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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​4 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​15 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.节点分析困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​8 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 14 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 ΩVA = 14 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR4​6 ΩIR4​AR5​3 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 15 VV2 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 3 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩIR2​AR4​6 ΩBIs​5 A

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
PR2 = W
8.叠加定理困难
线性电路V1​V2​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有三个独立电源:V1、V2 和 Is。流过负载的电流 I 测量了三次。所有电源取正常值时,I = −2 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = −4 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = −19 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = −2 mA2·V1: I = −4 mA−Is: I = −19 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩARL​8 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAIs​4 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 = 18 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4.7 kΩC22 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求 t = 80 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 4.7 kΩC = 22 µFt = 80 ms
vC = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​5 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。 求 t = 200 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 5 VR = 4.7 kΩC = 47 µFvC(0) = 3 Vt = 200 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 200 HzRL = 50 mHC = ?

一个 L = 50 mH 的 RLC 串联电路必须在 200 Hz 发生谐振。求所需的电容 C。

f0 = 200 HzL = 50 mH
C = µF
14.交流阻抗和相量困难
120 V200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 2.2 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 31 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 31 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求线路电流 I。

P = 31 kWpf = 0.85V = 400 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 8 kWQ1​S1​φ

一台 15 kVA 的单相变压器为一个 8 kW、功率因数为 0.65(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 = 15 kVAP1 = 8 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 94%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 7.5 kW。此负载下其效率为 94%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 94%cos φ = 0.82VL = 480 V
IL = A
18.三相电困难
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 80 kW,功率因数为 0.78(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 = 80 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
50 Ω51

一个 50 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 5:1 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 = 5:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
200 kVA

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 800 W,额定负载下铜损为 2400 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 2400 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 1.7 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 1.7 VR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 0.5 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0.9 VR2​ = 1 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 = 0.5 VV2 = 0.9 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
+−24 VR = ?2 × 3.2 V5 mA

2 个蓝球 LED(每个正向电压 3.2 V)与一个电阻串联,接到 24 V 电源上。求使电流为 5 mA 的电阻 R。

Vs = 24 VVF = 3.2 Vn = 2I = 5 mA
R = Ω
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 18 VR = ?6.2 V≤ 10 mA

一个 6.2 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 10 mA。输入可能降到 18 V,齐纳管至少需要 5 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 18 VVZ = 6.2 VIL,max = 10 mAIZ,min = 5 mA
Rmax = Ω
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −46。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −468 bit
U =
26.数制困难
16 bit1 px1024 px768 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 1024 × 768 像素,每像素 16 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

1024 × 768 px16 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110312141507061120130151140809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 12, 14) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 12, 14)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X001031214050706112113115X140819111010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 9, 11, 12, 13, 15) + d(0, 14)(其中 d 表示无关项),求必要质蕴涵项的个数 N。

F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 9, 11, 12, 13, 15) + d(0, 14)
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

求 F(s) = (6s + 13)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (6s + 13)/(s² + 10s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 3y′ + 2y = 0,初始条件 y(0) = 9,y′(0) = 12,并求 y(0.5)。

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 9y′(0) = 12t = 0.5 s
y(0.5) =
31.方框图中等
R(s)+34s(s + 6)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 34/(s(s + 6))。参考输入是斜坡 r(t) = 1·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 34/(s(s + 6))r(t) = 1·t
ess =
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 6)(s + 9)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 6)(s + 9)) 放在单位负反馈回路中。 在最大稳定增益时回路发生振荡。求振荡频率 ω,单位 rad/s。

G(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))单位负反馈
ω = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 28/(s² + 4s + 28),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 28/(s² + 4s + 28)
ζ =
34.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 20))。求使阶跃响应有 15 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 15 %
K =
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 5 mHC = 4.7 µFR = 5 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 5 Ω 两端,其中 L = 5 mH,C = 4.7 µF。 求品质因数 Q。

R = 5 ΩL = 5 mHC = 4.7 µF
Q =
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) = 80/(s(s + 2)(s + 8))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 80/(s(s + 2)(s + 8))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 391s(s + 3)(s + 10)C(s)−

