，使將導線繞成螺旋管狀的電子器件，具有阻止電流變化的特性。可以分為固定電感、微調電感和色碼電感等。1.2.2. 半導體分立器件半導體是一種固體材料，它的導電能力介于導體與絕緣體之間。使用這種材料制成的電子器件稱為半導體器件。表1-3給出了一些常見的半導體器件，我們可以先大致瀏覽一下。表1-3 半導體分立器件在電路圖中對應的電路符號實際器件器件名稱簡單介紹二極管二極管是一種對其施加正向電壓時有電流流過，而施加反向電壓時沒有電流流過的電子器件。三極管三極管的是電流控制器件，在一定條件下具有電流放大作用，常用作電子開關。場效應管場效應管與三極管的不同之處在于它是電壓控制器件。場效應管主要有結

9、型和絕緣柵型兩大類。晶閘管晶閘管又稱可控硅，常作為可控開關使用，其特點是能用較小的功率控制較大的功率。1.2.3. 集成電路集成電路即IC（Integrated Circuit），是在一塊硅片中將二極管、三極管、電阻等電子器件有機地組合在一起而構成的具有一定功能的電路。其特點是體積小、重量輕、集成度高，不存在器件的焊接不良等問題，可靠性高。在收錄機、音響、電視、錄像機和DVD等產品中都廣泛使用各種類型的集成電路。表1-4 集成電路在電路圖中對應的電路符號實際器件器件名稱分類 LM1875模擬集成電路74LS00數字集成電路NE555模數混合集成電路1.2.4. 電氣產品除了以上常見的電子器件外

10、，還有一類經常使用的與電子控制、電源電路等相關的電子器件。這些器件種類繁多，我們先從表1-5進行一下初步的了解。表1-5 電氣產品在電路圖中對應的電路符號實際器件器件名稱簡單介紹保險絲保險絲又稱熔斷電阻器。在正常情況下具有普通電阻的電氣功能，一旦電路出現故障，該電阻器會因負荷過重而在規定時間內熔斷開路，起到保護其他電子器件的作用。變壓器變壓器是一種可以將電能從一個電路通過電感耦合方式傳送到另外一個電路的電子器件。開關開關是一種簡單而常用的電子器件，主要用于實現電氣上的連接與斷開。常用的機械開關有撥動開關、按鈕開關、微動開關和DIP開關等。電池電池是一種將化學能、光能、熱能等能量直接轉變為電能的

11、電子器件?？梢苑譃楦呻姵?、充電電池和太陽能電池等。繼電器繼電器是一種受電路控制的電子開關，它的開關狀態受到另一個電路的控制。話筒話筒是一種將聲音的振動轉變為電信號的電子器件?？梢苑譃閯尤κ皆捦埠碗娙菔皆捦?。揚聲器揚聲器的工作原理和話筒正好相反，可以將電信號轉變成聲音的振動發射到周圍空間。1.2.5. 光電子產品還有一類經常用于顯示的、與“光”有關的電子產品光電子產品。比如手機的顯示屏、電源的指示燈等。表1-6介紹了一些常見的光電子器件。表1-6 光電子產品在電路圖中對應的電路符號實際器件器件名稱簡單介紹LCD顯示屏LCD顯示屏是一種又薄又平的顯示器件，可以用來顯示漢字或圖形。發光二極管發光二極

12、管簡稱LED，是一種十分常用的指示器件，我們平時看到的指示燈大多都是發光二極管。七段數碼管七段數碼管可以看成是七個按一定規律排列的發光二極管。通過點亮一定組合的亮段，能顯示0-9等數字。光電開關光電開關是非接觸性開關的一種，當開關前方一定范圍內有障礙物時，光電開關的輸出電平產生變化。光電耦合器光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉換器件。紅外對管紅外對管是一種常用的光電器件。所謂對管就是由一支紅外線發射管和一支紅外線接收管組成。根據發射與接收的紅外線頻率不同，紅外對管有不同的型號。1.2.6. 工業控制及自動化器件表1-7展示的一些電子器件是許多電子系統不可或缺的，它們構成系統的輸出或

13、輸出設備。表1-7 工業控制及自動化器件在電路圖中對應的電路符號實際器件器件名稱電路符號溫度傳感器溫度傳感器將溫度轉換成電信號，常用于電子測溫系統中，如數字溫度計等。壓力傳感器壓力傳感器將壓力轉換成電信號，常用于電子壓力系統中，如數字氣壓計等?；魻杺鞲衅骰魻杺鞲衅鲗⒋艌鰪姸绒D換成電信號，常用于磁場強度或電流密度的測量系統中。電動機電動機是把電能轉換為動能的電子器件。天線天線是電磁波的直接輸入輸出端口，可以接收各種電磁波信號。1.3. 如何設計電路一個優秀的電路設計工程師需要養成良好的電路設計習慣，嚴格按照設計電路程序和步驟進行，提高工作效率，避免做無用功。接下來，我們開始學習設計電路的初步知識

14、。1.3.1. 設計的前奏功能規劃在設計電路之前，十分重要的一點就是對電路的功能進行規劃。也就是對電路系統所要完成的功能進行一個詳細而清晰的設計，而不去理會電路的復雜性和電路形式、電子器件的選擇等問題。功能規劃的結果就是要得到詳細的設計需求。所謂設計需求就是對設計目標和內容的要求，一般包括設計目標的總體要求、設計功能的具體要求、技術指標的具體要求以及限制條件的具體要求等。對于調光燈來說，設計目標的總體要求包括：電源，使用環境等；設計功能的具體要求包括：過流保護，亮度調節等；技術指標的具體要求包括：使用壽命、功耗等；限制條件的具體要求包括：工作電壓，工作電流等。1.3.2. 電路設計第一步從設計

15、需求到設計規范設計規范是指對設計的具體技術要求，是設計工作的規則。一般包括總體目標的技術描述、功能的技術描述、技術指標的技術描述以及限制條件的技術描述等。設計規范其實就是從設計需求中提取出具體的技術指標，并加以分析，把一份直觀的設計需求變成一份專門給工程師看的“設計需求”，這份“設計需求”其實也就是設計的藍圖。1.3.3. 電路設計第二步從設計規范到設計方案 根據設計規范設計合適的實現方案，可以提出多個可行方案，設計方案中要包括實現的基本技術，系統的模塊模型和實現各個部分的基本方法。1.3.4. 電路設計第三步方案論證與分析 在這個過程中，需要我們從各個不同的角度（如個人能力，資金投入，開發時

16、間等）對多個設計方案進行分析，最終確定一兩個方案并提供實現該方案的具體技術指標。1.3.5. 電路設計第四步模型設計與仿真 針對最終確定的方案進行模型設計與仿真，可以使用自己熟悉的仿真工具（如Matlab,Multisim等），若仿真結果正確，那么設計工作就完成，剩下的就是電路的制作，若不能得到預期結果，那么還得反復的修改設計方案和模型設計、仿真，直至得到正確結果為止。1.4. 如何進行電路實驗電路實驗可以在面包板或通用板上進行，但是花費的時間比較多，對于電子設計工作者來說，Multisim是個極好的工具軟件，許多電路無須動用烙鐵就可通過軟件的仿真得到結果。在本書中，我們主要使用Multisi

17、m8來進行電路仿真。圖1-6所示是Multisim8的工作界面，其中分成了工具欄、設計工具箱、電路窗口、電子數據表和狀態欄等幾部分。關于這幾部分的內容可以參考其他有關的書籍。圖1-6 Multisim8 工作界面1.4.1. 電路仿真使用Multisim8進行電路仿真是一件很愉快的事。在這里，我們暫時忽略如何在Multisim8中連接電路、設置器件等過程，先來感受以下Multisim8電路仿真功能的便捷。通過簡單而快速的連接，可以得到如圖1-8所示的電路圖。該電路是調光燈電路的一部分，圖中的V1是電源，向電路供電。R1是可變電阻。C1是固定電容。D1是整流橋，可將交流的輸入信號轉化為直流的輸入

18、信號。XSC1是一臺雙通道的虛擬示波器，通過示波器可以觀察在可變電阻的阻值和電容兩端輸出波形的變化關系以及整流橋輸出電壓波形。圖1-8 調光燈電路的一部分仔細檢查連接好的電路后，打開仿真開關，雙擊示波器，在圖1-8所設定的參數下，就可以得到整流橋輸出電壓波形圖和電容兩端的電壓波形圖，如圖1-9所示，電容兩端的輸出曲線已加粗。注意這時候R1接入電路的阻值是總阻值的14%。圖1-9 圖1-8的仿真結果這時，改變可變電阻R1的阻值，使R1接入電路的阻值是總阻值的1%，即接入電路中的阻值變小?？梢钥吹诫娙萆陷敵霾ㄐ伟l生明顯變化，電容電壓上升加快，如圖1-10所示。 圖1-10 改變可變電阻R1之后的仿

19、真結果 從仿真結果可以看出，可變電阻的阻值越大，電容上的電壓上升得越慢，而可變電阻的阻值越小，電容上的電壓上升得越快。這個結論對于分析后面的調光燈電路很有用，其實調光燈電路就是在這個電路的基礎上改進得來的。1.4.2. 實際電路實驗電路經過仿真后，一般還需要在面包板或通用板上實際的做一下實驗。面包板是一種電子技術實驗中經常用到的實驗器材，它的一面有許多插孔，電子器件可以插到其中。常用的面包板其每一列的上、下5個插孔是分別導通的，列與列之間則相互絕緣。使用較硬的導線或面包板專用插線可以實現電氣的連接，如圖1-11（a）示。另外一種用于電子技術實驗的板子叫萬用板，板上有密密麻麻規則排列的過孔，在板

20、子的一側，每個過孔對應有1個焊盤以供實驗時焊接器件和導線，如圖1-11（b）所示。在實驗的初級階段，我們推薦使用面包板，因為使用面包板不需要焊接，容易修改電氣連接和插撥器件。面包板（a） 面包板用于電子技術實驗萬用板（b） 萬用板用于電子技術實驗圖1-11 用于電子技術實驗的器材1.5. 嘗試一下調光燈的設計1.5.1. 調光燈的設計方案在本章前面的小節里面已經對調光燈的工作原理做了形象的比喻，現在就讓我們從技術的角度來深入理解它的工作原理。調光燈其實是通過一個可控硅調壓電路來實現其功能的，電路圖如圖1-11所示，其實就是在前面電路仿真小節介紹的電路的基礎上加上了一個可控硅調壓電路。圖1-11 調光燈電路圖可控硅有三個極，分別是陽極，陰極和控制極，如果只在