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​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​4 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​10 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 5 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​5 ΩB0.05·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 0.05·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 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ωg = 0.05 A/V
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩIR2​+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 30 ΩIR3​+−V1​9 VR4​8 ΩAR5​2 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 9 VV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 ΩR5 = 2 Ω
IR3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​15 Ω+−VR2​AR4​4 ΩBIs​4 A

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
VR2 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​10 VR3​15 ΩAIs​4 AB+−V2​10 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 10 VIs = 4 AV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​1 ABRL​8 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩRL = 8 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求电路稳定后电感中储存的能量 W(∞),以 mJ 表示。

Vs = 12 VR = 33 ΩL = 10 mH
W(∞) = mJ
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 VR1​ = 33 ΩR2​ = 20 Ω在 t = 0 断开L22 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已闭合很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关断开。 t = 0 之后多长时间电感电流达到 0.492 A?求 t。

Vs = 20 VR1 = 33 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
50 V100 HzR = 15 ΩL = 50 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 50 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 50 mH
|Z| = Ω
14.交流阻抗和相量困难
VfR = 20 ΩL = 50 mHC = 0.22 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 20 Ω,L = 50 mH,C = 0.22 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 20 ΩL = 50 mHC = 0.22 µF
Q =
15.交流功率和功率因数中等
P = 29 kWQSφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 29 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求线路电流 I。

P = 29 kWpf = 0.65V = 240 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 115 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 115 kW、功率因数为 0.75(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 200 kVAP1 = 115 kWpf1 = 0.75
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M37 kW, η = 90%cos φ = 0.85

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 37 kW。此负载下其效率为 90%,功率因数为 0.85(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 37 kWη = 90%cos φ = 0.85VL = 415 V
IL = A
18.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 300 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 0.98(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 = 300 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​25 kVA

一台单相 25 kVA、4800/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 25 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = 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 225 W,额定负载下铜损为 562.5 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 = 225 WPcu,fl = 562.5 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 21。

R1 = 10 kΩAv = 21
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 0.2 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0.1 VR2​ = 1 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.2 VV2 = 0.1 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 3.3 kΩβ = 50VCC​ = 9 VRB​ = 1000 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 9 V 经基极电阻 RB = 1000 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–发射极电压 VCE。

VCC = 9 VRB = 1000 kΩRC = 3.3 kΩβ = 50VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 30 V330 Ω5.6 V

一个 5.6 V 的齐纳稳压器有一个 330 Ω 的串联电阻。输入可能升到 30 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 = 30 VVZ = 5.6 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
补码中的位权1−12806403211608140211

8 位模式 1001 0101 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1001 01018 bit
N =
26.数制困难
4837 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 4837 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?

4837
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = A′B′C + A′C′ + A′B′ + A′B 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L?

F = A′B′C + A′C′ + A′B′ + A′B
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK12345678

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0JK
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
  7. 7时钟边沿 7
  8. 8时钟边沿 8
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

用部分分式法求 F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 4))t = 0.75 s
f(0.75) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−51

某系统由微分方程 y″ + 7y′ + 10y = 17u 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 = 0.1 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.1)。

y″ + 7y′ + 10y = 17ut = 0.1 s
g(0.1) =
31.方框图中等
R(s)+3s + 1G(s)C(s)0.5H−

被控对象 G(s) = 3/(s + 1) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.5。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 3/(s + 1)H = 0.5
τ = s
32.方框图困难
R(s)+K(s + 5)(s + 6)(s + 8)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 5)(s + 6)(s + 8)) 放在单位负反馈回路中。 用劳斯–赫尔维茨判据求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

G(s) = K/((s + 5)(s + 6)(s + 8))单位负反馈
Kmax =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 97/(s² + 14s + 97),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 97/(s² + 14s + 97)
σ =
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)140 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 40 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 40 %
ζ =
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550 Hz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 3.3 kΩC = 22 nFf = 550 Hz
|H| = dB
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) = 92/(s(s + 3)(s + 6))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 92/(s(s + 3)(s + 6))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 8)(s + 10)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 6)/((s + 3)(s + 4)(s + 2)(s + 10))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K(s + 6)/((s + 3)(s + 4)(s + 2)(s + 10))
σa =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1t+50(s + 3)s(s + 1)C(s)−