图中的回路在 K = 39 下运行,L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))K = 39
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6j2j4j6

已画出 L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1 + 3t+10(s + 4)s(s + 2)(s + 10)C(s)−

输入 r(t) = 1 + 3t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 2)(s + 10)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 2)(s + 10))r(t) = 1 + 3t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 1610s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 4))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 10/(s(s + 4))K = 16
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 11.43 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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 4·24/(4+24) = 3.429 Ω
Req = R1 + 3.429 = 8 + 3.429 = 11.43 Ω

答案

Req = 11.43 Ω
2.串并联电阻

答案: IR1 = 0.5293 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​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​15 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 7.778 Ω
R3 + 7.778 = 10.78 Ω
R2 ∥ 10.78 = 7.004 Ω
Req = R1 + 7.004 = 10 + 7.004 = 17 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 = 9/17 = 0.5293 A

答案

IR1 = 0.5293 A
3.节点分析

答案: VB = 8.71 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 12 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/12 + (VA − 12)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0.2333·VA − 0.06667·VB = 1

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/10 + (VB − VA)/15 = 1
−0.06667·VA + 0.1667·VB = 1

求解

Δ = (0.2333)(0.1667) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.03444
VA = Δ1/Δ = 0.2333/0.03444 = 6.774 V
VB = Δ2/Δ = 0.3/0.03444 = 8.71 V

答案

VB = 8.71 V
4.节点分析

答案: Is = 7.925 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

VA 已知,所以这个方程给出 VB。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(14 − 15)/10 + 14/10 = (VB − 14)/30
1.3 = (VB − 14)/30 → VB = 53 V

节点 B 的 KCL

经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (53 − 14)/30 + 53/8 = 7.925 A

答案

Is = 7.925 A
5.网孔分析

答案: I1 = −0.075 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​ = 12 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​30 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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 9
14·I1 − 2·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
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 6·I2 = −30

求解

Δ = (14)(6) − (−2)(−2) = 80
I1 = Δ1/Δ = −6/80 = −0.075 A
I2 = Δ2/Δ = −402/80 = −5.025 A

答案

I1 = −0.075 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 1.354 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR4​6 ΩAR5​3 ΩB+−V2​36 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) = 15
12·I1 − 6·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
6·I2 + 6(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 15·I2 − 3·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 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 11·I3 = −36

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 1476
I1 = Δ1/Δ = 1692/1476 = 1.146 A
I2 = Δ2/Δ = −306/1476 = −0.2073 A
I3 = Δ3/Δ = −4914/1476 = −3.329 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 1.354 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR2 = 12.83 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​6 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+6 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·26/(6+26) = 4.875 Ω
VA = 12·4.875/(5+4.875) = 5.924 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5.924·6/26 = 1.367 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5.924 − 0)/6 = 0.9873 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​6 ΩAR4​6 ΩBIs​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 = 5·6/(5+6) = 2.727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 22.73 = 4.747 Ω
VB = Is·Req = 5·4.747 = 23.73 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 23.73·2.727/22.73 = 2.848 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (2.848 − 0)/6 = 0.4747 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0.9873 + 0.4747 = 1.462 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。

PR2 = IR2²·R2 = 1.462²·6 = 12.83 W

答案

PR2 = 12.83 W

把各单独情况下的功率相加会得到 7.201 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: I = 6.5 mA

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。

用各贡献写出测量值

每个贡献与其自身的电源成正比。

I₁ + I₂ + I₃ = −2
2·I₁ + I₂ + I₃ = −4
I₁ + I₂ − I₃ = −19

求各贡献

I₁ = −4 − (−2) = −2 mA
I₃ = (−2 − (−19))/2 = 8.5 mA
I₂ = −2 − (−2) − 8.5 = −8.5 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = (−2) + 8.5 = 6.5 mA

