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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​25 ΩBR6​2 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​6 Ω+−V1​30 VR2​12 Ω+−V2​12 VI2​R3​12 Ω+−V3​24 VA

如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 2 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I2。

V1 = 30 VR1 = 6 ΩV2 = 12 VR2 = 12 ΩV3 = 24 VR3 = 12 Ω
I2 = A
4.节点分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​30 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​0.5 A+−V2​15 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 30 VIs = 0.5 AV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR4​12 ΩAR5​25 ΩIR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R5 的电流 IR5。

V1 = 15 VV2 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 Ω
IR5 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​5 ΩBIs​2 A

用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
PR1 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​5 VR3​3 ΩAIs​6 AB+−V2​36 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 5 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAIs​1 ABRL​4 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 4 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 36 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 50 ΩL22 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 1 ms 时的电流 i。

Vs = 5 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 V在 t = 0 断开R1​ = 3.3 kΩR2​ = 2.2 kΩi2​C220 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 500 ms 时流过 R2 的电流 i2。

Vs = 15 VR1 = 3.3 kΩR2 = 2.2 kΩC = 220 µFt = 500 ms
i2 = mA
13.交流阻抗和相量中等
230 V60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4.7 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
120 V500 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 10 µF
f0 = Hz
15.交流功率和功率因数中等
P = 2 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 2 kW,功率因数为 0.7(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 2 kWpf = 0.7V = 400 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 45 kW,功率因数为 0.65(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求所需电容 C。

P = 45 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 93%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 90 kW。此负载下其效率为 93%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 90 kWη = 93%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 200 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 200 kW,功率因数为 0.75(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(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 = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
RL​ = 5 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 2400 V 电压。二次绕组两端接一个 5 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 5 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.8575 kVA, 50% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 900 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 900 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = −0.9 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1.3 VR3​ = 10 kΩR4​ = 22 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 = −0.9 VV2 = 1.3 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −0.3 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1.8 VR2​ = 47 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 = −0.3 VV2 = 1.8 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.2 kΩβ = 100IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 470 kΩ

一只 β = 100 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 = 2.2 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 = 2.2 kΩβ = 100VBE = 0.7 V
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 23 V680 Ω12 V

一个 12 V 的齐纳稳压器有一个 680 Ω 的串联电阻。输入可能升到 23 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 23 VVZ = 12 VR = 680 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
补码中的位权1−12806413211618041201

8 位模式 1011 1010 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1011 10108 bit
N =
26.数制困难
32 bit1 px800 px600 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 800 × 600 像素,每像素 32 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

800 × 600 px32 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010111302140517061121131150141809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 7, 8, 12, 13, 15) 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(0, 1, 3, 4, 7, 8, 12, 13, 15)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ0​Q0​DQ1​Q1​DQ2​Q2​DQ3​Q3​DQ4​Q4​DQ5​Q5​DQ6​Q6​DQ7​Q7​CLKRING

一个环形计数器由 8 个 D 触发器构成,最后一个输出反馈到第一个输入,并从单个 1 开始。它经历多少种不同的状态 N?

n = 8
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 1.2f(1.2) = ?

用部分分式法求 F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(1.2)。

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 5))t = 1.2 s
f(1.2) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−51

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 5y = 18u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 1 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(1)。

y″ + 6y′ + 5y = 18ut = 1 s
g(1) =
31.方框图中等
R(s)+20K+1s + 5G(s)C(s)4H₁−−

被控对象 G(s) = 1/(s + 5) 带有一个增益为 H₁ = 4 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 20 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 1/(s + 5)H₁ = 4K = 20
p =
32.方框图困难
R(s)+4s + 5G₁+5s + 5G₂C(s)0.5H₁−0.25H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 4/(s + 5),G₂ = 5/(s + 5),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 0.25。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 4/(s + 5)G₂ = 5/(s + 5)H₁ = 0.5H₂ = 0.25
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3?

