当前课程知识点：电子信息科学与技术导引(1) > 第三讲：电路抽象 > 第八节 电路基本问题 > 第八节 电路基本问题
下面我们来讲第八小节
电路基本问题
电路的基本问题就是
信号与系统的关系问题
也就是MAP图上的信息载体
与系统的作用关系问题
那就是要考察电信号
通过电路系统有
什么样的变化
这是电路分析问题
如何设计电路系统使得
它可以对信号产生
这样的变化
这是电路设计问题
要想获得正确的
电路分析和电路设计
在电路层面需要了解
下面五个基本
基本原理基本元件
基本功能电路基本分析方法
和基本概念
首先是基本原理
实体物质和场物质相互作用
交换能量形成具有
某种电特性的电路器件
电路器件可以抽象为基本元件
或抽象为基本元件之间的
某种连接关系基本元件
以元件约束方程或
广义欧姆定律
描述它的电特性
构成电路器件的基材包括导体
半导体和绝缘体
导体是所有器件中
都必须用的材料
这是由于电路器件中的
传导电流必须通过
导体流通电路器件的
连接端口连接线都
是导体连接关系
绝缘体用于支撑导体和
半导体材料使得它们
不至于接触从而形成
需要的器件结构
同时绝缘体和电磁场
之间的相互作用
对器件的电特性有
重要影响比如说
介质可直接影响
电容的容值和电感的感值
而半导体被采用作为
晶体管的基材
其根本原因在于
半导体的电子
空穴浓度是可控的
从而它的导电性能可控
于是可以通过调控
半导体材料的导电性能
来实现半导体器件
比如说晶体管的
受控非线性特性
从而形成将直流电能
转换为交流电能的换能能力
正是由于半导体器件
具有这种能量转换能力
用半导体器件可以
构成极为丰富多彩的功能电路
其次是基本元件
前面我们已经给出了
电路的四个基本元件
电阻电容电感电源
其中电阻是耗能元件
电源是供能元件
电容电感是储能元件
电阻的耗能和电源的
供能都是一种能量的转换
其中电阻将电能转换为
其他能量形式
而电源则将其他能量
形式转换为电能
在电路原理中
受控源被归类到电源中
而前面所述的
电源则称为独立源
独立源将其他能量形式
转换为电能受控源则
将电路中独立源的
电能转换为电路
可用的电能
除了这四个基本元件外
电路中还需要短接线
传输线实现能量和
信号的传输需要开关
实现能量或信号
传输的通断控制
上述元件除了
电源可向端口外
提供电能而是有源的以外
其他均是无源元件
好第三个基本是
基本功能电路
可以从电路的两个
基本功用出发来
对它进行分类
电路的基本功用
是信息处理和能量处理
故而可以从这两方面
进行功能电路
大类的区分
第一大类是信息处理
或信号处理电路
比如说放大器
用它可完成信号电平的调整
我们还需要振荡器
用它来产生周期信号
这些周期信号可以
是驱动数字电路工作的时钟
也可以是负荷低频
基带信号的高频载波等等
我们还需要滤波器
用于信号的选择
有些信号可以允许它通过
有些信号我则不允许它通过
此外我们还需要变频器
包括调制解调器
用于实现信号的变换
利于信号的有效传输
当然还需要存储器
使得信号可以存储下来
便于后续的处理
最后就是处理器
广义地说前面的放大
滤波振荡变频存储都是
对信号的某种处理
而这里的处理器特别
地指的是数字信号处理器
它完成的是数字域的
信号处理
第二大类则是电能处理电路
至少有四种基本功能电路
整流器完成交流能量
到直流能量的转换
逆变器完成
直流能量到
交流能量的转换
而稳压器将不太稳定的
直流转换为稳定的直流
或者将一个直流电压
转换为另外一个直流电压
而变压器
则是交流到交流的转换
这些电能处理功能电路
往往希望实现不同
电能形式之间的有效转换
因而其原理性的
电路模型中多采用
不耗能的开关电容电感
来实现其中开关
可以采用晶体管来实现
而信号处理功能电路中
放大器振荡器需要
向外部提供足够大的能量
故而必须是有源电路
所以我们采用晶体管
电路来实现这两个功能电路
滤波器原理上只需电容
电感就可以了
它利用的是电容
电感的时间微分效应
时间的倒数就是频率
故而它们的组合
可以实现对不同频率的
不一致的处理
有些频率分量可以通过
有些频率分量不能通过
从而完成选频功能
变频器、调制解调器
可以用无源器件来实现
也可以用有源器件来实现
它们多利用器件的
非线性特性实现
信号频率的变换
而数字电路中的存储器
多采用晶体管实现
原因在于存储器需要
