FE 电气与计算机考试练习:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 40 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

串并联电阻

电阻串联
Req = R1 + R2 + …
电阻并联
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
两个电阻并联
Req = R1R2 / (R1 + R2)
欧姆定律
V = I·R
功率
P = V·I = I²R = V²/R

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 重复直到端子之间只剩一个电阻。

节点分析

基尔霍夫电流定律
ΣIin = ΣIout
支路电流
I = (Va − Vb)/R
参考节点
Vground = 0

方法

  1. 选定参考节点(地),并标出其他节点电压。
  2. 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律:流出各支路的电流等于流入的电流。
  3. 把每条支路电流表示为 (Va − Vb)/R。
  4. 解方程组,再求出所需的电流。

网孔分析

基尔霍夫电压定律
沿每个回路 ΣV = 0
公共电阻
电流 = I1 − I2
网孔中的电流源
直接确定该网孔电流

方法

  1. 在电路的每个网孔(窗口)中设一个顺时针电流。
  2. 对每个网孔应用基尔霍夫电压定律:电压降之和为零。
  3. 两个网孔共用的电阻中,电流为两个网孔电流之差。
  4. 解方程;结果为负表示电流实际方向相反。

叠加定理

叠加定理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
置零的电压源
短路 (0 V)
置零的电流源
开路 (0 A)
分压公式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流公式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

方法

  1. 数一数独立电源的个数。每个电源对应求解一个更简单的电路。
  2. 保留一个电源,将其他电源置零:电压源用短路(导线)代替,电流源用开路(断开)代替。
  3. 在简化后的电路中求所需的电压或电流,并注意其方向。
  4. 对每个电源重复上述步骤,再将各分量按符号相加。

戴维南和诺顿

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth:所有独立源置零,从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。

RC 和 RL 暂态

时间常数
τ = RC | τ = L/R
响应
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流下的电容
开路;vC 不能突变
直流下的电感
短路;iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值:电容电压和电感电流不能突变。
  2. 求换路后很长时间的终值:电容相当于开路,电感相当于短路。
  3. 求时间常数:τ = RC 或 τ = L/R,使用从电容或电感两端看进去的电阻。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

交流阻抗和相量

阻抗
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
角频率
ω = 2πf
模和相角
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
相量形式的欧姆定律
V = I·Z

方法

  1. 换算频率:ω = 2πf。
  2. 求各电抗:XL = ωL,XC = 1/(ωC)。
  3. 像电阻一样把阻抗相加,Z = R + jX。
  4. 求模 |Z| = √(R² + X²) 和相角 φ = atan(X/R),再用相量形式的欧姆定律。

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ:VL Y:VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

变压器

匝数比
a = N1/N2 = V1/V2
电流比
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
额定电流
I = S/V
折算阻抗
Z1′ = a²·ZL
部分负载时的铜损
Pcu = x²·Pcu,fl
效率
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
最高效率
x = √(Pcore/Pcu,fl)

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

二极管与晶体管

二极管(恒压降模型)
VD = 0.7 V when conducting
放大区
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定偏置
IB = (VCC − 0.7)/RB
分压偏置
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分压器的戴维南等效
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
集电极回路
VCE = VCC − ICRC − IERE
饱和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

数制

位权
二进制 2k,八进制 8k,十六进制 16k
转为十进制
Σ dk·bk
从十进制转换
除以基数,余数从下往上读
十六进制 ↔ 二进制
一位十六进制数 = 4 位二进制
二进制补码
按位取反后加 1

数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序
00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈
消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
触发器
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器
n 位:2ⁿ 个状态; 模 N:满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 对于电路,从输入到输出一个门一个门地分析,并在每根线上写出值;或者写出它的表达式并填写真值表。
  2. 化简时,把 1(以及标为 X 的无关项)填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
  3. 用尽可能少而大的圈(由 1、2、4、8 或 16 个格子组成)覆盖所有 1,可以绕过边界;每个圈对应一个乘积项,由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
  4. 对于触发器和计数器,在每个有效时钟边沿读取输入,写出每个边沿之后的状态,并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

稳定性
特征多项式的所有根都在左半平面
劳斯表,三次多项式的 s¹ 行元素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面的根
第一列中符号变化的次数
三次多项式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
当所有 a > 0 且 a₂·a₁ > a₀ 时稳定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
特征方程
1 + K·G(s) = 0
渐近线
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分离点和汇合点
dK/ds = 0
幅值条件
K = 1/|G(s)|
出射角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

