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内容简介

本书是电子设计系列教材中的基础和测量仪器篇，侧重电路硬件，特别是模拟电路系统的基础和电学参量的测量。书中包含大量实用的电路单元，既有必要的理论推导，也给出了许多设计和装调经验，并涉及了一些现代电路系统设计相关的主题，如电源完整性概念和单电源设计技术，最后结合全国大学生电子设计竞赛赛题列举了一些电路测量系统的设计和制作案例。全书共8章，主要内容包括信号和连接、基本元器件及应用、信号与系统基础、运算放大器及应用、其他器件及应用、基本电学量的测量原理、常用电路单元模块、经典赛题案例。

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ISBN：9787121368639

开本：16(185*260)

页数：384

字数：614

本书目录

目    录

 
第1章　信号和连接	1
1.1　线材和电缆	1
1.1.1　导线直径和电流	1
1.1.2　导线结构种类	2
1.1.3　电缆	3
1.1.4　绝缘	5
1.2　常用接插件	5
1.2.1　接线端子	5
1.2.2　接插端子	5
1.2.3　板对板连接器	7
1.2.4　卡和插座连接器	7
1.2.5　射频连接器	8
1.3　电源连接和去耦	8
1.4　信号及其传递	12
1.4.1　单端信号和地	12
1.4.2　串扰	14
1.4.3　集总系统和分布系统	15
1.4.4　传输线和阻抗匹配	16
1.4.5　差分信号	17
第2章　基本元器件及应用	19
2.1　元器件的值分布	19
2.2　电阻器	20
2.2.1　电阻值	20
2.2.2　耐受功率和电压	20
2.2.3　实际电阻器的等效电路	21
2.2.4　特殊电阻器	22
2.2.5　电阻器的封装	23
2.3　电容器	24
2.3.1　电容值	24
2.3.2　耐受电压	25
2.3.3　实际电容器的等效电路	25
2.3.4　电容器的种类和封装	27
2.4　电感器	29
2.4.1　电感值	29
2.4.2　耐受电流	30
2.4.3　实际电感的等效电路	30
2.4.4　电感器的类型和封装	31
2.4.5　自制电感器	32
2.5　RLC电路	34
2.5.1　RC、RL充放电电路	34
2.5.2　阻抗、导纳和串并联	35
2.5.3　串联分压电路	36
2.6　无源滤波器	36
2.6.1　一阶RC滤波器	36
2.6.2　LC带通滤波器	40
2.6.3　多阶LC滤波器	41
2.7　陶瓷振子和晶体振子	44
2.8　变压器	45
2.9　二极管	47
2.9.1　二极管的主要特性	47
2.9.2　稳压二极管	49
2.9.3　变容二极管	50
2.9.4　二极管的封装	51
2.10　二极管的典型应用	51
2.10.1　整流滤波电路	51
2.10.2　倍压整流和电荷泵	52
2.10.3　限幅	53
2.10.4　调幅检波	54
2.10.5　高频开关	54
2.11　双极结型晶体管	55
2.11.1　BJT的主要特性	55
2.11.2　BJT的等效电路	58
2.11.3　达林顿管	58
2.12　双极结型晶体管的应用电路	58
2.12.1　共射极放大电路	58
2.12.2　另外两种常用形式	60
2.12.3　共射极放大电路的设计方法	61
2.12.4　共射极放大电路的仿真设计	62
2.12.5　共集电极放大电路	66
2.12.6　共基极放大电路	67
2.12.7　电流源、电流镜	68
2.12.8　差分放大器	70
2.13　场效应晶体管	71
2.13.1　FET的分类	72
2.13.2　FET的主要特性	73
2.13.3　共源极放大电路及其设计	74
2.13.4　共漏极放大电路	75
2.13.5　共栅极放大电路	76
2.14　开关电路	77
2.14.1　共射极/共源极开关	77
2.14.2　共基极/共栅极开关	79
2.14.3　MOSFET高速开关	79
2.14.4　功率桥及其驱动	79
2.15　功率放大电路	82
2.15.1　线性功率放大器	82
2.15.2　简易运算放大器	86
