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UnitThreePassageI电子元件电子电路主要由电子元件的互联组成。电子元件分成两大类：有源和无源。无源元件提供的能量小于它们自身吸收的能量。有源元件提供的能量大于它们自身吸收的能量。无源元件包括电阻、电容和电感。有源元件包括电池、发电机、真空管和晶体管。1.真空管真空管由抽成真空的玻璃膜组成，这种玻璃膜包含几个金属电极。一种简单的双极管（二极管）由阴极和连接提供能量的正极端的阳极组成。阴极是一个小的金属管，由灯丝受热而释放出的电子向阳极移动，而阳极也称作板极，是一个围绕阴极的金属圆筒。如果阳极施加交流电压，电子仅在交流电的正半周期流向阳极。在交流电的负半周，阳极阻止电子的流动，从而没有电流经过真空管。仅在交流电的正半周允许交流电通过的二极管叫做整流管，通过的电流叫直流。在阴极和阳极之间插入一个栅极，此栅极由螺旋的金属线组成，施加一个电压给栅极，从而可以控制真空管的电流。栅极是负电压时，它阻止电子的流动，仅有少部分的电子可以从阴极发射出来到达阳极。这样的管子叫做真空三极管，它可以当放大器使用。栅极电压的微小变化（如无线和声音信号产生的）将造成从阴极到阳极或连接阳极的电子回路中电子流的巨大变化。2.晶体管晶体管由半导体制成。半导体是硅和锗这样的材料，经过掺杂，即加入微量的外部元素，使内部的自由电子过剩或者不足。前一种类型的半导体叫n型半导体，后一种类型的半导体叫p型半导体。将n型半导体和p型半导体结合在一起就形成了二极管。当这个二极管连接上电池，使p型材料为正，n型材料为负时，电子就会被电池的负极排斥而毫无阻止地进入缺少自由电子的p区。当电池反接时，要到达p区的电子经过n区非常困难，因为n区已经填充了大量自由电子，电流几乎为零。1948年发明了双极的晶体管，它可以代替三级真空管。它由三层掺杂材料组成，两个pn结可以配置成为p-n-p或n-p-n型晶体管。其中一个pn结连接上电池，使其由电流通过（正向偏置），另一个pn结以相反的方向连接上电池（反向偏置），如果用一个外加信号使晶体管的正向pn结中的电流发生变化，反偏pn结中的电流将相应的跟着变化。这个原理可以用来构建放大器。正向偏置pn结的小信号可以引起反向偏置pn结中的电流大的变化。另一种类型的晶体管是场效应管。由于双重电场的作用，这种晶体管可以阻断或吸引电荷。场效应管可以实现电流的放大，它的工作方式和真空管的栅极控制类似。由于非常小能量的信号可以控制大能量的信号，因此场效应管具有比三极管更高的工作频率。3.电阻如果将电池连接在导电材料上，一定数量的电流将通过此材料。流过材料的电流取决于电池的电压，材料的截面面积和材料自身的电阻率。在电子电路中，用已知阻值的电阻可以控制线路电流。电阻可以由碳混合物、金属薄膜或电阻丝制成，它由两个连接接头。常常用滑臂可调的可变电阻来控制收音机和电视机的音量。4.电容电容是由被绝缘材料分开的两个金属板组成。如果电池被连接在两个金属板上，电荷将经过很短时间的流动而汇集在每个电极板上，如果断开电池，电容将保持电荷和与电荷相关的电压。快速变化的电压信号，比如被声音或无线通信调制的信号，产生比较大的电流流向和流出电极板，电容充当电流变化的引导者。例如，在连接一个放大器的输出端和下一级放大器的输入端之间的电流中，这种作用可以分离出语音信号或无线通信信号。5.电感电感是由绕成线圈形状的导线组成。当电流通过线圈时，在线圈周围将产生磁场，它将阻止电流的快速变化。像电容一样，电感可以用于分辨信号变化的快慢。当电感和电容连接在一起使用时，电感上的电压在一个特定的频率上达到最大值，这一原理应用在无线接收机上，通过调节可变电容可以选择一个特定的频率。PassageII模拟仪器及使用直流电流与电压的永磁可动线圈及仪表：基本原理是带有指示器的可动线圈在特别设计的永久磁场中旋转，从而移动系统的角度回应值为恒定，而仪表刻度不随场值的变化而改变。