答案

I = 6.5 mA
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.3529 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​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 8 = 14.67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 12·20/(10+20) = 8 V
Rth​ = 14.67 Ω+−Vth​8 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) = 8/(14.67 + 8) = 0.3529 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 32 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​ = 15 ΩR3​ = 4 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 = 15·3/(15+3) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 4 = 6.5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAIs​4 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) = 3 + 4·2.5 = 13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13 + 4·4 = 29 V
Rth​ = 6.5 Ω+−Vth​29 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) = 29/(6.5 + 8) = 2 A
PL = IL²·RL = 2²·8 = 32 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 2.606 V

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。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 10·4.7/(10 + 4.7) = 3.197 kΩ
vC(∞) = 12·4.7/(10 + 4.7) = 3.837 V

时间常数

τ = Rth·C = 3.197·22 = 70.34 ms

充电曲线

vC(t) = 3.837·(1 − e−80/70.34) = 2.606 V

答案

vC = 2.606 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 4.191 V

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 = 5 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 47 µF = 220.9 ms
vC(t) = 5 + (3 − 5)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(200) = 5 + (−2)·e−200/220.9 = 4.191 V

答案

vC = 4.191 V
13.交流阻抗和相量

答案: C = 12.67 µF

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0.05) = 12.67 µF

答案

C = 12.67 µF
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.5055 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.1 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2.2·10⁻⁶) = 361.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−236.1)²) = 237.4 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/237.4 = 0.5055 A

答案

I = 0.5055 A
15.交流功率和功率因数

答案: I = 91.18 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) = 31000/(400·0.85) = 91.18 A

答案

I = 91.18 A
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 3.727 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 = 8·tan(arccos 0.65) = 9.353 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) = √(15² − 9.353²) = 11.73 kW

增加的有功功率

ΔP = 11.73 − 8 = 3.727 kW

答案

ΔP = 3.727 kW
17.三相电

答案: IL = 11.7 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 = 7.5/0.94 = 7.979 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7979/(√3·480·0.82) = 11.7 A

答案

IL = 11.7 A
18.三相电

答案: QC = 47.94 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 = 80·tan(acos 0.78) = 80·0.8023 = 64.18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.98) = 80·0.2031 = 16.24 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 47.94 kvar

答案

QC = 47.94 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 1250 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 = 5²·50 = 1250 Ω

答案

R1′ = 1250 Ω
20.变压器

答案: Sη,max = 115.5 kVA

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。

铜损等于铁损

x²·2400 = 800 → x = √(800/2400) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·200 = 115.5 kVA

答案

Sη,max = 115.5 kVA
21.运放电路

答案: Vout = 3.4 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 1.7 V
I = V₋/R1 = 1.7/2 = 0.85 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 1.7 + 0.85·2 = 3.4 V

答案

Vout = 3.4 V
22.运放电路

答案: If = 1.15 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 = 0.5/2 = 0.25 mA
I2 = V2/R2 = 0.9/1 = 0.9 mA
If = I1 + I2 = 1.15 mA

答案

If = 1.15 mA
23.二极管与晶体管

答案: R = 3520 Ω

LED 与二极管电路:正向偏置的 LED 无论电流多大,压降都约为其正向电压 VF(红光约 2 V,蓝光或白光约 3 V)。串联电阻决定电流:n 个 LED 串联时 R = (Vs − n·VF)/I。用更精确的二极管模型 V = V₀ + I·rd 时,工作点在二极管线与负载线 I = (Vs − V)/R 相交处,所以 I = (Vs − V₀)/(R + rd)。

电阻两端的电压

VR = 24 − 2·3.2 = 17.6 V

电阻

R = 17.6/0.005 = 3520 Ω

答案

R = 3520 Ω

电阻耗散 88 mW。

24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 786.7 Ω

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。

最坏情况的电流

IR = 10 + 5 = 15 mA

最大电阻

Rmax = 11.8/0.015 = 786.7 Ω

答案

Rmax = 786.7 Ω
25.数制

答案: U = 210

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

取反加一

46 = 0010 1110
取反后: 1101 0001
+1 → 1101 0010

按无符号数读取

1101 0010₂ = 256 − 46 = 210

答案

U = 210
26.数制

答案: M = 1536 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

1024·768·16 = 12582912 bit = 1572864 B

换算为 KiB

1572864/1024 = 1536 KiB

答案

M = 1536 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

ABCD000111100001111000110312141507061120130151140809011010

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。

BC′D′
A′C′D
ABD′
A′B′CD′

最简 SOP 形式

F = BC′D′ + A′C′D + ABD′ + A′B′CD′
N = 4

答案

N = 4

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 = 2

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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

