第一章 热水器/电磁炉/小家电维修基础

第一节 电子技术基础

一、模拟电路

模拟电路就是利用信号的大小强弱（某一时刻的模拟信号，即时间和幅度上都连续的信号）表示信息内容的电路，如声音经话筒（学名为送话器）变为电信号，其电信号的大小就对应于电信号大小强弱（电压的高低值或电流的大小值），用以处理该信号的电路就是模拟电路。模拟信号在传输过程中很容易受到干扰而产生失真（与原来不一样）。与模拟电路对应的就是数字电路。模拟电路是数字电路的基础。

学习模拟电路应掌握以下概念。

（1）电源

电源是电路中产生电能的设备。按其性质不同，电源可分为直流电源和交流电源，可以将化学能和机械能转换成电能。很多直流电源是将化学能转换为电能的，如干电池和铅酸蓄电池；很多交流电源是通过发电机产生电能的。

电源内可以形成一种力，能使电荷移动而做功。这种力做功的能力称为电源电动势，常用符号E表示，其单位为伏特（V），常用单位及换算关系是

1千伏（kV）=1000伏（V）

1伏（V）=1000毫伏（mV）

1毫伏（mV）=1000微伏（μV）

（2）电路

电路指电流通过的路径。它由电源、导线和控制元器件组成。

（3）电流

电流指电荷在导体上的定向移动。在单位时间内通过导体某一截面的电荷量用符号I表示。电流的大小和方向能随时间有规律地变化，叫做交流电流；电流的大小和方向不随时间发生变化，叫做恒定直流电。

电流的单位为安培，用字母A表示，常用单位及换算关系是

1安培（A）=1000毫安（mA）

1毫安（mA）=1000微安（μA）

（4）电压

电压是指电流在导体中流动的电位差。电路中元器件两端的电压用符号U表示。电压的单位也为伏特（V），常用单位有伏（V）、毫伏（mV）、微伏（μV）。

（5）电阻

电阻是指导体本身对电流所产生的阻力。电阻用符号R表示。电阻的单位为欧姆（Ω），常用单位及换算关系是

1千欧（kΩ）=1000欧（Ω）

1兆欧（MΩ）=1000千欧（kΩ）

由于电阻的大小与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比，且与导体的本身材料质量有关，其计算公式为

式中，L为导体的长度（m）；A为导体的截面积（m²）；ρ为导体的电阻率（Ω·mm²/m）。

（6）电容

电容是指电容器的容量。电容器由两块彼此相互绝缘的导体组成，一块导体带正电荷，另一块导体一定带负电荷。其储存电荷量与加在两导体之间的电压大小成正比。

电容用字母C表示。电容量的基本单位为法拉（F）。常用单位及换算关系是

1法（F）=10⁶微法（μF）=10¹²皮法（pF）

注意：电容在电路图中有时采用数标法，即用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是10的多少次方，基本单位为pF。如：103表示10×10³pF=0.01μF，203表示20×10³PF=0.02μF。

电容器在电路中的作用如下：

1）能起到隔直流通交流的作用；

2）电容器与电感器可以构成具有某种功能的电路；

3）利用电容器可实现滤波、耦合定时和延时等功能。

使用电容器时应注意：电容器串联使用时，容量小的电容器比容量大的电容器所分配的电压要高，串联使用时要注意每个电容器的电压不要超过其额定电压。电容器并联使用时，等效电容的耐压值等于并联电容器中最低额定工作电压。

电阻器和电容器串并联的等效计算见表1-1。

表1-1 电阻器和电容器串并联等效电容计算表

（续）

注：表中G为电导，G=R¹。

（7）电能

电能指在某一段时间内电流的做功量。常用千瓦小时（kW·h）作为电能的计算单位，即功率为1kW的电源在1h内电流所做的功。

电能用符号W表示，单位为焦耳（J）。电能的计算公式为

W=Pt

式中，P为电功率（W）；t为时间（s）；W为电能（J）。

（8）电功率

电功率是指在一定的单位时间内电流所做的功。电功率用符号P表示，单位为瓦特（W），常用单位千瓦（kW）和毫瓦（mW）等，即1W=1000mW。

电功率是衡量电能转换速度的物理量。其计算如下：

假设在一个电阻值为R的电阻两端加上电压U，而流过R的电流为I，求该电阻上消耗的电功率P，即

式中，U为电压（V）；I为电流（A）；R为电阻（Ω）；P为电功率（W）。

（9）电感线圈

电感线圈是用绝缘导线绕制在铁心或支架上的线圈。它具有通直流阻交流的作用。可以配合其他电器元器件组成振荡电路、调谐电路、高频和低频滤波电路。

电感是自感和互感的总称，其两种现象表现为，当线圈本身通过的电流发生变化时将引起线圈周围磁场的变化，而磁场的变化又在线圈中产生感应电动势，这种现象称作自感；两只互相靠近的线圈，其中一个线圈中的电流发生变化，而在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象称为互感。