第3章　信号与系统基础	88
3.1　信号与系统的基本概念	88
3.1.1　连续时间信号、系统和传输
函数	88
3.1.2　离散时间信号、系统和传输
函数	91
3.1.3　数字信号的采样率和
采样定律	93
3.1.4　基本元件和连接的传输
函数	96
3.2　模拟滤波器	98
3.2.1　传输函数的零极点和波特图	98
3.2.2　滤波器的指标和分类	103
3.2.3　低通滤波器的传输函数	104
3.2.4　转换为高通	109
3.2.5　转换为带通或带阻	111
3.2.6　全通滤波器	112
3.3　频谱	113
3.3.1　频谱的定义	113
3.3.2　失真、信噪比和信纳比	116
3.4　噪声	118
3.4.1　噪声的分类和指标	118
3.4.2　噪声的计算	120
3.4.3　白噪声的产生方法	125
3.4.4　滤波器的等效噪声带宽	127
3.4.5　其他“颜色”噪声的产生	128
3.5　直接数字频率合成	129
3.6　数字滤波器	130
3.6.1　IIR滤波器	130
3.6.2　FIR滤波器	132
3.7　离散傅里叶变换	133
3.7.1　快速傅里叶变换	134
3.7.2　频域滤波方法	136
第4章　运算放大器及应用	138
4.1　负反馈和运放	138
4.2　运放的基本应用电路	141
4.2.1　同相和反相放大	141
4.2.2　任意线性组合	142
4.2.3　差分-单端转换和共模抑制	145
4.2.4　扩展输出电流	146
4.2.5　电压控制电流源	147
4.2.6　电流-电压变换	150
4.2.7　积分器	151
4.2.8　微分器	153
4.2.9　绝对值（精密整流）电路	153
4.3　任意传输函数的实现	154
4.3.1　多输入加权求和积分	154
4.3.2　任意传输函数的系统结构	154
4.3.3　用运放实现任意传输函数	155
4.3.4　状态变量结构	157
4.4　非理想参数	159
4.4.1　输入失调电压	160
4.4.2　输入偏置电流和失调电流	161
4.4.3　开环增益	162
4.4.4　增益带宽积	164
4.4.5　共模抑制比	166
4.4.6　电源抑制比	167
4.4.7　输入阻抗和输出电阻	168
4.4.8　输入噪声密度	169
4.4.9　其他参数	172
4.5　稳定性和补偿	174
4.5.1　环路特性和稳定性	174
4.5.2　不稳定因素和补偿	176
4.6　偏置和单电源	180
4.6.1　信号和偏置	180
4.6.2　交流放大器的单电源设计	182
4.6.3　直流放大器的单电源设计	184
4.7　仪表放大器	186
4.7.1　三运放结构	186
4.7.2　双运放结构	189
4.8　全差分运放	191
4.8.1　全差分运放的电路模型和
参数	191
4.8.2　典型应用电路	192
4.8.3　全差分放大器的共模抑制	193
4.8.4　阻抗匹配的单端-差分转换	193
4.9　有源滤波器的实现	196
4.9.1　低通滤波器	196
4.9.2　高通滤波器	200
4.9.3　带通和带阻滤波器	203
4.9.4　全通滤波器	204
4.9.5　开关电容滤波器	205
4.10　电流反馈型运放	207
4.10.1　CF运放的电路模型	207
4.10.2　闭环特性	207
4.10.3　环路特性和稳定性	209
4.11　比较器及应用	212
4.11.1　迟滞比较器	212
4.11.2　专用比较器	214
4.12　振荡器	214
4.12.1　正弦波振荡器	214
4.12.2　方波发生器	217
4.12.3　三角波发生器	220
4.13　开关功率放大器	220
第5章　其他器件及应用	224
5.1　半导体光电器件	224
5.1.1　发光二极管和光敏二极管	224
5.1.2　光敏三极管	226
5.2　光电耦合器	227
5.2.1　开关应用	227
5.2.2　模拟信号隔离传输	228
5.3　继电器和模拟开关	231
5.3.1　继电器	231
5.3.2　固态继电器	232
5.3.3　模拟开关	233
5.4　对数放大器和指数放大器	234
5.5　模拟乘法器	237
