電路教學目標

電路的作用是進行電能與其它形式的能量之間的相互轉換。因此，用一些物理量來表示電路的狀態(tài)及各部分之間能量轉換的相互關系。

電流在實用上有兩個含義:第一，電流表示一種物理現(xiàn)象，即電荷有規(guī)則的運動就形成電流。第二，本來，電流的大小用電流強度來表示，而電流強度是指在單位時間內(nèi)通過導體截面積的電荷量，其單位是安培(庫/秒)，簡稱安，用大寫字母A表示。但電流強度平時人們多簡稱電流。所以電流又代表一個物理量，這是電流的第二個含義。

電流的真實方向和正方向是兩個不同的概念，不能混淆。

習慣上總是把正電荷運動的方向，作為電流的方向，這就是電流的實際方向或真實方向，它是客觀存在，不能任意選擇，在簡單電路中，電流的實際方向能通過電源或電壓的極性很容易地確定下來。

但是，在復雜直流電路中，某一段電路里的電流真實方向很難預先確定，在交流電路中，電流的大小和方向都是隨時間變化的。這時，為了分析和計算電路的需要，引入了電流參考方向的概念，參考方向又叫假定正方向，簡稱正方向。

所謂正方向，就是在一段電路里，在電流兩種可能的真實方向中，任意選擇一個作為參考方向(即假定正方向)。當實際的電流方向與假定的正方向相同時，電流是正值;當實際的電流方向與假定正方向相反時，電流就是負值。

換一個角度看，對于同一電路，可以因選取的正方向不同而有不同的表示，它可能是正值或者是負值。要特別指出的是，電路中電流的正方向一經(jīng)確定，在整個分析與計算的過程中必須以此為準，不允許再更改。

從數(shù)值上看，AB兩點之間的電壓是電場力把單位正電荷從A點移動到B點時所做的功;而電場中某點的電位等于電場力將單位正電荷自該點移動到參考點所做的功。比較電壓和電位的概念可以看出，電場中某點的電位就是該點到參考點之間的電壓，電位是電壓的一個特殊形式。對于電位來說，參考點是至關重要的。在同一電路中，當選定不同的參考點，同一點的電位數(shù)值是不同的。

原則上說，參考點可以任意選定。在電工領域，通常選電路里的接地點為參考點，在電子電路里，常取機殼為參考點。

在實際應用時，僅知道兩點間的電壓往往不夠，還要求知道這兩點中哪一點電位高，哪一點電位低。例如，對于半導體二極管來說，還有其陽極電位高于陰極電位時才導通;對于直流電動機來說，繞組兩端的電位高低不同，電動機的轉動方向可能是不同的。由于實際使用的需要，要求我們引入電壓的極性，即方向問題。

電路中因其他形式的能量轉換為電能所引起的電位差，叫做電動勢。用字母E表示，單位是伏特。在電路中，電動勢常用符號δ表示。

在物理學中，用電功率表示消耗電能的快慢.電功率用P表示，它的單位是瓦特，簡稱瓦，符號是W.電流在單位時間內(nèi)做的功叫做電功率 以燈泡為例，電功率越大，燈泡越亮。燈泡的亮暗由實際電功率決定，不用所通過的電流、電壓、電能、電阻決定!

在電路中:如果指定流過元件的電流參考方向是從標以電壓的正極性的一端指向負極性的一端，即兩者的參

(Ohm's Law):在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻阻值成反比，基本公式是I=U/R(電流=電壓/電阻)

諾頓定理:任何由電壓源與電阻構成的兩端網(wǎng)絡, 總可以等效為一個理想電流源與一個電阻的并聯(lián)網(wǎng)絡。

戴維寧定理:任何由電壓源與電阻構成的兩端網(wǎng)絡, 總可以等效為一個理想電壓源與一個電阻的串聯(lián)網(wǎng)絡。

分析包含非線性器件的電路，則需要一些更復雜的定律。實際電路設計中，電路分析更多的通過計算機分析模擬來完成。

它是線性元件的一個重要定理。在線性電阻中，某處電壓或電流都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該處分別產(chǎn)生的電壓或電流的疊加。