某系统的传递函数为 G(s) = 126/(s² + 6s + 42),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 126/(s² + 6s + 42)
%OS = %
34.阶跃响应困难
+−10 VR = 400 ΩL = 500 mHC = 2 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 400 Ω,L = 500 mH,C = 2 µF,在 t = 0 时接到 10 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电压第一个峰值出现的时间 tp,单位 ms。

R = 400 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 10 V
tp = ms
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 22 nFR = 2.2 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 2.2 kΩ, C = 22 nF。输入为660 Hz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 2.2 kΩC = 22 nFf = 660 Hz
|H| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 29/(s(s + 2))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 29/(s(s + 2))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 1)(s + 8)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5))
σa =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+Ks(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 2)),必须以 0.1 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 5t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 5tess = 0.1
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 41s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 4 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 2))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 1/(s(s + 2))K = 4
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.2985 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​12 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8.889 Ω
Req = R1 + 8.889 = 6 + 8.889 = 14.89 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 = 10/14.89 = 0.6716 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0.6716·6 = 5.97 V
IR2 = VA/R2 = 5.97/20 = 0.2985 A

答案

IR2 = 0.2985 A
2.串并联电阻

答案: Req = 10.87 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​25 ΩBR6​2 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 5.469 Ω
R3 + 5.469 = 9.469 Ω
R2 ∥ 9.469 = 6.868 Ω
Req = R1 + 6.868 = 4 + 6.868 = 10.87 Ω

答案

Req = 10.87 Ω
3.节点分析

答案: I2 = −1 A

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

取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。

(VA − 30)/6 + (VA − 12)/12 + (VA − 24)/12 = 0

求 VA

VA = (30/6 + 12/12 + 24/12) / (1/6 + 1/12 + 1/12) = 8/0.3333 = 24 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I2 = (12 − VA)/R2 = (12 − 24)/12 = −1 A

答案

I2 = −1 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

4.节点分析

答案: IR4 = −0.3913 A

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​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​30 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​0.5 A+−V2​15 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 V, V2 = 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/6 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/15 = 0
0.4333·VA − 0.06667·VB = 6

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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/2 + (VB − VA)/15 + (VB − 15)/30 = 0.5
−0.06667·VA + 0.6·VB = 1

求解

Δ = (0.4333)(0.6) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.2556
VA = Δ1/Δ = 3.667/0.2556 = 14.35 V
VB = Δ2/Δ = 0.8333/0.2556 = 3.261 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (3.261 − 15)/30 = −0.3913 A
5.网孔分析

答案: I2 = −1.183 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩA+−V2​24 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 + 10(I1 − I2) = 9
14·I1 − 10·I2 = 9

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
12·I2 + 10(I2 − I1) = (−24)
−10·I1 + 22·I2 = −24

求解

Δ = (14)(22) − (−10)(−10) = 208
I1 = Δ1/Δ = −42/208 = −0.2019 A
I2 = Δ2/Δ = −246/208 = −1.183 A

答案

I2 = −1.183 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR5 = 0.1588 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​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR4​12 ΩAR5​25 ΩB+−V2​5 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
25·I1 + 12(I1 − I2) = 15
37·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 12(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 45·I2 − 25·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
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−5)
−25·I2 + 35·I3 = −5

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 30110
I1 = Δ1/Δ = 12750/30110 = 0.4234 A
I2 = Δ2/Δ = 1675/30110 = 0.05563 A
I3 = Δ3/Δ = −3105/30110 = −0.1031 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 0.1588 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR1 = 22.22 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​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​5 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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·8/(20+8) = 5.714 Ω
VA = 30·5.714/(8+5.714) = 12.5 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12.5·5/8 = 7.813 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12.5)/8 = 2.188 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​20 ΩAR4​5 ΩBIs​2 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 = 8·20/(8+20) = 5.714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 8.714 = 3.177 Ω
VB = Is·Req = 2·3.177 = 6.354 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6.354·5.714/8.714 = 4.167 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4.167)/8 = −0.5208 A

把电流的各个贡献相加

IR1 = IR1′ + IR1″ = 2.188 + (−0.5208) = 1.667 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 = 1.667²·8 = 22.22 W

