模拟基础电路

本教程是NI测量基础系列教程的一部分。 该系列教程将通过理论和实践两个方面介绍一些常见测量应用。 本教程旨在介绍和解释模拟电路的基础测量。

1欧姆定律和基本模拟电路概念

电阻： 电阻可定义为一种媒介特性，该特性与流经媒介本身的电流流向相反。 电阻的单位是欧姆，用希腊字母?表示。 电阻相关的功率值量化为电阻器在不会过热的情况下可转化为热量的功率。

通过电阻(R)的电流(I)定义为：

对于1 MΩ的电阻，如果施加10 V的电压，则流经该电阻的电流为10 μA。

图1. 简单的欧姆定律表示方法

欧姆定律这一基本方程描述了电压电位、流经电路的电流以及电路电阻之间的关系。 负载电阻(R)的功耗等于电流和电压的乘积。 功率的其他关系通过对欧姆定律进行代换可以很容易得到。

电阻(R)所消耗的功率(P)等于：

如果要计算电压为10 V，功率为10 W时的阻值，由公式P = V2/R可得R = V2/P。电阻值就等于100/10，也就是10 Ω。 因此10 Ω施加10 V的电压会产生10 W的功耗。 如果V、R或P中有任意两个参数的值相等，则另一个参数的值也相同。 测量电阻的一种常用方法是使用数字万用表(DMM)。

注意：功耗(P)限定了数字化仪上50Ω输入可以施加的最大电压值。 根据这些等式，我们可以得到对50 Ω电阻施加10V电压需要数字化仪的输入负载消耗2 W的功率。 如果运行两个通道，则功耗为4 W。 这么高的功耗是不可能被忽略的。 还需要注意的是，由于平方定律的影响，如果将数字化仪的电压翻倍，则功耗将为原来的四倍。

分压器计算：

当两个电阻串联连接时，它们必须共享所施加的电压，而流经这两个电阻的电流是相同的。

图2.分压器电路示例

注意： 分压器通过上述等式进行定义。

分流器计算：

当两个电阻并联连接时，这两个电阻的电压是相等的。 流经每个电阻的电流取决于它们的阻值：

图3.分流器电路示例

上图显示了两个并联连接的电阻。

注意： 数字万用表(DMMs)是自动化测试系统中最常见的测量设备。 DMM通常非常容易使用，且成本非常低。 DMM一般具有内置的调理功能，可提供：

a) 高分辨率（通常以位为单位）

b) 多种测量（电压、电流、电阻等）

c) 隔离和高电压功能。

2电容计算

电容器以电荷的形式存储能量。 电容器可容纳的电荷量取决于上图中两块极板的面积以及它们之间的距离。 面积大、间距小的极板可容纳较多的电荷。 电容器两块极板之间的电场会阻碍所施加电压的变化。 电容器的电阻随着频率的增大而减小。

图4. 电容电路示例

读取电容器的值：

电容的单位为法，由字母F表示。电容的计算公式为：

其中，

C = 电容，单位是法

Q = 聚集的电荷，单位是库伦

V = 两个极板之间的压差

串联配置：

图5. 电容器串联

上图显示了两个串联的电容器。

由于电容器的电容与极板之间的距离成反比，任何数量的电容器的总电容可通过以下公式计算得出：

对于两个串联的电容器，

并联配置：

图6. 电容器并联

每个电容器的电压相同。 总电容等于每个电容器电容值之和。

电容计算公式为：

3电感计算

电感定义为在特定电流变化速率下电感器两端的压降。 电感器的电阻随频率的增加和增加。 电感的单位是亨，由字母H表示。

串联配置：

图7. 电感器串联

图7显示了两个串联的电感器。当两个电感器串联连接时，如上图所示，它们的总电感等于每个电感的总和。

并联配置：

图8. 电感器并联

图8显示了两个并联的电感器。 当两个电感器并联连接时，需要考虑互感。 此外，互感需要与每个线圈的自感相加或相减，因为电流沿两个方向流动。

总电感可使用以下公式计算：

NI PXI-4072 FlexDMM和LCR测量仪为工程师提供了电压、电流、电容、电感、温度和电阻等20种最常见的自动化测试测量，使数字万用表的功能更加丰富。

阻抗：阻抗(Z)通常定义为器件或电路在特定频率下对交流电流的阻碍作用。 阻抗值等于电路中某个元件的电压与电流之间的比值。 因此，阻抗的单位也是欧姆 (?)。

阻抗是一个复数，可在矢量图上表示出来。 阻抗矢量由实部（电阻，R）和虚部（电抗，X）组成。 阻抗的表达式可以是直角坐标形式R + jX，也可以是由幅值和相位角表示的极坐标形式：

Z。

导纳：

导纳(Y)是阻抗的倒数。 导纳也是一个复数： 实数部分称为电导(C)，虚数部分称为电纳(B)。

导纳的单位是西门子(S)

Y = G + jB，其中，Y是导纳，G是电导，B是电纳。

4模拟放大器电路

图9显示了一个基本的运算放大器模型，由运算放大器的三个基本部分组成：

图9.基本运算放大器(Op-Amp)模型

1) 差分放大器： 放大器的输出与输入信号之间的差值成正比。

2) 增益/频率响应： 滤波器可改变信号相对于频率的振幅或相位特性。 滤波器的频率域行为在数学上通过一个传递函数或网络函数进行描述。 传递函数H(s)描述为输出和输入信号之间的比率。

其中，Vout(s)和Vin(s)是输出和输入电压信号，s是复合频率变量。传递函数的幅值成为幅值响应或频率响应，尤其是无线电应用。

3) 输出缓冲区

反相放大器： 反相顾名思义非常简单，它只是将输入信号的极性反转。 例如，如果进入放大器的电压是正向的，出来时则是反向的。

图10. 基本的反向放大器

计算反向放大器的增益：

非反向放大器： 放大器的增益取决于R1与R2之比。

图11. 基本的非反向放大器

计算非反向放大器的增益：

注意： NI提供的所有数据采集(DAQ)产品均具有内置放大器。

5模拟RC滤波器

RC低通滤波器：模拟信号中用于衰减高频成分的一个常见电路是RC低通滤波器。 如下图所示，Vin是施加的电压，C1的电压Vout是输出电压。

图12. 简单的RC低通滤波器

RC低通滤波器容许低频和直流信号通过，传输到输出端，但会截止高频信号。 这可能是我们期望的，也可能是不期望的。

即使不是我们期望的，我们也会得到类似的电路。 例如，C可以是数字万用表(DMM)、数字化仪或其他设备的输入电容。本例中的R也可能是待测设备(DUT)的源电阻。 DUT必须随着信号的变化对C进行充电和放电。 随着频率的增加，C的阻抗甚至会低于R，然后开始衰减信号。 当Vout的值等于Vin的0.707倍时，该频率称为–3dB频谱或半功率点，因为此时输出功率比输入信号低–3dB。

单极RC低通

RC高通滤波器： 衰减模拟信号低频分量的电路称为RC高通滤波器。 注意，该电路与上一个电路类似，不同的是现在Vout测量的是R1两端的电压。

图13. 简单的RC高通滤波器

该电路非常重要的典型应用是数字化仪或数字万用表(DMM)的输入耦合电路。 电容器接通时，电路就是交流耦合状态。 电容器短路时，电流就是直流耦合状态。

注意： 低通和高通滤波器也应用于动态信号采集(DSA)设备中

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