医学电子学基础

医学电子学基础生物医学工程研究所课程安排理论学时36，实验学时18，共54学时。周4学时，实验安排在周三下午。考试课。闭卷考试。实验成绩按出勤、实验报告等计入总成绩，占20分。学习建议掌握基本原理和基本分析方法理论和实验相结合，加深对理论的理解掌握典型例题第一章电路基础电路理论是从物理学中的电磁学发展起来的，其基本概念和基本定律是电子技术的基础，分析和综合方法已在仪器设计中得到广泛应用．第一节直流电路第二节电路的暂态过程第三节交流电路第一节直流电路一.电路的基本概念电荷在电场作用下的定向移动叫电流(current)，习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方向，而电路(circuit)则是电流所流过的路径。形成电流必须具备两个条件，一是电路中有自由移动的电荷(即载流子)，二是电路两端必须加有电压。注意：电流及电压的单位及不同单位之间的换算关系。导体两端的电压与通过它的电流强度的关系称为欧姆定律。R(resistance):电阻G(conductance):电导，两者互为倒数。电路的组成如图1-1所示。欧姆定律内电路二.基尔霍夫定律（Ｋirchhoff’sLaw)用于进行复杂电路的计算。支路(branch):通过同一电流的每个分支电路。节点(nodalpoint):二条或三条以上通电支路的汇合点。1.基尔霍夫第一定律流入节点的电流之和等于流出节点电流之和。I=I1+I2I-I1-I2=0对于各节点应用基尔霍夫第一定律可以写出一组电流方程，称为基尔霍夫第一方程组，通常记为∑I=0其中流入节点的电流规定为正，流出节点的电流为负。在应用第一定律时，如果支路电流的方向不能预先确定，可以先任意假定一个方向，最后由计算结果来确定它的实际方向，如果计算值为正，则实际方向与假设方向相同；如果计算值为负，则实际方向与假设方向相反。2.基尔霍夫第二定律在分支电路中，任一闭合路径称为回路(1oop)，如图1-3所示，abdca和abfea都是闭合回路。基尔霍夫第二定律指出：沿任一闭合回路的电势增量的代数和等于零。即∑E+∑IR=0对于各闭合回路，应用基尔霍夫第二定律可以列出一组电压方程，称为基尔霍夫第二方程组。在使用基尔霍夫定律求解时，电流的方向和绕行方向是任意选定的，并规定，电势升高者为“+”，电势降低者为“-”。具体按以下规则确定电势增量的正、负号：①当电阻R中的电流方向与选定的回路绕行方向相反时，电势增量为+IR，相同时，电势增量为-IR；②如果电动势E从负极到正极的方向与选定的绕行方向相同，则电势增量为+E，相反时，电势增量为-E。电路如图1-3所示。El=4.0V,E2=6.0V,R1=1.0Ω,R2=1.5Ω,R3=10Ω,计算I1,I2,I3的值。解：假设各支路的电流方向如图中的箭头所示，根据基尔霍夫第一定律，对于节点a，有I1+I2-I3=0(a)根据基尔霍夫第二定律，对于回路dcabd(逆时针方向)，有El-I1Rl+I2R2-E2=0(b)对于回路abfea(顺时针方向)，有I2R2-E2+I3R3=0(c)将(a)、(b)、(c)三式联立，通过对方程组求解，可得各支路的电流分别为I1=-0.53AI2=0.98AI3=0.45A上面的计算结果，流过El的电流Il为负值，说明该电流与图中假定的方向相反，即实际上Il不是从El的正极流出，而是从E1的正极流入，Il非但没有向负载供电，相反由E2对它进行充电。从上面的例子可以看出，利用基尔霍夫定律求解电路时，如果有m个未知数，则需要列出m个独立方程，若电路有n个节点，则只能列出(n-1)个节点电流方程，其余m-(n-1)个方程应为独立的回路方程(电压方程)，即所选择的每一个回路至少含有一个其他回路没有包含的未知数。上例中n=2(a,b)，m=3，独立的回路方程为2个。三.电压源和电流源电压源和电流源是维持电路中电流的能源。1.