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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​3 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBR6​5 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 3 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​2.5 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VIs = 2.5 AR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 2 Ω−+Vs​ = 6 VIx​+−V1​18 VR2​2 ΩAR3​3 ΩBIs​1 A

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 B,所以它使 VB − VA = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求流过电压源的电流 Ix,方向如箭头所示从 A 到 B。

V1 = 18 VIs = 1 AVs = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
Ix = A
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​3 ΩIR4​AR5​8 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 = 24 VV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩIR2​AR4​15 ΩBIs​1.5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VIs = 1.5 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩIR3​AIs​1.5 AB+−V2​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电压源 V2 的值(极性如图所示)。

V1 = 9 VIs = 1.5 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​2.5 ABRL​25 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 25 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 = 18 VIs = 2.5 AR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 20 Ωt = 0L68 mHi(t)

电感中流过 1.5 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源,于是电感电流经 R 衰减。 求 t = 10 ms 时的电流 i。

i(0) = 1.5 AR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 V在 t = 0 断开R1​ = 2.2 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 = 400 ms 时流过 R2 的电流 i2。

Vs = 9 VR1 = 2.2 kΩR2 = 2.2 kΩC = 220 µFt = 400 ms
i2 = mA
13.交流阻抗和相量中等
12 V50 HzR = 80 ΩC = 100 µFI

一个电阻和一个电容并联接在 12 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩC = 100 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
VfR = 5 ΩL = 20 mHC = 2.2 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 5 Ω,L = 20 mH,C = 2.2 µF。 求其带宽 B(两个半功率频率之间的频带宽度),以 Hz 表示。

R = 5 ΩL = 20 mHC = 2.2 µF
B = Hz
15.交流功率和功率因数中等
400 V14 kW, 0.625 kW, 0.95I

两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 4 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一个 5 kW、功率因数为 0.95(滞后)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 400 VP1 = 4 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 5 kW, pf2 = 0.95 滞后
cos φ =
16.交流功率和功率因数困难
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 40 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求所需电容 C。

P = 40 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VZ = 24 + j18 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j18 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 480 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VZ = 24 + j18 Ω 每相
P = kW
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)、60 Hz 的电源取用 80 kW,功率因数为 0.65(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。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 80 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 6 Ω1011200 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 1200 V 电压。二次绕组两端接一个 6 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 1200 VRL = 6 Ω
I1 = A
20.变压器困难
200 kVA

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1600 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 = 1600 WPcu,fl = 2400 W
Sη,max = kVA
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 20。

R1 = 10 kΩAv = 20
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1.5 VR1​ = 47 kΩV2​ = −0.7 VR2​ = 2 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −1.5 VV2 = −0.7 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.2 kΩβ = 50VCC​ = 10 VRB​ = 560 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 10 V 经基极电阻 RB = 560 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–发射极电压 VCE。

VCC = 10 VRB = 560 kΩRC = 2.2 kΩβ = 50VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 24 VR = ?9.1 V≤ 40 mA

一个 9.1 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 40 mA。输入可能降到 24 V,齐纳管至少需要 1 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 24 VVZ = 9.1 VIL,max = 40 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.数制中等
补码中的位权0−12806413201618041201

8 位模式 0010 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?

0010 10108 bit
N =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0001 1110 << 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0001 1110<< 2
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD0001111000011110111111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(1, 4, 5, 7, 11, 13)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011131204X5X7060120131151141809X11110

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 8, 10, 14, 15) + d(5, 7, 11) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 8, 10, 14, 15) + d(5, 7, 11)
L =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (4s + 30)/(s² + 8s + 7)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−t + B·e−7t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (4s + 30)/(s² + 8s + 7)
A =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 6y′ + 8y = 0,初始条件 y(0) = 10,y′(0) = 8,并求 y(0.6)。

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 10y′(0) = 8t = 0.6 s
y(0.6) =
31.方框图中等
R(s)+21s + 3G(s)C(s)0.2H−

