电工与电子技术(中职业教材)

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1、中等职业教育规划教材根据教育部中等职业学校新教学大纲要求编写电工与电子技术 中华工商联合出版社目 录第一篇 电工基础第一章 直流电路第一节 电路的基本结构和电路模型第二节 电流第三节 电压第四节 电阻和欧姆定律第五节 电能和电功率第六节 电阻的连接第七节 复杂电路的分析方法本章小结本章习题试验实训一 基尔霍夫定律验证及电位测量实验第二章 交流电路第一节 交流电的基本概念第二节 正弦交流电路第三节 电容和电感第四节 正弦交流电路中的电阻、电感、电容元件第五节 电阻与电感、电容串联电路第六节 正弦交流电路的功率第七节 三相交流电路本章小结本章习题试验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因素的实验试验

2、实训三 三相电路的负载连接目 录第三章 电力的生产和输送第一节 电力的生产第二节 电力的输送和分配第三节 变压器的原理和用途本章小结本章习题第四章 电动机及其控制第一节 三相异步电动机第二节 三相异步电动机的基本控制电路第三节 单相异步电动机第四节 直流电动机本章小结本章习题试验实训四 三相异步电动机继电器接触器控制电路第二篇 电工技术目 录第五章 电器及其用电技术第一节 常用低压电器第二节 电工测量第三节 安全用电本章小结本章习题第二篇 电工技术目 录第六章 半导体与二极管第一节 半导体与二极管第二节 二极管的单向导电性第三节 二极管的伏安特性与主要参数第四节 二极管的简单检测本章小结本章习

3、题试验实训五 练习使用示波器第七章 整流电路、滤波电路及稳压电路第一节 整流电路第二节 滤波电路第三节 稳压电路与直流稳压电源第四节 集成稳压电路本章小结本章习题试验实训六 单相桥式整流电路实验第三篇 模拟电子技术目 录第八章 晶体管第一节 晶体管的结构第二节 晶体管的放大作用第三节 晶体管的工作状态第四节 晶体管的主要参数第五节 晶体管的管型和管脚的判断本章小结本章习题试验实训七 低频信号发生器及毫伏表的正确使用第九章 放大电路基础及分析第一节 放大电路的概念及分类第二节 共发射极放大电路第三节 放大电路的工作原理第四节 放大电路的波形失真及其调整方法第五节 放大电路的放大倍数、输入电阻和输

4、出电阻第六节 负反馈对放大电路性能的影响第七节 共集电极放大电路射极输出器本章小结本章习题试验实训八 单级电压放大电路第三篇 模拟电子技术目 录第十章 运算放大器第一节 运算放大器基础第二节 运算放大器的基本运算电路第三节 差分放大器第四节 功率放大电路本章小结本章习题试验实训九 运算放大器的应用第十一章 其他半导体器件和振荡电路第一节 晶闸管及其应用第二节 单结晶体管及其应用第三节 场效应管及其应用第四节 振荡电路本章小结本章习题第三篇 模拟电子技术第十三章 时序和逻辑电路第一节 触发器第二节 计数器第三节 寄存器第四节 译码器和显示器本章小结本章习题试验实训十一 计数、译码、显示电路实验目

5、 录第十二章 数字电子技术基础第一节 概述第二节 基本逻辑运算和门电路第三节 复合逻辑门电路第四节 逻辑代数本章小结本章习题试验实训十 集成“与非”门电路的逻辑功能及应用实验第四篇 数字电子技术目 录第十四章 数字电路的应用第一节 逻辑电路的简单分析和综合应用的方法第二节 触发器的应用第三节 555集成定时器第四节 数模和模数转换电路第五节 数字电路综合实例数字钟电路本章小结本章习题试验实训十二 灯光控制电路实验第四篇 数字电子技术第一篇 电工基础 知识目标 1.了解电路和电路模型的概念。 2.理解电源、负载的定义。 3.理解电动势、电位、电能的概念及电流、电压的参考方向。 4.了解参考方向与

6、实际方向之间的关系。 5.掌握欧姆定律。 6.理解电路短路、开路的特点。 7.掌握串联分压原理和并联分流原理。 8.掌握基尔霍夫的两个定律,了解用支路电流法求解电路。 技能目标 1.能画出简单的电路模型。 2.会判断电流、电压的实际方向。 3.会熟练应用欧姆定律。 4.掌握电压、电位的计算方法。 5.会进行串联电路和并联电路的分析、计算。 6.会进行一般复杂电路的分析、计算。第一章 直流电路第一节 电路的基本结构和电路模型 一、电路的定义及组成一、电路的定义及组成 1.电路的定义 让我们来做个实验，在磁性黑板上连接如图1-1所示电路，合上开关，小灯泡发光。先后取走任一元件，观察小灯泡是否还能继

7、续发光。将小灯泡换成电铃，重复上面的实验。 由电源、用电器、开关和导线等元件组成的电流路径叫电路。电路就好比马路是人及其他物体的通道，它是电子的通道。一个正确的电路，无论多么复杂，也无论多么简单，都是由这几部分组成的，缺少其中的任一部分，电路都不会处于正常工作的状态。 图1-1灯泡发光电路图第一节 电路的基本结构和电路模型 2.电路的基本组成 电路的基本组成包括以下4个部分： (1)电源(供能元件)：为电路提供电能的设备和器件(如电池、发电机等)。 (2)负载(耗能元件)：使用(消耗)电能的设备和器件(如灯泡、电炉、电视机、电动机等用电器)。 (3)控制和保护装置：用来控制电路的通断，保护电路

8、的安全，使电路能够正常工作（如开关、熔断器、继电器等）。 (4)连接导线：将电器设备用导线按一定方式连接起来 (如各种铜、铝电缆线等)。 二、电路模型二、电路模型 以理想电路元件代替实际的元件组成电路，即为实际电路的模型，如图1-1所示。图1-2所示为最简单的直流电路灯泡电路。 图1-2简单的直流电路第一节 电路的基本结构和电路模型 1.电路的状态 (1)通路(闭路)。电源与负载接通，电路中有电流通过，电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。 (2)开路(断路)。如图1-1所示，打开开关，或将电路中的某一部分断开，小灯泡都不会发光，说明电路中没有电流。这种因某一处断开而使电路中没

9、有电流的状态叫开路，又称为空载状态。 (3)短路(捷路)。将图1-2中的小灯泡取下，用导线直接把电源的正、负极连接起来，过一会儿如果用手摸导线会感觉到导线发热。这种没有用电器而是直接用导线将电源正、负极相连的电路叫短路。短路是非常危险的，可能把电源烧坏，是不允许的。短路时，输出电流过大对电源来说属于严重过载，如没有保护措施，电源或电器会被烧毁或发生火灾，所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置，以避免发生短路时出现不良后果。 在交流电中，常在总开关处接上保险丝，如果火线和零线直接连接，则保险丝会烧断，而不会烧坏电源，但电器及电线则可能被烧坏。所以，要尽量避免短路现象的发生。第一

10、节 电路的基本结构和电路模型 2.电路模型 突出实际电路元件的主要电磁性能，忽略次要因素的元件叫理想电路元件。 电路模型中通常遵守以下几点： （1)在一定条件下对实际器件加以理想化，只考虑其中起主要作用的某些电磁现象。 （2)理想电路元件是一种理想化的模型，简称为电路元件。电阻元件是一种只表示消耗电能的元件; 电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件; 电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件。 （3)具有两个引出端的元件，称为二端元件;具有两个以上引出端的元件，称为多端元件。 3.电路图 在设计、安装、修理各种实际电路的时候，常常需要画出表示电路连接情况的

11、图。为了简便，通常不画实物图，而用国家统一规定的符号来代表电路中的各种元件。常见的理想元件及符号如表1-1所示。用统一规定的图形符号画出的电路模型图称为电路图。图1-1即为一电路图。 4.电路的作用 (1)实现能量转换和电能传输及分配。 (2)信号处理和传递。 表1-1见书上3页第二节 电流 一、电流的基本概念一、电流的基本概念 电路中电荷沿着导体的定向运动形成电流，习惯上，人们把正电荷流动的方向规定为电流的方向。大小与方向都不随时间变化的电流称为稳恒电流，又称直流电流，用符号“I”表示；大小与方向都随时间变化的电流，称为交流电流，用符号“i”表示。讨论一般电流时可用符号i表示。电流的大小等于

12、在单位时间内通过导体横截面的电量，称为电流强度(简称电流)。 二、直流电流和交流电流二、直流电流和交流电流 如果电流的大小及方向都不随时间变化，即在单位时间内通过导体横截面的电量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流，简称为直流(Direct Current)，记为DC或dc。直流电流要用大写字母I表示。对于直流电流，在任一瞬间t通过电路的电荷量q都不变，其电流为： 直流电流I与时间t的关系在It坐标系中为一条与时间轴平行的直线。如果电流的大小及方向均随时间变化，则称为变动电流。对电路分析来说，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化，将之简称为交流(Alte

13、rnating current)，记为AC或ac。交流电流的瞬时值要用小写字母i或i(t)表示。对于交流电流，由于通过电路的电荷量一直在变化，只能取一个非常小的时间间隔t, 此时通过的电荷量为q，则此时电流为：第二节 电流 在国际单位制中,电流的单位名称是安培(A),简称安;电荷量的单位为库仑(C),简称库。常用的电流单位还有毫安（mA）、微安（A）、千安（kA）等，它们与安培的换算关系为：1mA=10-3A;1A=10-6A;1kA=103A 三、参考方向的引入三、参考方向的引入 在分析电路时，对复杂电路中某一段电路里电流的实际方向有时很难确定，而且有时电流的实际方向还在不断地改变，因此在电

14、路中很难标明电流的实际方向，为了解决这一困难，引入了电流的参考方向这一概念。 在一段电路或一个电路元件中事先选定一个方向，这个选定的电流方向就叫做电流的参考方向。 （1）参考方向一经选定，在电路分析和计算过程中，不能随意更改； （2）所选定的电流参考方向并不一定就是电流的实际方向。 电流参考方向的表示方法如下： （1）用实线箭头表示，如图1-3所示。 （2）用双下标表示。如iAB表示电流的参考方向是由A指向B。图 1-3第二节 电流 电流参考方向的表示方法如下： （1）用实线箭头表示，如图1-3所示。 （2）用双下标表示。如iAB表示电流的参考方向是由A指向B。 若一致，则电流值为正，即i0；

15、若相反，则电流值为负，即i0；相反时，电压值为负值，即UR1，则0，将电阻称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2R1，则0，将电阻称为负温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。显然的绝对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。 很显然，R2=R11+(t2t1)第五节 电能和电功率 一、电能一、电能 电能是指在一定时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量，也等于电场力所作的功，用符号W表示，其国际单位为焦尔(J)，电能的计算公式为：W=UIt 根据欧姆定律U=RI，上式可以写为W=RI2t或W=U2t/R。 通常电能用千瓦时(kWh)来表示大小，也叫做度(电)。1度(电)=1

16、kWh=3.6 106J 即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。 二、电功率二、电功率 单位时间内负载消耗的能量称为负载取用的电功率，简称功率。它是表明负载消耗电能快慢程度的物理量，用P表示，单位为瓦（W），用公式表示为：P=W/t=UIt/t=UI 电功率所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能。 当电路为纯电阻时，根据欧姆定律，上式可以写成：P=RI2或P=U2/R 功率的国际单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们 与W的换算关系是：1mW=10-3W 1kW=103W第五节 电能和电功率 一个电路最终

17、的目的是电源将一定的电功率传送给负载，负载将电能转换成工作所需要的一定形式的能量。即电路中存在发出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件(耗能元件)。通常所说的功率P又叫做有功功率或平均功率。 习惯上，通常把耗能元件吸收的功率写成正数，把供能元件发出的功率写成负数，而储能元件(如理想电容、电感元件)既不吸收功率也不发出功率，其功率P= 0。第六节 电阻的连接 一、电阻串联一、电阻串联 把若干元件一个接一个地依次连接起来，称为串联，如图1-15 所示。对于串 联电路，流过各元件的电流均相等。 图1-15电阻的串联 1.串联电路的基本特点 （1）电路中各处的电流相等I1=I2=I3=In （2）电

18、路两端的总电压等于各部分电路两端的电压之和U=U1+U2+U3+Un 2.串联电路的几个重要性质 根据串联电路的基本特点和欧姆定律来推导。 （1）串联电路的总电阻（即用一个电阻代替电路中的几个电阻，而效果相同）U=IRU=U1+U2+U3+UnIR=IR1+IR2+IR3+IRnR=R1+R2+R3+Rn 故串联电路的总电阻等于各段电路中电阻之和。 （2）串联电路的电压分配I=U/RU/R=U1/R1=U2/R2=U3/R3=Un/Rn 故串联电路中各电阻两端的电压跟它的阻值成正比，即各电阻中流过的电流相等。则：U=IR1+IR2+IR3+IRn=U1+U2+U3+Un 故总电压等于串联电路中

19、各电阻分压之和。 两电阻串联时（如图1-16所示），则：U1=R1U/R1+R2 U2=R2U/R1+R2 图1-16 两电阻串联第六节 电阻的连接 （3）串联电路的功率分配P=I2R P1/R1=P2/R2=P3/R3=Pn/Rn P=P1+P2+P3=R1I2+R2I2+R3I2=RI2 故串联电路中各电阻消耗的功率跟它们的阻值成正比。 如把阻值不同的灯泡串连接入照明电路中，会看到阻值大的灯泡亮，表明它消耗的功率大；阻值小的灯泡暗，表明它消耗的功率小。 二、电阻并联二、电阻并联 如果把两个或多个元件的一端连在一起，另一端也相互连在一起，这种连接叫做并联，如图1-17 所示。 图1-17 电

20、阻的并联 电阻并联电路的特点： (1)各电阻上电压相同。 (2)各分支电流之和等于等效后的电流，即I=I1+I2+I3+In。 (3)几个电阻并联后的电路，可以用一个等效电阻R替代，且1/R=1/R1+1/R2+1/R3+1/Rn。 两个电阻并联时(如图1-18所示)，R=R1R2/R1+R2，I1=R2 I /R1+R2，I2=R1 I /R1+R2。 (4)分流公式：I1=R I /R1，I2=R I /R2。 (5)功率分配：P=P1+P2+P3=U2R1+U2/R2+U2/R3=U2/R。第六节 电阻的连接 图1-18 两电阻并联 注意：负载增加，是指并联的电阻越来越多，R并越小，电源

21、供给的电流和功率越大。 三、电阻混联三、电阻混联 电阻混联就是电路中既有串联连接又有并联连接的电路。第六节 电阻的连接 1.几个概念 具有相同电压、电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同电路称为等效电路。如图1-19所示。 图1-19 等效电路 将某一电路用与其等效的电路替换的过程称为等效变换。将电路进行适当的等效变换，可以使电路的分析和计算得到简化。 2.方法 利用串联、并联的特点化简为一个等效电阻。图1-19（a）中的R总=R1R2/R1+R2，图1-19（b）中的R=R1R2/R1+R2。第六节 电阻的连接 3.改画步骤 先画出两个引出端钮；再标出中间的连接点，应注意凡是等电位点用同

22、一符号标出。如图1-19中A、B点所示。第六节 电阻的连接 (2)先将电路图化简,并转化为常规直流电路。就本题而言,仔细分析发现25和5电阻被短路,则原图可化为如图1-23所示的电路。 图1-23 等效变换电路 第七节 复杂电路的分析方法 一、几个基本概念 1.复杂电路 在实际电路中，往往会遇到一些不能用串联或并联简化的电路，这就是复杂电路。在复杂电路中，包括多个电源和多个电阻，因而不能直接用欧姆定律求解。 计算复杂电路主要依据欧姆定律和基尔霍夫定律，这两条定律既适用于直流电路，又适用于交流电路和含有电子元件的非线性电路，因而是分析计算电路的基本定律。 2.电源 电路中的功能元件称为电源，可以

