1.1 电子技术相关基本概念
本节简要介绍电子技术的研究内容，模拟信号与数字信号，模拟电路与数字电路，分立元件电路与集成电路，A/D与D/A转换电路，以及电子系统等相关基本概念。
1.电子技术
电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。
电子器件用来实现信号的产生、放大、调制及探测等功能，常见的电子器件有电子管、晶体管和集成电路等。
电子电路是组成电子设备的基本单元，由电阻、电容、电感等电子元件和电子器件构成，具有某种特定功能。
2.模拟信号与数字信号
信号是信息的载体。在人们周围的环境中，存在着电、声、光、磁、力等各种形式的信号。电子技术所处理的对象是载有信息的电信号。目前对于电信号的处理技术已经比较成熟。但是，在通信、测量、自动控制以及日常生活等各个领域也会遇到非电信号的处理问题，在实际中经常需要把待处理的非电信号先变成电信号，经过处理后再还原成非电信号。
在电子技术中遇到的电信号按其不同特点可分为两大类，即模拟信号和数字信号。
在时间上和幅值上均是连续的信号叫做模拟信号。此类信号的特点是，在一定动态范围内幅值可取任意值。许多物理量，例如声音、压力、温度等均可通过相应的传感器转换为时间连续、数值连续的电压或电流。图1.1所示为一随时间变化的模拟电压信号波形。
图1.1 模拟电压信号波形
与模拟信号相对应，时间和幅值均离散（不连续）的信号叫做数字信号。数字信号的特点是幅值只可以取有限个值。图1.2所示为一常见的、应用最广的二进制数字信号波形。
图1.2 二进制数字信号波形
同一个物理量，既可以采用模拟信号进行表征，也可以采用数字信号进行表征。例如，传统的录音磁带是以模拟形式记录声音信息的，而CD光盘（compact laser disk）则是以数字形式记录声音信息的。
3.模拟电路与数字电路
模拟信号和数字信号的特点不同，处理这两种信号的方法和电路也不同。一般地，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。
处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟电路研究的重点是信号在处理过程中的波形变化以及器件和电路对信号波形的影响，主要采用电路分析的方法。
处理数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路着重研究各种电路的输入和输出之间的逻辑关系，分析时常利用逻辑代数、真值表、卡诺图和状态转换图等方法。
模拟电路和数字电路的分析方法有很大的差别，这是由模拟信号和数字信号的不同特点决定的。由于电子电路分为模拟电路和数字电路两部分，通常电子技术也被人们分为模拟电子技术和数字电子技术。但是这两种技术并不是孤立的，在许多情况下往往是模拟和数字两种技术并用的。
但是，随着电子技术的不断发展，数字电路的应用愈来愈广泛，在很多领域取代了模拟电路。其主要原因是：①数字电路更易采用各种算法进行编程，使其应用更加灵活；②数字电路可以提供更高的工作速度；③采用数字电路，数字信息的范围可以更宽，表示精度可以更高；④数字电路可以采用嵌入式纠错系统；⑤数字电路比模拟电路更易做到微型化，等等。
图1.3所示为模拟电路和数字电路在一定噪声干扰下的输出信号。图1.3（a）中的模拟信号由于其所有幅值均为有效值，难以对原始信号进行精确还原，受到噪声干扰的信号如图1.3（b）所示；而图1.3（c）中的数字信号由于其特定的幅值，其噪声可以完全去除，如图1.3（d）所示。由此可以很直观地看出数字电路的抗干扰能力优于模拟电路。
图1.3 模拟电路和数字电路在一定噪声干扰下的输出信号
尽管人类已经进入数字时代，但是认为模拟技术已经停滞与过时的想法似乎有些片面。一方面，随着数字技术的进步，对高精度、高速度、高频率、低功耗模拟产品的需求越来越大，模拟产品正沿着继续提高性能的方向前进；另一方面，与数字技术结合的混合信号器件则将是模拟产品的另一个主要发展方向。很多的现代电子系统都包含模拟电路与数字电路两种电路，其性能较之单纯由模拟电路或数字电路构成的系统，更为优越。因此，数字化浪潮也给模拟技术带来了更为广泛的发展空间，可以预计未来的电路系统将是模拟电路与数字电路共存的。
在电路的研究过程中，也经常会碰到线性电路和非线性电路两个术语。由电源和线性元件组合而成的电路，属于线性电路。线性元件是指元件的参数与电压、电流等电量无关，线性电路能用线性方程来描述其特性。不能用线性方程来描述其特性的电路称为非线性电路，大部分含电子器件的电路均属于非线性电路。
4.分立元件电路与集成电路
分立元件电路是将单个的电子元器件连接起来组成的电路。如果用分立元件实现功能复杂的电路或系统，势必造成元器件数目众多，体积、重量和功耗都将增大，而且可靠性也较差。
集成电路是采用一定的制造工艺将所有元器件都制作在一小块硅片上形成的电路。其优点是成本低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高，且便于维修。集成电路的应用范围很广，发展非常迅速。