對于一個具有n個結點和b條支路的電路，假設各條支路電流和支路電壓取關聯(lián)參考方向，并令(i1,i2,···,ib)、(u1,u2,···,ub)分別為b條支路的電流和電壓，則對于任何時間t，有i1*u1+i2*u2+···+ib*ub=0。

在對偶電路中，某些元素之間的關系(或方程)可以通過對偶元素的互換而相互轉換。對偶的內(nèi)容包括:電路的拓撲結構、電路變量、電路元件、一些電路的公式(或方程)甚至定理。

所有的電路在工作時，每一個元件或線路都會有能量的工作運用，即電能運用，而所有電路里的電能工作運用即稱為電路功率。

電路或電路元件的功率定義為:【功率=電壓*電流(P=I*V)】。

自然界里能量不會消滅，固有一定律【能量不滅定律】。

電路總功率=電路功率+各電路元件功率。例如:【電源(I*V)=電路(I*V)+ 各元件(I*V)】

在電路中的能量有時會變?yōu)闊崮芑蜉椛淠堋绕渌芰康娇諝庵?，這就是電路或電路元件會發(fā)熱的原因，不會全部形成電能于電路中，根據(jù)【總能量=電能+熱能+輻射能+其他能量】。

電路由電源、負載、連接導線和輔助設備四大部分組成。實際應用的電路都比較復雜，因此，為了便于分析電路的實質(zhì)，通常用符號表示組成電路實際原件及其連接線，即畫成所謂電路圖。其中導線和輔助設備合稱為中間環(huán)節(jié)。

電源是提供電能的設備。電源的功能是把非電能轉變成電能。例如，電池是把化學能轉變成電能;發(fā)電機是把機械能轉變成電能。由于非電能的種類很多，轉變成電能的方式也很多。電源分為電壓源與電流源兩種，只允許同等大小的電壓源并聯(lián)，同樣也只允許同等大小的電流源串聯(lián)，電壓源不能短路，電流源不能斷路。

在電路中使用電能的各種設備統(tǒng)稱為負載。負載的功能是把電能轉變?yōu)槠渌问侥堋＠?，電爐把電能轉變?yōu)闊崮?電動機把電能轉變?yōu)闄C械能，等等。通常使用的照明器具、家用電器、機床等都可稱為負載。

連接導線用來把電源、負載和其他輔助設備連接成一個閉合回路，起著傳輸電能的作用。

輔助設備 輔助設備是用來實現(xiàn)對電路的控制、分配、保護及測量等作用的。輔助設備包括各種開關、熔斷器、電流表、電壓表及測量儀表等。

電路是電流所流經(jīng)的路徑,或稱電子回路，是由電氣設備和元器件(用電器)，按一定方式聯(lián)接起來。如電阻、電容、電感、二極管、三極管和開關等，構成的網(wǎng)絡。

電路規(guī)模的大小，可以相差很大，小到硅片上的集成電路，大到高低壓輸電網(wǎng)。

根據(jù)所處理信號的不同，電子電路可以分為模擬電路和數(shù)字電路。

是由電氣設備和元器件, 按一定方式連接起來，電路其實是在電壓作用下，有自由電子移動或自由離子移動形成的。

·是由自然界產(chǎn)生周期性變化的連續(xù) 性的物理自然變量，在將連續(xù)性物理自然變量轉換為連續(xù)的電信號，并通過運算連續(xù)性電信號的電路即稱為模擬電路。

