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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​6 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​30 ΩBR6​15 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 Ω
VB = V
4.节点分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​2 ΩBIs​1.5 A+−V2​10 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 6 VIs = 1.5 AV2 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 ΩR5 = 2 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​5 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 ΩR5 = 5 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
PR1 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​5 ΩAIs​2 AB−+V2​36 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAIs​1.5 ABRL​10 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 10 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 36 VIs = 1.5 AR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩRL = 10 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​6 Vt = 0R = 22 ΩL33 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 2 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 6 VR = 22 ΩL = 33 mHt = 2 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​5 Vt = 0R = 4.7 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 2 V,极性如图所示。 求 t = 120 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 5 VR = 4.7 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 Vt = 120 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 5000 HzRL = ?C = 0.47 µF

一个 C = 0.47 µF 的 RLC 串联电路必须在 5000 Hz 发生谐振。求所需的电感 L。

f0 = 5000 HzC = 0.47 µF
L = mH
14.交流阻抗和相量困难
120 V200 HzR = 15 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 = 15 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 19 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 19 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 19 kWpf = 0.9V = 240 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 107 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 107 kW、功率因数为 0.8(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 = 107 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M22 kW, η = 92%cos φ = 0.86

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 22 kW。此负载下其效率为 92%,功率因数为 0.86(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 22 kWη = 92%cos φ = 0.86VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 100 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 100 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 0.95(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 = 100 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
7200 V240 VIHV​ILV​ = ?10 kVA

一台单相 10 kVA、7200/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求低压绕组中的电流 ILV。

S = 10 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
ILV = A
20.变压器困难
pf 0.925 kVA, 50% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 200 W,额定负载下铜损为 800 W。 它以 0.9(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 = 25 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 800 Wx = 0.5pf = 0.9
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 6。

R1 = 47 kΩAv = 6
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 0.8 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1.5 VR2​ = 47 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.8 VV2 = 1.5 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−15 V680 Ω5.1 V2200 ΩIZ​ = ?

一个 5.1 V 的齐纳稳压器通过 680 Ω 接到 15 V,并向 2200 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 15 VVZ = 5.1 VR = 680 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 680 Ωβ = 200VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

一只 β = 200 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 680 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 V 逻辑输出经基极电阻 RB 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 为保证可靠开关,按饱和所需最小基极电流的 5 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 680 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 5
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −62 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −628 bit
U =
26.数制困难
4463 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 4463 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?

4463
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = A′B′ + AB′C′ + AC + AB 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′ + AB′C′ + AC + AB
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110000103X214150706X12113015X14X8X9011110

求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 10, 13) + d(2, 8, 9, 12, 14) 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(4, 5, 10, 13) + d(2, 8, 9, 12, 14)
L =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (2s + 6)/(s² + 8s + 12)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−2t + B·e−6t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (2s + 6)/(s² + 8s + 12)
A =
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 = 3u′ + 2u 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 = 3u′ + 2ut = 0.1 s
g(0.1) =
31.方框图中等
R(s)+8K+10s + 4G(s)C(s)2H₁−−

被控对象 G(s) = 10/(s + 4) 带有一个增益为 H₁ = 2 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 8 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环直流增益 T(0)。

G(s) = 10/(s + 4)H₁ = 2K = 8
T(0) =
32.方框图困难
R(s)+19s + 1G₁+5s + 5G₂C(s)4H₁−1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 19/(s + 1),G₂ = 5/(s + 5),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 19/(s + 1)G₂ = 5/(s + 5)H₁ = 4H₂ = 1
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5?

某系统的传递函数为 G(s) = 37/(s² + 4s + 74),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 37/(s² + 4s + 74)
%OS = %
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.2 s5 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 5 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.2 s。求固有频率 ωn。

%OS = 5 %tp = 0.2 s
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 1 nFR = 10 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 10 kΩ, C = 1 nF。输入为8 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 10 kΩC = 1 nFf = 8 kHz
|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)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 908/(s(s + 8)(s + 10))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 908/(s(s + 8)(s + 10))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 5s(s + 1)(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6j2j4

已画出 L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

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

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10)),必须以 0.05 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 1t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0.05
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 54s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K = 5 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 4))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 4/(s(s + 4))K = 5
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.8537 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​6 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 3·14/(3+14) = 2.471 Ω
Req = R1 + 2.471 = 12 + 2.471 = 14.47 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 = 15/14.47 = 1.037 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 = 15 − 1.037·12 = 2.561 V
IR2 = VA/R2 = 2.561/3 = 0.8537 A

答案

IR2 = 0.8537 A
2.串并联电阻

答案: Req = 15.68 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​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​30 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 = 25 + 15 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 17.14 Ω
R3 + 17.14 = 37.14 Ω
R2 ∥ 37.14 = 10.68 Ω
Req = R1 + 10.68 = 5 + 10.68 = 15.68 Ω