答案

PR1 = 22.22 W

把各单独情况下的功率相加会得到 40.45 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: IR4 = 0.2793 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​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​5 VR3​3 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) = 3 ∥ 32 = 2.743 Ω
VA = 5·2.743/(8+2.743) = 1.277 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.277·30/32 = 1.197 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 1.197)/30 = −0.03989 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​3 ΩAIs​6 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 = 2.182 Ω,所以左侧路径为 R2+2.182 = 4.182 Ω
Req = R4 ∥ 4.182 = 3.67 Ω
VB = Is·Req = 6·3.67 = 22.02 V
VA = VB·2.182/4.182 = 11.49 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 22.02)/30 = −0.734 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​3 ΩA开路B+−V2​36 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 = 8·3/(8+3) = 2.182 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·4.182/34.18 = 4.404 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4.404·2.182/4.182 = 2.298 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (36 − 4.404)/30 = 1.053 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0.03989) + (−0.734) + 1.053 = 0.2793 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 = 2.667 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​4 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 = 5·4/(5+4) = 2.222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.222 + 5 = 7.222 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​4 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) = 6·4/(5+4) = 2.667 V
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 6.792 W

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​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​10 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 = 30·10/(30+10) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 5 = 12.5 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 9 + 1·7.5 = 16.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16.5 + 1·5 = 21.5 V
Rth​ = 12.5 Ω+−Vth​21.5 VRL​4 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 21.5/(12.5 + 4) = 1.303 A
PL = IL²·RL = 1.303²·4 = 6.792 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.0897 A

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 = 22 mH / 50 Ω = 0.44 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0.1 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.1·(1 − e−1/0.44) = 0.0897 A

答案

i = 0.0897 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: i2 = 0.9707 mA

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。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 15·2.2/(3.3 + 2.2) = 6 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 2.2·220 = 484 ms

放电

vC(t) = 6·e−500/484 = 2.136 V
i2 = vC/R2 = 2.136/2.2 = 0.9707 mA

答案

i2 = 0.9707 mA
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.4444 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.15 = 56.55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·4.7·10⁻⁶) = 564.4 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−507.8)²) = 517.6 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/517.6 = 0.4444 A

答案

I = 0.4444 A
14.交流阻抗和相量

答案: f0 = 355.9 Hz

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

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.02·10·10⁻⁶)) = 355.9 Hz

答案

f0 = 355.9 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 2.04 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。

相角

φ = arccos(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

无功功率

Q = P·tan φ = 2·1.02 = 2.04 kvar

答案

Q = 2.04 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: C = 752.4 µF

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 = 45·tan(49.46°) = 52.61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(18.19°) = 14.79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 37.82 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 37820/(2π·50·400²) = 752.4 µF

答案

C = 752.4 µF
17.三相电

答案: IL = 98.75 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 90/0.93 = 96.77 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 96774/(√3·690·0.82) = 98.75 A

答案

IL = 98.75 A
18.三相电

答案: QC = 110.6 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.95) = 200·0.3287 = 65.74 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 110.6 kvar

答案

QC = 110.6 kvar
19.变压器

答案: I1 = 4.8 A

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。

二次电压和电流

V2 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/5 = 48 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 4.8 A

答案

I1 = 4.8 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 500 Ω,2400/500 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 525 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。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·900 = 225 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 300 + 225 = 525 W

答案

Ploss = 525 W

此负载下的效率为 η = 98.38%。

21.运放电路

答案: Vout = 4.84 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) = 1.3·22/(10 + 22) = 0.8938 V
V₋ = V₊

反相输入端的 KCL

(−0.9 − 0.8938)/10 = (0.8938 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/10)·(1.3 − (−0.9)) = 4.84 V

答案

Vout = 4.84 V
22.运放电路

答案: If = −0.2617 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 = −0.3/1 = −0.3 mA
I2 = V2/R2 = 1.8/47 = 0.0383 mA
If = I1 + I2 = −0.2617 mA

答案

If = −0.2617 mA
23.二极管与晶体管

答案: IC = 2.404 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 = 100·24.04 µA = 2.404 mA

答案

IC = 2.404 mA

验算:VCE = 6.711 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: PZ,max = 194.1 mW