被控对象 G(s) = 21/(s + 3) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.2。 在 R 处施加大小为 24 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 21/(s + 3)H = 0.2R = 24
css =
32.方框图困难
R(s)+80s(s + 10)G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 80/(s(s + 10)) 放在传感器增益为 H = 2 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) = 80/(s(s + 10))H = 2
ωd = 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) = 17/(s² + 5s + 17),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 17/(s² + 5s + 17)
ζ =
34.阶跃响应困难
+−12 VR = 6 ΩL = 10 mHC = 100 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 6 Ω,L = 10 mH,C = 100 µF,在 t = 0 时接到 12 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 = 6 ΩL = 10 mHC = 100 µFV = 12 V
tp = ms
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 2 mHC = 2.2 µFR = 2 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 2 Ω 两端,其中 L = 2 mH,C = 2.2 µF。 求品质因数 Q。

R = 2 ΩL = 2 mHC = 2.2 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) = 12/(s(s + 2)(s + 4))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 12/(s(s + 2)(s + 4))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 5)(s + 10)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2−1.5

对于回路 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)),求使闭环极点位于 s = −1.5 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))s = −1.5
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2 + 3t+4s(s + 1)(s + 2)C(s)−

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

G(s) = 4/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 2 + 3t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 5C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s + 5)。闭环必须满足 ωₙ = 10 rad/s 和 ζ = 1。求积分增益 Ki。

G(s) = 5/(s + 5)ωₙ = 10 rad/sζ = 1
Ki =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.2455 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​3 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 10·8/(10+8) = 4.444 Ω
Req = R1 + 4.444 = 20 + 4.444 = 24.44 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 = 6/24.44 = 0.2455 A

答案

IR1 = 0.2455 A
2.串并联电阻

答案: Req = 14.34 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​ = 30 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBR6​5 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 3.077 Ω
R3 + 3.077 = 33.08 Ω
R2 ∥ 33.08 = 4.343 Ω
Req = R1 + 4.343 = 10 + 4.343 = 14.34 Ω

答案

Req = 14.34 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = 2.76 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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​2.5 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 18 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/5 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/15 = 0
0.5167·VA − 0.06667·VB = 4.5

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/12 + (VB − VA)/15 = (−2.5)
−0.06667·VA + 0.15·VB = −2.5

求解

Δ = (0.5167)(0.15) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.07306
VA = Δ1/Δ = 0.5083/0.07306 = 6.958 V
VB = Δ2/Δ = −0.9917/0.07306 = −13.57 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 6.958)/4 = 2.76 A
4.节点分析

答案: Ix = 3 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。

构成超节点

A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。

VB = VA + 6
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 18)/2 + VA/2 + (VA + 6)/3 = 1
VA·(1/2 + 1/2 + 1/3) = 1 + 18/2 − 6/3 = 8
VA = 8/1.333 = 6 V
VB = 12 V

流过电压源的电流

仅在节点 A 列 KCL:经 R₁ 流入的电流从 R₂ 和电压源流出。

IR1 = (18 − 6)/2 = 6 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 6 − 6/2 = 3 A

答案

Ix = 3 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

5.网孔分析

答案: I2 = −1.25 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​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩA+−V2​18 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
6·I1 + 12(I1 − I2) = 12
18·I1 − 12·I2 = 12

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 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 16·I2 = −18

求解

Δ = (18)(16) − (−12)(−12) = 144
I1 = Δ1/Δ = −24/144 = −0.1667 A
I2 = Δ2/Δ = −180/144 = −1.25 A

答案

I2 = −1.25 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 3.656 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​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​3 ΩAR5​8 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 24
7·I1 − 3·I2 = 24

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
25·I2 + 3(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 36·I2 − 8·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
5·I3 + 8(I3 − I2) = (−36)
−8·I2 + 13·I3 = −36

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 2711
I1 = Δ1/Δ = 8832/2711 = 3.258 A
I2 = Δ2/Δ = −1080/2711 = −0.3984 A
I3 = Δ3/Δ = −8172/2711 = −3.014 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 3.656 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR2 = 2.421 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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​15 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 = 15+15 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·30/(8+30) = 6.316 Ω
VA = 24·6.316/(2+6.316) = 18.23 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 18.23·15/30 = 9.114 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (18.23 − 0)/8 = 2.278 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​8 ΩAR4​15 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 = 2·8/(2+8) = 1.6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 16.6 = 7.88 Ω
VB = Is·Req = 1.5·7.88 = 11.82 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11.82·1.6/16.6 = 1.139 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1.139 − 0)/8 = 0.1424 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 2.278 + 0.1424 = 2.421 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