模擬電路對電信號的連續(xù)性電壓、電流進行處理。

最典型的模擬電路應用包括:放大電路、振蕩電路、線性運算電路(加法、減法、乘法、除法、微分和積分電路)。運算連續(xù)性電信號。

亦稱為邏輯電路

將連續(xù)性的電訊號，轉換為不連續(xù)性定量的電信號，并運算不連續(xù)性定量電信號的電路，稱為數(shù)字電路。

數(shù)字電路中，信號大小為不連續(xù)并定量化的電壓狀態(tài)。

多數(shù)采用布爾代數(shù)邏輯電路對定量后信號進行處理。典型數(shù)字電路有，振蕩器、寄存器、加法器、減法器等。運算不連續(xù)性定量電信號。

·集成電路亦稱為IC (Integrated Circuit)。

·運用集成電路設計程式(IC設計)，將一般電路設計到半導體材料里的半導體電路(一般為硅片)，稱為積體電路。

·利用半導體技術制造出集成電路(IC)。

串聯(lián)是連接電路元件的基本方式之一。將電路元件(如電阻、電容、電感,用電器等)逐個順次首尾相連接，

將各用電器串聯(lián)起來組成的電路叫串聯(lián)電路。

·開關在任何位置控制整個電路，即其作用與所在的位置無關。電流只有一條通路，經(jīng)過一盞燈的電流一定經(jīng)過另一盞燈。如果熄滅一盞燈，另一盞燈一定熄滅。

·優(yōu)點:在一個電路中， 若想控制所有電器， 即可使用串聯(lián)的電路;

·缺點:只要有某一處斷開，整個電路就成為斷路。 即所相串聯(lián)的電子元件不能正常工作。

串聯(lián)電路中總電阻等于各電子元件的電阻和，各處電流相等，總電壓等于各處電壓之和。

并聯(lián)電路是使在構成并聯(lián)的電路元件間電流有一條以上的相互獨立通路，為電路組成二種基本的方式之一。例如，一個包含兩個電燈泡和一個9 V電池的簡單電路。若兩個電燈泡分別由兩組導線分開地連接到電池，則兩燈泡為并聯(lián)。

特點:用電器之間互不影響。一條支路上的用電器損壞，其他支路不受影響。

并聯(lián)電路中，總電阻1/R=1/R1+1/R2+1/R3+...+1/Rn，各處電壓相等。

提高電子電路抗干擾能力的方法:

一、減小來自電源的噪聲

電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復位線，中斷線，以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。

電網(wǎng)上的強干擾通過電源進入電路。即使電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。因此設計電源時要采取一定的抗干擾措施:(如輸入電源與強電設備動力線分開;采用隔離變壓器;采用低通濾波器;采用獨立功能塊單獨供電等)。

二、減小信號傳輸中的畸變

微控制器主要采用高速CMOS技術制造。信號輸入端靜態(tài)輸入電流在1mA左右，輸入電容10pF左右，輸入阻抗相當高。高速CMOS電路的輸出端都有相當?shù)膸лd能力，即相當大的輸出值，將一個門的輸出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當高的輸入端，反射問題就很嚴重。它會引起信號畸變，增加系統(tǒng)噪聲。當Tpd>Tr時，就成了一個傳輸線問題，必須考慮信號反射、阻抗匹配等問題。

信號在印制板上的延遲時間與引線的特性阻抗有關，即與印制線路板材料的介電常數(shù)有關?？梢源致缘卣J為，信號在印制板引線的傳輸速度，約為光速的1/3到1/2之間。微控制器構成的系統(tǒng)中常用邏輯電子元件的Tr(標準延遲時間)為3到18ns之間。

在印制線路板上，信號通過一個7W的電阻和一段25cm長的引線，線上延遲時間大致在4~20ns之間。也就是說，信號在印刷線路上的引線越短越好，最長不宜超過25cm。而且過孔數(shù)目也應盡量少，最好不多于2個。

當信號的上升時間快于信號延遲時間，就要按照快電子學處理。此時要考慮傳輸線的阻抗匹配，對于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號傳輸，要避免出現(xiàn)Td>Trd的情況，印刷線路板越大系統(tǒng)的速度就越不能太快。