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 11/680 = 16.18 mA

齐纳功率

PZ = 12·16.18 = 194.1 mW

答案

PZ,max = 194.1 mW
25.数制

答案: N = −70

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。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 32 + 16 + 8 + 2 = −70

答案

N = −70
26.数制

答案: M = 1875 KiB

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。

位和字节

800·600·32 = 15360000 bit = 1920000 B

换算为 KiB

1920000/1024 = 1875 KiB

答案

M = 1875 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 11

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。

ABCD000111100001111010111302140517061121131150141809011010

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。

C′D′
BCD
A′B′D
ABD

最简 SOP 形式

F = C′D′ + BCD + A′B′D + ABD
L = 11

答案

L = 11

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 8

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。

8 个触发器的序列

10000000 → 01000000 → 00100000 → 00010000 → 00001000 → 00000100 → 00000010 → 00000001

状态数

N = 8

答案

N = 8
29.拉普拉斯变换

答案: f(1.2) = 3.121

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 25/(1·5) = 5
B = 25/((−1)·4) = −6.25
C = 25/((−5)·(−4)) = 1.25

逆变换

f(t) = 5 − 6.25·e−t + 1.25·e−5t

求值

f(1.2) = 5 − 6.25·e−1.2 + 1.25·e−5·1.2 = 3.121

答案

f(1.2) = 3.121
30.拉普拉斯变换

答案: g(1) = 1.625

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = 18/(s² + 6s + 5)

部分分式

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 4.5, B = −4.5

冲激响应

g(t) = 4.5·e−t − 4.5·e−5t
g(1) = 1.625

答案

g(1) = 1.625
31.方框图

答案: p = −29

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)。

内环

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 1/(s + 5 + 1·4) = 1/(s + 9)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 20/(s + 9 + 20) = 20/(s + 29)

结果

p = −29

答案

p = −29
32.方框图

答案: T(0) = 0.4706

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)。

内环

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 5/(s + 7.5)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 20/((s + 5)(s + 7.5) + 5)

直流增益

T(0) = 20/(5·7.5 + 5) = 20/42.5 = 0.4706

答案

T(0) = 0.4706
33.阶跃响应

答案: %OS = 19.39 %

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 = 42 → ωₙ = 6.481 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6.481) = 0.4629

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.641 = 19.39 %

答案

%OS = 19.39 %
34.阶跃响应

答案: tp = 3.428 ms

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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (400/2)·√(2 × 10⁻⁶/0.5) = 0.4

结果

ωd = 916.5 rad/s
tp = π/ωd = 3.428 ms

答案

tp = 3.428 ms
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −14.12 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。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·2.2 × 10⁻⁸) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 660/3288 = 0.2007

增益

|H| = 0.2007/√(1 + 0.2007²) = 0.1968
20·log₁₀(0.1968) = −14.12 dB

答案

|H| = −14.12 dB
36.伯德图与裕度

答案: PM = 21.03 °

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。

增益穿越

ω⁴ + 4ω² − 841 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·841))/2 = 27.07
ωc = 5.203 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(5.203/2) = −159°
PM = 180° + ∠L = 21.03°

答案

PM = 21.03°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 72

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。

特征方程

s³ + 9s² + 8s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 8
s²: 9, K
s¹: (9·8 − K)/9
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
9·8 − K > 0 → K < 72

答案

Kmax = 72

当 K = 72 时,闭环以 ω = √8 = 2.828 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: σa = −2

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。

极点和零点

个极点: 0, −2, −5
0 位: −3
n − m = 3 − 1 = 2

形心

σa = (−7 − (−3))/2 = −2

答案

σa = −2

2 条渐近线从重心出发,角度为 90°, 270°。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 100

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 = 5/0.1 = 50

增益

K = 2·Kv = 100

答案

K = 100

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1。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: tp = 1.814 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) + 4·1 = s² + 2s + 4

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √4 = 2 rad/s
ζ = 2/(2·2) = 0.5

峰值时间

ωd = 2·√(1 − 0.5²) = 1.732 rad/s
tp = π/1.732 = 1.814 s

答案

tp = 1.814 s

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