电感用符号L表示，单位为亨利（H）。常用单位及换算关系为毫亨（mH）和微亨（μH）。1亨（H）=1000毫亨（mH）=1×10⁶微亨（μH）

电感线圈对交流电呈现的阻碍作用称作感抗，用符号X_L表示，单位为欧姆（Ω）。感抗与线圈中的电流的频率及线圈电感量的关系为X_L=ωL=2πfL。

（10）欧姆定律

在一段只有电阻的电路中，流过电阻R的电流I与加在电阻两端的电压U成正比，与电阻成反比，称作无源支路的欧姆定律。

欧姆定律的计算公式为

式中，I为支路电流（A）；U为电阻两端的电压（V）；R为支路电阻（Ω）。

在一段含有电源的电路中，其支路电流的大小和方向与支路电阻、电动势的大小和方向、支路两端的电压有关，称作有源支路欧姆定律。其计算公式为

（11）基尔霍夫定律

基尔霍夫第一定律为节点电流定律，几条支路所汇集的点称作节点。对于电路中任意节点，任意瞬间流入该节点的电流之和必须等于流出该节点的电流之和。或者说流入任意节点的电流的和等于0（假定流入的电流为正值，流出的则看做是流入一个负极的电流），即

I₁+I₂-I₃+I₄-I₅=0

基尔霍夫第二定律为回路电压定律。电路中任意闭合路径称作回路，任意瞬间，电路中任意回路的各阻抗上的电压降的和恒等于回路中的各电动势的和。

（12）频率

频率指交流电流量每秒钟完成的循环次数，用符号f表示，单位为赫兹（Hz）。我国交流供电的标准频率为50Hz。

（13）周期

周期指电流变化一周所需要的时间，用符号T表示，单位为秒（s）。周期与频率是互为倒数的关系，其数学公式为

（14）相位和初相位

在电流表达式i=I_msin（ω+φ）中，电角度（ωt+φ）表示正弦交流电变化过程的一个物理量称作相位。当t=0（即起始时）时的相位φ称作初相位。

（15）角频率

角频率指正弦交流电在单位时间内所变化的电角度，用符号ω表示，单位是弧度/秒（rad/s）。角频率与频率和周期的关系为

（16）振幅值

振幅值交流电流或交流电压，在一个周期内出现的电流或电压的最大值。用符号I_m表示。

（17）有效值

有效值指交流电流i通过一个电阻时，在一个周期内所产生的热量，如果与一个恒定直流电流I通过同一个电阻时所产生的热量相等，该恒定直流电流值的大小称作该交流电流的有效值。电流有效值用字母I表示，电压有效值用U表示。

对于正弦交流电，其电流及电压的有效值与振幅值的数量关系为

（18）相电压

相电压指在三相对称电路中，每相绕组或每相负载上的电压，即端线与中线之间的电压。

（19）相电流

相电流指在三相对称的电路中，流过每相绕组或每相负载上的电流。

（20）线电压

线电压是指在三相对称电路中，任意两条线之间的电压。

（21）线电流

线电流是指在三相对称电路中，端线中流过的电流。

二、数字电路

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理的功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路是由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成的。逻辑门电路是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二进制数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

数字电路与模拟电路不同，它不是利用信号大小强弱来表示信息的，而是利用电压的高低或电流的有无或电路的通断来表示信息的1或0，用一连串的1或0编码表示某种信息（由于只有1与0两个数码，所以叫二进制编码，图1-1所示为数字信号与模拟信号波形对照）。用以处理二进制信号的电路就是数字电路，它利用电路的通断来表示信息的1或0。其工作信号是离散的数字信号。利用电路中的晶体管的工作状态即可代表数字信号，即时而导通时而截止就可表示数字信号。

图1-1 数字信号与模拟信号波形对照

最初的数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件，随后发展到中规模逻辑器件；20世纪70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生了质的飞跃，出现了大规模的数字集成电路。数字电路最重要的单元电路就是逻辑门。

数字集成电路是由许多的逻辑门组成的复杂电路。与模拟电路相比，它主要进行数字信号的处理（即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。数字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。一个数字系统一般由控制部件和运算部件组成，在时序脉冲的驱动下，控制部件控制运算部件完成所要执行的动作。通过模拟数字转换器、数字模拟转换器，数字电路可以和模拟电路实现互联互通。

学习数字电路主要应掌握以下概念。

（1）组合逻辑电路

组合逻辑电路简称组合电路，它由最基本的逻辑门电路组合而成。特点：输出值只与当时的输入值有关，即输出惟一地由当时的输入值决定。电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。