存储的逻辑状态0和1是
以能量或电平的形式存在的
利用晶体管可以有效
实现对外提供状态输出
和者能量输出。
至于状态的存储
可以利用电容的电荷存储能力
也可以利用正反馈形成的
状态锁存或记忆能力
至于数字信号处理器
也采用晶体管电路
原因在于晶体管的
可控性和晶体管的
电能转换能力
晶体管可以等效为
受控开关最后一小节
我们会看到用开关
可以实现逻辑运算
逻辑运算进而可以
实现为数学运算
从而晶体管电路可
用来实现数字信号处理
下面是第四个电路基本
这个基本是基本分析方法
前面已经说过
基尔霍夫定律描述的
是元件支路或
网络端口之间的
连接关系
我们可以列写出
KVL和KCL方程
广义欧姆定律元件约束
条件描述的是元件
网络自身的电特性
可以列写出OL方程
这些方程完备地描述了
整个电路网络的特性
因而只要将这些
电路方程完备地列写出来
再设法求解出来
我们就可以由这些解
来说明这个电路具有
什么样的功能
现在假设电路拓扑结构
是b条支路n个结点
那么列写电路方程的
最基本方法我们称
它为支路电压电流法
它以b条支路的支路电压
支路电流为未知量
先列写出b条支路的
OL元件约束方程
n-1个独立结点的KCL方程
b-n+1个独立回路的KVL方程
这样的话即有2b个未知量
2b个独立方程
方程是完备的
虽然用支路电压电流法
可以列写出完备的
电路方程但未知量
个数过多方程规模过大
求解方程困难因而
从方程列写角度来看
我们需要降低未知量个数
比如说我们采用支路电流法
它仅以b条支路的b个
支路电流为未知量
列写电路方程
而回路电流法
则以b-n+1个独立回路
电流为未知量列写电路方程
结点电压法是以
n-1个独立结点电压为
未知量列写电路方程
这些电路方程列写
方法有效降地低了
电路方程的规模
上述降低方程规模的
方法对计算机仿真
十分有效但是对
电路设计者直观理解
电路工作原理并
没有太大帮助
电路设计者更需要的
是理解电路的工作原理
那么分层设计思想
或者说在高层次
自端口对系统建立
等效电路模型就成为
普遍采用的手段
这种手段不仅利于
设计者快速理解电路的
工作原理加速设计进程
如果等效电路我们
用在计算机仿真中
也可加速仿真进程
为什么应该这样做呢
这是由于等效电路法
就是前面分层设计思想
的一种应用在高层次上
将低层次的模块视为
多端口网络我只
关注端口特性
而不关注其内部结构
换句话说我们只需
关注多端口网络的
端口描述方程而对
外端口的数目又很少
使得我们的分析大大简化
这些端口描述方程
可以通过测量
对内部电路的结构分析
或者电路仿真等手段获得
这样高层次分析的时候
它就屏蔽了或者
说不需要再次对
模块内部结构进行分析
他只需利用前面分析结果
给出的等效电路或者
端口方程就可以了
而模块的对外
端口数目很少
因而端口方程数目也很小
所以采用等效电路法以后
高层电路分析规模和
分析复杂度都大大降低
对线性网络最常用的
等效电路法是戴维南-诺顿等效
戴维南诺顿等效又
可以直接利用
戴维南定理来获得。
事实上很多电路定理其实
就是用来简化电路分析的
如替代定理它也是一种
等效电路法我们还可以
利用一些电路属性简化分析
如利用线性网络线性
特性的叠加定理
利用互易网络互易特性的
互易定理利用电磁对
偶特性的对偶原理等等
这些电路定理或电路原理
均可一定程度上
有效简化电路的分析
无论是利用电路基本定律
还是基本定理假设电路
方程列写好之后
则需对方程进行求解
对于线性时不变电路
如果是电阻电路
就是线性代数方程的求解
对于动态电路
可以变换到频域或复频域
将微分方程转化为
线性代数方程来求解
而线性代数方程的
求解其实就是矩阵运算
有十分规范且成熟的
数学手段可以直接利用
那么对于非线性电路而言呢
如果结构简单
也可以利用解析法给出解析解
对于连接简单的
这种非线性电路我们可以
利用图解法给出原理性分析
从而指导我们的设计
然而大多数的非线性电路
都显得很复杂
无法给出解析解
那么我们可以采用数值法
比如说牛顿拉夫逊迭代法
欧拉法等等利用计算机的
强大运算能力给出数值解
而电路设计者则需进一步
分析这些数值解
从而得到电路设计的启示
那数值解毕竟只是给了
一堆数值需要设计者通过
人工分析才可以
将它用来指导我的电路设计
如果我们期望有一些简化的
公式直接来指导我们
进行电路设计的话
