第一讲　职业化训练预备知识

课堂一　基础知识

一、模拟电路

根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。模拟电路就是利用信号的大小强弱（某一时刻的模拟信号，即时间和幅度上都连续的信号）表示信息内容的电路，例如声音经话筒变为电信号，其电信号的大小就对应于电信号大小强弱（电压的高低值或电流的大小值），用以处理该信号的电路就是模拟电路。模拟信号在传输过程中很容易受到干扰而产生失真（与原来不一样）。与模拟电路对应的就是数字电路，模拟电路是数字电路的基础。

（一）模拟电路基本概念

学习模拟电路应掌握以下概念。

1.电源

电源是电路中产生电能的设备。按其性质不同，分为直流电源和交流电源。它们分别是由化学能和机械能转换成电能的。直流电源是由化学能转换为电能的，如干电池和铅蓄电池；交流电源是通过发电动机产生的。

电源内有一种外力，能使电荷移动而做功，这种外力做功能力称为电源电动势，常用符号E表示，其单位为伏特（V），常用单位及换算关系是：

1千伏（kV）=1000伏（V）

1伏（V）=1000毫伏（mV）

1毫伏（mV）=1000微伏（μV）

2.电路

电路是指电流通过的路径。它由电源、导线和控制元器件组成。

3.电流

电流是指电荷在导体上的定向移动。在单位时间内通过导体某一截面的电荷量用符号I表示。电流的大小和方向能随时间有规律地变化，叫做交流电流；电流的大小和方向不随时间发生变化，叫做恒定直流电。

电流的单位为安培，用字母A表示，常用单位及换算关系是：

1安培（A）=1000毫安（mA）

1毫安（mA）=1000微安（μA）

4.电压

电压是指电流在导体中流动的电位差。电路中元器件两端的电压用符号U表示。电压的单位也称为伏特（V），常用单位为伏（V）、毫伏（mV）、微伏（μV）。

5.电阻

电阻是指导体本身对电流所产生的阻力。电阻用符号R表示。电阻的单位为欧姆，用符号Ω表示，常用单位及换算关系是：

1kΩ=1000Ω

1MΩ=103kΩ=106Ω

电阻的大小与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比，且与导体的本身材料质量有关，其计算公式为：

式中　L——导体的长度，m；

A——导体的截面积，m2；

ρ——导体的电阻率，Ω·mm2/m。

6.电容

电容是指电容器的容量。电容器由两块彼此相互绝缘的导体组成，一块导体带正电荷，另一块导体带负电荷，其储存电荷量与加在两导体之间的电压大小成正比。

电容用字母C表示。电容量的基本单位为法拉，用字母F表示。常用单位为法（F）、微发（μF）和皮法（pF），其换算关系是：

1F=106μF=1012pF

电容器在电路中的作用有：

a.能起到隔直流通交流的作用；

b.电容器与电感线圈可以构成具有某种功能的电路；

c.利用电容器可实现滤波、耦合定时和延时等功能。

使用电容器时应注意：电容器串联使用时，容量小的电容器比容量大的电容器所分配的电压要高，串联使用时要注意每个电容器的电压不要超过其额定电压。电容器并联使用时，等效电容的耐压值等于并联电容器中最低额定工作电压。