（2）时序逻辑电路

时序逻辑电路简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。特点：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。它类似含储能元器件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。

（3）分类

按电路有无集成元器件来分，可分为分立元器件数字电路和集成数字电路。

按集成电路的集成度进行分类，可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。按构成电路的半导体器件来分类，可分为双极型数字电路和单极型数字电路。

（4）数字电路的特点

1）同时具有算术运算和逻辑运算功能。数字电路是以二进制逻辑数学为基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。

2）实现简单，系统可靠。以二进制作为基础的数字逻辑电路，可靠性较强，电源电压的小的波动对其没有影响，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多。

3）集成度高，功能实现容易，体积小，功耗低是数字电路突出的优点。

电路的设计、维修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高，集成电路块的功能随着小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的发展也从元器件级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。只需采用一些标准的集成电路块单元连接就能组成电路。对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路，通过编程的方法实现各种逻辑功能。

数字电路与数字电子技术广泛地应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术领域。

数字电路又可分为数字脉冲电路和数字逻辑电路。前者研究脉冲的产生、变换和测量；后者对数字信号进行算术运算和逻辑运算。

三、数字电路的划分

（1）按功能分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类

前者在任何时刻的输出，仅取决于电路此刻的输入状态，而与电路过去的状态无关，它们不具有记忆功能，常用的组合逻辑器件有加法器、译码器、数据选择器等。后者在任何时候的输出，不仅取决于电路此刻的输入状态，而且与电路过去的状态有关，它们具有记忆功能。

（2）按结构分为分立元器件电路和集成电路

前者是将独立的晶体管、电阻等元器件用导线连接起来的电路。后者将元器件及导线制作在半导体硅片上，封装在一个壳体内，并焊出引线的电路。集成电路的集成度是不同的。

数字电路主要研究对象是电路的输出与输入之间的逻辑关系，因而在数字电路中不能采用模拟电路的分析方法，如小信号模型分析法。由于数字电路中的器件主要工作在开关状态，因而采用的分析工具主要是逻辑代数，用功能表、真值表、逻辑表达式、波形图等来表达电路的主要功能。

图1-2 模拟信号的换码过程

四、模拟信号数字化技术

由于数字电路是采用脉冲的“有”和“无”这个码值来表示的，其计数方式就必须实行二进制方式。二进制数由“1”和“0”两位数组成，“1”对应脉冲“有”，“0”对应脉冲“无”。

要将模拟信号转化为数字信号，首先应将模拟信号进行换码，图1-2所示为模拟信号的换码过程。它是将输入模拟信号的波形按适当时间来测量，把各个时刻波形的幅度用二进制数读出，并把这些二进制排成顺序脉冲序列，这样就达到了模拟信号数字化的目的。即使光盘在记录或重放过程中有失真和噪声，重放时根据识别码的长短或脉冲的有无，即可使原来的信号再现。具体说来，模拟信号数字化要经过以下过程。

（1）采样

模拟信号数字化需经过采样、量化和编码三个程序。所谓采样，即以适当的时间间隔观测模拟信号波形，并将观测到的时间不连续的样本值替换原来的连续信号波形的操作，又称为取样。

采样的基本定理：如果把随时间变化的信号波形用该信号所含最高频率2倍的频率进行采样，就可以从采样值通过插补，正确地得到原信号的波形。

为什么采样频率为信号中最高频率的2倍时，就能重现原信号波形呢？这是因为采用的采样频率为足够高时，在被采样后只舍去了采样点以外的波形值，对于原信号的频谱仍完整地保留下来，只是新增加一些高频频谱。再经低通滤波器把新增加的多余频谱成分滤除后，就成了和原信号一样的频谱了。由于该低通滤波器的频率特性包含有脉冲响应特性，所以通常把这种低通滤波器叫做解调滤波器（LPF）。由于解调滤波器的平滑作用，使滤波后的脉冲变成了各个脉冲均响应的合成波，从而达到了重现原信号波形的目的。

（2）量化

量化就是把各个时刻的采样值用二进制表示，通过把随时间连续变化的信号振幅变换成不连续的离散值的近似操作和四舍五入的计算方法，就可以将采样所得的无限个模拟电压值转换成有限个电压值。而有限个电压的数值就是数字信号的前身，它反映了模拟电压的变化曲线，使电压曲线变成了一连串的数字信号。因此，从狭义上说，整个量化过程就是将模拟信号转换成数字信号的过程。

量化器实际上是一种具有量化特性的电路，量化的方式有两种，即：无论信号的大小，均具有同样量化阶梯高度（相等的时间间隔，相等的取样间隔）的量化方式叫做均匀量化；根据信号大小，具有不同阶梯高度（相等时间间隔，不等的取样间隔）的量化方式叫非均匀量化。