答案

Req = 15.68 Ω
3.节点分析

答案: VB = 6.545 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​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​8 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 = 6 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/15 + (VA − 6)/3 + (VA − VB)/6 = 0
0.5667·VA − 0.1667·VB = 2

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/8 + (VB − VA)/6 = 1
−0.1667·VA + 0.2917·VB = 1

求解

Δ = (0.5667)(0.2917) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.1375
VA = Δ1/Δ = 0.75/0.1375 = 5.455 V
VB = Δ2/Δ = 0.9/0.1375 = 6.545 V

答案

VB = 6.545 V
4.节点分析

答案: VB = 3.552 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​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​2 ΩBIs​1.5 A+−V2​10 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 6 V, V2 = 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/4 + (VA − 6)/30 + (VA − VB)/15 = 0
0.35·VA − 0.06667·VB = 0.2

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 − 10)/15 = 1.5
−0.06667·VA + 0.6333·VB = 2.167

求解

Δ = (0.35)(0.6333) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.2172
VA = Δ1/Δ = 0.2711/0.2172 = 1.248 V
VB = Δ2/Δ = 0.7717/0.2172 = 3.552 V

答案

VB = 3.552 V
5.网孔分析

答案: I1 = 1.107 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​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩA+−V2​10 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 + 10(I1 − I2) = 24
22·I1 − 10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 30·I2 = −10

求解

Δ = (22)(30) − (−10)(−10) = 560
I1 = Δ1/Δ = 620/560 = 1.107 A
I2 = Δ2/Δ = 20/560 = 0.03571 A

答案

I1 = 1.107 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 2.706 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​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​5 ΩB+−V2​18 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 + 2(I1 − I2) = 18
6·I1 − 2·I2 = 18

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
5·I2 + 2(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 12·I2 − 5·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
2·I3 + 5(I3 − I2) = (−18)
−5·I2 + 7·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 326
I1 = Δ1/Δ = 882/326 = 2.706 A
I2 = Δ2/Δ = −288/326 = −0.8834 A
I3 = Δ3/Δ = −1044/326 = −3.202 A

答案

I1 = 2.706 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR1 = 1.805 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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​2 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 = 5+2 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·7/(15+7) = 4.773 Ω
VA = 10·4.773/(6+4.773) = 4.43 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4.43·2/7 = 1.266 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (10 − 4.43)/6 = 0.9283 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​3 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 = 6·15/(6+15) = 4.286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 9.286 = 1.646 Ω
VB = Is·Req = 3·1.646 = 4.937 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4.937·4.286/9.286 = 2.278 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2.278)/6 = −0.3797 A

把电流的各个贡献相加

IR1 = IR1′ + IR1″ = 0.9283 + (−0.3797) = 0.5485 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR1 = IR1²·R1 = 0.5485²·6 = 1.805 W

答案

PR1 = 1.805 W

把各单独情况下的功率相加会得到 6.035 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: IR2 = 0.3746 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​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​5 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) = 5 ∥ 23 = 4.107 Ω
VA = 30·4.107/(6+4.107) = 12.19 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 12.19·20/23 = 10.6 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (12.19 − 10.6)/3 = 0.53 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​5 ΩAIs​2 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 = 2.727 Ω,所以左侧路径为 R2+2.727 = 5.727 Ω
Req = R4 ∥ 5.727 = 4.452 Ω
VB = Is·Req = 2·4.452 = 8.905 V
VA = VB·2.727/5.727 = 4.24 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (4.24 − 8.905)/3 = −1.555 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​5 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·5.727/25.73 = −8.014 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −8.014·2.727/5.727 = −3.816 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−3.816 − −8.014)/3 = 1.399 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0.53 + (−1.555) + 1.399 = 0.3746 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: Rth = 8.5 Ω

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​ = 6 Ω短路R2​3 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 = 15·3/(15+3) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 6 = 8.5 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 0.5325 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​5 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 4·5/(4+5) = 2.222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.222 + 8 = 10.22 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAIs​1.5 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) = 20 + (−1.5)·2.222 = 16.67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16.67 + (−1.5)·8 = 4.667 V
Rth​ = 10.22 Ω+−Vth​4.667 VRL​10 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) = 4.667/(10.22 + 10) = 0.2308 A
PL = IL²·RL = 0.2308²·10 = 0.5325 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 1.582 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。

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 = 33 mH / 22 Ω = 1.5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/22 = 0.2727 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−2/1.5 = 1.582 V

答案

vL = 1.582 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 4.06 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 22 µF = 103.4 ms
vC(t) = 5 + (2 − 5)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(120) = 5 + (−3)·e−120/103.4 = 4.06 V