5.5.1　模拟乘法器的原理	237
5.5.2　乘法器的失调	240
5.6　PGA和VGA	240
5.6.1　PGA和VGA简介	240
5.6.2　AGC	242
5.6.3　使用VGA构成乘法器	244
5.7　模拟锁相环	244
5.7.1　锁相环的原理	245
5.7.2　频率合成	247
5.8　ADC和DAC的基础知识	247
5.8.1　采样和保持电路	247
5.8.2　分辨率和量化噪声	249
5.8.3　采样抖动和信噪比	251
5.8.4　ADC和DAC的常用参数	252
5.9　DAC的原理和应用	254
5.9.1　DAC的原理	254
5.9.2　DAC输出特性的均衡	258
5.9.3　DAC的输出重构滤波	260
5.9.4　DAC的输出调理	262
5.10　ADC的原理和应用	264
5.10.1　双斜积分型ADC原理	264
5.10.2　 调制型ADC原理	265
5.10.3　逐次比较型ADC原理	268
5.10.4　流水线型ADC原理	269
5.10.5　ADC的输入抗混叠滤波器	270
5.10.6　ADC的输入信号调理	271
第6章　基本电学量的测量原理	274
6.1　电压和电流测量	274
6.1.1　电压差测量	274
6.1.2　交流稳态参量测量	276
6.1.3　电流测量	278
6.2　频率、相差和占空比测量	279
6.2.1　等精度测频法	279
6.2.2　占空比和相位测量	281
6.3　混频、正交合成和分解	283
6.3.1　混频	283
6.3.2　正交合成	284
6.3.3　正交分解	284
6.4　锁相放大	285
6.5　阻抗测量	287
6.5.1　自平衡电桥法	287
6.5.2　自平衡电桥测量的矫正	290
6.6　频谱测量	291
6.6.1　混频检波法	291
6.6.2　傅里叶变换	293
6.7　矢量网络测量	296
6.7.1　散射参数	296
6.7.2　矢量网络测量的原理	297
6.7.3　矢量网络测量的矫正	299
6.8　测量系统中常用的数值处理方法	300
6.8.1　曲线拟合	300
6.8.2　过约束与优化	301
第7章　常用电路单元模块	306
7.1　低噪声线性稳压电源	306
7.1.1　线性电压调整器	306
7.1.2　低噪线性稳压模块	307
7.2　四象限稳压稳流电路	308
7.3　运放参数测量	310
7.4　高精度ADC、DAC	313
7.4.1　高精度ADC	314
7.4.2　高精度DAC	315
7.5　高速ADC和DAC	316
7.5.1　高速ADC	316
7.5.2　高速DAC	318
7.6　多功能乘法DAC	319
7.7　开关电容滤波	320
7.8　VGA、AGC和宽带乘法器	321
7.9　峰、谷值检测	322
7.9.1　低频峰值检测和比较	322
7.9.2　高频峰、谷值检测	323
7.10　模拟噪声发生器	324
第8章　经典赛题案例	326
8.1　简易数字信号传输特性分析仪（2011E）	326
8.1.1　背景知识介绍	326
8.1.2　同步信号恢复原理	328
8.1.3　方案设计	330
8.1.4　软硬件实现	330
8.2　简易频率特性测试仪（2013E）	336
8.2.1　原理分析	336
8.2.2　方案设计	338
8.2.3　硬件实现	339
8.3　数字频率计（2015F）	341
8.3.1　原理分析	341
8.3.2　方案设计	342
8.3.3　硬件实现	343
8.4　自适应滤波器（2017E）	346
8.4.1　自适应滤波器的原理	346
8.4.2　其他方案	349
8.4.3　方案设计	349
8.4.4　软硬件实现	350
8.5　增益可控射频放大器（2015D）	354
8.5.1　方案设计	354
8.5.2　硬件实现	356
8.6　80～100MHZ频谱仪（2015E）	359
8.6.1　方案设计	359
8.6.2　硬件实现	359
附录A　国际单位制词头	364
附录B　双端口网络的散射参数向其他参数的转换
　　　　　	365
附录C　使用E24电阻并联得到E96分布值	368
参考文献	370