（3）二进制编码技术

量化后还要经过编码，将量化的采样值表示为数值，则称为编码。二进制编码是使用“0”和“1”两个数字表示某一数值，这个二进制数位（Binary Digit）称为bit，通常8bit为一个字节（表示文字信息量的单位，英文为Byte）。该组二进制数称为字（Word），字内各个位的名称是，最高位叫做MSB，第二位叫2SB，第3位叫3SB…，最低位叫LSB。

与十进制不同的是，二进制采用逢二进一的方法。如果把日常生活中常用的十进制码表示为二进制位数，则可用每一个都是4bit的二进制码来表示。例如，十进制中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10表示为二进制码，则分别为0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010。可以这样定性理解，十进制中的“1”只有一位，而二进制中的“1”则用四位表示，但实质上还是1；而“2”则是两个二进制“1”根据逢二进一的原则相加，即0001+0001=0010；“3”是二进制码中的“2”和“1”相加，0001+0010=0011；“8”是二进制的“7”和“1”相加，即0001+0111=1000；…；“15”是二进制“10”加上“5”，即1010+0101=1111；“63”为四个二进制“15”相加，再加上二进制的“3”，即1111+1111+1111+1111+0011=111111，依此类推。十进制中的自然数都可以通过二进制数表示出来。

采用二进制之后，只有数字“1”和“0”，而且数字“1”和“0”可以通过晶体管的开和关表示出来，数位简单，进位原则也较简单，特别适合计算机运算，所以二进制数在数字编码技术中得到了广泛应用。

五、A-D和D-A转换技术

（1）A-D转换技术

A-D转换就是将模拟信号转换成数字信号，在A-D转换过程中，首先是利用采样保持电路对输入的模拟信号进行采样，如图1-3所示。

图1-3 模拟信号采样电路

电路中的模拟开关是采样开关，它的每秒接通次数为采样频率，接通时间为采样时间。例如，对于音响信号，每秒采样44.1千次，即44.1kHz。模拟开关通断是由控制信号控制的，高电平接通，低电平断开。接通时送出输入信号在接通时刻的电平值（样本值）。该样本电平值送到保持电容以保持其电平值，经输出缓冲放大器放大后输出，待下一个采样值送出时，它又保持输出这一电平值。因此，经保持电路处理后的信号就变成了一种阶梯形的模拟信号，该信号经量化编码后变成了数字信号。

A-D转换器有多种类型，若影碟机采用16位的数字信号，则要求A-D转换器不但要具有将模拟信号分解成2¹⁶=65536个等级的能力，而且必须在10～20μs的时间内完成整个转换过程。

图1-4所示为逐级比较式A-D转换器，它主要由模拟比较器、移位寄存器、锁存器和A-D转换器构成。其工作步骤是按照天平称物的原理来完成的。如果把图中的模拟比较器比作天平，输入模拟信号比作所测重物的重量，D-A转换器比作砝码，那么，移位寄存器和锁存器就相当于放入、取出或留下的砝码。输入信号增加表示物体量增加，这时就必须增加砝码，也就是说，物体重量改变时，砝码也必须相应改变，才能使天平保持平衡，使称出的物体量与砝码相等。

（2）D-A转换技术

与A-D转换相反，D-A转换是将数字信号变成模拟信号。其作用是将A-D转换后形成的数字信号再还原成模拟信号，推动模拟设备进行工作。

D-A转换器的基本结构如图1-5所示。

D-A转换的位数与A-D转换的位数（图1-5中为16位）应相同，变换速度的最低限度应控制在一定的时间之内。图1-5所示的转换器是采用晶体管的，根据数字信号是0还是1来控制开关是通（ON）还是断（OFF）的工作状态。

图1-5中，流过R1至R16各个开关的电流用2的倍数加权，即第1位接通时通过的电流为1mA，第2位接通时流过的电流则为（1/2）×1mA，第3位接通时流过的电流则为（1/4）×1mA，第4位接通时流过的则为（1/8）×1mA…。各个电源开关使加权的电流源通、断，在运算放大器的输入端上就会出现导通的电源之和，如（1+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/64+1/128+1/256+1/512+…+1/65536）mA。

该输入电流通过运算放大器进行电流/电压变换，经变换的电压即为与输入的16bit数字值相对应的模拟值，从而推动模拟设备工作。

D-A转换器有多种形式，如用R-2R梯形电阻构成的D-A转换器、积分式D-A转换器、DEM方式D-A转换器等。这些方式的转换器都是用单片集成电路制成的，具有无须调整的优良特征。不管结构如何复杂，其IC的内部结构都是根据这个基本原理制成的。

图1-4 逐级比较式A-D转换器

图1-5 D-A转换器的基本结构