23、采用两种模型表示，即电压源和电流源。 （1）理想电压源（恒压源） 符号（如图1-24所示） 图1-24第七节 复杂电路的分析方法 特点。无论负载电阻如何变化，输出电压即电源端电压总保持为给定的US 或uS(t)不变，电压源中的电流由外电路决定，输出功率可以无穷大，其内阻为0。 （2）理想电流源（恒流源） 符号（如图1-25所示） 图1-25 特点。无论负载电阻如何变化，输出电流总保持给定的IS 或iS(t)，电流源的端电压由外电路决定，输出功率可以无穷大，其内阻无穷大。 3.支路 由一个或几个元件首尾相接构成的无分支电路称为支路。在同一支路内，流过所有元件的电流相等。 4.节点 3条以上支路的

24、交汇点，称为节点。第七节 复杂电路的分析方法 5.回路 电路中任一闭合路径称为回路，一个回路可能只含有一条支路，也可能包含几条支路。 6.网孔 回路内部不含有支路的最简单的回路称为网孔。 二、基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律又称节点电流定律，简称KCL。 1.描述 电路中任意一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和，等于流出节点的电流之和。或在任一电路的任一节点上，电流的代数和永远等于零。基尔霍夫电流定律依据的是电流的连续性原理。 2.公式表达 I流入=I流出，I=0。当用第二个公式时，规定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负。第七节 复杂电路的分析方法 3.广义节点 基尔霍夫电流定律可

25、以推广应用于任意假定的封闭面。如图1-30所示，对虚线所包围的闭合面可视为一个节点，该节点称为广义节点。流进封闭面的电流等于流出封闭面的电流。如图1-29所示，I1+I3-I2-I4=0或I1+I3=I2+I4。 图1-29 图1-30 又如图1-30所示，I1+I2-I3=0或I1+I2=I3。第七节 复杂电路的分析方法 三、基尔霍夫电压定律三、基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律又叫回路电压定律，简称KVL。 1.描述 在任一瞬间沿任一回路绕行一周，回路中各个元件上电压的代数和等于零。或各段电阻上电压降的代数和等于各电源电动势的代数和。 2.公式表达 U0或RI=US 3.常用公式 RI=U

26、S 列回路的电压方程的步骤如下： （1）先设定一个回路的绕行方向和电流的参考方向。 （2）沿回路的绕行方向顺次求电阻上的电压降，当绕行方向与电阻上的电流参考方向一致时，该电压方向取正号，相反取负号。 （3）当回路的绕行方向从电源的负极指向正极时，等号右边的电源电压取正，否则取负。 第七节 复杂电路的分析方法 基尔霍夫电压定律不仅可以用在网络中任一闭合回路，还可以推广到任一不闭合回路中。如图1-26所示，网孔 1 即是一个不闭合的回路，把不闭合两端点之间的电压列入回路电压方程，则其电压方程可以写为：R1I1+Uab=U1，则Uab=-R1I1+U1，由此总结出任意两点之间的电压Uab=RI-US

27、，其中R上的电压方向和US上的电压方向的规定与前面的规定是一样的。对于网孔2这个不闭合的回路来求Uab，则Uab=RI-US=-R2I2-（-U2）=U2-R2I2。 电路中任意两点之间的电压是与计算路径无关的，是单值的。所以，基尔霍夫电压定律是两点之间的电压与计算路径无关这一性质的具体表现。 4.电位的计算 在电路中任选一节点，设其电位为零，此点称为参考点。其他各节点对参考点的电压，便是该节点的电位，记为“VX”，如图1-32所示。 a点电位：Va=+5V b点电位：Vb=-5V 图1-32第七节 复杂电路的分析方法 注意：电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其他各点的电位也将随之改变；电

28、路中两点之间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。第七节 复杂电路的分析方法 四、支路电流法四、支路电流法 如果每一回路至少含有一条为其他已取的回路所没有包含的回路，则称为独立回路。 对于一个复杂电路，以支路电流为未知量，先假定各支路的电流的参考方向和回路方向，再根据基尔霍夫定律列出方程式进行计算的方法，称为支路电流法。其解题步骤如下： （1）标出所求各支路电流的参考方向（可以任意选定）和网孔绕行方向。 （2）确定方程数，若有b条支路，则有b个方程。 （3）列独立的KCL方程（节点电流方程），若有n个节点，则可列n-1个独立的节点电流方程。 （4）不足的方程由独立的KVL方程补足（回路电

29、压方程），若有m个网孔，就可列m个独立的回路电压方程，且m+(n-1)=b。 （5）联立方程组，求解未知量。 实验实训一 基尔霍夫定律验证及电位测量实验 一、实验目的 1.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。 2.学会搭接简单电路的方法。 3.学会使用万用表测量元件电阻、各部分电路电流和电压。 二、实验原理 1.基尔霍夫电流定律（KCL）指出，对电路中的任意一个节点而言，任一瞬间流入该节点的电流的代数和恒等于零，即I=0。 2.基尔霍夫电压定律（KVL）指出，在任一瞬间沿电路中任一闭合回路绕行一周，各段电压的代数和恒等于零，即U=0。 三、实验器材 1.直流电源 2.万用表 3

30、.电阻 四、实验步骤 1.验证KCL。按图1-51所示连接线路，测量各支路电流，点击运行按扭，将数据记入表1-2中。表1-2 见书33页实验实训一 基尔霍夫定律验证及电位测量实验 2.验证KVL。按图1-52所示连接电路，点击运行按扭，将数据记入表1-3中。 图1-52 KVL的验证 表1-3 见书第33页 五、实验结论 通过本实验验证了KCL及KVL的正确性。第二章 交流电路 知识目标 1.了解交流电的概念、周期和频率。 2.掌握有效值的定义。 3.掌握正弦量有效值、最大值、平均值的关系。 4.理解正弦量的解析式、波形图、三要素的概念。 5.掌握正弦量的频率、角频率、周期的关系。 6.掌握正

31、弦量的初相与相位差。 7.掌握单一参数电路电压（电流）的计算。 8.掌握电阻、电感、电容的电压与电流的关系。 9.了解R、L、C元件电压与电流的关系，感抗、容抗的概念。 10.理解瞬时功率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、功率三角形的概念。 11.熟悉三相交流电源、三相四线制电路和三相三线制电路的基本概念。 12.掌握三相交流电源的星形连接和三角形连接的特点，并掌握两种连接方式下，线电压与相电压、线电流与相电流的关系。 13.了解中性线的作用。 14.掌握三相电路的有功功率的概念及计算。 15.理解三相电路的功率因数的概念及提高功率因数的方法。 技能目标 1.能够分析交变电流产生的物理

32、过程。 2.会分析正弦电路中的电阻元件。 3.能够进行有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的计算。 4.掌握对称三相电路功率的计算。 5.了解提高功率因数的方法。第一节 交流电的基本概念 一、直流电和交流电 电荷是物质的固有属性。通常，物体中的正、负电荷数量是相等的，一旦物体失去或得到一些电子时，就带有正电或负电。电荷有规则地运动就产生电流。 电流的大小和方向都不随时间变化，称为直流电。电流的大小随时间作周期性变化，但方向不变，也属于直流电，称为脉动直流电。 电流的大小和方向都随时间作周期性变化，且在一个周期内平均值为零，这样的电流统称为交流电。电流强度表示电流的大小，单位为安培，简称安，用

33、符号“A”表示。 在日常生活中，由电池提供的电流是直流电。家庭用电和生产中用电几乎都是交流电。直流输电以其输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点受到电力部门的欢迎。但是交流发电设备的性能好、效率高，生产交流电的成本较低，交流电可以用变压器变换电压，有利于通过高压输电，实现电能集中统一输送与控制；另外，三相交流电动机结构简单、价格低廉、使用维护方便，被广泛应用。第一节 交流电的基本概念 二、直流电和交流电的图像 图2-4（a）所示为电流的大小和方向都不随时间变化的直流电的图像、电流的大小变化但方向不变的脉动直流电的图像。交流电的变化规律还可以用图2-4（b）所示的图像来表示。在直角坐标系中，横

34、轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间t），纵坐标表示感应电动势e（感应电流I）。 图2-4 直流电和交流电的图像 三、交流电的周期和频率 频率是表示交流电随时间变化快慢的物理量，即交流电每秒钟变化的次数，用符号f表示。它的单位为赫兹，常用“Hz”表示。平常我们生活中的用电为频率为50Hz的交流电。 交流电随时间变化的快慢还可以用周期这个物理量来描述。交流电变化一次所需要的时间叫周期，用符号T表示，单位是秒。周期和频率互为倒数，频率=1/周期，即f=1/T或T=1/f。交流电随时间变化越快，其频率f越高，周期 T越短；反之，频率f越低，周期T越长。第二节 正弦交流电路 一一、

35、正弦交流电的概念及特点、正弦交流电的概念及特点 大小和方向随时间按正弦规律变化的电流称为正弦交变电流，简称交流（ac或AC）。日常生活、生产使用的电能大多是正弦交流电。正弦交流电具有以下特点： 1. 交流电压易于改变 在电力系统中，应用变压器可以改变电压的大小，通常利用升压变压器升高电压，高压输电可以减少线路上的损耗；利用降压变压器降低电压以满足不同用电设备的电压等级。 2. 交流发电机比直流发电机结构简单 二、正弦量的三要素二、正弦量的三要素 1.变化的快慢 正弦量变化的快慢用周期、频率或角频率来描述。 (1)周期T：单位为s。 (2)频率f：单位为Hz 。 周期和频率前面已经介绍过。 (3

36、)角频率：代表正弦量辐角变化的速度，单位为弧度/秒（rad/s）。 =2/T=2f 周期越短，频率（角频率）越高，交流电变化越快。如果f=50Hz，则T=1/f=1/50=0.02s，=2f=314rad/s。 第二节 正弦交流电路 2.变化的先后 正弦量变化的先后用初相角来描述。正弦交变电压、电流的数学表达式分别为 u=Umsin(t+uo) i=Imsin(t+io) 式中，正弦交变量的辐角t+0在电学上称为相位角，又称相位。在计时起点即t=0时的相位，称为初相0，的大小和正负与计时起点有关，规定|180。 3.变化的幅度 正弦量变化的幅度用最大值来描述。 （1）瞬时值：用小写字母表示，如

37、e、u、i。 （2）最大值：也称振幅或峰值，通常用大写字母加下标m表示，如Em、Um、Im。 一个正弦量与时间的函数关系可用它的频率、初相和振幅3个量来表示，这3个量就叫正弦交流电的三要素。 三、正弦量的解析式 对一个正弦交流电量来说，如果其周期、初相、振幅唯一确定，则其解析式可表示为： e=Emsin(t+) 式中，Em为振幅，为角频率，t+为相位，为初相。第二节 正弦交流电路 四、正弦交流电的波形图 正弦交流电的波形图如图2-5所示。 图2-5 正弦交流电的波形图 如果初相不为零，其正弦波形如图2-6所示。几种不同计时起点的正弦电流波形如图2-7所示。 图2-6 初相不为零的正弦波形 图2

38、-7 几种不同计时起点的正弦电流波形第二节 正弦交流电路 五、正弦量的有效值与平均值五、正弦量的有效值与平均值 1.有效值的定义 交流电的有效值是根据它的热效应确定的。交流电流i通过电阻R在一个周期内所产生的热量和直流电流I通过同一电阻R在相同时间内所产生的热量相等,则这个直流电流I的数值叫做交流电流i的有效值, 用大写字母表示, 如I、U等。 2.正弦量的有效值 设正弦交流电流i(t)=Imsint，则它的有效值I=Im/21/2=0.707Im 对交流电压和电动势也是如此，其有效值为： U=1/21/2Um=0.707Um E=1/21/2Em=0.707Em 正弦量的有效值和最大值有固定

39、2的倍数关系，所以也可以用有效值代替最大值作为正弦量的一个要素。这样正弦量的数学表达式可写为： i(t)=Imsin（t+）=21/2Isin（t+） 在工程上，一般所说的正弦电压、电流的大小都是指有效值。如交流测量仪表所指示的读数、交流电气设备铭牌上的额定值都是指有效值。我国所使用的单相正弦电源的电压U=220V，就是正弦电压的有效值，它的最大值Um21/2U1.414220V311V 。应当指出，并非在一切场合都用有效值来表征正弦量的大小。如在确定各种交流电气设备的耐压值时，就应按电压的最大值来考虑。第二节 正弦交流电路 3.正弦量的平均值 交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷

40、与该段时间的比值。正弦量的平均值通常指正半周内的平均值，它与振幅值的关系为：平均值=0.637振幅值 六、相位差与相位关系 在电学中，频率相同的两个正弦电量，如果初相位不同（起点不同），它们的相位角t+0亦不同，相位角之间将存在一个差值，此差值称为相位差。 1.正弦量的表达式 u(t)=Umsin(t+) 当正弦量的初始值为正时，角为正；当正弦量的初始值为负时，角为负。 如图2-10所示，如果正弦量零点在纵轴的左侧时，角为正；如果正弦量零点在纵轴的右侧时，角为负。 （a）u(t)=Umsin(t+/3) (b)u(t)=Umsin(t-/3) 图2-10 第二节 正弦交流电路 同频率正弦量的几

41、种相位关系： 设u1(t)=U1msin(t+1),u2(t)=U2msin(t+2) (t+1)-(t+2)=1-2，即初相角之差。 当1-2=0，称u1(t)与u2(t)相同，如图2-11（a）所示； 当1-2=/2，称u1(t)与u2（t）正交，如图2-11（d）所示； 当1-2=，称u1(t)与u2(t)反相，如图2-11（c）所示； 当1-2=，则u1(t)越前u2(t)，角或u2(t)滞后u1(t)，角，如图2-11（b）所示。 图2-11 注意：不同频率的正弦量不能用公式=1-2来进行相位差计算。 第二节 正弦交流电路 七、正弦交流电的矢量表示法 1.矢量的概念 既有大小又有方向

42、的物理量叫矢量。矢量又称为向量。矢量一般用箭头的长度和角 度来表示。若用符号来表示，如U（读作U点），表明这个量是矢量。 2.正弦交流电的矢量表示法 正弦交流电可用波形图或三角函数解析式表示正弦电压、电流，此两种表示法比较直观，但进行运算并不方便。 旋转矢量表示法是指在直角坐标系中，用一个绕原点以角速度匀速旋转的矢量来表示正弦量的方法。该矢量的长度与正弦量的最大值成正比，矢量初始位置与横轴正向夹角等于初相，矢量旋转的角速度等于正弦量的角频率，矢量在任一时刻t与横轴正向夹角t+0等于该时刻正弦量的相位，则矢量任一时刻在纵轴上的投影高度等于该时刻正弦量的瞬时值。所以，旋转矢量可以把正弦量的三要素表

43、示出来，即可以表示正弦量。 如图2-13所示，旋转矢量的长度为正弦电压的最大值Um，矢量与横轴夹角为初相位；旋转矢量以角速度按逆时针方向旋转。旋转矢量不同时刻在纵轴上的投影高度就是所示正弦电压在这一时刻的数值。如u=Umsin(t+)，表示电压u的旋转矢量为Um。 第二节 正弦交流电路 图2-13 正弦量的瞬时值表示 用一个旋转矢量来完整地描述一个正弦量，这就是正弦量的矢量表示法。但应注意，这只是一种表示方法，它并不等于该正弦量，它在实轴上的分量乘以2才等于正弦量本身。 u=21/2Usin(t+)=Umsin(t+) 在一个坐标平面上，假如令矢径等于振幅，初始位置与横坐标的夹角等于初相角，那