串并联时的等效电容计算如表1-1所示。

7.电能

电能是指在某一段时间内电流的做功量。常用千瓦·时（kW·h）作为电能的计算单位，即功率为1kW的电源在1h内电流所做的功。

电能用符号W表示，单位为焦耳，单位符号为J。电能的计算公式为：

W=Pt

式中，电功率P的单位为瓦（W），时间t的单位为秒（s），电能W的单位为焦耳（J）。

8.电功率

电功率是指在一定的单位时间内电流所做的功。电功率用符号P表示，单位为瓦特，单位符号为W，常用单位为千瓦（kW）和毫瓦（mW）等，1W等于1000mW。

电功率是衡量电能转换速度的物理量，其计算公式如下。

假设在一个电阻值为R的电阻两端加上电压U，而流过R的电流为I，则该电阻上消耗的电功率

式中，电压U的单位为伏特（V），电流I的单位为安培（A），电阻R的单位为欧姆（Ω），电功率P的单位为瓦特（W）。

9.电感线圈

电感线圈是用绝缘导线绕制在铁芯或支架上的线圈。它具有通直流阻交流的作用，可以配合其他电气元件组成振荡电路、调谐电路、高频和低频滤波电路。

电感是自感和互感的总称，其两种现象表现为：当线圈本身通过的电流发生变化时将引起线圈周围磁场的变化，而磁场的变化又在线圈中产生感应电动势，这种现象称作自感；两个互相靠近的线圈，其中一个线圈中的电流发生变化，而在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象称作互感。

电感用符号L表示，单位为亨利，用字母H表示。常用单位为毫亨（mH）和微亨（μH），其换算关系是：

1H=103mH=106μH

电感线圈对交流电呈现的阻碍作用称作感抗，用符号XL表示，单位为欧姆（Ω）。感抗与线圈中的电流的频率及线圈电感量的关系为：XL=ωL=2πfL。

10.频率

频率是指交流电流量每秒钟完成的循环次数。用符号f表示，单位为赫兹（Hz）。我国交流供电的标准频率为50Hz。

11.周期

周期是指电流变化一周所需要的时间。用符号T表示，单位为秒（s）。周期与频率的关系是互为倒数，其数学公式为：

12.相位和初相位

在电流表达式i=Imsin（ωt+φ）中，电角度（ωt+φ）是表示正弦交流电变化过程的一个物理量，通常把交流电动势变化一个周期用2π弧度来计量，一定的时间对应一定的角度，这个角度即称为电角度，其文字符号用字母“α”来表示，单位是弧度（rad）。任一瞬间交流电动势的电角度称作相位。t=0（即起始时）时的相位φ称作初相位。

13.角频率

角频率指正弦交流电在单位时间内所变化的电角度，用符号ω表示，单位是弧度/秒（rad/s）。角频率与频率和周期的关系为：

14.振幅值

振幅值是指交流电流或交流电压在一个周期内出现的电流或电压的最大值。用符号Im表示。

15.有效值

交流电流i通过一个电阻时，在一个周期内所产生的热量。如果与一个恒定直流电流I通过同一电阻时所产生的热量相等，则该恒定直流电流值的大小称作该交流电流的有效值。用字母I表示，电压有效值用U表示。

对于正弦交流电，其电流及电压的有效值与振幅值的数量关系为：

16.相电压

相电压是指在三相对称电路中，每相绕组或每相负载上的电压，即端线与中性线之间的电压。

17.相电流

相电流是指在三相对称的电路中，流过每相绕组或每相负载上的电流。

18.线电压

线电压是指在三相对称电路中，任意两条线之间的电压。

19.线电流

线电流是指在三相对称电路中，端线中流过的电流。

（二）典型模拟电子电路

模拟电子电路经常是根据它们的作用或任务来命名的，典型的模拟电子电路如下所述。

①开关。电子系统将信号选通或关闭，或者改变路径的电路。

②放大器。实现放大信号的电路。

③加法器。将信号相加在一起的电路。减法器也可获得。

④衰减器。实现减少信号的电路。

⑤限幅器。阻止信号超过某一或某几个限定幅度的电路。

⑥比较器。将某一信号和参考量比较，参考量通常为电压。

⑦控制器。调节信号与负载设备。例如，控制器可用来设定和保持电动机的运转速度。

⑧转换器。将信号由一种形式改变为另一种形式（例如，电压→频率和频率→电压转换器）。

⑨检波器。从信号中提取信息的电路（收音机检波器从无线电信号中提取出声音和音乐信号）。

⑩除法器。实现信号的算术除法功能的电路。

滤波器。从信号中去除不想要的频率的电路。

混频器。加法器的另一个名字，产生两个输入信号的和频与差频的非线性电路。

乘法器。实现某些信号的算术乘法特性的电路（有频率乘法器和幅值乘法器）。

振荡器。将直流改变成交流的电路。

整流器。将交流改变成直流的电路。

稳压（流）器。将电压或电流量保持为常量的电路。

二、数字电路

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理的功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

（一）数字电路基本概念

学习数字电路主要应掌握以下概念。

1.组合逻辑电路

组合逻辑电路简称组合电路，它由最基本的逻辑门电路组合而成。特点是：输出值只与当时的输入值有关，即输出唯一地由当时的输入值决定。电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器、发生器、函数发生器等都属于此类。

2.时序逻辑电路

简称时序电路，是由组合逻辑电路和存储电路两个部分组成的电路，如图1-1所示。与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。

时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关，是类似于含储能元器件的电感或电容的电路。典型时序逻辑电路主要有触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等器件。

按电路有无集成元器件来分类，可分为分立元器件数字电路和集成数字电路。按集成电路的集成度进行分类，可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。按构成电路的半导体器件来分类，可分为双极型数字电路和单极型数字电路。

（二）数字电路与模拟电路的区别

数字电路与模拟电路不同，它不利用信号大小强弱来表示信息，而利用电压的高低或电流的有无或电路的通断来表示信息的1或0，用一连串的1或0编码表示某种信息（由于只有1与0两个数码，所以叫二进制编码，如图1-2所示为数字信号与模拟信号波形对照）。用以处理二进制信号的电路就是数字电路，它利用电路的通断来表示信息的1或0，其工作信号是离散的数字信号。电路中的晶体管的工作状态，即可产生数字信号，即时而导通时而截止就可产生数字信号。

最初的数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件，随后发展到了中规模逻辑器件；20世纪70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生了质的飞跃，出现了大规模的数字集成电路。数字电路最重要的单元电路就是逻辑门。

数字集成电路是由许多逻辑门组成的复杂电路。与模拟电路相比，它主要进行数字信号的处理（即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。数字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。一个数字系统一般由控制部件和运算部件组成，在时脉的驱动下，控制部件控制运算部件完成所要执行的动作。通过模拟数字转换器、数字模拟转换器，数字电路可以和模拟电路实现互联互通。

与模拟电路相比，数字电路具有以下特点：

①同时具有算术运算和逻辑运算功能。数字电路以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。

②实现简单，系统可靠。以二进制作为基础的数字逻辑电路，可靠性较强。电源电压的小波动对其没有影响，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多。

③集成高、功能实现容易、体积小、功耗低是数字电路突出的优点之一。

另外，数字电路的设计、维修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高，集成电路块的功能随着小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的发展也从元器件级、器件级、部件级、板卡级上升到了系统级。电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路，通过编程的方法实现任意的逻辑功能。数字电路与数字电子技术广泛地应用于家电、雷达、通信、电子计算机、自动控制和航天等科学技术领域。

三、电路基本定律

（一）欧姆定律

在一段不含电动势只有电阻的电路中流过电阻R的电流I与加在电阻两端的电压U成正比，与电阻成反比，称作无源支路的欧姆定律。

欧姆定律的计算公式为：

式中　I——支路电流，A；

U——电阻两端的电压，V；

R——支路电阻，Ω。

在一段含有电动势的电路中，其支路电流的大小和方向与支路电阻、电动势的大小和方向、支路两端的电压有关，称作有源支路欧姆定律，其计算公式为：

式中　I——有源支路电流，A；

U——电阻两端的电压，V；

R——支路电阻，Ω；

E——支路电动势，V。

（二）基尔霍夫定律

基尔霍夫第一定律为节点电流定律，几条支路所汇集的点称作节点。对于电路中任一节点，任一瞬间流入该节点的电流之和必须等于流出该节点的电流之和，或者说流入任一节点的电流的代数和等于0（假定流入的电流为正值，流出的则看作是流入一个负极的电流），即：