8.叠加定理

答案: V2 = 22.5 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​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​30 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) = 30 ∥ 50 = 18.75 Ω
VA = 9·18.75/(30+18.75) = 3.462 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3.462·25/50 = 1.731 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​30 ΩAIs​1.5 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。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R3 = 15 Ω,所以左侧路径为 R2+15 = 40 Ω
Req = R4 ∥ 40 = 15.38 Ω
VB = −Is·Req = −1.5·15.38 = −23.08 V
VA = VB·15/40 = −8.654 V

情况 3 · V2 单独作用,按每伏计

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 = 15 Ω
VA‴ = V2·15/(25 + 25 + 15) = 0.2308·V2

令 VA 为零

VA = 0 时 R₃ 两端没有电压,所以其电流为零。

VA′ + VA″ + VA‴ = 3.462 + (−8.654) + 0.2308·V2 = 0
V2 = 5.192/0.2308 = 22.5 V

答案

V2 = 22.5 V
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 6.522 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​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5.217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.217 + 3 = 8.217 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 10·15/(8+15) = 6.522 V
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.491 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​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω短路R2​8 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 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.8 + 25 = 29.8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​8 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) = 7.2 + 2.5·4.8 = 19.2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19.2 + 2.5·25 = 81.7 V
Rth​ = 29.8 Ω+−Vth​81.7 VRL​25 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) = 81.7/(29.8 + 25) = 1.491 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.07921 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

τ = L/R = 68 mH / 20 Ω = 3.4 ms

电流的衰减

i(t) = 1.5·e−10/3.4 = 0.07921 A

答案

i = 0.07921 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: i2 = 0.8951 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) = 9·2.2/(2.2 + 2.2) = 4.5 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 2.2·220 = 484 ms

放电

vC(t) = 4.5·e−400/484 = 1.969 V
i2 = vC/R2 = 1.969/2.2 = 0.8951 mA

答案

i2 = 0.8951 mA
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.4057 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

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·50·100·10⁻⁶) = 31.83 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 = 12/80 = 0.15 A
IX = V/XC = 12/31.83 = 0.377 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) = √(0.15² + 0.377²) = 0.4057 A

答案

I = 0.4057 A
14.交流阻抗和相量

答案: B = 39.79 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。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.02·2.2·10⁻⁶)) = 758.7 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) = (1/5)·√(0.02/(2.2·10⁻⁶)) = 19.07

带宽

B = f0/Q = 758.7/19.07 = 39.79 Hz

答案

B = 39.79 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7903

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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 4·tan(arccos 0.6) = 5.333 kvar
Q2 = 5·tan(arccos 0.95) = 1.643 kvar

总计

P = 4 + 5 = 9 kW
Q = 5.333 + 1.643 = 6.977 kvar
S = √(9² + 6.977²) = 11.39 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 9/11.39 = 0.7903 滞后

答案

cos φ = 0.7903
16.交流功率和功率因数

答案: C = 1185 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 = 40·tan(45.57°) = 40.81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25.84°) = 19.37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 21.44 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 21435/(2π·50·240²) = 1185 µF

答案

C = 1185 µF
17.三相电

答案: P = 18.43 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。

相电压

Vph = VL = 480 V

相电流

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 480/30 = 16 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·16²·24 = 18.43 kW

答案

P = 18.43 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 101.7 µF

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 0.65) = 80·1.169 = 93.53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.9) = 80·0.4843 = 38.75 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 54.78 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18262/(377·690²) = 101.7 µF

答案

Cph = 101.7 µF
19.变压器

答案: I1 = 2 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 = 1200/10 = 120 V
I2 = 120/6 = 20 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 2 A

答案

I1 = 2 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 600 Ω,1200/600 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Sη,max = 163.3 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 = 1600 → x = √(1600/2400) = 0.8165

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.8165·200 = 163.3 kVA

答案

Sη,max = 163.3 kVA
21.运放电路

答案: Rf = 190 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 = (20 − 1)·10 = 190 kΩ

答案

Rf = 190 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = 0.3819 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 = −1.5/47 = −0.03191 mA
I2 = V2/R2 = −0.7/2 = −0.35 mA
If = I1 + I2 = −0.3819 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −1·(−0.3819) = 0.3819 V

