1、同轴电缆的信号传输 信号分析基础RC电路基础模拟电子技术基础脉冲电路基础,需要的基础知识,同轴电缆构造图,同轴电缆的信号传输,同轴电缆的等效图,L：分布电感，单位长度电缆的电感C：分布电容，单位长度电缆的电容,表征电缆的基本参量,传输时间d：为电压传播经过单位长度的电缆所需的时间 RG58、RG59传输时间约为5ns/m,特征阻抗Z：由单位长度电缆的电感和电容来求得,阻抗匹配,阻抗匹配(R=Z),反射系数,RL=Z，K=0,RL=0，K=-1,RL=，K=1,阻抗匹配（重点、难点）,*为使电压或电流脉冲无形变地从电缆的一端传到另一端，需要信号源内阻、电缆阻抗和负载阻抗至少在一端匹配 。尤其在快
2、信号的传输中。,慢信号传输中的反射,1s,快信号传输中的反射,在快信号的传输中一定要注意阻抗匹配问题,阻抗匹配（重点、难点）,*为使电压或电流脉冲无形变地从电缆的一端传到另一端，需要信号源内阻、电缆阻抗和负载阻抗至少在一端匹配 。尤其在快信号的传输中。,信号分析基础知识,信号可以在时域里分析，也可以在频域和复频域里分析。几个基本概念付立叶变换拉普拉斯变换复频域中电路的输出波形分析,几个基本概念,线性网络：由线性元件构成的网络,四端网络：由任意连接的阻抗元件构成的有四个端点的装置,几个基本概念,单位冲击函数：,冲击响应：如果输入四端网络的信号为单位冲击电压，则其输出电压随时间的变化称为网络的冲击
3、响应。,几个基本概念,单位阶跃函数：,u(t)= 0 t/2,付立叶变换,付立叶变换分析信号及系统的输出信号是很有效的。但也有不足，它要求被积函数f(t)绝对可积，对不可积函数要引入一些奇异函数，如（t）等。这就给信号的分析和计算带来麻烦。另外，对于正指数函数eat(a0)付立叶变换是不存在的。因此，为了克服付立叶变换的限制，引入拉普拉斯变换。,拉普拉斯变换,在付立叶变换中引入衰减因子e-t，对不可积函数f(t)，只要足够大，e-t f(t)绝对可积。则,令 s=+j,则有,双边拉普拉斯变换。,拉普拉斯变换,单边拉氏变换,常用函数的拉式变换,拉普拉斯变换的性质,如果F(s)=Lf(t)，则LA
4、f(t)=ALf(t)=AF(s)LAf1(t)+ Bf2(t)=ALf1 (t)+ BLf2 (t)=AF1 (s)+ BF2(s)Lf (t)=s Lf (t)-f(0)=sF(s)-f(0),(A0),拉普拉斯变换,从付立叶变换推出拉普拉斯变换，从而把信号与系统从频域（为自变量）扩展到复频域（s为自变量）。,t s,拉普拉斯变换,付立叶变换,复频域内的几个基本概念,电容 电感电阻,LR,sLR,复数阻抗,运算阻抗,频域,复频域,复频域内的几个基本概念,传输系数,复频域内的几个基本概念,设 复频域中一信号为,当s=Zi时，F(s)=0，则称Z1，Z2，.，Zm为零点。当s=Pi时，F(s)
5、=，则称P1，P2，.，Pn为极点。其中F0为与零点和极点无关的常数。,极点和零点,复频域中电路的输出波形分析,如图所示电路，求开关K合上后电路中电流和R上的电压变化情况。设起始条件为t=0时，L、C上无电荷。,Vmu(t),复频域中电路的输出波形分析,第一步：传输系数,第二步：,第三步：,复频域中电路的输出波形分析,根据拉氏变换公式,，,设,第四步：,衰减震荡的信号,拉氏变换对电路进行分析过程总结,根据电路特点，先求出复频域中传输系数；根据拉氏变换，求出输入信号在复频域中的形式；根据传输系数的定义，求出输出信号在复频域中的形式；根据反拉氏变换，求出输出信号在时域中的波形。,重点,小结（重点）
6、,掌握复频域中对电路进行分析的方法结合作业，仔细体会,RC 电路基础知识,RC电路的充电过程RC电路的放电过程RC电路对矩形脉冲的响应RC电路对矩形波的响应,RC电路的充电过程,如图所示电路，在t0时C上无电荷。在t=0时输入一阶跃电压Vmu(t),则电路中在阶跃信号加上瞬间产生的电流在复频域内为,由于,其中RC称为时间常数，通常用表示。,RC电路充电过程输出波形,RC电路的放电过程,所示电路，输入阶跃脉冲Vmu(t)对RC电路中的电容C充电，经过无限长时间，电容C上的电压达到Vm。在之后的某一时刻，输入电压下降为0，电容C上的电荷通过电阻R释放，这一过程称之为放电。,那么 t=0时，电容上电
7、压,与充电过程相比，相当于：t=0时，VC=0，在t=0时在输入端加一阶跃信号- Vmu(t)。,RC电路放电过程输出波形,电路中电流为：,重点,RC电路对矩形脉冲的响应,积分电路,t时，,=/20,=,=5,为了使输出脉冲与输入脉冲相比不发生畸变，对于积分电路，要求电路的时间常数远远小于矩形脉冲的宽度，即。,略有畸变,幅度受损,很大畸变,RC电路对矩形脉冲的响应,微分电路,t时，,=/20,=,=5,为了使输出脉冲与输入脉冲相比不发生畸变，对于微分电路，要求电路的时间常数远远大于矩形脉冲的宽度，即。,略有畸变,很大畸变,RC电路对矩形脉冲的响应-重点,矩形脉冲通过RC电路时，总是要发生畸变。