在模拟电路和数字电路中，虽然都在大量使用集成电路器件，很多场合分立元件电路已经被集成电路所取代，但在这两种不同的电路中，集成电路器件的使用呈现不同的特点。在数字电路中，分立元件电路几乎被淘汰；而在模拟电路中，由于信号形状的多样性，功率要求的多样性，以及集成电路制造技术等原因，无法在集成电路内部实现大阻值电阻、大容量的电容器和电感、变压器等元件，因此在模拟电路的大功率、超高频等领域中，分立元件电路仍有一席之地。
常见的模拟集成电路有集成运算放大器、集成功率放大器、模拟乘法器、锁相环、混频器和检波电路等；常见的数字集成电路有门电路、触发器、编码器、译码器、计数器、运算电路、数据选择器、寄存器和存储器等。
本课程通过介绍分立元件电路，使读者掌握电路的一些基本概念和基本原理，以便进一步学习和研究集成电路。
5.A/D和D/A转换电路
随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字技术。由于人类生活在一个连续变化的模拟世界里，系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，各种模拟信号必须通过模数转换电路转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应的模拟信号，并经过适当的调整与放大之后，才能成为人类能够感知的声音与图像等信息。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（Analog to Digital Converter，简称A/D转换器或ADC）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（Digital to Analog Converter，简称D/A转换器或DAC）。A/D和D/A转换电路已成为信息系统中不可缺少的接口电路。图1.4所示为模拟信号与数字信号转换的示意图。图1.4（a）所示为模拟信号转换为数字信号，首先模拟信号被周期性地采样，然后对每个采样点进行编码（通常采用二进制编码），这样就可以采用数字形式表示一个量；图1.4（b）所示为数字信号转换为模拟信号，精确地恢复模拟量数值几乎是不可能的，因为某一个范围内的数值均会采用相同的编码。因此，D/A转换器只能得到与原来模拟信号近似的还原信号，二者之间一定会存在量化误差，该误差可以通过提高DAC的位数（二进制数码的位数），即增多电压等级的方法降低（每个电压等级对应的电压数值越小，理论上可以体现出精度越高）。
图1.4 模拟信号与数字信号转换的示意图
6.电子系统
电子系统是指由相互作用的基本电路和器件构成的能够完成某种特定功能的电路整体。
图1.5所示为常见的扩音系统，是一个典型的模拟信号处理系统。先用传声器（话筒）将声波的机械振动转化为电信号，经声频放大器对电信号进行放大，再由扬声器（喇叭）将电信号还原成声音，这样就可以获得提高的音量。
图1.5 扩音系统
图1.6所示为一个用于流动细胞分析的激光血球计数系统，是一个较为简单的数字处理系统的例子。通过一定的方法，可以使血球排列成单行进入计数通道，当激光光束通过血球时，其散射光照射到硅光电池上，由光的强弱变化产生电脉冲信号，然后由数字信号处理电路进行计数，再通过数字显示器显示出来，同时由记录设备记录数据。电源的作用是为信号处理、显示、记录电路提供电能，使其正常工作。
图1.6 激光血球计数系统方框图
广播通信系统主要由如图1.7所示的两大模块构成：
图1.7 广播通信系统方框图
（1）信号的发射。首先用话筒把声音信号转换成音频电信号，通过调制器把音频电信号加载到高频电磁波上（通常调制级也兼有放大作用），最后通过天线把载有音频电信号的电磁波发射出去。
（2）信号的接收。先利用处在电磁波传播范围里的天线接收电磁波，再利用收音机调谐器选出所需某一频率的电磁波。但是把调谐器选出来的频率很高的电信号直接送到耳机，不能使耳机发出声音，因此还需要从高频电信号中取出音频信号，解调放大后，送到扬声器里，把音频电信号转换成声音，这样就能听到收音机里的节目了。注意系统的各电路部分均需要整流滤波得到的直流能量 Pdc。
图1.5和图1.6是电子技术中处理信号的两种常见模式：一种是纯模拟方式；一种是纯数字方式。对于比较复杂的系统（如图1.7所示）一般需采用模拟-数字混合方式。不论采用哪种方式，其电子系统大致可由四个部分组成，即传感器、信号处理电路、再生器和电源，如图1.8所示。
图1.8 电子系统的基本组成方框图
如果需要处理的信号为电信号，则可以省去传感器。若在输出端不需要还原成非电信号，则可省去再生器。
有的电子系统是非常复杂的，包含许多不同的功能电路。特别是集成电路飞速发展的今天，集成度越来越高，功能越来越多，在单个芯片上可能集成多种不同类型的电路，从而自成一个系统，外围电路却越来越简单。因此对于有些电路的内部结构及工作原理，没有必要搞得非常清楚，应用中关注的是系统的整个信号处理过程及外部特性，这一点对于正确使用电子系统是非常重要的。
许多实际的电子系统不是孤立地存在的，必须与其他的系统（例如机械系统、光学系统、图像处理系统、自动控制系统等）相互配合，才能构成完整的实用设备或仪器。因此在设计电子系统时，就要考虑到各系统的协调关系，采用合理的接口，保证被连接的两部分电路之间信号的通畅和各自处于正常工作状态。