I1+I2-I3+I4-I5=0　（IX为任一节点电流）

基尔霍夫第二定律为回路电压定律。电路中任一闭合路径称作回路，任一瞬间，电路中任一回路的各阻抗上的电压降的代数和恒等于回路中的各电动势的代数和。

（三）安培右手螺旋定律

伸出右手握住螺旋线圈，让大拇指与四指垂直，让电流的方向与四指的方向一致，则大拇指的方向就是螺旋线圈内部磁力线的方向。

如图1-3所示，通电的导体缠绕在一根铁棒上，这样就会在铁棒的内部和周围产生磁场，产生磁场的方向符合安培右手螺旋定律。

（四）弗莱明右手定则

弗莱明在法拉第和楞次等科学家的研究基础上，推论出了用磁场方向和导体运动方向来表示感应电动势方向的法则，称为弗莱明右手定则，如图1-4所示。

伸出右手，展开四指，大拇指与四指垂直，让磁力线的方向竖直穿过手心，大拇指的方向为导体运动的方向，则四指的方向为感应电动势的方向。

公式为：

e=BLvsinθ

可见，在磁场中运动的导体会产生感应电动势（电压），导体就成了一个电源（可以想象成电池）。如果外面接上一个电路，则电路中存在电流，灯泡会放光。

（五）弗莱明左手定则

如图1-5所示，在磁极之间悬挂一导体，如果有电流通过导体，导体就会运动。这是磁极形成的磁场和电流形成的磁场间相互作用所致，这个力叫电磁力。

电磁力的方向取决于电流的方向和磁场的方向。运用弗莱明左手定则可进行判定：伸出左手，展开四指，大拇指与四指垂直，让磁力线的方向竖直穿过手心，四指的方向为导体电流的方向，则大拇指的方向为导体受力的方向。

公式表示为：

F=BILsinθ

（六）焦耳定律

电流通过导体时所产生的热量Q，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。这一结论称为焦耳定律，用公式表示为：Q=I2Rt。Q的单位为焦耳（J）。

焦耳定律给出了电流产生热量与电流强弱、时间还有电阻的关系：电流通过导体产生的热量，跟电流的二次方成正比，跟导体电阻大小成正比，跟通电时间成正比。

焦耳定律是设计电照明，电热设备及计算各种电气设备温升的重要公式。在串联电路中，电流是相等的，则电阻越大时，产生的热越多。在并联电路中，电压是相等的，通过变形公式，W=Q=Pt=（U2/R）t，当U一定时，R越大则Q越小。

（七）叠加定理

在线性电路中，任一支路的电流（或电压）可以看成是电路中每一个独立电源单独作用于电路时，在该支路产生的电流（或电压）的代数和（叠加）。线性电路的这种叠加性称为叠加定理。

叠加定理可用图1-6表示。线性电阻电路中的任一节点电压、支路电压或支路电流均可用以下形式表示：

y=H1us1+H2us2+…+Hmusm+K1is1+K2is2+…+Knisn

式中　usk（k=1，2，…，m）——电路中独立电压源的电压；

isk（k=1，2，…，n）——电路中独立电流源的电流；

Hk（k=1，2，…，m）和Kk（k=1，2，…，n）

——常量，它们取决于电路的参数和输出变量的选择，而与独立电源无关。

值得指出的是，叠加定理只能用于计算线性电路（即电路中的元件均为线性元件）的支路电流或电压，只适用于电压与电流，不适用于计算功率。

（八）戴维南定理

又称等效电压源定律。戴维南定理可以在单口外加电流源i，用叠加定理计算端口电压的方法如图1-7所示，证明如下。

在单口网络端口上外加电流源i，根据叠加定理，端口电压可以分为两部分组成。一部分是由电流源单独作用（单口内全部独立电源置零）产生的电压u'=Roi；另一部分是外加电流源置零（i=0），即单口网络开路时，由单口网络内部全部独立电源共同作用产生的电压u″=uoc。由此得到：

U=u'+u″=Roi+uoc

值得指出的是，戴维南定理只对外电路等效，对内电路不等效。也就是说，不可应用该定理求出等效电源电动势和内阻之后，又返回来求原电路（即有源二端网络内部电路）的电流和功率。另外，戴维南定理只适用于线性的有源二端网络。如果有源二端网络中含有非线性元件，则不能应用戴维南定理求解。