斜坡 r(t) = 1t 加到 G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 1)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 1))r(t) = 1t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 5t+5 + 5/s10(s + 4)(s + 10)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 5 + 5/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/((s + 4)(s + 10))。求斜坡输入 r(t) = 5t 的稳态误差 ess。

C(s) = 5 + 5/sG(s) = 10/((s + 4)(s + 10))r(t) = 5t
ess =

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 6.857 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​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​4 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 4·10/(4+10) = 2.857 Ω
Req = R1 + 2.857 = 4 + 2.857 = 6.857 Ω

答案

Req = 6.857 Ω
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.1002 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​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​30 ΩBR6​10 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 = 25 + 10 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 16.15 Ω
R3 + 16.15 = 20.15 Ω
R2 ∥ 20.15 = 10.04 Ω
Req = R1 + 10.04 = 15 + 10.04 = 25.04 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 = 5/25.04 = 0.1997 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 = 5 − 0.1997·15 = 2.005 V
IR2 = VA/R2 = 2.005/20 = 0.1002 A

答案

IR2 = 0.1002 A
3.节点分析

答案: IR3 = −0.5414 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 10 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/10 + (VA − 10)/8 + (VA − VB)/10 = 0
0.325·VA − 0.1·VB = 1.25

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)/10 = 5
−0.1·VA + 0.4333·VB = 5

求解

Δ = (0.325)(0.4333) − (−0.1)(−0.1) = 0.1308
VA = Δ1/Δ = 1.042/0.1308 = 7.962 V
VB = Δ2/Δ = 1.75/0.1308 = 13.38 V

答案

IR3 = (VA − VB)/R3 = (7.962 − 13.38)/10 = −0.5414 A
4.节点分析

答案: VB = 1.606 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
0.4833·VA − 0.06667·VB = 1.667

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 = 0.05·VA
−0.1167·VA + 0.2667·VB = 0

求解

Δ = (0.4833)(0.2667) − (−0.06667)(−0.1167) = 0.1211
VA = Δ1/Δ = 0.4444/0.1211 = 3.67 V
VB = Δ2/Δ = 0.1944/0.1211 = 1.606 V

答案

VB = 1.606 V
5.网孔分析

答案: IR2 = 2.273 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​ = 2 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​9 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
2·I1 + 8(I1 − I2) = 30
10·I1 − 8·I2 = 30

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
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 13·I2 = −9

求解

Δ = (10)(13) − (−8)(−8) = 66
I1 = Δ1/Δ = 318/66 = 4.818 A
I2 = Δ2/Δ = 150/66 = 2.273 A

答案

IR2 = I2 = 2.273 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR3 = −0.2605 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​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR4​8 ΩAR5​2 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 9
16·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 8(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 16·I2 − 2·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
30·I3 + 2(I3 − I2) = (−9)
−2·I2 + 32·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 6080
I1 = Δ1/Δ = 4428/6080 = 0.7283 A
I2 = Δ2/Δ = 2016/6080 = 0.3316 A
I3 = Δ3/Δ = −1584/6080 = −0.2605 A

答案

IR3 = I3 = −0.2605 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR2 = 9.6 V

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​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​4 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 = 12+4 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·16/(15+16) = 7.742 Ω
VA = 12·7.742/(10+7.742) = 5.236 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5.236·4/16 = 1.309 V
VR2′ = VA − 0 = 5.236 − 0 = 5.236 V
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​15 ΩAR4​4 ΩBIs​4 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 18 = 3.273 Ω
VB = Is·Req = 4·3.273 = 13.09 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 13.09·6/18 = 4.364 V
VR2″ = VA − 0 = 4.364 − 0 = 4.364 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 5.236 + 4.364 = 9.6 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: IR4 = −1.176 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​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​15 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) = 15 ∥ 28 = 9.767 Ω
VA = 10·9.767/(10+9.767) = 4.941 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4.941·25/28 = 4.412 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (4.412 − 0)/25 = 0.1765 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​15 ΩAIs​4 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 = 6 Ω,所以左侧路径为 R2+6 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 6.618 Ω
VB = Is·Req = (−4)·6.618 = −26.47 V
VA = VB·6/9 = −17.65 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−26.47 − 0)/25 = −1.059 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​15 ΩA开路B+−V2​10 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·9/34 = 2.647 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2.647·6/9 = 1.765 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (2.647 − 10)/25 = −0.2941 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.1765 + (−1.059) + (−0.2941) = −1.176 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: IN = 0.5 A