展开

前言

序    一

全国大学生电子设计竞赛是电子信息类在校大学生的重点学科竞赛。美国德州仪器公司（TI）经过与众多竞赛指导教师及任课老师的多次交流，基于提升大学生专业基础课学习质量及理论联系实际的能力为总目的，商定以高校教师为主体推出了《TI杯全国大学生电子设计竞赛系列教材》。该系列第一期先行出版4本教材，书目及关联的重点大学如下：
.《电子系统设计—基础与测量仪器篇》—华中科技大学
.《电子系统设计—电源系统篇》—武汉大学
.《电子系统设计—信号与通信系统篇》—西安电子科技大学
.《电子系统设计—测量与控制系统篇》—东南大学
在上述4本教材出版之际，本人认为教材的定位正确，教材内容实属学生应扎实掌握的知识。同时，教材的出版以及高校的使用也体现了国际高科技公司与国内高校较深层次的合作。德州仪器、各高校以及电子工业出版社之间的合作是一件共赢的善事，其目的在于通过各方的共同努力培养和提升大学生的素质与能力，值得社会的肯定和支持！
在本人提笔书写之际，已阅读了即将出版的4本教材的章节目录，本人认为教材内容均属各专业基础学科应掌握的内容且较为全面。在4本教材的内容构架中均涉及了近年来的典型电赛题目解析，虽然全国大学生电子设计竞赛绝对不会沿用任何公开或过往的题目，但这部分内容恰恰也说明了该系列教材以结合实际为目的。希望使用教材的老师和同学们能够将更多的精力放在掌握教材中所讲授的基础知识上面，最终以灵活的方式解决实际问题。
最后，也希望《TI杯全国大学生电子设计竞赛系列教材》的后续工作能够顺利开展和落实，不断以相关的前沿科技补充教材内容，使教材持续地发挥正面作用。

   

 

序    二

2021年是德州仪器（TI）大学计划在中国的第25个年头。关于TI，相信大部分正在阅读这本教材的老师或同学都不会感到陌生。过去的20多年中，TI在中国的600多所大学里建立了超过3000个数字信号处理、模拟和微控制器实验室，每年都有超过30万名学生通过TI的实验室及各类活动进行学习和实践。而你可能也曾在教材中、竞赛上或实验室中与TI邂逅。
一直以来，教育都是TI关注的重点。2016年，TI与教育部签署了第三个十年战略合作备忘录，其中包括在未来十年中全面支持由教育部倡导的全国大学生电子设计竞赛，TI将通过提供资金、软硬件开发工具、实验板卡与样片、技术培训和专业工程师指导等方式帮助大学生参与竞赛，增强创新意识和设计能力。事实上，早在2008年，TI与全国大学生电子设计竞赛便结下了不解之缘，在对省级联赛超过十年的赞助中，TI通过提供创新的产品和技术，激励了一批又一批的参赛学生，并帮助培养了数万名电子工程领域的专业人才。
为了给参赛学生提供一个拓展国际视野的平台和机会，TI还邀请了全国大学生电子设计竞赛TI杯的获奖队伍前往美国得克萨斯州参观位于达拉斯的TI总部。在那里，他们不仅了解了半导体行业的最新技术，还与TI的技术专家相互学习交流。此外，TI还将为部分成绩优异的获奖队伍提供实习机会，帮助他们将学习与实践相结合，为未来的研究和工作打下坚实基础。
教育也许是我们一生中能收到的最好的礼物。希望同学们能够充分利用老师们精心编写的全国电子设计竞赛系列教材，迎接2021年的竞赛。同时，也欢迎同学们登录由TI和组委会联合设立的全国大学生电子设计竞赛培训网（www.nuedc-training.com.cn），使用更多的学习资源。期待在竞赛中看到同学们将自己掌握的知识加以实践、应用和创新，更期待看到同学们举起2021年的TI杯，在全国大学生电子设计竞赛平台上绽放光彩。

       
德州仪器（TI）副总裁兼中国区总裁


 

