SI-list【中國】萬物皆模擬，來看看模擬電路基礎！

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源: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。電阻相關的功率值量化為電阻器在不會過熱的情況下可轉化為熱量的功率。

通過電阻(R)的電流(I)定義為:

對于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系。負載電阻(R)的功耗等于電流和電壓的乘積。功率的其他關系通過對歐姆定律進行代換可以很容易得到。

電阻(R)所消耗的功率(P)等于:

如果要計算電壓為10 V,功率為10 W時的阻值,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的電壓會產(chǎn)生10 W的功耗。如果V、R或P中有任意兩個參數(shù)的值相等,則另一個參數(shù)的值也相同。測量電阻的一種常用方法是使用數(shù)字萬用表(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50 Ω電阻施加10V電壓需要數(shù)字化儀的輸入負載消耗2 W的功率。如果運行兩個通道,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,則功耗將為原來的四倍。

分壓器計算:

當兩個電阻串聯(lián)連接時,它們必須共享所施加的電壓,而流經(jīng)這兩個電阻的電流是相同的。

圖2.分壓器電路示例

注意: 分壓器通過上述等式進行定義。

分流器計算:

當兩個電阻并聯(lián)連接時,這兩個電阻的電壓是相等的。流經(jīng)每個電阻的電流取決于它們的阻值:

圖3.分流器電路示例

上圖顯示了兩個并聯(lián)連接的電阻。

注意: 數(shù)字萬用表(DMMs)是自動化測試系統(tǒng)中最常見的測量設備。 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) 多種測量(電壓、電流、電阻等)
c) 隔離和高電壓功能。

2. 電容計算
電容器以電荷的形式存儲能量。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會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。電容的計算公式為:

其中,
C = 電容,單位是法
Q = 聚集的電荷,單位是庫倫
V = 兩個極板之間的壓差

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以下公式計算得出:

對于兩個串聯(lián)的電容器,

并聯(lián)配置:

圖6. 電容器并聯(lián)

每個電容器的電壓相同。總電容等于每個電容器電容值之和。

電容計算公式為:

3. 電感計算

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顯示了兩個串聯(lián)的電感器。當兩個電感器串聯(lián)連接時,如上圖所示,它們的總電感等于每個電感的總和。

并聯(lián)配置:

圖8. 電感器并聯(lián)

圖8顯示了兩個并聯(lián)的電感器。當兩個電感器并聯(lián)連接時,需要考慮互感。此外,互感需要與每個線圈的自感相加或相減,因為電流沿兩個方向流動。

總電感可使用以下公式計算:

阻抗:
阻抗(Z)通常定義為器件或電路在特定頻率下對交流電流的阻礙作用。阻抗值等于電路中某個元件的電壓與電流之間的比值。因此,阻抗的單位也是歐姆 (?)

阻抗是一個復數(shù),可在矢量圖上表示出來。阻抗矢量由實部(電阻,R)和虛部(電抗,X)組成。阻抗的表達式可以是直角坐標形式R + jX,也可以是由幅值和相位角表示的極坐標形式:
Z。

導納:
導納(Y)是阻抗的倒數(shù)。導納也是一個復數(shù): 實數(shù)部分稱為電導(C),虛數(shù)部分稱為電納(B)。
導納的單位是西門子(S)

Y = G + jB
,其中,Y是導納,G是電導,B是電納。

4. 模擬放大器電路

圖9顯示了一個基本的運算放大器模型,由運算放大器的三個基本部分組成:

圖9.基本運算放大器(Op-Amp)模型

1) 差分放大器: 放大器的輸出與輸入信號之間的差值成正比。

2) 增益/頻率響應: 濾波器可改變信號相對于頻率的振幅或相位特性。濾波器的頻率域行為在數(shù)學上通過一個傳遞函數(shù)或網(wǎng)絡函數(shù)進行描述。傳遞函數(shù)H(s)描述為輸出和輸入信號之間的比率。

其中,Vout(s)和Vin(s)是輸出和輸入電壓信號,s是復合頻率變量。
傳遞函數(shù)的幅值成為幅值響應或頻率響應,尤其是無線電應用。

3) 輸出緩沖區(qū)
反相放大器: 反相顧名思義非常簡單,它只是將輸入信號的極性反轉。例如,如果進入放大器的電壓是正向的,出來時則是反向的。

圖10. 基本的反向放大器

計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:模擬信號中用于衰減高頻成分的一個常見電路是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. 簡單的RC低通濾波器

RC低通濾波器容許低頻和直流信號通過,傳輸?shù)捷敵龆?但會截止高頻信號。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,我們也會得到類似的電路。例如,C可以是數(shù)字萬用表(DMM)、數(shù)字化儀或其他設備的輸入電容。本例中的R也可能是待測設備(DUT)的源電阻。 DUT必須隨著信號的變化對C進行充電和放電。隨著頻率的增加,C的阻抗甚至會低于R,然后開始衰減信號。當Vout的值等于Vin的0.707倍時,該頻率稱為–3dB頻譜或半功率點,因為此時輸出功率比輸入信號低–3dB。

單極RC低通