用以下結論歸納印刷線路板設計的一個規(guī)則:信號在印刷板上傳輸，其延遲時間不應大于所用器件的標稱延遲時間。

·電源電路:產(chǎn)生各種電子電路的所需求電源。

·電子電路:亦稱電氣回路。

·基頻電路，基頻，低頻率，使用基頻元件。

·高頻電路，高頻，高頻率，使用高頻元件。

·基頻、高頻混合電路

·被動元件:如電阻、電容、電感、二極體…等，有分基頻被動元件、高頻被動元件。

·主動元件:如電晶體、微處理器…等有分基頻主動元件、高頻主動元件。

【微處理器電路】:亦稱微控制器電路，形成計算機、游戲機、(播放器影、音)、各式各樣家電、滑鼠、鍵盤、觸控…等。

【電腦電路】:為微處理器電路進階電路，形成桌上型電腦、筆記型電腦、掌上型電腦、工業(yè)電腦…各樣電腦等。

【通訊電路】:形成電話、手機、有線網(wǎng)路、有線傳送、無線網(wǎng)路、無線傳送、光通訊、紅外線、光纖、微波通訊、衛(wèi)星通訊等。

【顯示器電路】:形成螢幕、電視、儀表等各類顯示器。

【光電電路】:如太陽能電路。

【電機電路】:常運用於大電源設備、如電力設備、運輸設備、醫(yī)療設備、工業(yè)設備…等。

【串聯(lián)電路】:使同一電流通過所有相連接器件的聯(lián)結方式

【并聯(lián)電路】: 使同一電壓施加于所有相連接器件的聯(lián)結方式

1. 電流處處相等: I總=I1 =I2 =I3 =……=In

2. 總電壓等于各處電壓之和:U總=U1+U2+U3+……+Un

3. 等效電阻等于各電阻之和:R總=R1+R2+R3+……+Rn

(增加用電器相當于增加長度,增大電阻)

4. 總功率等于各功率之和:P總=P1+P2+P3+……+Pn

5. 總電功等于各電功之和:W總=W1+W2+……+Wn

6. 總電熱等于各電熱之和:Q總=Q1+Q2+……+Qn

7. 等效電容量的倒數(shù)等于各個電容器的電容量的倒數(shù)之和:1/C總=1/C1+1/C2+1/C3+……+1/Cn

8. 電壓分配、電功、電功率和電熱率跟電阻成正比:(t相同)

U1/U2=R1/R2，W1/W2=R1/R2，P1/P2=R1/R2，Q1/Q2=R1/R2?；?qū)懗?U1/U2=W1/W2=P1/P2=Q1/Q2=R1/R2

9.在一個電路中，若想控制所有電器， 即可使用串聯(lián)電路。

1.各支路兩端的電壓都相等，并且等于電源兩端電壓:

U總=U1=U2 =U3=……=Un;

2.干路電流(或說總電流)等于各支路電流之和:

I總=I1 +I2 +I3 +……+In;

3.總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻的倒數(shù)和:

1/R總=1/R1+1/R2+1/R3+……+1/Rn或?qū)憺?R=1/(1/(R1+R2+R3+……+Rn));

(增加用電器相當于增加橫截面積,減少電阻)

4.總功率等于各功率之和:P總=P1+P2+P3+……+Pn;

5. 總電功等于各電功之和:W總=W1+W2+……+Wn

6. 總電熱等于各電熱之和:Q總=Q1+Q2+……+Qn

7.等效電容量等于各個電容器的電容量之和:C總=C1+C2+C3+……+Cn

8. 在一個電路中， 若想單獨控制一個電器， 即可使用并聯(lián)電路。

在使用插座時，一般電源的插座距離地面要達到三十厘米，而開關的插座要達到一米四，如果有特殊的要求，比如要使用壁掛式的空調(diào)插座，則按特殊情況來處理，可以采用單獨走線來進行完成。而且同一個室內(nèi)的電源和電話、電視機等插座的面板要在同一個水平高度上，一般高度的差距也要低于五毫米，衛(wèi)生間的插座在使用之時還應該使用防濺型的插座，防水水濺入其中導致引發(fā)觸電危險。

電線的管道與熱水器管道以及煤氣管道不能夠彼此靠近，應該相互之間都保持一定的距離，煤氣的管道不能被封死，必須要走明管，如果需要對管道進行移動時，則應該找專業(yè)的燃汽公司來進行操作，防止出現(xiàn)事故，或者是移管不準確。在使用時水管時，熱水的管道全部要使用PPR水管，而下水管道則是采用PVC管道，在驗收時，也要特別注意，應該是左邊進熱水，右邊進冷水的，在驗收之時，要確保所有的水管都不會出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