前    言


笔者自2003年开始参加全国大学生电子设计竞赛培训，于2005年参加全国大学生电子设计竞赛获得一等奖，然后在华中科技大学电工电子科技创新中心担任助教，再留校担任电工电子科技创新中心专职指导教师至今，与全国大学生电子设计竞赛已有17年之缘。笔者自幼痴迷电子技术，从第一次拿起烙铁焊接电路至今已有28年。然而，每次为刚刚学到了新东西而沾沾自喜过后，总会觉得，原来自己不懂的还有很多，入门电子技术28年，所知或许不过皮毛。“吾生也有涯，而知也无涯”，希望同学们要谦虚好学，“以有涯随无涯，殆已！”也希望同学们学而有所成时，能学以致用，为自己、为国家、为人类社会创造价值。
这次应全国大学生电子设计竞赛官方合作伙伴—美国德州仪器公司（以下简称“TI”）大学计划部的邀请，与另外三所高校的三位前辈老师一起，以电子设计竞赛为出发点，撰写电子系统设计系列教材，倍感压力与责任，唯恐不能倾尽所学，但无奈自己水平有限且有碍于本书篇幅限制，能与读者分享和一同学习的知识还有很多，只希望这本书能帮助读者牵起电子技术世界的一根线索，真正浩如烟海的知识，还需要读者自己去求索、去实践。
本书主要内容是电子系统设计的基础知识和电学量的测量方法，为适应高校电子设计竞赛培训早于相关专业课的现状，书中内容尽量不依赖于《模拟电子技术》和《数字电子技术》等课程的内容，而是将其中与现代电子系统设计相关的原理和内容总结提炼供读者学习。本书不深入探讨半导体器件内部的原理，而重在使读者掌握元器件外部特性和应用电路。当然，希望读者以此书入门后，还要认真系统地学习相关课程，夯实基础。
学习本书要求读者具有一定的电路理论基础，需要掌握基尔霍夫节点电流和环路电压定律、戴维南定理和诺顿定理、交流电路的相量分析法。限于篇幅，本书的重心在模拟电路，未涉及系统的数字电路内容，遇到数字电路相关内容不能理解时，读者应另行参考相关书籍。微处理器系统（MCU、MPU、FPGA及软核等）及其软件也是现代电子系统设计中必不可少的内容，这部分内容已有很多适合初学者学习的书籍和公开资料，本书也不会涉及。
本书第1章主要介绍信号和连接的相关知识，并例举了一些笔者在学生培训和一些项目研发中用到的线缆、连接件供读者参考。本章还介绍信号完整性的初步知识，并着重介绍电源完整性的知识，特别是后者，很容易被初学者忽视，是限制初学者实践水平提升的重要障碍，望读者予以重视。
第2章主要介绍一些基本元器件和应用电路，除介绍基本特性之外，还重点讲述一些对电路实现有着重要影响的特性。对于晶体管应用电路，书中也给了一定篇幅，虽然当前模拟电路系统设计看似是运算放大器（以下或简称运放）的天下，但运放不是万能的，在一些能用运放完成的需求中，与精妙的晶体管电路实现相比，用运放实现往往也不是最优的。希望读者不要忽视培养自己晶体管电路设计的能力。
第3章是为后续章节展开而加入的内容，但笔者相信，它非常有用。这一章首先非常浅显地概括了信号与系统及传输函数的概念，让读者建立起复频域分析的概念，掌握最基本的复频域分析方法，以应对后续章节的学习，至于其来源、数学原理、局限性等，希望读者能在相关专业课程中再系统地进行学习。
第4章讲述模拟电子系统设计中最为重要的元器件—运算放大器，在简要讲述其基本原理后，重点放在了它的各种应用电路的分析和设计上，并对运放电路的稳定性和对实际电路有着重要影响的非理想特性做了较为详细的讲解。
第5章主要介绍一些在电子系统设计中不可或缺的其他器件，包括基本的光电器件、乘法器、锁相环、ADC和DAC等，在介绍基本原理之后，重点也放在它们的应用电路设计和实现上。
第6章主要介绍基本电学量的测量原理，是第8章电子设计竞赛赛题案例讲解的重要基础。
第7章以电路集锦的形式例举了一些在电子系统设计和电子设计竞赛中常用的和可重用性较高的电路单元模块。
第8章介绍6个往年全国大学生电子设计竞赛赛题作品制作的案例，方案和电路基本都是从一等奖作品中提炼出来的，大多数基本原理在前面章节都已涵盖，本章的主要作用是给读者一个参考。