四、电工安全知识

（一）电流对人体的危害

触电对人体的伤害方式可分为电击和电伤两种。电击是指电流流过人体时反应在人体内部造成器官的损伤，而在人体外表不一定留下电流痕迹。电击的危险性最大，一般死亡事故都是出于电击。电伤不是将人体内部器官损伤，而是指由于电流的热效应、化学效应、机械效应以及在电流作用下熔化或蒸发的金属微粒等侵袭人体皮肤，使局部皮肤受到灼伤、烤伤和皮肤金属化的伤害，严重的也可以致人死亡。

电击所引起的伤害程度与下列各种因素有关。

①人体电阻的大小。人体的电阻愈大，通入的电流愈小，伤害程度也就愈轻。根据研究结果，当皮肤有完好的角质外层并且很干燥时，人体电阻为104～105Ω。当角质外层破坏时，则降到800～1000Ω。

②电流的大小。如果通过人体的电流在0.05A以上时，就会有生命危险。一般说，接触36V以下的电压时，通过人体的电流不致超过0.05A，故把36V的电压作为安全电压。如果在潮湿的场所，安全电压还要规定得低一些，通常是24V和12V。

③电流通过时间的长短。电流通过人体的时间愈长，则伤害愈严重。

④电流的频率。直流和频率为50Hz左右的交流电对人体的伤害最大，而20kHz以上的交流电对人体无危害。高频电流还可以治疗某种疾病。

⑤电流通过人体的路径以及与带电体接触的面积和压力。

（二）触电方式

电击可分为单相触电、两相触电和跨步电压触电三种方式。

1.单相触电

单相触电方式如图1-8所示。在低压系统中，人体的一部分直接或通过某种导体间接触及电源的一相，而人体的另一部分直接或通过导体间接触及大地，使电源和人体及大地之间形成了一个电流通路，这种触电方式为单相触电。

2.两相触电

两相触电方式如图1-9所示。在低压系统中，人体两部分直接或通过导体间接分别触及电源的两相，在电源与人体之间构成了电流通路，这种触电方式称为两相触电。不管是单相触电还是两相触电，如果电流通过人体心脏，都是最危险的触电方式。

3.跨步电压触电

在高压输电线断线落地时，有强大的电流流入大地，在接地点周围产生电压降，如图1-10所示。当人体接近接地点时，两脚之间承受跨步电压而触电。

跨步电压的大小与人和接地点距离，两脚之间的跨距，接地电流大小，空气介质的温度、湿度、压强等因素有关。

（三）接地和接零

为了人身安全和电力系统工作的需要，要求电气设备采取接地措施。按接地目的的不同，主要分为工作接地、保护接地和保护接零。

1.工作接地

在低压配电系统中，电源（变压器）中性点有接地和不接地两种。接地的目的出于电力系统运行和安全的需要，这种接地称为工作接地，例如三相四线制电源中性点的接地。在低压配电系统电源中性点不接地的情况下采用保护接地，而在中性点接地的情况下则采用保护接零。

2.保护接地

保护接地主要用于中性点不接地的低压系统中，就是将电气设备的金属外壳（正常情况下是不带电的）接地。如图1-11所示的是电动机的保护接地。

当电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电而外壳接地的情况下，人体触及外壳时，由于人体的电阻Rb和绝缘电阻R'并联，而通常Rb>R0，所以通过人体的电阻很小，不会有危险。这就是保护接地保证人身安全的作用。如果电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电而外壳未接地，人体触及外壳，相当于单相触电。这时电流Ie（经过故障点流入地中的电流）的大小取决于人体的电阻Rb和绝缘电阻R'。当系统的绝缘性能下降时，就有触电的危险。

3.保护接零

保护接零就是将电气设备的金属外壳接到零线（或称中性线）上，宜用于中性点接地的低压系统中。如图1-12所示的是电动机的保护接零。

当电动机某一相绕组的绝缘损坏而与外壳相接时，就形成单相短路，迅速将这一相中的熔丝熔断，因而外壳便不再带电。即使在熔丝熔断前人体触及外壳时，也由于人体电阻远大于线路电阻，通过人体的电流也是极为微小的。