44、么，当它以的角速度逆时针旋转时，在纵轴上的投影高度即为正弦量。第三节 电容和电感 一、电容 1.电场的基本概念 (1)带电体周围存在电场。电场对场中电荷具有作用力。 （2）电场强度：描述电场强弱的物理量，其定义为带单位电量的电荷在电场中受到的电场力。其表达式为：E=F/q 电场强度不仅有大小还有方向。在电场中，正电荷的受力方向与电场强度的方向相同，负电荷的受力方向与电场强度的方向相反。电场分为两种：一种是静电场，另外一种为感应电场。静电场是由静止的电荷激发的电场，感应电场是由变化的磁场激发的电场。 2.电容器 （1）电容的定义.一种储存电场能量的实际器件，是由两个金属电极中间夹一层绝缘体（又称

45、电介质）所构成。电容器所带电量Q与电容器两极板之间的电压U的比值，称为电容器的电容，用C表示。电容元件是一个理想的二端元件。 （2）电容的图形符号，如图2-16所示。 图2-16第三节 电容和电感 （3）电容的表达式.电容量表征导体在单位电压作用下储存电荷的能力，是由电容器本身的性质（导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的，与电容器是不是带电无关。电容的公式为：C=Q/U 电容的国际标准单位为法拉, 符号为F; 1F=1CV。常采用微法（F）和皮法（pF）作为其单位。它们的换算关系为： 1F=10-6F 1pF=10-12F （4）电容器的分类.按照介质可以分为空气电容器、纸介质电容器、银介

46、质电容器、云母介质电容器、油介质电容器、金属介质电容器等。按照电容的容量是否可调可以分为固定电容器、可调电容器。按照电容器有无极性可以分为无极性电容器和电解电容器。 （5）平板电容器.电容器两金属片是平行平面，中间是均匀电场。 E=Q/A，C=A/d=Q/U，与、有关，但与无关。 式中，E为电场强度，Q为电量，A为电容器极板的面积，为介电常数，d为电容器两极板间距离。 （6）广义电容器.任何两个导体间都存在电容，如输电线之间，输电线与大地之间，晶体管各极之间，电机变压器绕组的匝之间，绕组与机壳之间，但都较小。第三节 电容和电感 1.主要技术参数 （1）额定电压。若电容器的工作电压超过额定电压，

47、将导致介质被击穿，从而使电容器被毁坏。 （2）标称容量。 （3）允许误差。 （4）绝缘电阻。绝缘电阻应越大越好。R=UIL，U 为所加电压，IL为漏电流。 （5）识别方法。识别方法有数值法和色标法。 有极性的电解电容器上标有负号的一端（一般为短脚）是负极，另一端是正极。在直流电路中，电解电容器正、负极不能接反，否则会爆炸。 2.用途 具有“隔直通交”的特点，常用于滤波、旁路、信号调谐等方面。 3.电容器的串联 串联时各物理量为：（1）电量：Q=Q1=Q2=Q3;（2）电压：US=U1+U2+U3;（3）电容量：Q=C1U1=C2U2=C3U3;US=U1+U2+U3=Q/C1+Q/C2+Q/C

48、3=Q(1/C1+1/C2+1/C3) 又： US=Q/C 所以： 1/C=1/C1+1/C2+1/C3 U1U2U3=Q/C1Q/C2Q/C3=1/C11/C21/C3 因此，电容器串联之后，总容量减少，这相当于电阻的并联。图2-17 电容器的串联电容器第三节电容和电感 4.电容器的并联（如图2-18所示） 并联时各物理量为： （1）电量：Q=Q1+Q2+Q3 （2）电压：US=U1=U2=U3 （3）电容量：Q1=C1U,Q2=C2U,Q3=C3U Q1Q2Q3=C1C2C3 Q=Q1+Q2+Q3=C1U+C2U+C3U=(C1+C2+C3)U C=C1+C2+C3 所以，电容器并联之后，

49、总容量增大，这相当于电阻的串联。 当单独一个电容器的电容量不能满足电路要求，而耐压满足要求时，需并联使用，但是要注意：（1）每只电容器均承受着外加电压；（2）每只电容器的耐压均应大于外电压，否则一只电容器被击穿，整个并联电路就被短路，会对电路造成危害。图2-18 电容器的并联电容器第三节 电容和电感 5.电容上的电压和电流的关系 （1）根据电流的定义有：Q=CU 关联参考方向为：i=Cu/t 电流与该时刻电压的变化率成正比。 若电压不变，i=0，电容相当于开路（隔直流作用）。 (2)电容上的电压不能发生突变，常利用电容的这种特性对电路元件进行过电压保护。 (3)在直流电路中，电容相当于断路（开

50、路）。 6.电场能量 电容器为储能元件，不耗能。电压增加时，存储电能；电流减少时，放出电能。 7.电容器的击穿 （1）电介质：电场中不导电的绝缘体，电介质中每一原子中的电子受原子核的束缚力很强，不能形成自由电子，故不能导电。 （2）电介质的击穿：电介质所能承受的电场强度有一定限度，当被束缚的电子脱离了原子核的束缚而参加导电，就破坏了绝缘性能，这一现象称为电介质的击穿。电介质所能承受的极限电场强度称为击穿电场强度，也称绝缘强度。 （3）调谐 （4）耦合交流 （5）交流旁路 （6）能量转换第三节 电容和电感 （3）电介质击穿的避免 采用绝缘强度高的材料。 绝缘材料有一定厚度，且不含杂质，如气泡或水

51、分。 设法使电场按要求分布，避免电力线在某些地方过于密集。 （4）电介质击穿后的利用 电弧焊。 日光灯。 避雷器。 8.电容器的作用 （1）滤波 （2）隔直流第三节 电容和电感 二、电感 1.磁场的基本知识 磁场是一个特殊的物质，它具有两个特征： 磁场对场中的小磁针、运动电荷以及载流导体有作用力； 磁场具有能量，它会对场中移动的载流导体作功。 （1）磁感应强度.磁场中某一点上的电流元（一个非常短的导线l与流过它的电流I的乘积，称为电流元），当它与磁场方向垂直时，所受到的力F与电流元的比值，就是该点磁感应强度的大小，即：B=F/Il 该点磁场的方向就是B的方向。如果空间某一区域B的大小处处相等，

52、方向相同，这一部分磁场称为均匀磁场。运动电荷周围存在着磁场，磁感应强度是描述磁场强弱的物理量。 （2）磁通.在匀强磁场中放置一个与磁场方向垂直的平面，如果磁感应强度为B，平面面积为S，则二者的乘积定义为穿过这个面的磁通，用表示，即：=BS 在国际单位制中，磁通的单位为韦伯（Wb），简称韦。磁感应强度B也可看成是通过单位面积的磁通，又称磁通密度，其单位为Wb/m2。第三节 电容和电感 （3）磁场对电流的作用力.磁场对于场中的载流直导体具有作用力，这是磁场的特征之一。如果在一个均匀磁场中，由于各点B大小相等、方向相同，那么一根载流直导体上每一个电流元所受到的力F也大小相等、方向相同，将这些力合成后

53、得到合力F。将载流直导体每一个l合成后得到的是载流直导体长度l，则可得到这根载流直导体在均匀磁场中的受力为：F=BIl 式中，B的单位为特斯拉（T），简称特；I的单位为安培（A）；l的单位为米（m）；F的单位为牛顿（N）；上式是在B与I方向相互垂直的前提下得到的，而且F、B、I三者互相垂直，它们之间的关系可以用左手来判定：伸开左手掌，使大拇指跟其余四个指头重直，并且都跟手掌在一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过掌心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。这种判定法称为左手定则。 如果电流的方向与磁场的方向有一个夹角，可把B分解为与电流I平行

54、和垂直的两个分量。平行的分量不产生力，与I垂直的分量产生力，于是：F=BIlsin第三节 电容和电感 （4）电磁感应.若与导线或线圈相交链的磁通发生变化，会在导线或线圈中产生感应电动势，当感应电动势与电路相接，形成回路时，回路中就有电流通过。这种现象称为电磁感应。 法拉第定律，内容如下： 当与导线相交链的磁场发生变化时，导线中产生感应电动势。 感应电动势的大小与导线交链的磁通变化率成正比。 感应电动势的产生有3种途径： 动生感应：如果导线通过磁场，在磁极之间运动，切割磁感应线，就会在导线中产生感应电动势。由于此电动势是导线运动所产生，故称之为动生电动势，它是发电机的本质。 自感应：如果流过导线

55、或线圈的电流发生变化，电流所产生的磁通也发生变化，于是在导线或线圈中因交链的磁通变化而产生感应电动势。这种由于流过导线或线圈的电流发生变化而产生感应电动势的现象，称为自感现象。 互感应：如果导线或线圈A中电流发生变化，其周围空间磁场也发生变化，而放在其附近的另一导线或线圈B，由于与其交链的磁通变化而产生感应电动势，这种现象称为互感应现象，该电动势称为互感电动势。 感应电动势和感应电流的方向可用右手来判定：伸开右手掌，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿过掌心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指指向感应电动势方向。感应电动势的方向与产生的感应电流的

56、方向相同。这种判定法称为右手定则。第三节 电容和电感 （5）电动机原理.在磁场中，载流直导线受力产生运动把电能转化为机械能。 （6）发电机原理.在磁场中，导体切割磁力线，产生感应电动势。 （7）铁磁物质的分类.硬磁物质：需较强的外磁场作用才可使其磁化，不易退磁，剩磁较强，所需矫顽磁力很大。如碳刚和钴刚，多用于制造永久磁铁;软磁材料：磁导率很大，剩磁和磁力都很小，易磁化，也易去磁，如硅刚片、铸铁用于制造电动机和变压器的铁芯；合金用于制造小型变压器、高精度交流仪表（灵敏继电器）;矩磁材料：弱磁场下，可被磁化并达到磁饱和。撤掉外磁场后，磁性仍然保持为磁饱和状态，该材料用于制作计算机存储元件的环形磁心

57、。 2.电感的基本概念 （1）按照电感量是否可调，电感可以分为固定电感、可变电感、微调电感；按照电感是否有铁芯，电感可以分为空心电感、铁芯电感。 （2）符号为L，图形符号如图2-20所示。 图2-20第三节 电容和电感 （3） 空心电感线圈。空心电感线圈是指绕在非铁磁材料制成的骨架上的线圈。 （4）自感系数，如图2-21所示。 L=L/I=NL/IL 式中，为磁通量，N为匝数，I为电流，L称为电感或自感系数，L为磁通链。 图2-21 线圈的磁通和磁链 电感的国际单位为亨利,符号为H，1H=1WbA。通常还用毫亨（mH）和微亨（H）作为其单位, 它们与亨的换算关系为：1mH=10-3H;1H=1

58、0-6H （5）线性元件.在电路中，线性元件是一种电子元件，其电流和电压有线性的关系。阻值不变的电阻是最普通的线性元件，电容、电感、变压器等均是线性元件。 3.电感中的电压与电流的关系 电感中的电压和电流的关系，如图2-22所示。 （1）公式：u=/t=L/it。 （2）电感上的电流不能发生突变，电感总是阻碍电流的变化。 （3）在直流电路中，电感相当于短路。图2-22 线性电感元件第三节 电容和电感 4.电感在电路中的作用 （1）通直流隔交流。 （2）谐振。 （3）滤波。第四节 正弦交流电路中的电阻、电感、电容元件 一、电阻元件的电压与电流的关系 如图2-23所示，设iR=IRmsin(t+i

59、)，则有:uR=iRR=IRmRsin(t+i)=URmsin(t+u) 可得：URm=IRmR（或UR=IRR）u=i 当uR和iR都用相量表示时，有： UR=IRR 图2-23 电阻元件的电流与电压的关系 结论： （1）纯电阻的电压与电流的瞬时值、有效值、最大值和相量均符合欧姆定律，即： R=uR/iR=UR/IR=URm/IRm=UR/IR 所谓纯电阻是指电能在电路中只转换为热能，如电水壶、灯泡等。而含有电动机、电解槽等装置的电路则为非纯电阻电路。第四节 正弦交流电路中的电阻、电感、电容元件 （2）纯电阻的电压与电流同相。关联参考方向下,若iR=IRmsin(t+),则：IR=IR/uR

60、=URmsin(t+)UR=UR/=IRR/UR=IRR 二、电感元件的电压与电流的关系 如图2-24所示，设iL=ILmsin(t+i)，则有： uL=LILmcos(t+i)=LILmsin(t+i+90) =ULmsin(t+u) 见书第56页第四节 正弦交流电路中的电阻、电感、电容元件 三、 电容元件的电压与电流的关系 如图2-25所示，设uC=UCmsin(t+u)，则： iC=UCmCcos(t+u)=UCmCsin(t+u+90)=ICmsin(t+i) 可得： ICm=UCmC或IC=CUC i=u+90 由UC=UC/u IC=IC/i=CUC/u+90 可知: IC=jCU

61、C或UC=-j(1/C)IC=-jXCIC 上公式以书本为准 见书第57页第四节 正弦交流电路中的电阻、电感、电容元件 图2-25 电容元件的电压与电流的关系结论： (1)电容两端的电压与电流的有效值和最大值符合欧姆定律，即： UC/IC=UCm/ICm=XC 式中，XC=1/C=1/2fC，称为容抗，单位是，与感抗相似，但容抗与角频率成反比。当f=0时，XC=，说明电容元件在直流电路中相当于开路；而当f时，XC0，说明电容元件在高频线路中相当于短路。也就是说，电容具有“隔直通交”的特性。 （2）电容两端的电压在相位上滞后电流90（取关联参考方向时）。 （3）电容的电压与电流相量符合：UC=-

62、jXCIC。第五节 电阻与电感、电容串联电路 一、RLC串联电路的电压与电流的关系 图2-26所示为RLC串联电路。根据KVL可得： U=UR+UL+UC 由R、L、C三元件的伏安关系可得： UR=IR,UL=jXLI,UC=-jXCI 则： U=I(R+jXL-jXC)=IZ 即： U=IZ,I=U/Z,Z=U/I 式中，Z=R+jXL-jXC，称为复阻抗。以电流相量为参考相量，作相量图如图2-27所示。 图2-27 相量图 从相量图可见，U、UR、UX（UL-UC）三者组成一个直角三角形，称为电压三角形，三者之间满足：U=【 U2R+（UL-UC）2 】1/2=（U2R+U2X）1/2。图

63、2-26 RLC串联电路第五节 电阻与电感、电容串联电路 二、 复阻抗 1.复阻抗的直接计算 Z=R+jXL-jXC=R+j(XL-XC)=R+jX=|Z|/ 式中,R=|Z|cos为电阻，X=|Z|sin为电抗，|Z|=R2+X2为阻抗（模），=tan-1X/R为阻抗角（-900(XLXC)时，电压超前电流，RLC串联后的效果相当于RL串联电路，此时的电路呈感性； （2）当0(XL0，所以UL-UC=I（XL-XC）0，ULUC。在容性电路中，则有ULXC时，QLQC，电路的无功功率呈现感性；当XLXC时,QLQC,电路的无功功率呈现容性；当XL=XC时，QL=QC，电路的无功功率为零。综上

64、所述，RLC串联电路的无功功率为：Q=QL-QC=(UL-UC)I 根据RLC电路的电压三角形，可得：Q=（UL-UC）I=UIsin 式中，U为电路总电压，I为总电流，是电路阻抗角，Q为电路总无功功率。当电路含有多个电感或电容时，电路总无功功率等于各无功功率的代数和，即：Q=Qi第六节 正弦交流电路的功率 四、视在功率 在电工技术中，把电路端口电压有效值与电流有效值的乘积称为电路的视在功率，用字母S表示，单位为伏安（VA），即：S=UI 视在功率反映电源设备的额定容量。视在功率无物理意义，不满足守恒定律。 五、功率因数 有功功率与视在功率的比值称为功率因数，用表示，即：=P/S=UIcos/