为量度高于20毫安的电流值，即引起用于导入、导出移动线圈的游丝过热的电流，我们使用带并联毫安计的分流器。毫安计的刻度按分流器计仪表总电流划分。要量度电压，仪表通过的电流必须小一些。因此，一系列适用于0.1到10毫安的电流全刻度偏差的电阻器和乘法器得以使用。交流电流及电压的整流仪表：永久可动线圈仪表可用于交流电流和电压的整流器联合使用。全波、四元件桥式整流器用在一条对角线连接输入，另一条对角线为直流毫安计的结构。通过适当的切换，该类型的仪表也可用于直流测量。交流电流与电压的动铁式仪表：在此类仪表中，要被测量的电流或电压用于激活一个固定线圈，其场内放置一个带弹簧与指针的高导磁性钢质移动叶片。叶片的运动总是增加其通量，因此由电磁体和叶片磁场反应生成的力矩会增加该连接的自感。该力矩与线圈电流的平方成正比，相应的刻度能读取其量值。这类仪表也成为吸引型仪表。另一类成为排斥型。排斥型动铁式仪表也很常用。测量电流与电压的电动式仪表：此类仪表通常用于精度测量及商用实验室测量。基本原理是较重的固定线圈与较轻的活动线圈之间的力场反应。每一线圈的电流与被测量的电流或电压成比例，而且场间反应所提供的力矩与被测量的电流和电压的平方成比例。对相对较低的电流的测量，固定的与移动的线圈须串联起来传送整个电流。较强电流的测量则使用并联线圈结构。除少部分电表中电流外，所有被测量电流均通过与合适电阻器串联的固定线圈传送。同样，与电阻器串联的移动线圈要与固定线圈及其电阻器并联。在电动式伏特计中，固定和移动的线圈要串联起来传送整个电流。一个合适的乘法器则决定电压的范围。测量超低（50V）、超高直流、交流电压的静电伏特计：在此类仪表中，电场对带电电极的作用产生偏转力矩。该力矩总是很小。若构造合理，此类仪表同样可以测定直流或交流电压值，因此它们被用来用直流值刻度校正其他交流仪表的刻度值。PassageIII介绍常用数字仪器1.电子数字计数器电子数字计数器正像所有的数字仪器一样，属于数字仪器。电子计数器，经常被视为一个统计输入事件的装置，是所有数字测试和测量应用的基本结构。一个简单的频率计数器主要由7大功能组成：输入转换、时基振荡器、时基分配器、主控门触发器、主控门、计数寄存器、读数屏（显示屏）。主控门是数字计数器工作的核心。主控门就是一个逻辑与电路，当输入条件和主控门触发器同进为逻辑真时，主控门打开一定时间，这个时间由时基分配器决定。当主控门打开时，经过调整的输入脉冲通过其进入计数寄存器，并在此记录，并通过显示电路测量输出。在计数阶段的最后，主控门关闭，然后计数器复位，开始下一个采样阶段。2.数字频率计数器数字计数器第一次出现在商业市场上已是很久以前的事了，甚至原来它被认为是自示波器出现以来最有用的实验室测量仪器。数字计数器原始的应用就是频率计数器。当通过精确的时间间隔控制主控门时，计数器处在频率模式。频率模式与上面描述的累加模式相似，不同的是门控制的操作方式。对于频率测量，计数时间间隔精确到秒的倍数。举例来说：当主控门开一秒，如果455000个脉冲通过计数寄存器，那么输入信号的频率为45.5kHZ,依靠数字读出器，可以直接显示或以十的幂表示频率值。为了测量超过计数寄存器的最大计数值的频率，主控门的时间间隔将减小，这个变化有个比例因子。例如，相似的脉冲数（455000）在0.1秒内累积在计数寄存器中，这就代表着455kHZ的频率。在10微妙内由25000个脉冲就是2500MHz,以此类推。当时基在各个范围之间不停的转换时，比例因子能通过数字读出器的小数点位置自动设置。运用频率计数器作为频率仪，除了电子计数功能外，还表示输入信号的周期，比较两个信号的频率、一个波形上的两点间的时间或者做倒计数运算。3.数字伏特计数字伏特计是数字测试仪中最常用的仪器，除了读数以数字显示而不是以机械测量仪的摆动外，它基本上与模拟伏特计相似。虽然有许多方法用于把模拟量转化为数字量，但是最基本的操作原理是相同的，即电压未知；使用上面描述的数字计数电路对脉冲进行计数，计数值以七段式数码管显示。