由于作者水平有限，成书仓促，必有谬误，望大家批评指正！
书中的一些习惯和其他一些希望读者知悉的内容如下：
① 为了便于示意和描述，一些电路图中的元器件符号在国标符号的基础上增加了一点示意性元素。例如，“ ”表示输出交流信号的电压源，“ ”表示输出脉冲信号的电压源。
② 文中一些电路图（特别是最后两章）截取自一些不同软件的画面，部分软件中使用了非国标元器件符号，如ANSI电阻符号：“ ”，一些元器件的标号也与国标不同，如集成电路使用“U”、三极管使用“Q”或“T”、二极管使用“D”等。
③ 一些元器件密集的电路图中，因空间限制，电阻、电容和电感值省略了单位，但保留了必要的国际单位制词头，电阻单位为“Ω”，电容单位为“F”，电感单位为“H”。
④ 许多文献资料特别是器件的数据手册中，电压量均以字母“V”表达，但在本书的算式中，为与电压单位伏特“V”区分，一般会将代表电压量的字母替换为“U”。
⑤ 书中一些配图截取自国外厂商的元器件数据手册，一些图中包含英文单词或短句，请读者自行查阅（多数在正文中也会提及），现在常用的许多元器件产自国外，其数据手册和第一手资料大多为英文，阅读英文技术资料是电子设计者必备的能力。
⑥ 书中提到电路设计调试的经验，常会用到“略大于”“略小于”等措辞，需要注意的是，如果是在对数刻度情景下（如讨论频率响应、稳定性等时），“略大于”“略小于”可能大到数倍或小到几分之一，不应局限为正负百分之几或百分之几十。
⑦ 本书在很多地方给出了设计公式或设计用的方程，在相应的电路设计时，可能需要做复杂的计算或方程求解，笔者希望电路设计者备有能够求代数方程组数值解的计算器，如TI-83或更好的，如果有具备符号计算系统的计算器或会使用Mathematica、Maple、MATLAB Symbolic Math Toolbox等符号计算软件则更好。
非常感谢TI大学计划部对本书的支持，也非常感谢他们对全国大学生电子设计竞赛的大力支持。笔者认为，全国大学生电子设计竞赛是当今高校本、专科电类专业最权威、最客观公正和最重学科基础的竞赛，也是在全国电子行业内最具影响力的大学生竞赛，必能在各方努力和支持下，继续促进电类学科高等教育的发展，引导越来越多的学生成为优秀的电子工程师和研究者。
非常感谢电工电子科技创新中心肖看老师对我的大力支持！全书内容大纲、案例筛选都是在肖看老师的帮助和指导下完成的。学生制作的部分案例和许多模块案例也是在肖看老师指导下完成的。
感谢电工电子科技创新中心许多同学参与了书中案例的设计、制作和验证，包括2014级吴玉婷、陈耀斌、马良博、冯家祥、吴吉祥，2015级高鹏恩，2016级裘建东，2010级王德君，2012级谭昌忍，2013级胡雪欣、李琪、龙彦伯等。此外，还有众多参赛学生的作品方案被书中借鉴或提及，无法一一例举，一并感谢！
感谢电气学院实验教学中心尹仕老师及其他同事对我的理解与支持！
感谢TI大学计划部谢胜祥工程师在我写作本书期间对我的支持和鼓励！
感谢我的父母和妻子在我写书期间对我的理解、支持和无微不至的照顾。感谢我的妻子帮我修正了后两章中的许多电路图，并做了部分电路的仿真验证。感谢家中喵喵在我一人在家“闭关”赶稿时的陪伴和适时的休息提醒。

王贞炎  
2021年1月

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作者简介

王贞炎，1984年1月生，华中科技大学电气学院实验中心工程师，华中科技大学物理系本科，电子科学与技术系硕士。主要研究方向为模拟信号调理、数字逻辑系统和FPGA应用技术，现致力于学生基础技术和竞赛培训，曾获2005年全国大学生电子设计竞赛一等奖，近年来，指导学生获国家级竞赛奖项数十项。

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