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2016-11-06 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
1. 歐姆定律和基本模擬電路概念
電阻: 電阻可定義為一種媒介特性,該特性與流經(jīng)媒介本身的電流流向相反。 電阻的單位是歐姆,用希臘字母?表示。 電阻相關(guān)的功率值量化為電阻器在不會(huì)過(guò)熱的情況下可轉(zhuǎn)化為熱量的功率。
通過(guò)電阻(R)的電流(I)定義為:
對(duì)于1 MΩ的電阻,如果施加10 V的電壓,則流經(jīng)該電阻的電流為10 μA。
圖1. 簡(jiǎn)單的歐姆定律表示方法
歐姆定律這一基本方程描述了電壓電位、流經(jīng)電路的電流以及電路電阻之間的關(guān)系。 負(fù)載電阻(R)的功耗等于電流和電壓的乘積。 功率的其他關(guān)系通過(guò)對(duì)歐姆定律進(jìn)行代換可以很容易得到。
電阻(R)所消耗的功率(P)等于:
如果要計(jì)算電壓為10 V,功率為10 W時(shí)的阻值,由公式P = V2/R可得R = V2/P。電阻值就等于100/10,也就是10 Ω。 因此10 Ω施加10 V的電壓會(huì)產(chǎn)生10 W的功耗。 如果V、R或P中有任意兩個(gè)參數(shù)的值相等,則另一個(gè)參數(shù)的值也相同。 測(cè)量電阻的一種常用方法是使用數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)。
注意:功耗(P)限定了數(shù)字化儀上50Ω輸入可以施加的最大電壓值。 根據(jù)這些等式,我們可以得到對(duì)50 Ω電阻施加10V電壓需要數(shù)字化儀的輸入負(fù)載消耗2 W的功率。 如果運(yùn)行兩個(gè)通道,則功耗為4 W。 這么高的功耗是不可能被忽略的。 還需要注意的是,由于平方定律的影響,如果將數(shù)字化儀的電壓翻倍,則功耗將為原來(lái)的四倍。
分壓器計(jì)算:
當(dāng)兩個(gè)電阻串聯(lián)連接時(shí),它們必須共享所施加的電壓,而流經(jīng)這兩個(gè)電阻的電流是相同的。
圖2.分壓器電路示例
注意: 分壓器通過(guò)上述等式進(jìn)行定義。
分流器計(jì)算:
當(dāng)兩個(gè)電阻并聯(lián)連接時(shí),這兩個(gè)電阻的電壓是相等的。 流經(jīng)每個(gè)電阻的電流取決于它們的阻值:
圖3.分流器電路示例
上圖顯示了兩個(gè)并聯(lián)連接的電阻。
注意: 數(shù)字萬(wàn)用表(DMMs)是自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中最常見(jiàn)的測(cè)量設(shè)備。 DMM通常非常容易使用,且成本非常低。 DMM一般具有內(nèi)置的調(diào)理功能,可提供:
a) 高分辨率(通常以位為單位)
b) 多種測(cè)量(電壓、電流、電阻等)
c) 隔離和高電壓功能。
2. 電容計(jì)算
電容器以電荷的形式存儲(chǔ)能量。 電容器可容納的電荷量取決于上圖中兩塊極板的面積以及它們之間的距離。 面積大、間距小的極板可容納較多的電荷。 電容器兩塊極板之間的電場(chǎng)會(huì)阻礙所施加電壓的變化。 電容器的電阻隨著頻率的增大而減小。
圖4. 電容電路示例
讀取電容器的值:
電容的單位為法,由字母F表示。電容的計(jì)算公式為:
其中,
C = 電容,單位是法
Q = 聚集的電荷,單位是庫(kù)倫
V = 兩個(gè)極板之間的壓差
串聯(lián)配置:
圖5. 電容器串聯(lián)
上圖顯示了兩個(gè)串聯(lián)的電容器。
由于電容器的電容與極板之間的距離成反比,任何數(shù)量的電容器的總電容可通過(guò)以下公式計(jì)算得出:
對(duì)于兩個(gè)串聯(lián)的電容器,
并聯(lián)配置:
圖6. 電容器并聯(lián)
每個(gè)電容器的電壓相同。 總電容等于每個(gè)電容器電容值之和。
電容計(jì)算公式為:
3. 電感計(jì)算
電感定義為在特定電流變化速率下電感器兩端的壓降。 電感器的電阻隨頻率的增加和增加。 電感的單位是亨,由字母H表示。
串聯(lián)配置:
圖7. 電感器串聯(lián)
圖7顯示了兩個(gè)串聯(lián)的電感器。當(dāng)兩個(gè)電感器串聯(lián)連接時(shí),如上圖所示,它們的總電感等于每個(gè)電感的總和。
并聯(lián)配置:
圖8. 電感器并聯(lián)
圖8顯示了兩個(gè)并聯(lián)的電感器。 當(dāng)兩個(gè)電感器并聯(lián)連接時(shí),需要考慮互感。 此外,互感需要與每個(gè)線圈的自感相加或相減,因?yàn)殡娏餮貎蓚€(gè)方向流動(dòng)。
總電感可使用以下公式計(jì)算:
阻抗:
阻抗(Z)通常定義為器件或電路在特定頻率下對(duì)交流電流的阻礙作用。 阻抗值等于電路中某個(gè)元件的電壓與電流之間的比值。 因此,阻抗的單位也是歐姆 (?)
阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù),可在矢量圖上表示出來(lái)。 阻抗矢量由實(shí)部(電阻,R)和虛部(電抗,X)組成。 阻抗的表達(dá)式可以是直角坐標(biāo)形式R + jX,也可以是由幅值和相位角表示的極坐標(biāo)形式:
Z。
導(dǎo)納:
導(dǎo)納(Y)是阻抗的倒數(shù)。 導(dǎo)納也是一個(gè)復(fù)數(shù): 實(shí)數(shù)部分稱(chēng)為電導(dǎo)(C),虛數(shù)部分稱(chēng)為電納(B)。
導(dǎo)納的單位是西門(mén)子(S)
Y = G + jB
,其中,Y是導(dǎo)納,G是電導(dǎo),B是電納。
4. 模擬放大器電路
圖9顯示了一個(gè)基本的運(yùn)算放大器模型,由運(yùn)算放大器的三個(gè)基本部分組成:
圖9.基本運(yùn)算放大器(Op-Amp)模型
1) 差分放大器: 放大器的輸出與輸入信號(hào)之間的差值成正比。
2) 增益/頻率響應(yīng): 濾波器可改變信號(hào)相對(duì)于頻率的振幅或相位特性。 濾波器的頻率域行為在數(shù)學(xué)上通過(guò)一個(gè)傳遞函數(shù)或網(wǎng)絡(luò)函數(shù)進(jìn)行描述。 傳遞函數(shù)H(s)描述為輸出和輸入信號(hào)之間的比率。
其中,Vout(s)和Vin(s)是輸出和輸入電壓信號(hào),s是復(fù)合頻率變量。
傳遞函數(shù)的幅值成為幅值響應(yīng)或頻率響應(yīng),尤其是無(wú)線電應(yīng)用。
3) 輸出緩沖區(qū)
反相放大器: 反相顧名思義非常簡(jiǎn)單,它只是將輸入信號(hào)的極性反轉(zhuǎn)。 例如,如果進(jìn)入放大器的電壓是正向的,出來(lái)時(shí)則是反向的。
圖10. 基本的反向放大器
計(jì)算反向放大器的增益:
非反向放大器: 放大器的增益取決于R1與R2之比。
圖11. 基本的非反向放大器
計(jì)算非反向放大器的增益:
注意: NI提供的所有數(shù)據(jù)采集(DAQ)產(chǎn)品均具有內(nèi)置放大器。
5. 模擬RC濾波器
RC低通濾波器:模擬信號(hào)中用于衰減高頻成分的一個(gè)常見(jiàn)電路是RC低通濾波器。 如下圖所示,Vin是施加的電壓,C1的電壓Vout是輸出電壓。
圖12. 簡(jiǎn)單的RC低通濾波器
RC低通濾波器容許低頻和直流信號(hào)通過(guò),傳輸?shù)捷敵龆?但會(huì)截止高頻信號(hào)。 這可能是我們期望的,也可能是不期望的。
即使不是我們期望的,我們也會(huì)得到類(lèi)似的電路。 例如,C可以是數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)、數(shù)字化儀或其他設(shè)備的輸入電容。本例中的R也可能是待測(cè)設(shè)備(DUT)的源電阻。 DUT必須隨著信號(hào)的變化對(duì)C進(jìn)行充電和放電。 隨著頻率的增加,C的阻抗甚至?xí)陀赗,然后開(kāi)始衰減信號(hào)。 當(dāng)Vout的值等于Vin的0.707倍時(shí),該頻率稱(chēng)為–3dB頻譜或半功率點(diǎn),因?yàn)榇藭r(shí)輸出功率比輸入信號(hào)低–3dB。
單極RC低通
RC高通濾波器: 衰減模擬信號(hào)低頻分量的電路稱(chēng)為RC高通濾波器。 注意,該電路與上一個(gè)電路類(lèi)似,不同的是現(xiàn)在Vout測(cè)量的是R1兩端的電壓。
圖13. 簡(jiǎn)單的RC高通濾波器
該電路非常重要的典型應(yīng)用是數(shù)字化儀或數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)的輸入耦合電路。 電容器接通時(shí),電路就是交流耦合狀態(tài)。 電容器短路時(shí),電流就是直流耦合狀態(tài)。
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