65、UI=cos 式中，cos称为功率因数，通常用表示，即=cos。因为0|90，所以0cos1。功率因数角是电路总电压与总电流的相位差，也是电路的阻抗角，可见功率因数与电路元件的性质有关。 对于纯电阻（电路中只有电阻元件）来说，电压与电流同相，=0,cos=1，所以PR=UI；对于纯电感（电路中只有电感元件）来说，电压超前电流90，=90,cos=0，所以PL=0；而对于纯电容（电路中只有电容元件）来说，电压滞后电流90， =-90,cos=0，所以PC=0。第六节 正弦交流电路的功率 六、功率三角形 P、Q和S三者之间可用三角形联系起来，此三角形称为功率三角形，如图2-31所示。 功率三角形S

66、=UI=P2+Q2 P=UIcos=Scos Q=UIsin=Ssin 图2-31 =cos=PS第六节 正弦交流电路的功率 七、功率因数的提高 1.提高功率因数的意义 （1)提高电源设备的利用率.当电源容量S=UI一定时，功率因数cos越高，其输出的功率P=UIcos越大。因此，为了充分利用电源设备的容量，应该设法提高负载网络的功率因数。 （2)降低线路损耗.当负载的有功功率P和电压U一定时，cos越大，输电线上的电流越小，线路上能耗就越少。 （3)提高供电质量.线路损耗减少，可以使负载电压与电源电压更接近，电压调整率更高。 （4)节约铜材.在线路损耗一定时，提高功率因数可以使输电线上的电流

67、减小，从而可以减小导线的截面，节约铜材。第六节 正弦交流电路的功率 2.提高功率因数的方法 功率因数不高的原因主要是由于大量感性负载的存在。工厂中广泛使用的三相异步电动机就相当于感性负载。为了提高功率因数，可以从两个方面着手：一方面是改进用电设备的功率因数，这主要涉及更换或改进设备；另一方面是在感性负载的两端并联适当大小的电容器。提高功率因数的原理设原负载为感性负载，其功率因数为cos，电流为I1，在其两端并联电容器C，电路如图2-33所示，并联电容以后，并不影响原负载的工作状态。从相量图可知，由于电容电流补偿了负载中的无功电流，使总电流减小，电路的总功率因数提高了。 图2-33第七节 三相交

68、流电路 一、对称三相交流电源 日常生活中，往往用的是三相交流电，而不是单相交流电。三相交流电和单相交流电相比，具有以下主要优点： 三相电机比单相电机设备利用率高，工作性能优良； 三相电比单相电用途更加广泛； 三相电在传输分配方面更加优越且节省材料。 由于上述原因，所以三相电得到了广泛的应用。生活中的单相电常常是三相电中的一相。 1.三相电动势 (1)单相电动势的产生：如图2-34所示，在两磁极中间，放一个线圈（绕组）。让线圈以的速度顺时针旋转。根据右手定则可知，线圈中产生感应电动势，其方向由U1U2。合理设计磁极形状，使磁通按正弦规律分布，线圈两端便可得到单相电动势。单相电动势的表达式为：eU

69、1U2(t)=21/2Emsint第七节 三相交流电路 图2-34 单相电动势的产生 (2)三相电动势的产生：如图2-35所示，若定子中放3个线圈(绕组)：U1U2，V1V2，W1W2，由首端（起始端、相头）指向末端（相尾），3个线圈的空间位置各差120，转子装有磁极并以的速度旋转，则在3个线圈中便产生3个单相电动势。图2-35 三相电动势的产生第七节三相交流电路 2.对称三相电源 (1)供给三相电动势的电源称为三相电源；3个最大值相等、角频率相同而初相位互差120的三相电源则称为对称三相电源。如图2-36所示，它们的参考方向是始端为正极性，末端为负极性。 （2）三相电源的表示式为： uU(t

70、)=Umsint uV(t)=Umsin(t-120) uW(t)=Umsin(t-240)=Umsin(t+120) 图2-36 对称三相电源 (3)相量表示式及波形图、相量图 三相电源的相量表达式为： UU=U/0 UV=U/-120 图2-37 三相电源的波形图 UW=U/120 三相电源的波形图和相量图如图2-37和图2-38所示。 图2-38 三相电源的相量图 第七节 三相交流电路 (4)对称三相电源的特征：大小相等，频率相同，相位互差120。对称三相电源的3个相电压瞬时值之和为零，即uU(t)+uV(t)+uW(t)=0,UU+UV+UW=0。 (5)相序：对称三相电压到达正（负）

71、最大值的先后次序，UVWU为顺序，UWVU为逆序。本章若无特殊说明，对称三相电源的相序均为顺序。 二、三相负载的连接 1.三相负载的星形连接 (1)常用术语：如图2-43所示。 图2-43第七节 三相交流电路 特点：线电流等于相电流，Il=Ip，中性线电流等于各相电流代数和。 IU=UU/ZU,IV=UV/ZV,IW=UWZW 即： IN=IU+IV+IW 中性线：连接两个中性点N和N的连接线。 端线：由电源始端引出的连接线。 相电流：流过每相电源（负载）的电流IUN、IVN、IWN，有效值记作Ip。 线电流：流过端线的电流IU、IV、IW，有效值记作Il。 中线电流：流过中性线的电流IN。

72、相电压：每相电源（负载）的端电压。 线电压：两端线之间的电压。 (2)三相四线制电路的定义和特点。 定义：在电源与负载都是星形连接的电路中，连接电源与负载有4条输电线，即3根端线与1根中性线，这样的连接叫三相四线制，用Y/Y0 表示，如图2-44所示。目前我国低压配电系统普遍采用三相四线制，线电压是380V，相电压是220V。当负载不是对称负载时，应采用三相四线制连接。 图2-44 三相四线制第七节 三相交流电路 (3)三相三线制电路的定义和特点。 在电源与负载都是星形连接的电路中，连接电源与负载有3条输电线，即3根端线，这样的连接叫三相三线制，如图2-45所示。当负载是对称负载时，可以省略中

73、性线，采用三相三线制连接。 线电流等于相电流，Il=Ip，而IU+IV+IW=0，由于3个线电流的初相位不同，在某一瞬时不会同时流向负载，至少有1根端线作为返回电源的通路。 图2-45 三相三线制电路 图2-46 三相负载的三角形连接 2.三相负载的三角形连接 (1)将三相负载首尾依次连接成三角形后，分别接到三相电源的3根端线上，这种连接称为三角形连接，如图2-46所示。 (2)接在对称三相电源上的对称三相负载为三角形连接时，线电流是相电流的3倍，其相位依次较对应的相电流滞后30。当Y形负载为三相电动机之类的绝对对称负载时，不接中性线，电源可以是Y形的，也可以是形的。 第七节 三相交流电路 三

74、、 三相电路中的电压和电流的关系 三相电源和三相负载对称，且3根端线的线路阻抗也相同的三相电路称为对称三相电路，如图2-47所示。 图2-47 三相负载星形连接的对称三相电路 对称三相电路的特点： （1）中性点之间的电压和中性线电流都等于0，中性线不起作用，ZN的大小与电路工作状态无关，甚至可以不用连线，从而节约导线。 （2）三相电流是对称的，各相电流仅由各相电源电压与各相阻抗决定，相电流大小相等，相位差120。 （3）负载端相电压对称，线电压也对称，Ul=31/2Up，线电压超前对应相电压30。第七节 三相交流电路 四、三相电路的功率 1.三相负载的有功功率 P=PU+PV+PW=UUIUc

75、osU+UVIVcosV+UWIWcosW=I2URU+I2VRV+I2WRW 若三相负载是对称的，UUIUcosU=UVIVcosV=UWIWcosW=UpIpcosp。 三相总有功功率为 P=PU+PV+PW=3UpIpcosp Up、Ip代表负载上的相电压和相电流。 当负载为星形连接时，Up=Ul/31/2,Ip=Il,P=31/2UlIlcosp=3I2pR。 当负载为三角形连接时，Up=Ul,Ip=Il/31/2,P=31/2UlIlcosp。 即对称三相电路的有功功率的计算公式为P=31/2UlIlcosp，与负载的连接方式无关，但p仍然是相电压与相电流之间的相位差，由负载的阻抗角

76、决定。 2.三相负载的无功功率 Q=QU+QV+QW=UUIUsinU+UVIVsinV+UWIWsinW=I2UXU+I2VXV+I2WXW Qp=UpIpsinp 若三相负载是对称的，无论负载接成星形还是三角形，则有： Q=QU+QV+QW=3UpIpsinp=31/2UlIlsinp=3I2pXp第七节 三相交流电路 3.三相负载的视在功率S=（P2+Q2）1/2 若三相负载对称，则S=【 (31/2UlIlcosp)2+(31/2UlIlsinp)2 】1/2 =31/2UlIl=3UpIp。 但要注意在不对称三相制中，SSU+SV+SW。 见书第73页 4.三相负载的功率因数 cos

77、=P/S，若负载对称，则 =3UlIlcosp3UlIl=cosp。 在对称情况下，cos=cos是一相负载的功率因数，=，即为负载的阻抗角。在不对称负载中，各相功率因数不同，三相负载的功率因数值无实际意义。第七节 三相交流电路 5.对称三相电路的瞬时功率 p=pU+pV+pW=uUiU+uViV+uWiW p=31/2UlIlcosp 即对称三相电路中，虽然各相功率是随时间变化的，但三相瞬时总功率等于平均功率，是不随时间变化的常数。因此,作为三相对称负载的电动机的转矩是恒定的，运转平稳，这种对称三相电路也称为平衡三相电路.实验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因数的实验 一、实验目的 1.学

78、会荧光灯的安装。 2.学会提高并联电容器功率因数的方法。 3.理解提高功率因数的意义。 二、实验原理 1.荧光灯发光原理 （1）荧光灯电路的组成。荧光灯电路由荧光灯管、镇流器、启辉器组成，其原理图如图2-51所示。 图2-51 荧光灯电路原理图 荧光灯管。荧光灯管是一支细长的玻璃管，其内壁涂有一层荧光粉薄膜，在荧光灯管的两端装有钨丝，钨丝上涂有受热后易发射电子的氧化物。荧光灯管内抽成真空后，充有一定量的惰性气体和少量的汞气。惰性气体有利于荧光灯的启动，并延长灯管的使用寿命；汞气作为主要的导电材料，在放电时产生紫外线激发荧光灯管内壁的荧光粉转换为可见光。实验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因数

79、的实验 启辉器。启辉器主要由辉光放电管和电容器组成，其内部结构如图2-52所示。其中辉光放电管内部的倒U形双金属片（动触片）由两种热膨胀系数不同的金属片组成；通常情况下，动触片和静触片是分开的；小容量的电容器，可以防止启辉器动、静触片断开时产生的火花烧坏触片。 图2-52 启辉器的内部结构 镇流器。镇流器是一个带有铁芯的电感线圈。它与启辉器配合产生瞬间高电压使荧光灯管导通，激发荧光粉发光，还可以限制和稳定电路的工作电流。实验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因数的实验 （2）荧光灯的工作原理.如图2-51所示，当把荧光灯电路开关合上后，灯管两端的电压是220V，这个电压不能使管内的惰性气体导通

80、，灯管是断路的，此时电源电压经过灯丝加到启辉器的两触片上，使它们之间发生辉光放电。由于放电使动触片（膨胀系数不同的U型双金属片）受热膨胀与静触片相接触，此时电路就接通了。于是电流流过灯丝，将灯丝加热从而使灯丝上的氧化物发射出大量的电子，但与此同时，由于双金属片与静触片接触闭合，它们之间的放电停止，双金属片便冷缩又与静触片离开，使电路突然中断，镇流器中电流突然减小，于是在镇流器两端产生一个比电源电压高得多的自感电动势，它和电源电压串联后加在荧光灯管两端，迫使灯管内惰性气体分子电离而产生弧光放电，荧光灯管内温度逐渐升高，汞气游离，并猛烈地撞击惰性气体分子而放电，同时辐射出不可见的紫外线激发灯管内壁

81、的荧光粉而发出近似荧光的可见光。荧光灯管发光后，其两端的电压不足以使启辉器辉光放电，这时，交流电源、镇流器与荧光灯管串联构成一个电流通路，从而保证荧光灯的正常工作。 2.功率因数补偿原理 提高功率因数可以降低线路损耗、提高电源设备的利用率、改善供电质量等。实验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因数的实验 三、实验器材 荧光灯（220V，40W）1只；镇流器（220V，40W）1个；启辉器1个；熔断器（220V，5A）1只；交流电源1个；交流电流表1个；功率表1个；交流电压表1个；万用表1个；电容器1个；开关（250V，5A）2个；导线若干。 四、实验步骤 1.荧光灯电路的安装 （1）布局定位。

82、根据荧光灯电路各部分的尺寸进行合理布局定位，制作荧光灯安装电路板，如图2-53所示。 图2-53 荧光灯安装电路板 （2）用万用表检测荧光灯。灯管两端灯丝应有几欧姆电阻，镇流器电阻约为2030，启辉器不导通，电容器应有充电效应。 （3）根据图2-51，进行荧光灯电路的安装。 （4）接好线路并经老师检查合格后，通电观察荧光灯电路的工作情况。实验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因数的实验 2.荧光灯电路参数的测量 （1）根据荧光灯电路原理图，画出接线图如图2-54所示，并接线。 图2-54 荧光灯电路接线图 （2）断开开关S2，闭合电源开关S1，用交流电流表测量荧光灯电路的电流I；用功率表测量荧

83、光灯电路的功率P；用交流电压表分别测量荧光灯电路的电压UBD、灯管两端的电压UCD、镇流器的电压UBC，并计算灯管的电阻R、镇流器的电阻RL、镇流器的电感L。 3.荧光灯电路功率因数的提高 （1）按照图2-54所示电路连接实验电路。 （2）闭合开关S2，闭合电源开关S1，改变并联电容的数值，分别测量荧光灯电路的总电流I、荧光灯电流I1、电容电流I2，并计算电路对应的功率因数。 实验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因数的实验 五、注意事项 （1）实训过程中必须注意人身安全和设备安全。 （2）注意荧光灯电路的正确接线，镇流器必须与灯管串联。 （3）镇流器的功率必须与灯管的功率一致。 （4）荧光灯

84、的启动电流较大，启动时用单刀开关将功率表的电流线圈和电流表短路，防止仪表损坏，操作时要注意安全。 （5）保证安装质量，注意安装工艺。 六、实验结论 在感性负载两端并联上适量电容，可使电路中的总电流下降，从而提高整个电路的功率因数。 实验实训三 三相电路中的负载连接 一、实验目的 1.学会三相负载的星形连接方法。 2.学会三相负载的三角形连接方法。 3.验证对称三相负载时，线电压与相电压之间的关系。 4.验证对称三相负载时，线电流与相电流之间的关系。 5.理解负载电路中中性线的作用。 二、实验原理 三相电路中，负载的连接方式有星形连接和三角形连接两种。星形连接时，根据需要可采用三相三线制或三相四

85、线制供电。三角形连接时只能用三相三线制供电。 三相电路中的电源和负载有对称和不对称两种情况，本实验仅研究三相电源对称情况下，负载作星形连接和三角形连接的工作情况。 1.星形连接 三相负载作星形连接时，其电路原理图如图2-55所示。 图2-55 三相负载星形连接的电路原理图 三相对称负载Ul=31/2Up,Il=Ip。实验实训三 三相电路中的负载连接 2.三角形连接 三相负载作三角形连接时，其电路原理图如图2-56所示。 图2-56 三相负载三角形连接的电路原理图 三相对称负载Ul=UP,Il=31/2Ip。 三、实验器材 三相调压器1台；三相闸刀开关（500V，15A）1个；一般单级开关（25