模数转化通常有五种方法，它们是：电压--频率型单积分式（斜坡式）双积分式连续近似电位器法连续平衡电位器法UnitFourPassageI传感器的基础知识传感器是一种把被测量转换为光的、机械的或者更平常的电信号的装置。能量转换的过程称之为换能。按照转换原理和测量形式对传感器进行分类。用来测量位移的电阻式传感器被归结为电阻式位移传感器。其他的分类如压力波纹管、压力膜和压力阀等。1.传感器元件除特例外，大多数的传感器都由敏感元件、转换器或控制元件组成，如图4.1中方框内所示。如振动膜、波纹管、压力管和应力环、低音管和悬臂都是敏感元件，它们对压力和力作出响应把物理量转变成位移。然后位移可以改变电参数，如电压、电阻、电容或者感应系数。机械式和电子式元件合并形成机电式传感设备或传感器。这样的组合可用来输入能量信号。热的、光的、磁的和化学的相互结合产生热电式、光电式、电磁式和电化学式传感器。2.传感器灵敏度通过校正测量系统获得的被测物理量和传感器输出信号的关系叫做传感器灵敏度K1,也就是测量增量输出信号增量1k实际中，传感器的灵敏度是已知的，并且通过测量输出信号，输入量由下式决定1k输出信号增量输入量如图4.2所示，当弹簧受到10kN的作用力时弹簧伸长0.05m,试求相对0.075m的输出位移时的输入作用力灵敏度kNfxk1005.01所以，0.075m位移所需力为0.075m×kNmkN1505.010。3.理想传感器的特性高质量的传感器应该具有以下特性：（a）高保真性—传感器输出波形应该真实可靠地再现被测量。并且失真很小。（b）可测量最小的干扰，任何时候传感器的出现不能改变被测量。（c）尺寸—传感器必须能正确地放在所需的地方。（d）被测量和传感器信号之间应该由一个线性关系。（e）传感器对外部影响的灵敏度应该小。例如压力传感器经常受到外部震动和温度的影响。（f）传感器的固有频率应该避开被测量的频率和谐波。PassageII传感器的特性1.电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器的测量技术：（a）用差分式电容或电感作为交流桥；（b）用交流电位计电路做动态测量；（c）用直流电路为电容器提供正比于容值变化的电压；（d）采用调频法，C或L随着振荡电路频率的变化而改变。电容式和电感式传感器的一些重要特性如下：（a）分辨率无限；（b）精确到满量程的+0.1%；（c）位移范围从25×10-5m到10-5m；（d）上升时间小于50us。典型的被测量是位移、压力、振动量、声音和液位。2.电压式传感器当某晶体材料上施加一个力时，负极的电荷就会在压电效应下出现。压电式传感器由天然晶体（如石英、酒石酸钾钠晶体）、合成晶体（如硫化锂）或极化陶瓷（如钛酸钡）构成。由于这些材料能够产生一个与施加力成比例的输出电荷，所以它们不仅最适宜测量力本身，还可以测量驱动力变量（如压力、负载和加速度）。压电材料是很好的电绝缘体。当施加一力时，电容器在压电效应下充电。遗憾的是，任何与电容器C连接的电子测量仪常常放电，即传感器的稳态响应很糟糕。这可用带有称为充电放大器的高输入阻抗(1012～1014）的测量放大器克服此缺陷，但会使得测量系统费用增高。3.电磁式传感器电磁式传感器利用线圈在磁场中移动产生电流的众所周知的发电机原理制成。常常用于速度传感器中。电磁式传感器的一些重要特性如下：（a）输出电压与输入运动速度成正比；（b）通常质量较大，因此它们固有频率低；（c）具有高的功率输出；（d）厂家技术说明中提供10Hz到1kHz的频率响应范围。4.热电式传感器将两块不同的金属或合金首尾相连形成一个热电偶，且其两端温度不同，则在两导体间产生电动势，并在回路中有电流经过。电动势的大小取决于连接处的温度差和所用的材料。热电效应是众所周知的泽贝克效应，它被广泛用于温度测量与控制系统中。热电偶的主要问题是腐蚀、氧化或者放置处空气的污染等。选用与空气或液体不发生反应的防护外壳就可以克服这些问题。尽管这些热电偶能够提供直流输出电压，但是电压通常是毫伏极的而且常