方法

  1. 写出闭环特征多项式:即 1 + K·G(s) = 0 的分母,并展开。
  2. 把系数交替填入劳斯表的前两行,再建立其余各行。
  3. 数第一列中的符号变化:每一次对应右半平面内的一个极点。当表中含有 K 时,要求第一列的每个元素都保持为正。
  4. 画根轨迹时,标出极点和零点、实轴上的线段、来自重心的渐近线,以及 dK/ds = 0 处的分离点。用 K = 1/|G(s)| 求某点处的增益。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.串并联电阻中等
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​20 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​3 ΩB0.4·VA​

菱形符号是一个电压控制电流源,它向上注入节点 B 的电流为 0.4·VA(单位 A,VA 单位为 V)。用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ωg = 0.4 A/V
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​30 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 30 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​1.5 A

用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。

V1 = 10 VIs = 1.5 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
PR1 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​15 VR3​12 ΩAIs​3 AB−+V2​9 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 15 VIs = 3 AV2 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAIs​2.5 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 18 VIs = 2.5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​24 Vt = 0R = 68 ΩL150 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 95%?求 t。

Vs = 24 VR = 68 ΩL = 150 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 Vt = 0R = 4.7 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 3 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 6.6 V?求 t。

Vs = 12 VR = 4.7 kΩC = 47 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
24 V50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 10 ΩL = 20 mHC = 10 µF

一个 RLC 串联电路由 1 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 20 mHC = 10 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 32 kWQSφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 32 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求线路电流 I。

P = 32 kWpf = 0.65V = 240 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、60 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.95V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = 12 Acos φ = 0.7滞后

一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 12 A 的线电流,功率因数为 0.7(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VIL = 12 Acos φ = 0.7
P = kW
18.三相电困难
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 250 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 250 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
8 Ω101

一个 8 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 10:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
pf 0.8100 kVA, η = 98.5%

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 400 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 98.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 100 kVAPcore = 400 Wpf = 0.8η = 98.5%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = −0.8 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = −2.7 VR3​ = 4.7 kΩR4​ = 10 kΩ

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.8 VV2 = −2.7 VR1 = R3 = 4.7 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = −1.4 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1.6 VR2​ = 100 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = −1.4 VV2 = 1.6 VR1 = 10 kΩR2 = 100 kΩRf = 4.7 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 3.3 kΩβ = 120IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 470 kΩ

一只 β = 120 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 12 V 经基极电阻 RB = 470 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 3.3 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 12 VRB = 470 kΩRC = 3.3 kΩβ = 120VBE = 0.7 V
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 220 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = 100 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 220 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 V 逻辑输出经基极电阻 RB = 100 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。

VCC = 24 VRC = 220 Ωβ = 80Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 100 kΩ
IC = mA
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −5 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −58 bit
U =
26.数制困难
2098 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 2098 个项目中的每一个分配一个长度相同的独立二进制编码。最少需要多少位 b?

2098
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110312140507060120130151141819011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 8, 9, 14) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 8, 9, 14)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

一个 4 位移位寄存器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 中存有 0101。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀,Q₀ 丢失),串行输入进入 Q₃。串行输入在 6 个边沿处为 1, 0, 1, 1, 0, 0。给出最终状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 01011, 0, 1, 1, 0, 0
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−4−6−8−10−12−14

F(s) = (s + 13)/(s² + 7s + 12)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−3t + B·e−4t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (s + 13)/(s² + 7s + 12)
A =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t),y(0) = 1,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.2)。

y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+2s + 4G(s)C(s)0.25H−

被控对象 G(s) = 2/(s + 4) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.25。 在 R 处施加大小为 2 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 2/(s + 4)H = 0.25R = 2
css =
32.方框图困难
R(s)+16s(s + 7)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 16/(s(s + 7)) 放在传感器增益为 H = 1 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的虚部 ωd(取正值),单位 rad/s。

G(s) = 16/(s(s + 7))H = 1
ωd = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 10/(s² + s + 5),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 10/(s² + s + 5)
tp = s
34.阶跃响应困难
R(s)+20s(s + 6)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 20/(s(s + 6))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 20/(s(s + 6))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 22 nFR = 3.3 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 3.3 kΩ, C = 22 nF。输入为440 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 3.3 kΩC = 22 nFf = 440 Hz
φ = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 186/(s(s + 4)(s + 9))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 186/(s(s + 4)(s + 9))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 2(s − 4)(s + 5)C(s)−

对象 G(s) = (s + 2)/((s − 4)(s + 5)) 在 s = 4 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 2)/((s − 4)(s + 5))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2sb​