答案

Vout = 0.3819 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 8.173 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 = (10 − 0.7)/560 kΩ = 16.61 µA

集电极电流

IC = β·IB = 50·16.61 µA = 0.8304 mA

集电极–发射极电压

VCE = 10 − 0.8304 mA·2.2 kΩ = 8.173 V

答案

VCE = 8.173 V
24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 363.4 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 = 40 + 1 = 41 mA

最大电阻

Rmax = 14.9/0.041 = 363.4 Ω

答案

Rmax = 363.4 Ω
25.数制

答案: N = 42

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。

32 + 8 + 2 = 42

答案

N = 42
26.数制

答案: R = 120

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。

逐位计算

左移 2 位,把每一位向左移动 2 个位置;从左端移出的位丢失,右侧补入 0。

0001 1110 << 2
= 0111 1000

结果的值

0111 1000₂ = 120

答案

R = 120
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 10, CD = 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。

每个 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m11: m10, m9, m15, m3 → 0
ABCD0001111000011110111111

孤立的 1

m11 = AB′CD → AB = 10, CD = 11

答案

AB = 10, CD = 11
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 6

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。

CD, B′D′, B′C, A′D, AC, A′B′
ABCD00011110000111101011131204X5X7060120131151141809X11110

最小覆盖

F = B′D′ + A′D + AC
L = 6

答案

L = 6

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

29.拉普拉斯变换

答案: A = 4.333

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 + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

遮盖法

乘以 (s + 1) 并令 s = −1:B 项消失。

A = (4s + 30)/(s + 7) |s = −1 = 26/6 = 4.333

答案

A = 4.333
(B = −0.3333,所以 f(t) = 4.333·e−t − 0.3333·e−7t)
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 5.959

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 − 10s − 8 + 6(sY − 10) + 8Y = 0
Y(s) = (10s + 68)/((s + 2)(s + 4))

部分分式

A = 48/2 = 24
B = 28/(−2) = −14

结果

y(t) = 24·e−2t − 14·e−4t
y(0.6) = 5.959

答案

y(0.6) = 5.959

检验:y(0) = A + B = 10。

31.方框图

答案: css = 70

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) = 21/(s + 3 + 4.2) = 21/(s + 7.2)

结果

css = R·T(0) = 24·21/7.2 = 70

答案

css = 70
32.方框图

答案: ωd = 11.62 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 + 10) + 80·2 = 0 → s² + 10s + 160 = 0

根

s = −5 ± j·√(160 − 25) = −5 ± j11.62
ωd = 11.62 rad/s

答案

ωd = 11.62 rad/s
33.阶跃响应

答案: ζ = 0.6063

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 = 17 → ωₙ = 4.123 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4.123) = 0.6063

结果

ζ = 0.6063

答案

ζ = 0.6063
34.阶跃响应

答案: tp = 3.293 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/√(0.01·1 × 10⁻⁴) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (6/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.01) = 0.3

结果

ωd = 953.9 rad/s
tp = π/ωd = 3.293 ms

答案

tp = 3.293 ms
35.伯德图与裕度

答案: Q = 15.08

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/√(0.002·2.2 × 10⁻⁶) = 15076 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2399 Hz

品质因数

BW = R/L = 2/0.002 = 1000 rad/s = 159.2 Hz
Q = ω₀/BW = 15076/1000 = 15.08

答案

Q = 15.08
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 2.828 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/2)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(2·4) = 2.828 rad/s

答案

ω180 = 2.828 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 750

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 + 15s² + 50s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
15·50 − K > 0 → K < 750

答案

Kmax = 750

当 K = 750 时,闭环以 ω = √50 = 7.071 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 24.38

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。

幅值条件

K = |s|·|s + 4|·|s + 8|

在该点处计算

K = 1.5·2.5·6.5 = 24.38

答案

K = 24.38

检验:s(s + 4)(s + 8) + K 在 s = −1.5 处为零。

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: Ki = 20

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

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 5)。

s² + (5 + 5Kp)s + 5Ki

目标多项式

s² + 2·1·10s + 10² = s² + 20s + 100

匹配各项系数

5Ki = 100 → Ki = 20

答案

Ki = 20

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

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