86、0V，5A）2个；灯座6个；灯泡6只；交流电压表6个；交流电流表6个；导线若干。实验实训三 三相电路中的负载连接 四、实验步骤 1.三相负载作星形连接 （1）按图2-56所示电路原理图接线； （2）检查接线无误后，将三相调压器手柄旋到输出电压为零的位置，闭合三相电源闸刀开关QS1和QS2； （3）调节三相调压器的输出手柄，使输出的相电压Up=220V； （4）用电压表分别测量负载对称（采用3个均为60W的灯泡作为对称负载）、负载不对称（采用3个分别为25W、40W、60W的灯泡作为不对称负载）两种情况下加在各个灯泡上的电压以及中性点之间的电压，观察灯泡的发光情况（正常、过亮、过暗、不亮），并列

87、表进行记录； （5）拆除中性线后，重复步骤（4）的过程，并列表进行记录； （6）将三相调压器输出电压降为零，切断三相电源开关。 2.三相负载作三角形连接 （1）按图2-56所示电路原理图接线； （2）检查接线无误后，将三相调压器手柄旋转到输出电压为零的位置，闭合三相电源闸刀开关QS1和QS2； （3）调节三相调压器的输出手柄，使输出的线电压UL=220V； （4）用电流表分别测量负载对称（采用3个均为60W的灯泡作为对称负载）、负载不对称（采用3个分别为25W、40W、60W的灯泡作为不对称负载）两种情况下负载的线电流，观察灯泡的亮度，并列表进行记录； （5）将三相调压器输出电压降为零，切断三

88、相电源开关实验实训三 三相电路中的负载连接 五、注意事项 （1）注意三相调压器的正确接线，调压器的中性点必须与电源的中性线相连接。 （2）三相交流电源电压较高，线路必须经实验指导教师检查认可后，方可通电进行实验，严禁人体触及带电部分，以确保人身安全。 （3）更换实验内容时，必须先断电，严禁带电操作。 （4）在进行三相不对称负载星形连接无中性线的实验时，由于加在3个灯泡上的电压不对称，有的灯泡上的电压可能超过220V，因此在进行实验时动作要迅速，以免烧坏灯泡。 （5）三相电路的实验线路比较复杂，要会对故障现象进行分析、判断，并用电压表有目的地进行查找。 六、实验结论 三相交流电路星形连接和三角行

89、连接中电压与电流之间的关系与预期一致。中性线有很重要的作用，它可以保证三相负载电压的对称，防止发生事故。第二篇 电工技术第三章 电力的生产和输送 知识目标 1.了解电能的特点及生产方式。 2.了解电能的输送和分配原理。 3.了解变压器的基本原理和主要用途。 4.掌握变压器的功率和效率。 技能目标 1.会识别各种类型的变压器。 2.熟悉几种常用变压器。第一节 电力的生产 一、电能的特点一、电能的特点 电能是电作功的能力。自然界存在着电能，如打雷闪电时产生电能，但人类至今还未能开发或直接利用自然界存在的电能，人类现在利用的所有电能都是由其他形成的能源转换而来的。 二、电力的生产二、电力的生产 当前

90、比较常见的电力生产方式主要有以下3种： 1.火力发电 火力发电是通过煤、石油、天然气等化石燃料燃烧来加热水，使化学能转变为热能，从而产生高温、高压的水蒸汽，然后用水蒸汽来推动汽轮机旋转并带动三相交流同步发电机发电。 2.水力发电 水力发电的基本原理是利用水体中的落差和流量来推动水轮机旋转并带动发电机发电。影响水力发电效率的主要因素是流量与水头。流量是指单位时间内通过某一地点的水体体积。水头是指水体在被利用于发电过程中的高度差，也称落差。第一节 电力的生产 3.原子能发电 原子能发电的基本原理是利用原子核裂变时释放出来的巨大能量来加热水，产生高温高压的水蒸汽来推动汽轮机从而带动发电机发电。 原子

91、能发电具有以下优点： （1）能量高度集中，燃料费用低廉，综合经济效益好。原子能发电的总成本低于常规发电的总成本。 （2）所需燃料数量少，不受运输和储存的限制。一座100万千瓦的常规发电厂，一年需要烧掉300万吨煤，平均每天需要一艘万吨轮来运煤。而使用原子能发电，一年只需要30吨核燃料。 （3）污染环境较轻。原子能发电不向外排放CO、SO2、NOx等有害气体和固体微粒，也不排放产生温室效应的CO2。原子能发电站日常放射性废气和废液的排放量很小，周围居民由此受到的辐射极其微小。 此外，还有太阳能发电、风力发电、潮汐发电和地热发电等电力生产方式。第二节 电力的输送和分配 一、电力系统一、电力系统 电

92、力系统是由发电厂、输配电系统及电力用户组成，是由电源、中间环节、负载组成的对能量进行转换、输送及分配的典型电路。 1.传统的交流输电系统 三相交流输电线输送的功率正比于线电压及线电流，当输送功率一定的情况下，输送电压越高，输送的电流就越小，所用导线截面积也就越小，线路上的电能损耗也越少，线路投资当然就越少，这是提高输电电压的原因。但电压越高对绝缘的要求也越高，线路电压的提高受制于高压电器的制作水平与能力；并且电压越高，对杆塔、变压器、断路器等的投资也就越大。因此，对应一定的输送功率与输送距离，可以得到一个相对最佳的输电电压。再综合考虑高压电器设备制作的经济性以及便于代换，我国国家标准规定高压交

93、流送电电压为6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和750kV共8个等级，现在还在进行10001500kV超高压送电系统的研究。第二节 电力的输送和分配 图3-1 最早的三相交流输电系统示意图 从图3-2可以看出，电力系统是由电源（各种类型的发电厂）、变压器、导线、开关以及负载（用电单元）所组成，是实现电荷流通的物理通道，由各种架空电线（水泥杆塔、铁塔）或电缆向分布在各处的用电单元实现电能输送，在空间上形成了电能分配的网络，这类似信息传输中的“空分”。当用电紧张或电网出现突发事故时，供电部门的调度人员有时会采取措施对某些用电单元限时供电，这又有点类似信息传输

94、中的“时分”。总之，电力系统是一个实现能量转换、传输、分配的复杂的电网络。第二节 电力的输送和分配 图3-2 某电力系统示意图第二节 电力的输送和分配 2.灵活的交流输电技术 灵活的交流输电技术采用大功率现代电力电子器件代替传统的机电式开关，对电压、线路阻抗、功角这3个影响电力系统中功率输送的主要因素按系统的需求迅速调整，它具有如下优点： （1）在不改变现有电网结构的情况下，可以极大地提高电网的输电能力。 （2）扩大了系统对电压潮流的控制能力。 （3）有很强的限制短路电流、阻尼振荡的能力，能提高系统暂态稳定性。 （4）提高了系统的可靠性、快速性和灵活性。 （5）对系统的参数既可断续调节又可连续

95、调节。 现代电力系统引入了现代能量管理系统，使系统运行实现实时信息的采集和监测、经济运行、静态安全评估及预防性控制等功能，它应用了现代电子信息技术中包括数字化技术、计算机网络、微波、光纤及卫星通信技术和全球定位系统等在内的新技术。总之，现代电力系统为了能向现代社会提供更高质量的供电，一直在不断地采用新的科学技术来促进自身的发展。第二节 电力的输送和分配 二、工业与民用供电系统 小型工业与民用建筑设施供电，一般电源进线为610kV，用配电线路将电能送到一个简单的降压变电所，降为低压380V/220V，供给用电设备。如图3-3所示。 图3-3小型 图3-4 中型 图3-5大型 中型工业与民用建筑设

96、施供电，一般电源进线为610kV，经高压配电所，再由610kV配电线路将电能送到各用电点的变电所，降为380V/220V低压，供给用电设备。如图3-4所示。 大型工业与民用建筑设施供电，电源进线一般为35kV或以上，第一次降压至610kV，然后由配电线路送到各用电点的变电所，再降至380V/220V电压。也有将35kV直接降为低压的。如图3-5所示。第三节 变压器的原理和用途 一、变压器的基本知识一、变压器的基本知识 1.变压器的定义 变压器是一种利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同一频率的另一数值的交变电压的静止的电气设备。变压器在电工与电子技术中具有非常广泛的用途。变压器可用来把

97、某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 2.变压器的意义 发电厂欲将P=3UIcos的电功率输送到用电区域，在P、cos为一定值时，若采用的电压愈高，则输电线路中的电流愈小，因而可以减少输电线路上的损耗，节约导电材料。所以，远距离输电采用高电压是最为经济的。 电能输送到用电区域后，为了适应用电设备的电压要求，还需通过各级变电站（所）利用变压器将电压降低为各类电器所需要的电压值。 在用电方面，多数用电器所需电压是380V、220V或36V，少数电机采用3kV、6kV等。第三节 变压器的原理和用途 3.变压器的分类 按用途不同，变压器分为电

98、源变压器、电力变压器、调压变压器、仪用互感器和隔离变压器。按结构不同，变压器分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器及自耦变压器。按铁芯结构不同，变压器分为壳式变压器和心式变压器。按相数不同，变压器分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。变压器的种类虽多，但基本原理和结构是一样的。图3-6为各种变压器的图形。图3-6 各种变压器第三节 变压器的原理和用途 4.变压器的基本结构 变压器由套在一个闭合铁芯上的两个或多个线圈（绕组）构成，如图3-7所示。 （1）铁芯。铁芯构成了电磁感应所需的磁路。为了减少磁通变化时所引起的涡流损失，变压器的铁芯要用厚度为0.350.5mm的硅钢片叠成，片间用绝缘

99、漆隔开。铁芯分为芯式和壳式两种。 图3-7 变压器的基本结构 （2）线圈。变压器和电源相连的线圈称为原绕组（或原边,或初级绕组），其匝数为N1；和负载相连的线圈称为副绕组（或副边,或次级绕组），其匝数为N2。绕组与绕组及绕组与铁芯之间都是互相绝缘的。 5.变压器的符号 变压器的符号如图3-8所示。 6.理想变压器 图3-8 变压器的符号 原、副两绕组的电阻为零，电感无穷大，没有漏磁，没有铁芯损耗的变压器为理想变压器。第三节 变压器的原理和用途 二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理 变化的磁场在绕组里产生了感应电动势，接上正弦波电压，则线圈中将产生正弦波电流，同时在铁芯中有正弦交变磁通穿过绕

100、组，所以二次绕组中产生感应电动势、感应电流。简单地说，即交变磁场感应出交变电压，交变电流产生交变磁场。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交变磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。 1.变压器的空载运行 变压器原线圈接上额定的交变电压u1，副线圈开路不接负载，称为空载运行，如图3-9所示。副边中的电流为零，原边的空载电流为i0。 2.电压平衡方程和变压比 空载时变压器的原绕组电路是一个含有铁芯线圈的交流电路，在工程计算中常忽略原

101、绕组中的阻抗不计，则有： U1/U2E1/E2=N1/N2=Ku图3-9 空载时的变压器第三节 变压器的原理和用途 式中，Ku称为变压器的变压比，简称变比. 3.变压器的负载运行 变压器副边接上负载阻抗Z后，副线圈中通过电流i2，如图3-10所示。 I1/I2=N2/N1=Ki Ki称为变压器的变流比，表明原、副绕组内的电流大小与线圈匝数成反比。结合前式还可得：U1/U2I2/I1 该式表明，在不考虑变压器本身损耗的情况下（理想状态），变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率。这也说明变压器是一种把电能转换为“高压小电流”或“低压大电流”的电器设备，因而起着传递能量的作用。图3-10 负载运

102、行时的变压器第三节 变压器的原理和用途 三、变压器的损耗和效率 1.输入功率 变压器负载运行时，原线圈的输入功率即有功功率P1=U1I1cos1,其中1为原边电压U1与电流I1的相位差。 2.输出功率 副线圈给负载输出的有功功率P2=U2I2cos2，这里cos2为负载的功率因数。 3.变压器的损耗 输入的有功功率和输出的有功功率之差，就是变压器的损耗。变压器的损耗包括铜损和铁损两部分，铜损为绕组的损耗，铁损为铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗。 变压器的功率损耗P=PCu+PFe=P1-P2。 4.额定容量 变压器的额定电压是指变压器在额定情况下运行时，原线圈应加的电压及原线圈加上额定电压时副边

103、的空载电压。变压器的额定容量为副边额定电压和副边额定电流的乘积，即S=U2eI2e，其单位为VA或kVA(伏安或千伏安）。 5.变压器的效率 变压器的效率为：=P2/P1100% 第四章 电动机及其控制 知识目标 1.掌握三相异步电动机的结构、工作原理、旋转磁场、转动原理、转矩、转速与转差率。 2.了解三相异步电动机的机械特性。 3.了解三相异步电动机的起动、反转、调速、制动方法和技术数据的计算。 4.熟悉单相异步电动机的结构、工作原理。 5.了解继电器接触器控制系统。 技能目标 掌握三相异步电动机的工作原理、机械特性、起动方法以及正反转控制电路。第一节 三相异步电动机 电机是利用电和磁相互作

104、用的电磁感应原理来实现将机电能量和信号相互转换的装置，它是电动机、发电机和信号电机的总称。而电动机是将电能转换为机械能（旋转运动或直线位移）的装置。 按电源的种类，可将电动机分为交流电动机和直流电动机。交流电动机还分为同步机和异步机（鼠笼式和绕线式），直流电动机可分为永磁式电动机和电磁式电动机等。 目前应用最广泛的电动机依次为三相交流异步电动机、单相交流异步电动机和直流电动机。 一、三相交流异步电动机 三相交流异步电动机（简称三相异步电动机）由定子和转子构成。定子和转子都有铁芯和绕组。转子分为鼠笼式和绕线式两种结构。鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。绕线式转子绕组的形式与定子绕组基本相同，3

105、个绕组的末端连接在一起构成星形连接，3个始端连接在3个铜集电环上，起动变阻器和调速变阻器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。 （1）三相定子绕组：产生旋转磁场。 （2）转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。 （3）机座：机座是电动机的外壳，起支撑作用。 （4）在异步电动机中,旋转磁场代替了旋转磁极。其中：iU=ImsintiV=Imsin(t-120)iW=Imsin(t-240)=Imsin(t+120)第一节 三相异步电动机 如图4-2(a)、(b)所示。定子通入三相电流，定子内产生旋转磁场。 (a)定子绕组 (b)定子绕组的三相电流 图4-2 图4-3电流各时刻的合成磁场方向 对应

106、电流各时刻的合成磁场方向如图4-3所示。从图4-3可看出，电流变化一周，磁场旋转360。第一节 三相异步电动机 二、三相异步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理异步电动机的转动原理异步电动机的转动原理 1.转子电动势和转子电流 定子绕组通入电流后，产生旋转磁场，与转子绕组之间产生相对运动 ，由于转子电路是闭合的，产生转子电流。根据左手定则可知，转子绕组上产生了电磁力。 2.电磁转矩和转子旋转方向 电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转矩T，电磁转矩的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。 3.转子转速和转差率 转子转速n与旋转磁场的转速n1的方向一致，

107、但不能相等（应保持一定的转差）。n1又称为同步转速。 转差率为旋转磁场同步转速与电动机转速之差。同步转速一样，转差率也可反映电动机运行速度的快慢。常用转差率s来表示n与n1相差的程度，即：s=n1-n/n1100% 在电动机起动瞬间，n=0,s=1（转差率最大）；当转子达到最大转速时，nn1,s0(转差率最小）。因此，s的范围为：00时，VD1、VD4导通,VD2、VD3截止，故有图示iD1（iD4）的波形；同样，在u1的负半周时，u20，UBC0，功率管的导电角= 2。 （2）乙类放大。在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期三极管导通，称为乙类放大。此时功率管的导电角=。 （3）甲乙类放大