8、合理选择时间常数，可使信号失真最小。积分 电路要求时间常数小，微分电路要求时间常数大。也可利用此畸变，将窄信号拉宽或将宽信号变窄。这在后面的成形电路中有所涉及。,RC电路对矩形波的响应,假设Vm=10V，=T/2，对于=情况进行讨论。,第一个脉冲对电容C进行充电后，电容上电压为,在第一个脉冲结束后到第二个脉冲到来前，电容上电压为,第二个脉冲对电容C进行充电后，电容上电压为,在第二个脉冲结束后到第三个脉冲到来前，电容上电压为,作业：看在几个脉冲后输出达到平衡（电压值取三位有效数字即可）。,RC电路的一些使用,放大器的放大级之间常用RC耦合电路（同微分电路）进行隔离。如果要求不失真的传递信号，时间
9、常数应很大。任何脉冲信号包括了直流分量和交流分量，电容有隔直作用，因此直流分量经过RC耦合电路后逐渐漂移至零。脉冲信号基线发生变化，RC耦合电路输出信号只有交流分量而无直流分量。在核电子学中，直流分量的漂移（即脉冲信号基线的漂移）是一个有害的因素，因此必须消除。成形电路利用RC电路使信号畸变，将窄信号拉宽或将宽信号变窄。,小结（重点）,RC电路的特性和时间常数选择特点,模拟电子技术基础,PN结晶体三极管的三个工作区单管放大器的特性集成运算放大器负反馈电路特点,半导体,本征半导体,本征半导体的导电性是有限的。,掺杂半导体,（a）N型半导体 （b）P型半导体,采用掺杂的方法，提供更多的载流子来提高
10、导电性,PN结,处于平衡状态的PN结内有两种运动：多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动。,PN结的单向导电性,当PN结正向偏置时，外电场与内建电场方向相反。结区变窄，当外电场足够大时，PN结处于导通状态。,当PN结反向偏置时，外电场与内建电场方向相同。结区变宽，PN结处于截止状态。,晶体三极管,晶体三极管的三个工作区,放大区：发射结正偏，集电结反偏。放大倍数基本不变。截止区：发射结反偏，集电结反偏。只有少数载流子的漂 移运动。饱和区：发射结正偏，集电结正偏，收集极收集电子的能 力很弱。电流达到饱和状态。,电子学中的放大器中晶体三极管通常工作于放大区，而数字电路中的晶体三极管工作于饱和区和
11、截止区。,单管放大器,静态工作点,静态工作点选择合理与否，对于放大输入信号有很大影响。选择不合理会使放大后的信号畸变。,输入电阻和输出电阻,输入电阻：,输出电阻：,频率响应,f=fH-fL称为放大器的通频带。,用单管放大器来放大正弦交流信号时，电压增益只在一定频率范围内不变,产生频率响应的主要因素,在核辐射探测中使用的脉冲放大器放大的是脉冲信号，脉冲信号中包含了各种频率的正弦信号。因此对脉冲放大器来说，具有好的频率特性是必要的。,分布电容,隔直电容,瞬变响应,其中 =rbeC,只考虑输入耦合电路时,由于输出端分布电容的存在使输入的阶跃信号在输出时前沿变慢对于脉冲探测器输出信号均为上升时间较快的
12、窄脉冲，所以要求放大器的上升时间较快或有较高的fH。,其中 C=RCCD,只考虑输出积分电路时,同时考虑输出信号的指数下降后沿，由于放大器上升时间太大而引起输出信号幅度损失。,为了使上升沿变化跟上输入脉冲，应尽量减小输出端时间常数,为了不损失幅度，应尽量增大输入端时间常数,集成运算放大器,理想运算放大器模型 开环增益无穷大A开环差分输入阻抗无穷大rin开环输出阻抗无穷小ro0无温漂、失调电压，完全理想状态,虚短 虚断,负反馈电路,直流反馈和交流反馈,负反馈电路的放大倍数,若AF+11，则,当电路引入深度负反馈（即AF+11）时，放大倍数几乎仅仅决定于反馈网络，而与基本放大电路无关。,虚短虚断的
13、应用,虚短虚断的应用,交流负反馈放大电路的基本性能,稳定放大倍数,改变输入电阻和输出电阻,串联反馈增大输入电阻，并联反馈减小输入电阻；电压反馈减小输出电阻，电流反馈增大输出电阻。,改善线性,非线性畸变减小，线性变好。,减小上升时间 （扩展通频带）,上升时间变小,交流负反馈结论,负反馈电路的引入，不仅增强了放大器稳定性，也使放大器的线性变好，同时改善了上升时间，使放大器的通频带变宽，但这些均是以增益的牺牲为代价的。负反馈处理不当会产生自激振荡，脉冲信号处理电路中常带有消振的相位补偿电路。,请同学们自行查阅一下自激振荡和相位补偿的资料,总结,同轴电缆的信号传输：阻抗匹配信号分析基础知识：复频域对信号进行分析（拉氏变换）RC电路基础知识：不同用途时间常数的选取模拟电子技术基础：频率响应和瞬变响应；交流负反馈对电路动态特性的改善；虚短虚断的应用；自激振荡、相位 补偿,