电压源电压源可以看成是电动势E和内阻R0的串联组合，如图1-4(a)虚线框内所示。当电压源向负载RL提供电压和电流时，电源两端的电压U(也叫输出电压)与输出电流I之间有如下关系：U=E-IR0上式表明，随着输出电流的增大，电压源的输出电压线性下降，如图1-4(b)所示，且内阻R0愈大，下降愈多。当电压源内阻R0=0时，不论电源的输出电流I如何变化，其输出电压U将等于电动势E，即U=E，这样的电压源称为理想电压源或称为恒压源。右图1-4(c)是它的伏安特性。在电子技术中使用的电源，一般要求电源有稳定的输出电压，尽量接近恒压源，其内阻应愈小愈好。2.电流源实际的电流源可以看成是恒值电流Is与内阻Rs的并联，如图1-5(a)虚线框内所示。假定电流源与负载电阻RL相连时，电流源向RL提供的电流为I，加于RL的电压为U，则流过内阻Rs的电流为U／Rs，电源两端的电压U与输出电流I的关系为：上式表明，在输出电压U一定的情况下，输出电流随电流源内阻Rs的减小而变小，内阻Rs愈小，其分流作用愈大，输出电流愈小，电流源的伏安特性愈差，如图1-5(b)所示。在电流源内阻Rs=∞的情况下，式(1-5)中的输出电流I将恒等于Is，而不随负载电阻RL的变动而变化，称为理想电流源或恒流源，伏安特性如图1-5(c)所示。实际中，如果电流源内阻Rs远大于负载电阻RL时，可近似地看成是恒流源。从上面的讨论可以看出，为了使电压源和电流源更接近理想的电压源和电流源，电压源的内阻R0应越小越好，而电流源的内阻Rs应越大越好。3．电压源与电流源的等效变换在简化电路分析时，有时需要将电压源变换成电流源，或者将电流源变换成电压源。但不管怎样变换，对负载RL来说，应当都有相同的输出电流I和输出电压U，即进行等效变换。等效变换的条件是：Is=E/R0,Rs=R0只要给出了电源的一种电路模型的参数，就可以根据等效变换的条件将它转换成另一种电路模型．四.戴维南定理在一个电路中，往往只要计算其中某一支路的电流或电压，这样，相对于该支路图来说，电路的其余部分只有两个端点与它连接。不管其余部分电路的内部结构如何复杂，都可以将它用一个等效电源来代替，这样就能将复杂电路化为简单回路求解。如果用等效电源替代的那部分电路中含有电源，且有两个出线端，则称它为有源二端网络，又称为含源二端网络；如果二端网络中不含有电源，则称为无源二端网络。戴维南定理指出：任何一个含源线性二端网络均可以等效成为一个电压源。这个电压源的电动势E’，等于该含源二端网络的开路电压(即该二端网络与外电路断开时其两端点之间的电压)，而内阻R’则等于此二端网络内部所有电源都为零时(即全部电压源短路，电流源开路)的两个输出端点之间的等效电阻。第二节电路的暂态过程第一节中讨论的是由电源和线性电阻构成的电路。这类电路中的电压、电流随电源电压、电流的加入(或断开)而立即达到稳态值(或立即消失)。但是，当有电容(或电感)接入电路时，电容两端的电压(或电感的电流)从一个稳定状态变到另一个新的稳定状态，需要经过一个过程(一定的时间)，这个过程称为暂态过程或瞬态过程。一.RC电路的暂态过程1.RC电路的充电过程当开关S未接通“1“之前，电容器C不带电，两极板之间的电压Uc为零。当开关S合向“1”时，电源E通过电阻R向电容器C充电，充电电流i和电容器两端的电压Uc都随时间而变化。由基尔霍夫定律可知，在充电过程中，任何时刻的Uc和电阻上的电压降iR之和等于电源的电动势E，即iR+Uc=E（1-7）由电容的充电电流i代入1-7式，得根据t=0时，Uc=0的初始条件，解上微分方程，得上两式表明，在电容器的充电过程中，电容器两极板之间的电压Uc和充电电流i都随时间按指数规律变化。其中电压Uc按指数规律上升，电流i按指数规律衰减，如图1-9所示。从图中可以看出，当t=0时，Uc=0，i=E/R，即刚开始充电时，电容器两端的电压为零，电源的电动势全部加于电阻R上，这时充电电流最大；当t=∞时，Uc=E，i=0，即当充电时间足够长时，电容器两端的电压达到最大，等于电源的电动势E，而充电电流趋于零，电路达到了稳定状态。