108、。在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上且小于一个周期三极管是导通的，称为甲乙类放大。此时功率管的导电角满足：2。第四节 功率放大电路 二、互不对称功率放大器 1.互补对称功率放大电路的结构特点 （1）由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。 （2）双电源供电。 （3）输入端和输出端不加隔直。 2.互补对称功率放大电路的工作原理 图10-13 互补对称功率放大电路 在图10-13所示电路中，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管。静态时，两管的ICQ=0；有输入信号时，两管轮流导通，相互补充，既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率

109、。 由于两管互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称功率放大电路。双电源互补对称功率放大电路又称无输出电容的功率放大电路(OCL电路)。实验实训九 运算放大器的应用 一、实验目的 1.熟悉集成运算放大器的外形结构、引脚功能以及连接方法。 2.研究集成运算放大器组成比例求和电路的特点和分析方法。 3.培养良好的识图能力和按照电路接线的能力。 4.练习使用示波器、信号发生器和万用表。 二、 仪器设备 1.SS-7802型示波器1台； 2.信号发生器1台； 3.万用表1只； 4.模拟/数字实验箱1台。 三、实验步骤 1.反相比例运算电路 注意：接线时断开电源,接线完毕检查无误后再接

110、通电源。 （1）按图10-17接线,将电源+12V接入实验电路,将电源地线接入实验电路。 图10-17 反相比例运算电路实验电路图实验实训九 运算放大器的应用 （2）输入f=1000Hz,Uipp=100mV的正弦信号,用示波器测量输出信号Uopp，并填入表中。 （3）将Uipp调至200mV，再测Uopp，填入表中。 （4）用双线示波器观察输入波形和输出波形并将其画入图10-18中。 图10-18反相比例运算电路实验波形图 图10-19同相比例运算电路实验电路图 2.同相比例运算电路 （1）按图10-19接线； （2）输入f=1000Hz,Uipp=100mV的正弦信号，用示波器测量输出信号

111、Uopp，填入表10-5。 （3）将Uipp调至200mV，用示波器测量输出信号Uopp，填入表中。 （4）用双线示波器观察输入波形和输出波形 并将其画入图10-20中。图10-20第十一章 其他半导体器件和振荡电路知识目标1.了解晶闸管的结构、外形及符号。2.了解晶闸管的导通、关断条件。3.了解晶闸管的工作原理和主要参数。4.了解晶闸管单相可控整流电路。5.了解单结晶体管的工作原理。6.了解场效应管及其应用。7.了解自激振荡。8.了解振荡产生的条件。9.了解各类正弦波振荡电路的构成以及工作原理。技能目标1.能根据电路参数选择晶闸管。2.能够区分电容反馈式、电感反馈式、变压器反馈式等不同的振荡

112、电路。第一节 晶闸管及其应用 一、晶闸管的外形、符号和结构 1.晶闸管的外形和符号 晶闸管是大功率器件，用在较高电压和较大电流的工作场合，常需要安装散热片。常见的晶闸管外形有螺栓式和平板式，如图11-1 所示。其封装形式有金属外壳和塑封外壳等。 2.晶闸管的内部结构与等效电路 晶闸管的内部结构示意图如图11-2所示，它由4层半导体材料组成，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成3个PN结，分别为J1、J2和J3，对外有3个电极，分别为阳极、控制极和阴极。为了更好地理解晶闸管，可以把N1和P2两个区域看作是两部分，使得P1-N1-P2-N2构成一只PNP型管和一只NPN型管。 （1）晶体

113、管等效结构如图11-2所示。 图11-1图11-2第一节 晶闸管及其应用 （2）晶体管等效电路图如图11-3所示。 图11-3 晶体管等效电路图 图11-4 晶闸管导通实验电路图 二、晶闸管的工作原理 为了直观地认识晶闸管的导电原理与工作特性，可按图11-4所示的电路做一个简单的实验。 （1）晶闸管阳极接直流电源的正端，阴极经灯泡接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。控制极电路中开关S断开，如图11-4（a）所示。这时灯不亮，说明晶闸管不导通。 （2）晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压，控制极相对于阴极也加正向电压，如图11-4（b）所示。这时灯亮，说明晶闸管导通。 （3）晶闸管导通后，将图11

114、-4（b）中的开关S断开，灯仍然亮，这表明晶闸管继续导通，说明晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。 （4）如果控制极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。第一节 晶闸管及其应用 （5）晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压，如图11-4（c）所示，无论控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。 晶闸管是一种导通时间可以控制的、具有单向导电性能的可控整流器件。其导通、关断条件如下： （1）导通条件 （2）关断条件 三、晶闸管的主要参数 （1）额定正向平均电流 （2）维持电流 （3）控制极触发电压和触发电流 （4）正向转折电压 （5）正向重复峰值电压 （6）反向重复峰

115、值电压 四、晶闸管的应用 自从20世纪50年代问世以来，晶闸管已经发展成了一个大家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等等。晶闸管具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏以及使用寿命长等优点，广泛应用于整流、逆变、调压以及无触点开关等方面。其主要缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。第一节 晶闸管及其应用 由于晶闸管是可控电源的主要元件，具有控制大功率电源的 能力，因此可以用于以下几个方面： （1）代替电动机械器件，如继电器自动开关系统、过载保护器等。 （2）电源转换系统，如交直流转换、焊接、电池充电和脉冲调制。

116、（3）逻辑、报警、调光和调温装置。 （4）小型机械设备和大型工业系统的电动机转速控制。第二节 单结晶体管及其应用 一、单结晶体管的外形与结构一、单结晶体管的外形与结构 单结晶体管又称双基极二极管，也是一种半导体器件。它的外形和普通三极管相似，同样有3个电极，但在结构上却只有1个PN结，故称为单结晶体管。它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别引出两个基极B1和B2。在硅片中间略偏B2一侧是发射极E。单结晶体管的发射极与任一基极之间都存在单向导电性。这样，我们可将单结晶体管看成是一个二极管和两个电阻Rb1、Rb2的等效电路。其中Rb1和Rb2分别为两个基极至PN结之间的电阻。两基极之间的电阻Rb1

117、b2=Rb1Rb2。其外形结构、符号和等效电路如图11-7所示。 图11-7 单结晶体管的外形结构、符号和等效电路第二节 单结晶体管及其应用 二、单结晶体管触发电路 图11-8所示是一个桥式半控整流电路，图的上半部分是单结晶体管触发电路。 图11-8 单结晶体管触发电路 图11-9单结晶体管触发电路波形图 假设在接通电源之前，图11-8中电容C的端电压UC为零。接通电源后，稳压电源Uz通过电阻R1和R2向电容C充电，电容的端电压UC上升，波形如图11-9所示。当UC上升到等于Up时，单结晶体管由截止变为导通，电容C迅速放电，在R1上转变为一个很窄的正脉冲电压Ug。当UC下降到单结晶体管的谷点电

118、压UV以下时，单结晶体管截止。截止以后电源再次经Rp向电容C充电，重复上述过程,从而获得晶闸管电路所需的触发脉冲电压。第三节 场效应管及其应用 一、场效应晶体管（场效应管） 1.场效应管的外形 场效应管是一种具有PN结的半导体器件，一般也是3个引脚，分别是源极、漏极和栅极。栅极用来控制另外两极之间电流的通断及其大小。其外形如图11-10所示。 图11-10 场效应管的外形 2.结型场效应管的结构和工作原理 按结构不同，场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管；按导电方式不同，场效应管分为N型沟道型场效应管与P型沟道型场效应管。绝缘栅型场效应管有增强型场效应管和耗尽型场效应管两种，而结型场效

119、应管只有耗尽型场效应管。下面以结型场效应管为例对场效应管的工作原理进行简单的介绍。 N沟道结型场效应管的结构如图11-11（a）所示。在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极G，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极D，一个称为源极S。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。N沟道结型场效应管的符号如图11-11（b）所示，P沟道结型场效应管的符号如图11-11（c）所示。第三节 场效应管及其应用、 图11-11 结型场效应管的结构与符号 结型场效应管 (以N沟道结型场效应管为例) 在工作时，它的两个PN结始终要加反

120、向电压。在D、S之间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变沟道两侧耗尽层的宽度，从而改变沟道电阻和漏极电流ID，达到利用电压UGS控制电流ID的目的。 二、场效应管的主要参数二、场效应管的主要参数 (1)开启电压UGS（th） (2)夹断电压UGS（0ff） (3)饱和漏极电流IDSS (4)低频跨导gm 低频跨导的表达式为： 三、场效应管的特点及应用三、场效应管的特点及应用 场效应管是利用输入电压产生电场效应从而来控制电流输出的一种半导体器件。其优点如下：（1）输入阻抗高，一般在105107；（2）温度稳定性和抗辐射性能好；（3）噪声

121、低，能耗低；第三节 场效应管及其应用 （4）制造工艺简单，便于集成化。由于场效应管的以上优点，所以它的应用也十分广泛，常用作可变电阻、电子开关、恒流源等。由于它的输入阻抗很高，所以非常适合作阻抗变换，常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。 四、场效应管与晶体管的比较 （1）场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。 （2）场效应管基极不取用电流，要求输入电阻高的电路应选用场效应管；而若信号源可以提供一定的电流，则可选用晶体管，利用晶体管组成的放大电路可以得到比场效应管更大的电压放大倍数。 （3）场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但

122、由于前者制造工艺简单，且具有耗电少、热稳定性好、工作电源电压范围宽等优点，被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。 （4）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅源电压可正、可负、可零，均能控制漏极电流，因而在组成电路时场效应管比晶体管有更大的灵活性。第四节 振荡电路 一、自激振荡一、自激振荡 不需要外加任何输入信号，只依靠电路本身就能产生并输出一定频率和幅度的交流信号，这种现象称为自激振荡，产生这种现象的电路称为自激振荡电路。 1.自激振荡的工作原理 正反馈是反馈信号能够加强净输入量的过程。图11-12（a）所示为正反馈放大电路方框图。由图可知，阿xa=xi+xf，xf为反馈信号,它

123、是信号xa经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后得到的，如果使输入信号xi=0，那么xf与xa在大小和相位上都一致，将xf直接输入xa端，形成如图11-12（b）所示的闭环系统，因此从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。 2.自激振荡的平衡条件 （1）相位平衡条件：反馈信号与输入信号相位相同，即为正反馈。 （2）振幅平衡条件：反馈信号的幅度等于输入信号的幅度。图11-12 正反馈放大电路方框图第四节 振荡电路 二、二、RCRC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路 RC桥式正弦波振荡电路的主要特点是采用RC串、并联网络作为选频和反馈网络，如图11-13

124、所示。 图11-13 RC桥式正弦波振荡电路 图中的运算放大器和电阻R1、Rf组成比例运算放大器，RC串、并联网络构成振荡器的反馈网络和选频网络。 在特定频率下，RC串、并联反馈电路产生的相位移（f-0）为0，这个特定频率即RC串、并联电路的谐振频率f0。 f0=1/（2RC） 根据反馈极性的判别方法可知，由RC选频网络和反向比例运算放大器所组成的放大电路是正反馈放大器，满足振荡的相位条件。在谐振频率f0处，通过计算可得反馈电压是输出电压的1/3，而输入电压就是反馈电压，即：第四节 振荡电路 三、LC振荡电路 图11-14 变压器反馈式LC振荡电路 由1个放大器、1个LC网络构成的振荡电路称为

125、LC振荡电路，主要用来产生高频正弦波信号。由于反馈形式不同，LC振荡电路又分为变压器反馈式振荡电路、电感式反馈振荡电路和电容式反馈振荡电路3种。 1.变压器反馈式LC振荡电路 图11-14所示为变压器反馈式LC振荡电路。由图可见，该电路包括放大电路、反馈网络和选频网络等基本组成部分，其中LC并联电路起选频作用，反馈是由变压器副边绕组N2实现的。 变压器反馈式LC正弦波振荡电路起振的幅值条件是环路增益大于1，只要变压器的变比和晶体管选择适当，一般都可以满足幅值条件。而振荡的稳定是利用放大器件的非线性来实现的。当振幅大到一定程度时，LC并联谐振回路具有良好的选频作用，因此输出电压的波形一般失真不大

126、。第四节 振荡电路 2.电感反馈式振荡电路 电感反馈式振荡电路如图11-15所示。这种LC并联谐振电路中电感的首端、中间抽头和尾端3个端点，分别与放大器件的集电极、发射极和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，因此，习惯上将如图11-15所示的电路称为电感反馈式LC振荡电路。 图11-15 电感反馈式振荡电路 电感反馈式正弦波振荡电路的特点是容易起振，而且可以方便地改变电感抽头的位置，改变电容的大小使f0在较宽的范围内可调，所以用在经常改变频率的场合（例如收音机、信号发生器等）。但是由于反馈电压取自L2上，输出信号中含的高次谐波较多，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，波形失真较大，所以这类振

127、荡常用于对波形要求不高的振荡器中。 电感反馈式振荡电路克服了变压器反馈式振荡电路所存在的缺点，可获得较宽振荡频率的输出信号，最高振荡频率可达几十兆赫，能够产生较高的正弦波。但是这种振荡的频率调节困难，因此在收音机中很少使用，但在广播发射机和电视机中应用较广。第四节 振荡电路 3.电容反馈式振荡电路 电容反馈式振荡电路如图11-16所示。C2提供反馈电压，三极管的3个极与电容支路的3个点相接。 图11-16 电容反馈式振荡电路 图11-17石英晶体振荡器的外形 四、石英晶体振荡器 1.石英晶体振荡器的外形 石英晶体振荡器简称石英晶体，是由石英晶体切割成特定形状的晶片构成，且在两面上都涂上导电层。

128、其外形如图11-17所示，一般用金属外壳密封，也有用玻璃壳封装。 2.石英晶体振荡器的等效电路和频率特性第四节 振荡电路 石英晶体振荡器的结构和符号如图11-18（a）、（b）所示。石英晶体振荡器是靠压电效应产生振荡的，处在振荡状态下的石英晶体等效电路如图11-18（c）所示，图11-18（d）是石英晶体振荡器的频率特性。石英晶体振荡器组成的选频网络具有稳定的固有频率，常用在对振荡频率稳定性要求非常高的电路中。 图11-18 石英晶体振荡器的等效电路和频率特性 （1）等效电路中的R、L、C支路发生串联谐振时，等效于纯电阻电路，其串联谐振频率为： （2）当外加信号频率大于fs时，L、C、R支路呈

129、感性，与电容C0组成并联谐振电路，其并联谐振频率为： 3.石英晶体正弦波振荡电路 第四节 振荡电路 3.石英晶体正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路的形式多种多样，但基本电路只有两类，即并联型和串联型。并联型石英晶体正弦波振荡电路的组成如图11-19（a）所示，图11-19（b）为串联型石英晶体正弦波振荡电路。 图11-19 石英晶体正弦波振荡电路 并联型石英晶体正弦波振荡电路使石英晶体振荡器工作在fs与fp之间，即只有晶体在电路中起电感作用才能组成电容反馈式振荡电路。 串联型石英晶体正弦波振荡电路使晶体工作在串联谐振频率fs处，阻抗最小，使其组成正反馈网络并形成选频振荡器。当石英晶体振荡器

130、的等效电路中的R、L、C支路发生串联谐振现象时，石英晶体振荡器所在的支路呈纯电阻性负载，在谐振时，反馈放大器是正反馈，满足振荡器振荡的相位条件。调整电位器Rf使电路同时满足振荡的振幅条件，振荡电路就会起振，输出正弦波信号。第四篇 数字电子技术第十二章 数字电子技术基础知识目标1.了解模拟信号与数字信号的区别和特点。2.了解逻辑函数和逻辑变量。3.掌握3种基本的逻辑运算和组合逻辑运算。4.认识基本的逻辑门电路和组合逻辑门电路。5.了解逻辑代数的基本公式和基本定律。6.了解化简逻辑函数的基本方法。技能目标1.初步掌握使用示波器观察脉冲波形。2.能够识别一般的门电路符号。3.能够根据逻辑功能选用和替

131、换集成“与非”门电路。4.能够进行简单的逻辑函数化简。第一节 概述 一、模拟信号与数字信号一、模拟信号与数字信号 模拟信号指的是在时间上连续的、幅度大小连续不断变化的信号。模拟信号如图12-1（a）所示。模拟信号在传输过程中，先把信息信号转换成几乎“一模一样”的波动电信号，再通过有线或无线的方式传输出去，电信号被接收下来后，通过接收设备还原成信息信号。电话、传真、电视信号等都是模拟信号。 数字信号指的是时间轴上是离散的数值、幅度固定不变的信号，即用二进制0、1记录信号，反映到图像上是用高、低电平表示的脉冲信号。数字信号如图12-1（b）所示。脉冲信号即是典型的数字信号。图12-1 模拟信号与数

132、字信号第一节 概述 1.特点 处理数字信号的电路称为数字电路。数字电路主要有以下特点： （1）工作信号是不连续的数字信号，只有0和1两个基本数字，体现在电路中即是只有高电平和低电平两种状态，电路结构简单，对精度的要求不高，适于集成化。 （2）侧重研究电路的输出与输入之间的逻辑关系，分析方法与模拟电路完全不同，具有独立的基础理论，所使用的数学工具主要是逻辑代数。 （3）数字电路中，利用半导体管的饱和和截止来表示数字信号的高、低电平，半导体管只处于开关状态，因此工作可靠性高，抗干扰能力强。 2.逻辑变量 在分析和设计数字电路时，需要使用的数学工具主要是逻辑代数。逻辑代数中的变量通常称为逻辑变量。逻

133、辑变量只有两个值(二元常量)，即0和1。逻辑值0和1不像普通代数中那样具有数量的概念，而是用来表征矛盾的双方和判断事件真伪的形式符号，无大小、正负之分。开关的接通与断开，电压的高和低，信号的有和无，晶体管的导通与截止等两种稳定的物理状态，均可用1和0这两种不同的逻辑值来表征。例如用变量A表示一个电路的输出电压状态，当A1时规定为高电压，则A0时就是低电压。正因为逻辑变量仅有两个取值，所以逻辑代数的推演规则比普通代数要简单得多。第一节 概述 3.真值表 数字电路的逻辑功能可以通过真值表来描述，即将输入变量的不同取值的组合与函数值之间的对应关系列成表格，一个确定的逻辑函数的真值表是唯一的。例如，图

134、12-2给定的控制电路，开关A、B、C看作是输入变量，灯F看作是输出变量。当开关C断开时，灯F灭；当开关C闭合，开关A、B全断开时，灯F灭；当开关C闭合，开关A、B有一个闭合时，灯F亮。如开关闭合、灯亮用逻辑“1”表示，而开关断开、灯灭用逻辑“0”表示。图12-2 控制电路第二节 基本逻辑运算和门电路 一、一、“与与”运算和运算和“与与”门电路门电路 1.“与”运算 在逻辑问题中，只有决定某一事件的所有条件全部具备，事件才能发生，这种因果关系称为“与”逻辑。“与”逻辑关系用“与”运算描述。“与”运算的运算符号用“”表示。两个变量之间的“与”运算关系可表示为：F=AB 读作“F等于A与B”。 在

135、图12-3所示电路中，两个开关串联控制同一盏灯。只有把两个开关A、B全部闭合时，灯F才能亮，若开关A或B中有一个不闭合，灯F就不亮。如果用二值变量来表示，开关接通为1，断开为0，灯亮为1，灯灭为0。图12-3 “与”运算电路第二节 基本逻辑运算和门电路 2.“与”门电路 “与”门是一个具有多个输入端头和一个输出端头的逻辑门电路。图12-4所示是一个二极管“与”门电路，A、B是输入端，F是输出端。图12-5所示是其逻辑符号。 图12-4 二极管“与”门电路 图12-5 “与”门逻辑符号第二节 基本逻辑运算和门电路 二、二、“或或”运算和运算和“或或”门电路门电路 1.“或”运算 如果决定事件发生

136、的各种条件中，只要有一个或一个以上条件具备，事件就发生，则这种因果关系称之为“或”逻辑。逻辑代数中，“或”逻辑用“或”运算描述。其运算符号为“+”，两个变量之间的“或”运算关系可表示为：F=A+B 读作“F等于A或B”。该逻辑关系可用表12-4来描述。 “或”运算的运算法则为：0+0=0 1+0=10+1=1 1+1=1第二节 基本逻辑运算和门电路 2.“或”门电路 图12-7所示为二极管“或”门电路，可以看出A、B两个输入端中只要有一个是高电平，则该路二极管导通，输出F被钳制在高电平。只有当A、B都是低电平，输出F才是低电平。“或”门电路真值表见表12-5。“或”逻辑可用逻辑式F=A+B表示

137、，它的运算规则为有“1”出“1”，全“0”出“0”，即符合“或”门真值表的规定。“或”门电路的逻辑符号如图12-8所示。 图12-7 二极管“或”门电路 图12-8 “或”门电路的逻辑符号 三、三、“非非”运算和运算和“非非”门电路门电路 1.“非”运算第二节 基本逻辑运算和门电路 在逻辑问题中，对一个逻辑变量的否定称为“非”逻辑。在逻辑代数中，“非”逻辑用“非”运算描述。“非”运算也叫求反运算或者逻辑否定。其运算符号为“-”，“非”运算的逻辑关系可表示为： 在图12-9所示电路中，当开关A闭合时，则灯F不亮。当开关A断开时，灯F才亮。如果用二值变量来表示，开关断开为0，开关闭合为1，灯亮为1

138、，灯灭为0。 2.“非”门电路 图12-10所示是三极管的“非”门电路，当输入为高电平时，输出为低电平；当输入为低电平时，输出为高电平，所以输出与输入之间呈现“非”逻辑。图12-11是其逻辑符号。 图2-9 图12-10 图12-11第三节 复合逻辑门电路 一、一、“与非与非”门电路门电路 将“与”门电路放在前面，“非”门电路放在后面，两个门电路串联起来就构成了“与非”门电路。其逻辑函数式为： F=AB “与非”门电路的逻辑符号如图12-12所示。 图12-12 “与非”门电路的逻辑符号 二、二、“或非或非”门电路门电路 将“或”门电路放在前面，“非”门电路放在后面，两个门电路串联起来就构成了

139、“或非”门电路。其逻辑函数式为： F=A+B “或非”门电路的逻辑符号如图12-13所示，其真值表如表12-8所示。图12-13 “或非”门电路的逻辑符号第三节 复合逻辑门电路 三、“与或非”门电路 将“与”门电路、“或”门电路、“非”门电路串联起来就构成了“与或非”门电路。其逻辑函数式为：“与或非”门电路的逻辑符号如图12-14所示，其真值表如表12-9所示。 图12-14 “与或非”门电路的逻辑符号 四、“异或”门电路和“同或”门电路 1.“异或”门电路 “异或”逻辑关系是指当输入信号A、B相同时，则输出信号F等于0；当输入信号A、B不同时，则输出信号F等于1。其逻辑函数式为：读作“F等于

140、A异或B”。“异或”门电路的逻辑符号如图12-15所示。第三节 复合逻辑门电路 图12-15 “异或”门电路的逻辑符号 2.“同或”门电路 “同或”逻辑关系是指当输入信号A、B相同时，则输出信号F等于1；当输入信号A、B不同时，则输出信号F等于0。其逻辑函数式为：读作“F等于A同或B”。“同或”门电路的逻辑符号如图12-16所示。 图12-16 “同或”门电路的逻辑符号第四节 逻辑代数 一、逻辑代数的基本定律与基本公式 逻辑代数的基本定律与基本公式如表12-12所示，其常用公式如表12-13所示。 （表12-12逻辑代数的基本定律与基本公式 见书第233页） 二、逻辑函数的化简方法 逻辑函数越

141、简单，它所表达的逻辑关系越明显，就越有利于用最少的电子器件实现该逻辑函数。因此，经常需要通过化简来找出逻辑函数的最简形式。 化简的常用方法有： 1.并项利用AB+A =A将两项并为一项，且消去一个变量； 2.消项利用A+AB=A消去多余的项； 3.消元利用A+ B=A+B消去多余变量； 4.配项利用AB+ C+BC=AB+ C和互补律、重叠律先增添项，再消去多余项。实验实训十 集成“与非”门电路的逻辑功能及应用实验 一、 实验目的 1.掌握集成“与非”门电路输入与输出之间的逻辑关系。 2.熟悉集成“与非”门电路的外型、管脚和使用方法。 3.能测试集成“与非”门电路的逻辑功能。 4.初步学会使用

142、集成“与非”门电路搭接其他逻辑功能门电路的方法。 二、实验原理 集成“与非”门电路具有较快的工作速度、较强的抗干扰能力、较大的输出幅度和负载能力强等优点，因而得到了广泛的应用。 1.输出高电平VOH 输出高电平是指集成“与非”门电路有一个以上输入端接地或接低电平时的输出电平值。空载时，VOH必须大于标准高电平（VSH=2.4V），接有拉电流负载时，VOH将下降。测试VOH的电路如图12-18所示。 图12-18 VOH的测试电路 图12-19 VOL的测试电路实验实训十 集成“与非”门电路的逻辑功能及应用实验 2.输出低电平VOL 输出低电平是指集成“与非”门电路的所有输入端都接高电平时的输出

143、电平值。空载时，VOL必须低于标准低电平（VSL=0.4V），接有灌电流负载时，VOL将上升。测试VOL电路如图12-19所示。 3.集成“与非”门电路的逻辑功能 集成“与非”门电路真值表只需按真值表逐项验证即可。本实验选用的集成“与非”门电路为74LS00，它的外引线排列如图12-20所示。 三、实验步骤 图12-20 74LS00外引线排列图 1.用数字万用表分别测量集成“与非”门电路74LS00在带负载和开路两种情况下输出的高电平VOH和输出的低电平VOL。测试电路如图12-18及图12-19所示。 2.按集成“与非”门电路真值表逐项验证其逻辑功能。 3.利用“与非”门电路组成其他门电路

144、，并自拟实验步骤和表格，测试其逻辑功能。 (1)用“与非”门电路组成“非”门电路。 (2)用“与非”门电路组成二输入“与”门电路。 (3)用“与非”门电路组成二输入“或”门电路。第十三章 时序逻辑电路知识目标1.了解时序电路的基本概念和分类。2.理解触发器的基本概念。3.理解几种常用触发器的工作原理。4.掌握几种常用触发器的逻辑功能。5.了解时序电路的特点。6.了解二进制数和二进制计数器、集成十进制计数器、集成任意进制计数器的功能。7.了解寄存器的概念和功能。8.了解译码、显示的概念及译码器与显示器的功能。技能目标1.能够识读门电路芯片，了解基本的连接和使用方法。2.能够识读触发器芯片，了解基

145、本的连接和使用方法。3.能够查阅手册合理选用集成触发器。第一节 触发器 一、时序电路一、时序电路 数字电路包括组合电路和时序电路两大类。组合电路是由各种门电路组成，电路某一时刻的输出仅仅决定于该时刻的输入，而与以前各时刻的输入无关。而在时序电路中，当前的输出不仅取决于当前的输入，还与以前的输入有关系。 时序电路是具有记忆和存储功能的电路，一般由组合电路和存储电路构成，并且存储电路是必不可少的，是时序电路的基本单元电路。另外，存储电路输出的状态必须反馈到输入端，与输入信号共同决定组合电路的输出。时序电路的结构如图13-1所示。 二、触发器二、触发器 1.触发器的概念 触发器是数字系统中具有记忆功

146、能的基本逻辑单元，某一时刻的输出状态（称为次态）不仅取决于输入信号，还与触发器的原状态（称为现态）有关。触发器属于双稳态器件。所谓双稳态器件，就是指具有两个稳定的状态，即置位和复位。“稳定的状态”是指触发器可以无限期地保持置位状态或复位状态，因此，触发器可以存储一个二进制位。当触发器处于置位状态相当于存储“1”，当触发器处于复位状态相当于存储“0”。另外，这两种状态在适当的信号作用下可以发生转换，能够接收和输出送来的信号，并且在输入信号消失后，能使新的状态保持下来。图13-1 时序电路的结构第一节 触发器 2.触发器的分类 按其逻辑功能，触发器分为RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等；

147、按输入端是否有时钟脉冲CP，触发器分为有时钟输入的时钟触发器和无时钟输入的基本触发器；按触发方式，触发器分为电平触发器和边沿触发器；按器件导电类型，触发器分为TTL触发器和CMOS触发器等。 三、基本RS触发器 1.电路结构 RS触发器又称RS锁存器，是由两个“与非”门交叉反馈连接而构成的，用于数据的暂时存储，是其他所有触发器类型的基本电路，如图13-2（a）所示。S、R为两个输入端，低电平时有效，Q、Q是它的两输出端，两者的输出状态在正常情况下相反。当Q=1、Q=0时，称触发器为1态，也称为置位状态；当Q=0、Q=1时，称触发器为0态，也称为复位状态；而Q与Q状态相同时，既不是0态也不是1态

148、，是不允许的状态。它的逻辑符号如图13-2（b）所示。图13-2 基本RS触发器第一节 触发器 2.工作原理 由图13-2（a）分析逻辑关系如下。 （1）输入端S=1、R=0时，触发器处于置0状态 （2）输入端S=R=1时，触发器处于保持状态 （3）输入端S=0、R=1时，触发器处于置1状态 （4）当S=R=0时，触发器处于输入端不定状态第一节 触发器 四、同步RS触发器 在实际数字电路系统中，为保证各部分电路工作协调一致，常常要求某些触发器在同一时刻动作。由于基本RS触发器没有一个统一的节拍控制，这是很不方便的，故在实际应用中，需在触发器的输入端加入一个同步信号，使这些触发器只有在同步信号到

149、达时才能按输入信号改变状态。通常把这个同步控制信号称为时钟信号，简称时钟，用CP表示。这种触发器称为时钟控制RS触发器，又称为同步RS触发器。 1.电路结构 图13-3（a）是同步RS触发器的逻辑图，“与非”门G1、G2组成基本RS触发器，“与非”门G3、G4构成控制电路。图13-3（b）是同步RS触发器的逻辑符号。 2.工作原理 在图13-3（a）中，当CP0，无论R和S是什么信号，G3、G4门的输出均为1，处于被封锁状态，由G1、G2门构成的基本RS触发器因输入信号全为1而保持原状态不变。第一节 触发器 五、主从JK触发器 同步RS触发器中，由于R、S输入同时为1时，输出状态不确定，因此这

150、种情况禁止出现。为了提高触发器工作的稳定性，希望在每一个时钟周期内输出端的状态只改变一次，因此，在同步RS触发器的基础上设计了主从型结构触发器。 1.电路结构 图13-4（a）是主从JK触发器的逻辑电路。它由两个同步RS触发器组成，这两个同步RS触发器分别称为主触发器和从触发器。此外，还要通过一个“非”门将两个触发器的时钟脉冲端连接起来，这就是触发器的主从型结构。在集成触发器中，K及J往往有多个，在电路内构成相“与”的关系，即J=J1J2J3，K=K1K2K3。图13-4（b）是它的逻辑符号。图中RD及SD是直接置0端和置1端（也称异步置0端和置1端），这两端的小圈表示低电平置0及置1。所谓直