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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​2 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 5 = 6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 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) = 6·2/(2+2) = 3 V
IN​0.5 ARth​6 Ωab

诺顿等效

诺顿电源是同一电路看作与 R_th 并联的电流源。其电流就是 a–b 的短路电流。

IN = Vth/Rth = 3/6 = 0.5 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 5.878 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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​3 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 = 3·3/(3+3) = 1.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.5 + 15 = 16.5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​3 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) = 4.5 + 1·1.5 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 1·15 = 21 V
Rth​ = 16.5 Ω+−Vth​21 VRL​8 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/(16.5 + 8) = 0.8571 A
PL = IL²·RL = 0.8571²·8 = 5.878 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: W(∞) = 0.6612 mJ

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 = 10 mH / 33 Ω = 0.303 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0.3636 A

储存的能量

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·10·0.3636² = 0.6612 mJ

答案

W(∞) = 0.6612 mJ
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.2867 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

在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 20/33 = 0.6061 A
i(∞) = 20/(33 + 20) = 0.3774 A
τ = L/R = 22/53 = 0.4151 ms
i(t) = 0.3774 + (0.6061 − 0.3774)·e−t/τ

求解时间

e−t/τ = (0.492 − 0.3774)/(0.6061 − 0.3774) = 0.5013
t = 0.4151·ln(1.995) = 0.2867 ms

答案

t = 0.2867 ms
13.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 13.54 Ω

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

XL = ωL = 2π·100·0.05 = 31.42 Ω

支路电流

两条支路都直接接在电源两端,所以每条支路都承受全部电压 V。

IR = V/R = 50/15 = 3.333 A
IX = V/XL = 50/31.42 = 1.592 A

总电流

电阻电流与 V 同相,电抗电流与 V 相差 90°,所以它们按直角三角形的两边合成。

I = √(IR² + IX²) = √(3.333² + 1.592²) = 3.694 A

阻抗

|Z| = V/I = 50/3.694 = 13.54 Ω

答案

|Z| = 13.54 Ω
14.交流阻抗和相量

答案: Q = 23.84

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。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.05·0.22·10⁻⁶)) = 1517 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0.05/(0.22·10⁻⁶)) = 23.84

答案

Q = 23.84
15.交流功率和功率因数

答案: I = 185.9 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) = 29000/(240·0.65) = 185.9 A

答案

I = 185.9 A
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 57.38 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 115·tan(arccos 0.75) = 101.4 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 101.4²) = 172.4 kW

增加的有功功率

ΔP = 172.4 − 115 = 57.38 kW

答案

ΔP = 57.38 kW
17.三相电

答案: IL = 67.29 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 = 37/0.9 = 41.11 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 41111/(√3·415·0.85) = 67.29 A

答案

IL = 67.29 A
18.三相电

答案: QC = 164.1 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 = 300·tan(acos 0.8) = 300·0.75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.98) = 300·0.2031 = 60.92 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 164.1 kvar

答案

QC = 164.1 kvar
19.变压器

答案: IHV = 5.208 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。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

IHV = S/V = 25000/4800 = 5.208 A

答案

IHV = 5.208 A
20.变压器

答案: Ploss = 365.6 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 = 0.25·562.5 = 140.6 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 225 + 140.6 = 365.6 W

答案

Ploss = 365.6 W

此负载下的效率为 η = 98.87%。

21.运放电路

答案: Rf = 200 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (21 − 1)·10 = 200 kΩ

答案

Rf = 200 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −0.204 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 = 0.2/100 = 0.002 mA
I2 = V2/R2 = 0.1/1 = 0.1 mA
If = I1 + I2 = 0.102 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −2·0.102 = −0.204 V