已给出 L(s) = K/((s + 3)(s + 11)) 的根轨迹。求分离点 sb 处的增益 K,此时两个闭环极点在实轴上相遇。

L(s) = K/((s + 3)(s + 11))
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10t+Ks(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 2)),必须以 0.05 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 10t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 10tess = 0.05
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 210s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 2 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 2))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 10/(s(s + 2))K = 2
ts = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.04 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​20 ΩB

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R3 + R4 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 20·32/(20+32) = 12.31 Ω
Req = R1 + 12.31 = 5 + 12.31 = 17.31 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 18/17.31 = 1.04 A

答案

IR1 = 1.04 A
2.串并联电阻

答案: Req = 17.94 Ω

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 8 + 8 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6.857 Ω
R3 + 6.857 = 16.86 Ω
R2 ∥ 16.86 = 7.937 Ω
Req = R1 + 7.937 = 10 + 7.937 = 17.94 Ω

答案

Req = 17.94 Ω
3.节点分析

答案: VA = 5.327 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 15 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/12 = 0
0.8333·VA − 0.08333·VB = 3.75

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/12 = 3
−0.08333·VA + 0.4167·VB = 3

求解

Δ = (0.8333)(0.4167) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.3403
VA = Δ1/Δ = 1.812/0.3403 = 5.327 V
VB = Δ2/Δ = 2.813/0.3403 = 8.265 V

答案

VA = 5.327 V
4.节点分析

答案: VB = 6 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

经电阻从 A 流出的电流等于电源注入 A 的电流。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.5·VA − 0.1·VB = 2

节点 B 的 KCL

受控源向节点 B 注入 g·VA。把它当作独立源处理,然后把含 VA 的项移到左边。

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.4·VA
−0.5·VA + 0.4333·VB = 0

求解

Δ = (0.5)(0.4333) − (−0.1)(−0.5) = 0.1667
VA = Δ1/Δ = 0.8667/0.1667 = 5.2 V
VB = Δ2/Δ = 1/0.1667 = 6 V

答案

VB = 6 V
5.网孔分析

答案: IR3 = 0.6214 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
4·I1 + 20(I1 − I2) = 15
24·I1 − 20·I2 = 15

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 20(I2 − I1) = (−12)
−20·I1 + 40·I2 = −12

求解

Δ = (24)(40) − (−20)(−20) = 560
I1 = Δ1/Δ = 360/560 = 0.6429 A
I2 = Δ2/Δ = 12/560 = 0.02143 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 0.6214 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −0.3052 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​30 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 6(I1 − I2) = 10
12·I1 − 6·I2 = 10

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 6(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 51·I2 − 30·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
8·I3 + 30(I3 − I2) = (−9)
−30·I2 + 38·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 11088
I1 = Δ1/Δ = 8760/11088 = 0.79 A
I2 = Δ2/Δ = −960/11088 = −0.08658 A
I3 = Δ3/Δ = −3384/11088 = −0.3052 A

答案

I3 = −0.3052 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR1 = 2.406 W

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 20+12 = 32 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·32/(6+32) = 5.053 Ω
VA = 10·5.053/(8+5.053) = 3.871 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.871·12/32 = 1.452 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3.871)/8 = 0.7661 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​1.5 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。

R1 ∥ R2 = 8·6/(8+6) = 3.429 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 23.43 = 7.935 Ω
VB = Is·Req = 1.5·7.935 = 11.9 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11.9·3.429/23.43 = 1.742 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1.742)/8 = −0.2177 A

把电流的各个贡献相加

IR1 = IR1′ + IR1″ = 0.7661 + (−0.2177) = 0.5484 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR1 = IR1²·R1 = 0.5484²·8 = 2.406 W

答案

PR1 = 2.406 W

把各单独情况下的功率相加会得到 5.075 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: IR4 = 1.85 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 12 ∥ 19 = 7.355 Ω
VA = 15·7.355/(30+7.355) = 2.953 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.953·15/19 = 2.332 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2.332 − 0)/15 = 0.1554 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​12 ΩAIs​3 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 8.571 Ω,所以左侧路径为 R2+8.571 = 12.57 Ω
Req = R4 ∥ 12.57 = 6.839 Ω
VB = Is·Req = 3·6.839 = 20.52 V
VA = VB·8.571/12.57 = 13.99 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (20.52 − 0)/15 = 1.368 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​12 ΩA开路B−+V2​9 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 30·12/(30+12) = 8.571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·12.57/27.57 = −4.104 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −4.104·8.571/12.57 = −2.798 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−4.104 − −9)/15 = 0.3264 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.1554 + 1.368 + 0.3264 = 1.85 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 15 V