151、接置0置1是指这两端的信号对输出Q及Q的作用不受时钟端CP的限制，它对输出Q可以直接置0或置1。 图13-4第一节 触发器 2.工作原理 （1）J=0,K=0时，Qn+1=Qn 这时G1、G2被封锁，时钟脉冲到来时，触发器状态并不改变，即Qn+1=Qn，输出保持不变。 （2）J=0,K=1时，Qn+1=0 无论触发器原来的状态如何，当时钟脉冲到达后，触发器置0，即Qn+1=0。 （3）J=1,K=0时，Qn+1=1 无论触发器原来的状态如何，当时钟脉冲到达后，触发器置1，即Qn+1=1。 （4）J=1,K=1时，Qn+1=Qn 这时触发器的输入端均为高电平，当时钟信号到达后，触发器的状态发生翻

152、转，可以实现计数功能。第一节 触发器 六、D触发器 1.电路结构 D触发器逻辑图如图13-5（a）所示。它由6个“与非”门组成，其中G1、G2组成基本触发器，G3、G4组成时钟控制电路，G5、G6组成数据输入电路。其逻辑符号如图13-5（b）所示。 图13-5 D触发器 2.工作原理 （1）D=0时，置0.时钟脉冲到来后，输出状态将变成Qn+1=0。 （2）D=1时，置1.时钟脉冲到来后，输出状态将变成Qn+1=1。 可见，D触发器的输出端状态仅仅决定于时钟到达前D的输入状态，而与触发器的现态无关，即Qn+1=Dn。第二节 计数器 计数器的种类很多，按计数脉冲作用方式不同，分为同步计数器和异步

153、计数器；按计数过程中数字是否增减，分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器；按计数进制不同，分为二进制计数器、十进制计数器、任意进制计数器等。 一、二进制计数器 1.二进制数 二进制数只有两个数码，0和1。所谓二进制加法就是“逢二进一”，每当本位是1，再加1时，本位就变成0，而向高位进一位二进制数。二进制数10意味着：10（2进制数）=121+020。 一个触发器只能表示一位二进制数，多位二进制数计数器可以由多级触发器组成，但应由低位向高位提供进(借)位信号。对于用同一计数脉冲驱动的触发器，进位信号应提前一拍供给。 2.同步二进制加法计数器 同步计数器中，各触发器的翻转与时钟脉冲同步，工作速度较

154、快，工作频率也较高。二进制计数器是结构最简单的计数器，但应用很广。其电路结构如图13-6所示。第二节 计数器 图13-6 同步二进制加法计数器 同步二进制加法计数器的特点是： （1）所有触发器的时钟控制端均由计数脉冲CP输入，CP的每一个触发沿可以使所有的触发器状态更新。 （2）当低位不向高位进位时，高位触发器状态保持不变；当低位向高位进位时，高位触发器翻转，计数加1。 （3）当低位为1时再加1，则低位向高位进位，例如：1110；111100；11111000；1111110000。 二、十进制计数器 中规模集成同步计数器类型很多，常见的有具有异步清零功能的74LS160和具有可逆功能的74L

155、S190。 1.集成同步十进制加法计数器74LS160第二节 计数器 （1）逻辑符号. （2）逻辑功能. 2.集成同步十进制可逆计数器74LS190集成同步十进制可逆计数器74LS190具有可逆功能，其逻辑符号如图13-9所示。 图13-9 集成同步十进制可逆计数器74LS190的逻辑符号 集成同步十进制可逆计数器74LS190的各引脚功能如下： D/U：加/减控制信号； LD：置数信号（异步）； EN：计数使能信号；第二节 计数器 RCO：行波时钟输出，加计数值达到最大(1001)或减计数值达到最小 (0000)时输出低电位，否则输出高电位； MAX/MIN：加计数值达到最大（1001）或减

156、计数值达到最小（0000）时输出高电位，否则输出低电位。 CPLDEND/U功能100加计数101减计数X0XX置数X11X保持集成同步十进制可逆计数器74LS190的时序图如图13-10所示。 图13-10 集成同步十进制可逆计数器74LS190的时序图 三、N进制计数器 由于计数器的绝大多数产品都是二进制、十进制，为了构成任意N进制计数器，经常采用已有的集成计数器级联组合，常用的方法有以下几种：第二节 计数器1.简单连接法2.反馈归零法3.输入端控制法第三节 寄存器 寄存器主要由触发器构成，它具有接收、存放和清除原有数码的功能。 寄存器常分为数码寄存器和移位寄存器两种，其区别主要在于有无移

157、位的功能。 一、数码寄存器 图13-14所示是由D触发器组成的4位数码寄存器。4个触发器的时钟脉冲并联在一起，作为接收数据的控制端，各触发器的复位端并联在一起作为寄存器的清零信号，低电平时有效。其工作过程如下： 图13-14 4位数码寄存器 1. 清除数码 在存放数码之前，首先用一个低电平脉冲清除寄存器原有数码，寄存器的输出端均为“0”状态。 2. 寄存数码 当寄存指令到来时，外部输入数码存入寄存器，只要不出现清零，寄存器中的数码就可以一直保持下去。第三节 寄存器 二、移位寄存器 移位寄存器除了具有存储数码功能外，还能在移位脉冲的作用下将寄存器中存储的代码依次左移或者右移。因此，移位寄存器不但

158、可以存储数据，还可以用来实现数据的串并行转换、数值运算以及数据处理等。比如，在运算器中，我们利用移位寄存器将二进制数左移一位或右移一位，就实现了一次乘2运算或除2运算。图13-15所示是由D触发器组成的4位右移寄存器，D1端是串行输入端，CP是移位脉冲。 图13-15 由D触发器构成的移位寄存器 寄存数码之前，首先对寄存器进行清零设置。然后在每个脉冲到来时，外部串行输入的数据依次进入寄存器，分别右移。寄存器的输出端Q3、Q2、Q1、Q0可以同时输出4位数码，即实现并行输出；也可以在脉冲的作用下，逐步从D0输出，即实现串行输出。第四节 译码器和显示器 一、译码器 1.译码的概念 为了便于读取数据

159、，通常采用人们熟悉的十进制数直观地显示结果，而数字系统中又常采用二进制计数，因此在进行运算的时候，必须将二进制转换成十进制，才能直观地显示数据。这种将二进制代码转换成对应数据信息的过程就是译码。能实现译码功能的组合逻辑电路称为译码器。 2.译码器的功能 集成译码器按功能可分为3种，即二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器。第四节 译码器和显示器 二、 显示器 在数字系统中，常常需要将数字、文字和符号的二进制数码翻译成人们习惯的形式直观地显示出来，这就需要显示器来完成。将计数器的计数结果以十进制数字形式直观地显示出来，常用的数码显示器为7段数码显示器，它是由7根发光二极管排列成8字形的，不同

160、的数码管组合可以分别显示0至9这10个十进制数码。 图13-18所示是共阴式LED数码管74LS48的原理图和驱动电路，可以通过逻辑功能的真值表来了解它的功能。 图13-18 共阴式LED数码管74LS48的原理图和驱动电路实验实训十一 计数、译码、显示电路实验 一、 实验目的 1.学习中规模集成计数器、译码器及显示器的使用方法。 2.学习运用上述组件连接简单计数器的技能。 二、实验原理 计数是最基本的逻辑运算，计数器不仅用来计算输入脉冲的数目，而且还用作定时电路、分频电路和实现数字运算等，而且它是一种十分重要的时序电路。 图13-24 74LS90构成的不同进制计数器 三、实验内容及步骤 1

161、.按图13-24(a)用74LS90接成二进制计数器，由CP1逐个输入单次脉冲，观察输出状态并记录，验证其二进制计数功能。 2.按图13-24（b）接成五进制计数器，由CP2逐个输入单次脉冲，观察输出状态并记录，验证其五进制计数功能。 3.按图13-24（c）接成8421码十进制计数器，由CP1逐个输入单次脉冲，观察并记录输出状态，验证其十进制计数功能。 4.用集成计数器74LS90组成十进制计数器，用LED译码显示电路显示（注意高低位顺序及最高位的处理），这样组成一个十进制的计数、译码、显示电路。通过数码管观察计数、译码、显示电路的功能是否正确。第十四章 数字电路的应用知识目标1.了解逻辑电

162、路的简单分析和综合应用的方法。2.了解555定时器的工作特点。3.了解555定时器用于脉冲波形的产生与变换原理。4.了解数模、模数变换的概念。技能目标1.了解数字万用表的工作原理。2.了解555定时器简单的应用电路。第一节 逻辑电路的简单分析和综合应用的方法 一、逻辑电路的简单分析 逻辑电路的简单分析步骤如下： （1）根据逻辑图写出逻辑关系表达式。 （2）化简逻辑关系表达式。 （3）用逻辑表达式建立真值表。 （4）由真值表分析判断逻辑电路的功能。 根据“异或”运算的特点，该电路功能为：在输入的3个变量中，取值有奇数个1时，输出就为1，或者可以认为是奇数判断电路。第一节 逻辑电路的简单分析和综合

163、应用的方法 二、组合逻辑电路设计 组合逻辑电路的设计步骤如下： （1）指定实际问题的逻辑含义。 （2）按照要求列出真值表。 （3）根据真值表写出表达式。 （4）化简表达式。 （5）根据表达式画出逻辑图。第二节 触发器的应用 具有触发器结构的电路系统在日常生活中十分常见，智力竞赛抢答器就是其中的一个典型。下面通过一个简单的数字式抢答器来说明触发器在数字电路中的应用。 整体的电路设计原理图如图14-3所示。 图14-3 数字式抢答器原理图 电路主要由两部分组成：时间判别电路部分和指示灯部分。此外，可以在指示灯亮起的同时，设计一个扬声器，发出蜂鸣声，这就需要一个音频发生部分。第三节 555集成定时器

164、 555集成定时器是一种将模拟功能与数字电路巧妙地结合在一起的中规模集成电路，应用十分广泛。 一、555集成定时器的管脚排列 555集成定时器有8个管脚，管脚排列如图14-5所示。 图14-5 555集成定时器的管脚排列 各管脚的功能如下： （1）GND：接地端。 （2）TR:低电平触发端。 （3）OUT：输出端。 （4）RD:异步复位端,低电平有效。 （5）CO：控制电压端，当接外加电压时，可改变阈值和触发端的比较电平。 （6）TH：阈值端。 （7）DISC：放电端。 （8）UCC：电源端，接正电压。第三节 555集成定时器 二、555集成定时器的内部逻辑结构与基本功能 555集成定时器的内

165、部逻辑结构如图14-6所示。 图14-6 555集成定时器的内部逻辑结构 三、555集成定时器的典型应用 555集成定时器是一种模拟数字混合式集成定时器，所以用它可以很方便地组成多种脉冲电路，如多谐振荡器、双稳态触发器和施密特触发器等，在工业控制等诸多方面有很广泛的应用。第三节 555集成定时器 单稳态触发器有以下两种工作状态： （1）稳态。如果没有触发信号来到，555集成定时器输出为低电平，电路一直处于稳定状态。 （2）暂态。外加触发信号Ui的下降沿到达时，555集成定时器输出变为高电平。UCC开始通过电阻R向电容C充电，电路进入暂态。但当电容C的电压上升到UC23UCC时，555定时器输出

166、变为低电平，电容开始放电直至近似为零，此时暂态结束，电路将返回到初始的稳态。 可见，单稳态触发电路只有在外界触发脉冲的作用下，才可以从稳态翻转到暂态，持续一段时间后，又可以自动回到稳态，这样就构成了脉冲发生电路。由于这些特点，单稳态触发电路可以用于：（1）延时电路，可以将输入信号延迟一定时间后输出；（2）定时电路，可以产生一定宽度的脉冲信号。第四节 数模和模数转换电路 一、数模和模数的概念 把模拟信号转换为数字信号称为模数转换，简称A/D转换；把数字信号转换为模拟信号称为数模转换，简称D/A转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或简写为ADC，其转换过程包括取样、保持、量化和编码4个过程

167、。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，或简写为DAC。D/A转换及A/D转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。 二、数字万用表 1.模拟万用表和数字万用表 万用表是电子测量技术领域中出现最早的一种电气测量仪表，主要用于测量电流、电压、电阻，具有携带方便、操作简便、测量迅速、成本低廉等优点，在各个领域得到广泛应用。 万用表种类很多，根据所应用的测量原理和测量结果显示方式的不同，可分为模拟万用表和数字万用表两大类。如图14-8所示，模拟万用表先通过一定的测量机构将被测的模拟电量转换成电流信号，再由电流信号驱动表头指针偏转，从表头的刻度盘上即可读出被测量的值。数字万用表则是由模/数 (A/

168、D)转换器将被测模拟量转换成数字量，然后由电子计数器计数，最后把测量结果在数字显示器上直接显示出来。第四节 数模和模数转换电路 图14-8 模拟万用表和数字万用表的测量过程 2.数字万用表的结构 万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）作表头，当微小电流通过表头，就会有电流指示。数字万用表的核心即是数字电压表，它只能测量直流电压。实际上，无论是直流量、交流量或是某电容值的测量，均可转换为对直流电压的测量。数字万用表对各种参数的测量都是首先经过相应的变换器，将各参数转化成数字电压表可以接受的直流电压，然后送给数字电压表，经过模/数（A/D）转换变成数字量，然后利用电子计数器计数

169、，以十进制数字显示参量。 数字万用表的结构如图14-9所示。在功能变换器部分，主要有电流-电压变换器、交流-直流变换器、电阻-电压变换器等。 常见的DT-830B数字万用表的外型和内部电路原理图如图14-10所示。 图14-9 数字万用表的结构第四节 数模和模数转换电路 (a)DT-830B数字万用表外型 （b）电路原理图 图14-10 DT-830B数字万用表的内部电路原理图第五节 数字电路综合实例数字钟电路 一、数字钟电路的功能 数字钟电路应该具有以下基本功能：显示日、时、分、秒的功能；计时准确，每天计时误差不超过10秒。 二、数字钟电路的组成 数字钟电路一般由振荡器、分频器、计数器、译码

170、器、显示器、校时电路等几部分组成，其逻辑原理框图如图14-11所示。 图14-11 数字钟电路的逻辑原理框图 1.石英晶体振荡器 振荡器是数字钟的核心，可以产生标准频率信号，振荡频率的精度与稳定度基本上决定了数字钟的准确度。第五节 数字电路综合实例数字钟电路 2.分频器 分频器的作用是将石英晶体振荡器产生的标准频率信号，分成秒时间的标准脉冲信号。 3.计数器 计数器对秒信号进行计数，累计为“时”、“分”、“秒”。“秒”由六十进制计数电路来实现，“分”与“秒”相同，“时”由二十四进制电路来实现。 4.译码和显示电路 译码和显示电路的功能就是将时、分、秒计数器输出的代码翻译成相应的十进制数的状态，

171、并在7段LED数码管上显示十进制数字。 5.校时电路 校时电路只有分钟和小时的校正，在校准过程中应该不影响分和秒的正常计数。实验实训十二 灯光控制电路实验 一、实验目的 1.学会应用数字集成电路搭接实用电路的方法。 2.了解555集成定时器组成的振荡器的工作原理。 二、实验电路图 三、实验步骤 1.了解电路各部分功能 如图14-15所示，该电路由555集成定时器、同步4位二进制计数器74HCl63和4线-16线译码器分配器74HCl54组成。 （1）振荡电路。采用555集成定时器组成多谐振荡器，产生频率可调的时间脉冲信号，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。 （2）计数器译码分配器。计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。74HCl63是同步4位二进制计数器，当输入周期性脉冲信号时，输出在00001111之间循环变化。4线-16线译码器74HCl54的16条输出线按照74HCl63所加的二进制数依次变成低电平，从而驱动发光二极管闪亮。 （3）显示电路。74HCl63所加的二进制数依次变成低电平，哪条输出线为低电平，与它相连的发光二极管就亮。因此任一时刻，只有1个发光二极管亮。 2.按照电路图连接电路 3.调试电路 该电路的16个发光二极管若组成一个环状，则发光二极管依次点亮时，就像一个光环在滚动一样，把发光二极管换成各种颜色的彩灯，这样循环起来就更加好看。图14-15