靜電放電(ESD)是從事硬件設計和生產(chǎn)的工程師都必須掌握的知識。很多開發(fā)人員往往會遇到這樣的情形:實驗室中開發(fā)的產(chǎn)品，測試完全通過，但客戶使用一段時間后，即會出現(xiàn)異常現(xiàn)象，故障率也不是很高。一般情況下，這些問題大多由于浪涌沖擊、ESD沖擊等原因造成。在電子產(chǎn)品的裝配和制造過程中，超過25%的半導體芯片的損壞歸于ESD。隨著微電子技術的廣泛應用及電磁環(huán)境越來越復雜，人們對靜電放電的電磁場效應如電磁干擾(EMI)及電磁兼容性(EMC)問題越來越重視。

電路設計工程師一般通過一定數(shù)量的瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護。如固狀器件(二極管)、金屬氧化物變阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可變電壓的材料(新聚合物器件)、氣體電子管和簡單的火花隙。隨著新一代高速電路的出現(xiàn)，器件的工作頻率已經(jīng)從幾kHz上升到GHz，對用于ESD保護的高容量無源器件的要求也越來越高。例如，TVS必須迅速響應到來的浪涌電壓，當浪涌電壓在0.7ns達到8KV(或更高)峰值時，TVS器件的觸發(fā)或調(diào)整電壓(與輸入線平行)必須足夠低以便作為一個有效的電壓分配器。安森美半導體的NUC2401是一款帶集成低電容ESD保護功能的共模濾波器，能提供高速USB 2.0信號必要的帶寬、恰當?shù)墓材Ｋp及敏感的內(nèi)部電路ESD保護，保持了信號的完整性。Vishay公司VBUS054B-HS3是一種單芯片ESD解決方案，線路電容間的差別非常小，可保護雙高速USB端口，以防瞬態(tài)電壓信號。還可對略低于接地電平的負瞬態(tài)進行鉗位，同時在略高于5V工作電壓范圍對正瞬態(tài)進行鉗位。

盡管低成本的硅二極管(或變阻器)的觸發(fā)/箝位電壓非常低，但其高頻容量和漏電流無法滿足不斷增長的應用需求。聚合物ESD抑制器在頻率高達6GHz時的衰減小于0.2dB，對電路的影響幾乎可以忽略不計。

電磁兼容和電路保護對所有電子產(chǎn)品的設計而言都是無法回避的問題。電路設計工程師除了熟悉電磁兼容相關標準，設計中還需綜合考慮器件本身的性能、寄生參數(shù)、產(chǎn)品性能、成本以及系統(tǒng)設計中的每個功能模塊，通過布局布線優(yōu)化、增加去耦電容、磁珠、磁環(huán)、屏蔽、PCB諧振抑制等措施來確保EMI在控制范圍之內(nèi)。在制定電路保護設計方案時，最重要的是首先掌握因應的技術方案和設計手段，并據(jù)此選擇正確的ESD保護器件。

電池與電源有內(nèi)阻..所以得出下面的計算公式:

I(電流)=E(電動勢)/(R[用電器電阻]+Rg[檢測器電阻]+r[電源內(nèi)阻])

R(電阻)=U(電壓)/I(電流)(I=U/R,U=IR)

關于電器件的電路造型、電路分析、電路綜合等方面的理論。電路理論是物理學、數(shù)學和工程技術等多方面成果的融合。物理學，尤其是其中的電磁學為研制各種電路器件提供了原理依據(jù)，對各種電路現(xiàn)象作出理論上的闡述;數(shù)學中的許多理論在電路理論得到廣泛的應用，成為分析、設計電路的重要方法;工程技術的進展不斷向電路理論提出新的課題，推動電路理論的發(fā)展。

根據(jù)已知的激勵和某些響應(即輸出)確定電路的結構和電路元件。進行電路綜合時，常需根據(jù)已有的經(jīng)驗選擇合適的電路結構。例如要消除電力系統(tǒng)中的高次諧波電流成分，時常采用對該高次諧波諧振的濾波電路，確定出電路的結構，進而確定各元件的參數(shù)(即電阻、電感、電容的值)，最后檢查該電路是否符合所提指標的要求。不符合要求時須改變元件參數(shù)甚至改變電路結構。電路綜合的結果不是唯一的，往往有若干個電路都能滿足要求，可從中選擇最佳的一個。因此，電路綜合可以采用優(yōu)化技術。