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​10 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 2 = 7 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流,因此其上无压降,V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·10/(10+10) = 15 V
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = 59.33 V

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​2 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 4·2/(4+2) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 20 = 21.33 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAIs​2.5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 6 + 2.5·1.333 = 9.333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9.333 + 2.5·20 = 59.33 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 6.608 ms

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 150 mH / 68 Ω = 2.206 ms
i(∞) = Vs/R = 24/68 = 0.3529 A

求解时间

0.95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.95)
t = −2.206·ln(0.05) = 6.608 ms

答案

t = 6.608 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 112.8 ms

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 47 µF = 220.9 ms
vC(t) = 12 + (3 − 12)·e−t/τ

求解时间

6.6 = 12 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (6.6 − 12)/(3 − 12) = 0.6
t = τ·ln((3 − 12)/(6.6 − 12)) = 220.9·ln(1.667) = 112.8 ms

答案

t = 112.8 ms
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1687 A

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.05 = 15.71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·22·10⁻⁶) = 144.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−129)²) = 142.3 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/142.3 = 0.1687 A

答案

I = 0.1687 A
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 4.472 V

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·10·10⁻⁶) = 2236 rad/s
I = V/R = 1/10 = 0.1 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 2236·0.02 = 44.72 Ω
VL = I·XL = 0.1·44.72 = 4.472 V

答案

VL = 4.472 V

这是电源电压的 Q = 4.472 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: I = 205.1 A

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 32000/(240·0.65) = 205.1 A

答案

I = 205.1 A
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 13.83 kvar

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(45.57°) = 20.4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18.19°) = 6.574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13.83 kvar

答案

QC = 13.83 kvar
17.三相电

答案: P = 6.984 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·480·12 = 9.977 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 9.977·0.7 = 6.984 kW

答案

P = 6.984 kW
18.三相电

答案: QC = 66.42 kvar

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 250·tan(acos 0.8) = 250·0.75 = 187.5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 66.42 kvar

答案

QC = 66.42 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 800 Ω

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 10²·8 = 800 Ω

答案

R1′ = 800 Ω
20.变压器

答案: Pcu,fl = 818.3 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

输出功率和输入功率

Pout = 100·0.8 = 80 kW
Pin = 80000/0.985 = 81218 W

总损耗和铜损

Ploss = 81218 − 80000 = 1218 W
Pcu,fl = 1218 − 400 = 818.3 W

答案

Pcu,fl = 818.3 W
21.运放电路

答案: Vout = −4.043 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入端的电压

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2.7·10/(4.7 + 10) = −1.837 V
V₋ = V₊

反相输入端的 KCL

(−0.8 − −1.837)/4.7 = (−1.837 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/4.7)·(−2.7 − (−0.8)) = −4.043 V

答案

Vout = −4.043 V
22.运放电路

答案: If = −0.124 mA

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −1.4/10 = −0.14 mA
I2 = V2/R2 = 1.6/100 = 0.016 mA
If = I1 + I2 = −0.124 mA

答案

If = −0.124 mA
23.二极管与晶体管

答案: IC = 2.885 mA

BJT 静态工作点:在放大区,VBE = 0.7 V,IC = β·IB,IE = (β + 1)·IB。用 KVL 由基极回路求 IB,再求 IC,然后由集电极–发射极回路求 VCE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替:VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂),RTH = R₁∥R₂;发射极电阻在基极回路中相当于放大了 (β + 1) 倍。

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0.7)/470 kΩ = 24.04 µA

集电极电流

IC = β·IB = 120·24.04 µA = 2.885 mA

答案

IC = 2.885 mA

验算:VCE = 2.479 V 远高于 0.2 V,所以晶体管确实工作在放大区。

24.二极管与晶体管

答案: IC = 2.08 mA

BJT 用作开关:要使负载完全导通,晶体管须驱动到饱和,此时 VCE = VCE(sat),集电极电流由负载决定:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。饱和至少需要 IB = IC(sat)/β。若基极电流更小,晶体管仍处于放大区,IC = β·IB。

基极电流

IB = (3.3 − 0.7)/100 kΩ = 26 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 2.08 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/220 = 108.2 mA