图1-9RC电路充电的暂态过程当充电的时间t=RC时，电容器两端的电压Uc和充电电流i分别为Uc=0.63Ei=0.37E/RRC称为电路的时间常数(timeconstant)，用τ表示。τ值越大，电流和电压的变化越缓慢；τ值越小，则变化越快。一般当时间经历3-4个时间常数后，电压和电流基本都达到了它们的稳定值。2.RC电路的放电过程图1-8中的电容器充电达到稳态后，如果将开关S合向“2”的位置，则电容器C将通过电阻R放电，RC电路进入放电暂态过程。根据电容器放电时满足的微分方程及t=0时，Uc=E的初始条件，得由上两式可知，在放电过程中，电容器两端的电压Uc和放电电流i都从它们各自的最大值(E和E／R)按指数规律衰减，最后到零，暂态过程结束。放电的快慢同样取决于时间常数τ=RC，τ值越大，放电越慢，τ值越小，放电越快。例1-3在图1-8的RC充放电电路中，R=2kΩ，C=100μF，E=100V，求：①充电开始时的电流；②充电完毕后电容器两端的最大电压；③当t=0.1s时，电容器两端的电压和电路中的电流。解：①充电刚开始时，电容器两端的电压为零，电源的电动势E全部加在电阻上，所以电路中电流最大，即i=E/R=100V／2000Ω=0.05A；②充电结束时，因电路中没有电流，电阻上的电压降为零，所以电容器两端的电压等于电源的电动势，即Uc=E=100V；③电路的时间常数τ=RC=0.2s。当t=0.1s时，电容两端的电压Uc和电路中的电流i分别为：二.RL电路的暂态过程图1-11是电阻R和电感线圈L组成的串联电路。当开关S与“1”接通时，电流开始通过RL回路，这时L上的自感电动势为L·di/dt，电阻上的电压降为iR。应用基尔霍夫定律得这就是RL回路电流变化的一阶线性非齐次微分方程。利用t=0时，i=0的初始条件，解上述方程可得RL回路的电流i(即通过电感L的电流)为上式表明，当RL回路与电源接通时，由于自感电动势的作用，电路中的电流i不能立即增至稳态值E／R(即最大值)，而是随时间按指数规律逐渐增长，如图1-12所示。随着时间的增加，电流i逐渐上升，最后趋于稳态值E／R，而自感电动势则逐渐减小，最后趋于零，暂态过程结束。L/R也具有时间的量纲，叫做RL电路的时间常数，用τ表示，即τ=L／R。它的大小决定了RL回路中电流增长的快慢，τ值大，电流增长慢，趋于稳态值的时间就长；τ值小，电流增长快，趋于稳态值的时间就短。t=τ代入可得，i=0.63E/R，即当回路中电流从零增加到稳态值的63％时，所需的时间等于回路的时间常数。从理论上讲，只有当t=∞时，电流i才能达到稳态值。但实际上当t=3τ时，i已达到稳态值的95％；当t=5τ时，达到稳态值的99.3％。所以一般认为，经过5τ后，回路中的电流即已达到稳定。分析RL回路的放电过程，同样可以得到如下结论：回路中的电流i(即电感中的电流)将按指数规律衰减。衰减的快慢仍决定于时间常数τ=L／R的大小，τ值小，电流衰减快，反之则电流衰减慢。当t=τ时，电流降为初始值E/R的1／e，即E／R的37％；当经过5τ后，可以认为回路中的电流已达到稳定状态。从上面的讨论可以看出，电容器两端的电压(或通过电感的电流)不能突变，而要有一个逐渐变化的过程，这个过程进行的快慢决定于电路的时间常数。电容和电感的这一特性很重要，在电子线路的分析中常常用到。第三节交流电路大小和方向都作周期性变化的电流，称为交流电(alternatecurrent)，在交流电作用下的电路称为交流电路。交流电的形式有多种多样，它们的变化规律各不相同。下面介绍常见的正弦交流电的一些基本知识。一.正弦交流电正弦式交流电是指它的电流或电压随时间按正弦规律变化，可表示为：式中u、i分别为电压、电流的瞬时值，Um、Im分别为电压、电流的最大值或幅值，ω为角频率，(ωt+Φu)和(ωt+Φi)为位相，Φu、Φi为初位相。ω与周期、频率的关系为：