答案

Vout = −0.204 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 7.63 V

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 = (9 − 0.7)/1000 kΩ = 8.3 µA

集电极电流

IC = β·IB = 50·8.3 µA = 0.415 mA

集电极–发射极电压

VCE = 9 − 0.415 mA·3.3 kΩ = 7.63 V

答案

VCE = 7.63 V
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 414.1 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 = 24.4/330 = 73.94 mA

齐纳功率

PZ = 5.6·73.94 = 414.1 mW

答案

PZ,max = 414.1 mW
25.数制

答案: N = −107

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 + 16 + 4 + 1 = −107

答案

N = −107
26.数制

答案: b = 13 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

212 = 4096 < 4837
213 = 8192 ≥ 4837

答案

b = 13
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 1

布尔代数:化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y,以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′,把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则:每个由两个相邻格子组成的圈,就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

A′B′C → m(1)
A′C′ → m(0, 2)
A′B′ → m(0, 1)
A′B → m(2, 3)
ABC00011110011011131204050706

圈组并读出结果

F = A′

数出文字个数

L = 1

答案

L = 1
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 5

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 Q

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 0, K = 0 → Q = 0
2: J = 0, K = 0 → Q = 0
3: J = 0, K = 0 → Q = 0
4: J = 1, K = 0 → Q = 1
5: J = 1, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 1 → Q = 1
7: J = 1, K = 1 → Q = 0
8: J = 0, K = 1 → Q = 0

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 5

答案

时钟边沿 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 1.934

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 + 4)
A = 20/(1·4) = 5
B = 20/((−1)·3) = −6.667
C = 20/((−4)·(−3)) = 1.667

逆变换

f(t) = 5 − 6.667·e−t + 1.667·e−4t

求值

f(0.75) = 5 − 6.667·e−0.75 + 1.667·e−4·0.75 = 1.934

答案

f(0.75) = 1.934
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.1) = 1.202

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) = 17/(s² + 7s + 10)

部分分式

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 5.667, B = −5.667

冲激响应

g(t) = 5.667·e−2t − 5.667·e−5t
g(0.1) = 1.202

答案

g(0.1) = 1.202
31.方框图

答案: τ = 0.4 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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 3/(s + 1 + 1.5) = 3/(s + 2.5)

结果

τ = 1/2.5 = 0.4 s

答案

τ = 0.4 s
32.方框图

答案: Kmax = 2002

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

s³ + 19s² + 118s + 240 + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 118
s² | 19 240 + K
s¹ | (19·118 − 240 − K)/19
s⁰ | 240 + K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 19·118 − 240 = 2002

答案

Kmax = 2002
33.阶跃响应

答案: σ = −7

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 = 97 → ωₙ = 9.849 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9.849) = 0.7107

结果

σ = −ζωₙ = −14/2 = −7

答案

σ = −7
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.28

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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.4)/√(π² + ln²(0.4)) = 0.9163/√(9.87 + 0.8396) = 0.28

答案

ζ = 0.28
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −12.28 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/(3300·2.2 × 10⁻⁸) = 13774 rad/s
fc = 2192 Hz → f/fc = 550/2192 = 0.2509

增益

|H| = 0.2509/√(1 + 0.2509²) = 0.2433
20·log₁₀(0.2433) = −12.28 dB

答案

|H| = −12.28 dB
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 4.243 rad/s

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/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4.243 rad/s

答案

ω180 = 4.243 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 1440

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 + 18s² + 80s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 80
s²: 18, K
s¹: (18·80 − K)/18
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
18·80 − K > 0 → K < 1440

答案

Kmax = 1440

当 K = 1440 时,闭环以 ω = √80 = 8.944 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: σa = −4.333

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: −3, −4, −2, −10
0 位: −6
n − m = 4 − 1 = 3

形心

σa = (−19 − (−6))/3 = −4.333

答案

σa = −4.333

3 条渐近线从重心出发,角度为 60°, 180°, 300°。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.006667

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。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 150

斜坡误差

ess = 1/150 = 0.006667

答案

ess = 0.006667
40.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 4

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 5s + 5 → 5。

Kv = 5·10/40 = 1.25

斜坡误差

ess = 5/1.25 = 4

答案

ess = 4

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

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