BC′D′, AD, A′C′D′, AB, A′B′D′
ABCD0001111000011110X001031214050706112113115X140819111010

必要质蕴涵项

AD, A′B′D′
N = 2

答案

N = 2
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 2.608

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

6s + 13 = 6(s + 5) + −17
F(s) = 6/(s + 5) − 17/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 6·e−5t − 17·t·e−5t
f(0.1) = (6 − 17·0.1)·e−5·0.1 = 2.608

答案

f(0.1) = 2.608
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 10.47

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

s²Y − 9s − 12 + 3(sY − 9) + 2Y = 0
Y(s) = (9s + 39)/((s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 30/1 = 30
B = 21/(−1) = −21

结果

y(t) = 30·e−t − 21·e−2t
y(0.5) = 10.47

答案

y(0.5) = 10.47

检验:y(0) = A + B = 9。

31.方框图

答案: ess = 0.1765

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)。

速度误差系数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 34/6 = 5.667

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 1/5.667 = 0.1765

答案

ess = 0.1765
32.方框图

答案: ω = 7.348 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

s³ + 15s² + 54s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 54
s² | 15 K
s¹ | (15·54 − K)/15
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 15·54 = 810

振荡频率

15·(jω)² + 810 = 0 → ω² = 810/15 = 54
ω = 7.348 rad/s

答案

ω = 7.348 rad/s
33.阶跃响应

答案: ζ = 0.378

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 = 28 → ωₙ = 5.292 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5.292) = 0.378

结果

ζ = 0.378

答案

ζ = 0.378
34.阶跃响应

答案: K = 374.2

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) = K/(s² + 20s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

增益

ωₙ = 20/(2ζ) = 19.34 rad/s
K = ωₙ² = 374.2

答案

K = 374.2
35.伯德图与裕度

答案: Q = 6.523

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。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·4.7 × 10⁻⁶) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz

品质因数

BW = R/L = 5/0.005 = 1000 rad/s = 159.2 Hz
Q = ω₀/BW = 6523/1000 = 6.523

答案

Q = 6.523
36.伯德图与裕度

答案: GM = 6.021 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/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 64)) = K/(2·8·(2 + 8)) = K/160

增益裕度

GM = 20·log₁₀(160/80) = 6.021 dB

答案

GM = 6.021 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 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。

劳斯阵列

s³ + 13s² + 30s + K = 0
s³: 1, 30
s²: 13, K
s¹: (13·30 − K)/13
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 13·30 = 390

倍数

m = 390/39 = 10

答案

m = 10

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:20 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 5.568 rad/s

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。

临界增益

s³ + 10s² + 31s + 30 + K = 0
s¹: (10·31 − 30 − K)/10 = 0 → K = 280

穿越频率

10s² + 30 + 280 = 10s² + 310 = 0 → s² = −31
ω = √31 = 5.568 rad/s

答案

ω = 5.568 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1.5

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) = 2

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 3/2 = 1.5

答案

ess = 1.5
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 60.47 %

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 + 4) + 16·10 = s² + 4s + 160

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √160 = 12.65 rad/s
ζ = 4/(2·12.65) = 0.1581

超调量

%OS = 100·e−0.1581π/√(1 − 0.1581²) = 60.47 %

答案

%OS = 60.47 %

本内容为独立练习材料。ExamProblems 与该考试的主办机构没有隶属关系,也未获其认可,考试名称仅用于描述内容。 FE exam 由 NCEES 举办,该机构与 ExamProblems 无关,也不为其背书。

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical