【笔记篇】【硬件基础篇】模拟电子技术基础 (童诗白) 第0章 绪论

模拟电子技术基础 童诗白

• [第0章 绪论](#第0章 绪论)
• • [0.1 电信号](#0.1 电信号)
  • • [0.1.1 什么是电信号](#0.1.1 什么是电信号)
    • [0.1.2 模拟信号和数字信号](#0.1.2 模拟信号和数字信号)
  • [0.2 电子信息系统](#0.2 电子信息系统)
  • • [0.2.1 模拟电子系统的组成](#0.2.1 模拟电子系统的组成)
    • [0.2.2 电子信息系统的组成原则](#0.2.2 电子信息系统的组成原则)
    • [0.2.3 电子信息系统中的模拟电路](#0.2.3 电子信息系统中的模拟电路)
  • [0.3 模拟电子技术基础课程](#0.3 模拟电子技术基础课程)
  • • [0.3.1 模拟电子技术基础的课程特点](#0.3.1 模拟电子技术基础的课程特点)
    • [0.3.2 如何学习模拟电子技术基础课](#0.3.2 如何学习模拟电子技术基础课)
  • [0.4 电子电路的计算机辅助分析和设计软件介绍](#0.4 电子电路的计算机辅助分析和设计软件介绍)
  • • [0.4.1 概述](#0.4.1 概述)
    • [0.4.2 PSpice](#0.4.2 PSpice)
    • [0.4.3 Multisim](#0.4.3 Multisim)
  • 总结

第0章 绪论

0.1 电信号

0.1.1 什么是电信号

1. 核心概念关联：
   • 信号：是反映消息的物理量（比如工业控制中的温度、压力、流量，自然界的声音等），是消息的表现形式。
   • 信息：存在于消息中的新内容（比如从媒体上获得的未知消息，就是获取了信息）。
   • 关键逻辑：信息需要借助声、光、电等物理量的变化来表示和传递（例如广播、电视用电磁波传送声音和图像）。
2. 电信号的优势：相比其他物理量，电信号更容易被传送、处理和控制，因此人们会通过各种传感器将非电物理量转换成电信号，以实现信息的提取、传送、交换、存储等目的。
3. 数学描述与形式：
   • 电信号是随时间变化的电压u或电流i，数学上可表示为时间t的函数：u=f(t) 或 i=f(t)。
   • 电子电路中的信号均为电信号（后续简称为"信号"），且可通过波形直观展示其变化规律。

0.1.2 模拟信号和数字信号

信号有多种分类方式（如确定/随机信号、周期/非周期信号等），电子电路中核心分为两类：

1. 模拟信号：

   • 核心特征：时间和数值上均具有连续性。
     • 时间连续性：对应任意时间值t，都有确定的函数值u或i；
     • 数值连续性：u或i的幅值可以连续取值（比如正弦波信号、温度转换后的电信号）。

2. 数字信号：

   • 核心特征：时间和数值上均具有离散性。
     • 时间离散性：u或i的变化只发生在离散的瞬间，不是连续变化；
     • 数值离散性：数值是某个最小量值的整倍数，仅以该倍数作为信号数值（例如实际信号值在N与N+1之间时，需通过阈值确定为N或N+1，中间数值无意义）。
       

3. 两类信号的关联：

   • 多数物理量转换后的电信号为模拟信号；
   • 模拟信号与数字信号可相互转化：
     • 模-数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号（适配计算机等数字系统的识别需求）；
     • 数-模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号（适配负载的驱动需求）。
   • 本书核心研究对象：模拟信号。

0.2 电子信息系统

电子信息系统（简称"电子系统"）是处理信号的核心载体，本节聚焦模拟电子系统的组成、设计原则及核心电路。

0.2.1 模拟电子系统的组成

1. 核心组成（点画线框内模拟系统部分）：
   • 信号提取：通过传感器、接收器或信号发生器获取原始信号（原始信号通常幅值小、噪声大、易受干扰）；
   • 信号预处理：利用隔离、滤波、阻抗变换等手段分离有用信号、抑制干扰，并进行放大（使信号达到后续加工的要求）；
   • 信号加工：对预处理后的信号进行运算、转换、比较、采样保持等操作；
   • 信号驱动与执行：通过功率放大电路驱动执行机构（负载）实现功能。
2. 与数字系统的结合（点画线框外）：
   • 若需数字化处理：模拟信号预处理后经A/D转换器送入计算机/数字系统，处理完成后再经D/A转换器返回功率放大环节，最终驱动负载；
   • 系统分类：仅处理模拟信号的为"模拟系统"，同时含模拟与数字信号的为"模-数混合系统"（实用系统多为后者）。
     

0.2.2 电子信息系统的组成原则

设计电子系统需兼顾功能、可靠性、可测性等，核心原则如下：

1. 满足功能和性能指标：这是设计的核心前提，需确保系统实现预期功能（如信号放大、滤波）且达到规定性能（如放大倍数、带宽）。
2. 电路尽量简单：
   • 逻辑依据：电路越简单，元器件、连线和焊点越少，故障概率越低，可靠性越强；
   • 选型优先：优先用集成电路（而非分立元件）、大规模集成电路（而非小规模集成电路）。
3. 电磁兼容性：
   • 核心含义：系统在预定环境下，既能抵御外部电磁场干扰，又能减少自身对周围环境的干扰；
   • 干扰来源：自然界放电、宇宙电磁变化、人类用电活动等；
   • 抑制手段：采用隔离、屏蔽、接地、滤波、去耦等技术。
4. 系统的可测性：
   • 设计要求：引出合适的测试点（方便调试），设计自检电路和测试激励信号（提高故障覆盖率）；
   • 附加价值：简化调试流程，降低生产工艺复杂度。
5. 统筹考虑元器件选型：
   • 核心逻辑：不盲目追求单一性能最优（多数电路性能相互制约，某方面改善可能导致其他方面变差）；
   • 选型原则：通用元器件能实现的，不用专用元器件（降低造价）；仅当电路结构正确但性能不达标时，再更换元器件。

0.2.3 电子信息系统中的模拟电路

模拟电路是电子系统的核心组成，常用类型及功能如下：

1. 放大电路：核心功能是对信号的电压、电流或功率进行放大（是最基本的模拟信号处理功能）；
2. 滤波电路：用于信号的提取、变换或抗干扰（比如分离有用信号与噪声）；
3. 运算电路：完成信号的加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算；
4. 信号转换电路：实现不同类型信号的转换（如电流-电压转换、直流-交流转换、电压-频率转换等）；
5. 信号发生电路：产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等特定波形信号；
6. 直流电源：将220V、50Hz的交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，为电子电路供电。

• 关键结论：放大电路是构成各类功能模拟电路的基础，上述所有电路中均隐含放大环节。

0.3 模拟电子技术基础课程

本课程是入门级技术基础课，核心目标是让学习者掌握模拟电子电路的基本理论、知识和技能，需重点关注其工程性和实践性特点。

0.3.1 模拟电子技术基础的课程特点

1. 工程性：需从工程实际角度思考和处理问题，核心表现为：
   • 重视定性分析：无需精确计算，通过电路组成、结构特征及各部分特点，推论电路的基本功能和性能；同时需对多种解决方案进行可行性分析（阐明理由、比较优劣、选定方案）；
   • 允许合理估算：工程实际中允许一定误差范围（如5%以下），精确计算因半导体器件参数分散性、温度敏感性而意义不大，需精确求解时可借助EDA软件；
   • 近似分析要"合理"：估算前需明确"研究问题、适用条件、忽略参数及原因"，确保近似有依据；
   • 模型按需选择：模拟电子电路含非线性半导体器件，求解时需将其替换为等效模型（线性元件组成的电路），不同条件、不同问题需构造不同等效模型，替换后可利用通用电路规律求解。
2. 实践性：工程性决定了需理论与实践结合，核心要求如下：
   • 掌握实操技能：会使用常用电子仪器、掌握模拟电路测试方法、故障判断与排除方法、仿真方法；
   • 理解参数影响：了解元器件参数对电路性能的影响（是正确调试的前提）；
   • 掌握实现流程：先通过EDA软件仿真电路、调整参数至达标，再搭建实际电路调试，最后实测性能指标。

0.3.2 如何学习模拟电子技术基础课

结合课程特点，学习需遵循以下方法：

1. 重点掌握"三基"：
   • 基本概念：理解引入意义、物理内涵；若为物理参数，需掌握求解方法及注意事项（概念本质不变，应用灵活）；
   • 基本电路：掌握每章核心电路的产生背景（满足什么需求）、结构特点、性能特点及在系统中的作用（无需记忆所有电路，聚焦具有共性功能和结构的核心电路）；
   • 基本分析方法：包括电路识别方法、性能指标估算与描述方法、电路形式及参数选择方法（不同电路类型需匹配不同分析方法）。
2. 辩证分析电路问题：
   • 核心逻辑：没有"最好的电路"，只有"最合适的电路"（"最合适"由环境、元器件、造价等约束条件决定）；
   • 关键意识：改善电路某方面性能时，需考虑是否影响其他性能（"有一利必有一弊"），避免顾此失彼。
3. 活用电路基本定理、定律：
   • 半导体器件替换为等效模型后，模拟电子电路与普通电路无本质区别，可应用基尔霍夫定理、戴维宁定理、诺顿定理等进行分析计算。

0.4 电子电路的计算机辅助分析和设计软件介绍

EDA（电子设计自动化）技术是电子电路设计的革命性工具，实现了"硬件设计软件化"，本节介绍核心工具及特点。

0.4.1 概述

1. EDA技术发展背景：20世纪70年代起步，标志是美国加州大学柏克莱分校1972年研制的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件，1975年推出实用版，1988年定为美国国家工业标准；
2. 核心价值：摒弃了依赖硬件调试的繁琐流程，大幅提升电路设计效率；
3. 主流商用软件：以SPICE为核心，衍生出PSpice、Multisim（原EWB）等常用工具。

0.4.2 PSpice

1. 软件组成：含电路原理图输入程序（Schematic）、激励源编辑程序（Stimulus Editor）、电路仿真程序（PSpice A/D）、输出结果绘图程序（Probe）、模型参数提取程序（Parts）、元器件模型参数库（LIB）六部分；
2. 输入方式：支持电路原理图和网单文件两种输入；
3. 信号源类型：提供正弦波、脉冲源、指数源、分段线性源、单频调频源等多种信号源；
4. 仿真功能：涵盖直流工作点分析、直流转移特性分析、交流小信号分析、噪声分析、瞬态分析、傅里叶分析、温度分析等；
5. 输出形式：仿真结果可绘制成曲线、波形，支持打印输出；
6. 模型库：含二极管、晶体管、通用集成运放、晶体振荡器等基础库，以及Analog Device、Harris等专用IC库，且持续扩展。

0.4.3 Multisim

1. 软件定位：EWB的升级产品，基于PC平台，集成SPICE A/D系统，支持模拟与数字混合电路分析设计；
2. 核心优势：
   • 一体化设计环境：将原理图输入、仿真、分析紧密结合，图形化界面友好，操作便捷（输入原理图自动生成网络表，修改设计可实时查看影响）；
   • 丰富的模型与仪器库：元器件模型库庞大，含18种虚拟仪器（万用表、信号发生器、示波器、频谱分析仪、波特图仪等），可模拟实验室操作；
3. 学习价值：不仅提升仿真、设计、综合能力，还能强化实践能力；
4. 本书选择依据：鉴于其易用性和实践价值，本书各章最后一节均设置Multisim应用举例，帮助学习者掌握电路仿真和测试方法。

总结

本章作为全书的入门引导，核心目标是为学习者建立模拟电子技术的"全局认知"，主要涵盖四大核心内容：

1. 信号基础：明确电信号的定义、优势及数学描述，区分模拟信号与数字信号的核心特征及相互转换关系（为后续电路分析奠定信号认知基础）；
2. 系统框架：介绍模拟电子系统的组成环节、设计原则及核心模拟电路类型，阐明放大电路的基础地位（帮助理解模拟电路在实际系统中的作用）；
3. 课程定位：分析课程的工程性和实践性特点，给出"三基优先、辩证分析、活用定理"的学习方法（指导学习者调整学习思维，适配课程需求）；
4. 工具支撑：引入EDA技术及核心软件（PSpice、Multisim），说明其在电路设计中的革命性作用，明确本书选用Multisim的原因（为后续仿真实践提供工具认知）。