集电极电流

IC = β·IB = 2.08 mA

答案

IC = 2.08 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

25.数制

答案: U = 251

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

取反加一

5 = 0000 0101
取反后: 1111 1010
+1 → 1111 1011

按无符号数读取

1111 1011₂ = 256 − 5 = 251

答案

U = 251
26.数制

答案: b = 12 bit

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

2 的幂

211 = 2048 < 2098
212 = 4096 ≥ 2098

答案

b = 12
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 18

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

ABCD000111100001111000110312140507060120130151141819011010

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

B′C′D
AB′C′
A′B′CD′
A′BC′D′
ABCD′

最简 SOP 形式

F = B′C′D + AB′C′ + A′B′CD′ + A′BC′D′ + ABCD′
L = 18

答案

L = 18
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 3

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

每个边沿之后的状态

0101 → 1010 → 0101 → 1010 → 1101 → 0110 → 0011

十进制值

0011₂ = 3

答案

Q = 3
29.拉普拉斯变换

答案: A = 10

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分解分母

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

遮盖法

乘以 (s + 3) 并令 s = −3:B 项消失。

A = (s + 13)/(s + 4) |s = −3 = 10/1 = 10

答案

A = 10
(B = −9,所以 f(t) = 10·e−3t − 9·e−4t)
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 3.674

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 1s + 6 + 200/s
Y(s) = (s² + 6s + 200)/(s(s + 1)(s + 5))

部分分式

A = 200/(1·5) = 40
B = 195/((−1)·4) = −48.75
C = 195/((−5)·(−4)) = 9.75

结果

y(t) = 40 − 48.75·e−t + 9.75·e−5t
y(0.2) = 3.674

答案

y(0.2) = 3.674

检验:y(0) = A + B + C = 1。

31.方框图

答案: css = 0.8889

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 2/(s + 4 + 0.5) = 2/(s + 4.5)

结果

css = R·T(0) = 2·2/4.5 = 0.8889

答案

css = 0.8889
32.方框图

答案: ωd = 1.936 rad/s

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

特征方程

s(s + 7) + 16·1 = 0 → s² + 7s + 16 = 0

根

s = −3.5 ± j·√(16 − 12.25) = −3.5 ± j1.936
ωd = 1.936 rad/s

答案

ωd = 1.936 rad/s
33.阶跃响应

答案: tp = 1.441 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 5 → ωₙ = 2.236 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2.236) = 0.2236

结果

ωd = 2.236·√(1 − 0.2236²) = 2.179 rad/s → tp = π/ωd = 1.441 s

答案

tp = 1.441 s
34.阶跃响应

答案: ts = 1.333 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

闭环传递函数

T(s) = 20/(s² + 6s + 20): ωₙ = 4.472 rad/s, ζ = 0.6708

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1.333 s

答案

ts = 1.333 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: φ = 78.65 °

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·2.2 × 10⁻⁸) = 13774 rad/s
fc = 2192 Hz → f/fc = 440/2192 = 0.2007

相位

φ = 90° − atan(0.2007) = 78.65°

答案

φ = 78.65°
36.伯德图与裕度

答案: GM = 8.015 dB

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

相位穿越

(ω/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 81)) = K/(4·9·(4 + 9)) = K/468

增益裕度

GM = 20·log₁₀(468/186) = 8.015 dB

答案

GM = 8.015 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 10

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

特征多项式

(s − 4)(s + 5) + K(s + 2) = s² + (1 + K)s + (2K − 20)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

1 + K > 0 → K > −1
2K − 20 > 0 → K > 10
Kmin = 10

答案

Kmin = 10
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 16

根轨迹:当增益 K 从 0 增大到 ∞ 时,闭环极点(即 1 + K·G(s) = 0 的根)从开环极点移向开环零点或无穷远。实轴上的某一点属于根轨迹,当且仅当其右侧的实极点和实零点的总数为奇数。趋向无穷远的 n − m 条分支沿渐近线延伸,渐近线的角度为 (2q + 1)·180°/(n − m),起点为重心 σₐ = (Σ极点 − Σ零点)/(n − m)。分支在 dK/ds = 0 处离开或汇入实轴。相角条件 ∠G(s) = 180° 决定轨迹的形状,幅值条件 K = 1/|G(s)| 给出轨迹上任意一点对应的增益。

分离点

对 K = −(s + 3)(s + 11),dK/ds = 0 给出 2s + 14 = 0。

sb = −7

幅值条件

K = |−7 + 3|·|−7 + 11| = 4·4 = 16

答案

K = 16

在这个增益下,闭环为临界阻尼(ζ = 1)。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 400

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 10/0.05 = 200

增益

K = 2·Kv = 400

答案

K = 400

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.05。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 4 s

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

s(s + 2) + 2·10 = s² + 2s + 20

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s
ζ = 2/(2·4.472) = 0.2236

调节时间

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s

答案

ts = 4 s

这里调节时间与 K 无关:增大 K 只会使响应振荡得更快。

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