人们还提出了各种对
非线性电路的线性化处理方法
如分段线性化
局部线性化准线性化等等
这些线性化方法都是
利用线性的简单性获得
原理性的解析解
这些解析解虽然是近似结果
但是足以在它的限定性
应用范围内有效
指导非线性电路的设计
最后我们来考察电路的
第5个基本基本概念
前面已经说过电路的
基本问题就是信号与
系统相互作用问题显然
系统属性直接决定我的
系统性能系统是线性的
还是非线性的是时变的
还是时不变的
是有源的还是无源的
是有记忆的
还是无记忆的等等等等
我们在进行系统构造的时候
是否采用反馈结构
采用的是正反馈还是负反馈
在进行信号分析的时候
是在时域还是在频域
微弱信号处理时
噪声不能忽略
而大信号处理时必须
要考虑非线性失真等等等等
这些线性非线性
正负反馈时域频域
噪声失真等基本概念
贯穿于电路分析的
前前后后各个环节
最后我们做一个小结
电路的基本问题是
信号与系统之间的
相互作用关系问题
我们不仅研究信号的
时频域特性更重要的是
研究系统是如何对
信号进行处理的
如何设计一个电路
系统使得它具有
某种信号处理功能
仅从电路层面来看
对电路的理解和把握
需要从5个基本入手
即基本原理基本元件
基本功能电路
基本分析方法和基本概念
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁学和分析数学发展史：磁学
-第三节 电磁学与分析数学发展史：静电
-第四节 电磁学和分析数学发展史：动电
-第五节 电子器件的发明及电子技术的发展
-第六节 电磁学的广泛应用
-第七节 电磁系统理论
-第八节 电子科学技术各学科间的关系
-第九节 电子科学技术的学科体系
-第一讲：电磁学与分析数学史概览--第一次作业
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁场（一）
-第三节 电磁场（二）
-第四节 物质
--第四节 物质
-第五节 电磁场与物质的相互作用：非共振作用
-第六节 电磁场与物质的相互作用：共振作用
-第七节 电磁场理论与电路理论
-第一节 空间离散化
-第二节 静场电路分析
-第三节 非静场电路抽象
-第三讲：电路抽象--电路抽象 练习题
-第四节 电路元件抽象
-第五节 非线性元件抽象
-第六节 电路抽象三原则
-第七节 分层抽象思想
-第八节 电路基本问题
-第九节 数字化抽象
-第三讲：电路抽象--Quiz 3
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 什么是比特
-第三节 比特与编码
-第四节 比特与信息
-第五节 比特的用途示例
-第六节 什么是逻辑
-第七节 逻辑的用途示例
-第八节 与数字电路的关系
-第九节 小结
--第九节 小结
-第四讲：比特与逻辑--Quiz4
-第一节：从算盘到ENIAC
-第二节：通用计算机模型
-第三节：指令集体系结构
-第四节：程序和程序设计语言
-第五节：处理器的工作原理
-第六节：性能问题
--第六节：性能问题
-第七节：小结
--第七节：小结
-第一节：数据与数据处理技术的发展
-第二节：数据处理举例
-第三节：数据模型和算法的概念
-第四节：问题的抽象和建模
-第五节：数值分析问题研究
-第六节：数据和算法的关系I
-第七节：数据和算法的关系II
-第八节：大数据
--第八节：大数据
-第九节：数据挖掘技术和数据算法的展望
-第六讲：数据与算法--Quiz6
-第一节：基本内容简介
-第二节：信息的基本概念和传输的几种方式
-第三节：交换的概念和网络的几种形式
-第四节：模拟与数字通信
-第五节：调制和解调
-第六节：传输涉及的基本理论
-第七节：信息论和几种相关的编码方式
-第八节：多址方式
--第八节：多址方式
-第九节：交换的基本概念
-第十节：网络分层的基本概念
-第十一节：互联网的基本原理和有限状态机模型
-第七讲：通讯与网络--Quiz7
-第一讲：内容简介
--第一讲：内容简介
-第二讲：信息与媒体
-第三讲：人类感知与认知
-第四讲：智能信息处理
-第五讲：媒体与认知相互作用
-第六讲：媒体认知应用
-第七讲：总结
--第七讲：总结
-第八讲：媒体与认知--Quiz8
-期末考试--Final Exam