答案

vC = 4.06 V
13.交流阻抗和相量

答案: L = 2.156 mH

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·5000 = 31416 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·0.47·10⁻⁶) = 2.156 mH

答案

L = 2.156 mH
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.5073 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) = √(15² + (−236.1)²) = 236.5 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/236.5 = 0.5073 A

答案

I = 0.5073 A
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 9.202 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(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

无功功率

Q = P·tan φ = 19·0.4843 = 9.202 kvar

答案

Q = 9.202 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 76.19 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 = 107·tan(arccos 0.8) = 80.25 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 − 80.25²) = 183.2 kW

增加的有功功率

ΔP = 183.2 − 107 = 76.19 kW

答案

ΔP = 76.19 kW
17.三相电

答案: IL = 23.27 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 = 22/0.92 = 23.91 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23913/(√3·690·0.86) = 23.27 A

答案

IL = 23.27 A
18.三相电

答案: Cph = 78.25 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 = 100·tan(acos 0.8) = 100·0.75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.95) = 100·0.3287 = 32.87 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 42.13 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) = 14044/(377·690²) = 78.25 µF

答案

Cph = 78.25 µF
19.变压器

答案: ILV = 41.67 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。

ILV = S/V = 10000/240 = 41.67 A

答案

ILV = 41.67 A
20.变压器

答案: Ploss = 400 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 = 0.25·800 = 200 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 200 + 200 = 400 W

答案

Ploss = 400 W

此负载下的效率为 η = 96.57%。

21.运放电路

答案: Rf = 235 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 = (6 − 1)·47 = 235 kΩ

答案

Rf = 235 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −1.664 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 = 0.8/1 = 0.8 mA
I2 = V2/R2 = 1.5/47 = 0.03191 mA
If = I1 + I2 = 0.8319 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −2·0.8319 = −1.664 V

答案

Vout = −1.664 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 12.24 mA

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。

电阻电流

IR = 9.9/680 = 14.56 mA

负载电流

IL = 5.1/2200 = 2.318 mA

齐纳电流

IZ = 14.56 − 2.318 = 12.24 mA

答案

IZ = 12.24 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 4.914 kΩ

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

饱和时的集电极电流

IC(sat) = (24 − 0.2)/680 = 35 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 35/200 = 175 µA

设计基极电流

IB = 5·175 µA = 875 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.875 mA = 4.914 kΩ

答案

RB = 4.914 kΩ
25.数制

答案: U = 194

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

取反加一

62 = 0011 1110
取反后: 1100 0001
+1 → 1100 0010

按无符号数读取

1100 0010₂ = 256 − 62 = 194

答案

U = 194
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 < 4463
213 = 8192 ≥ 4463

答案

b = 13
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 2

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′ → m(0, 1)
AB′C′ → m(4)
AC → m(5, 7)
AB → m(6, 7)
ABC00011110011011030214151716

圈组并读出结果

F = B′ + A

数出文字个数

L = 2

答案

L = 2
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

BC′, B′CD′, AD′, AC′
ABCD0001111000011110000103X214150706X12113015X14X8X9011110

最小覆盖

F = BC′ + AD′
L = 4

答案

L = 4
29.拉普拉斯变换

答案: A = 0.5

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 + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)

遮盖法

乘以 (s + 2) 并令 s = −2:B 项消失。

A = (2s + 6)/(s + 6) |s = −2 = 2/4 = 0.5

答案

A = 0.5
(B = 1.5,所以 f(t) = 0.5·e−2t + 1.5·e−6t)
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.1) = 1.537

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) = (3s + 2)/(s² + 7s + 10)

部分分式

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = −1.333, B = 4.333

冲激响应

g(t) = −1.333·e−2t + 4.333·e−5t
g(0.1) = 1.537

答案

g(0.1) = 1.537
31.方框图

答案: T(0) = 0.7692

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) = 10/(s + 4 + 10·2) = 10/(s + 24)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 80/(s + 24 + 80) = 80/(s + 104)

结果

T(0) = 80/104 = 0.7692

答案

T(0) = 0.7692
32.方框图

答案: T(0) = 0.7917

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 + 25)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 95/((s + 1)(s + 25) + 95)

直流增益

T(0) = 95/(1·25 + 95) = 95/120 = 0.7917

答案

T(0) = 0.7917
33.阶跃响应

答案: %OS = 47.19 %

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 = 74 → ωₙ = 8.602 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.602) = 0.2325

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.751 = 47.19 %

答案

%OS = 47.19 %
34.阶跃响应

答案: ωn = 21.7 rad/s

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

阻尼比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 2.996/√(9.87 + 8.974) = 0.6901

固有频率

ωd = π/tp = π/0.2 = 15.71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15.71/0.7237 = 21.7 rad/s

答案

ωn = 21.7 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −6.953 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/(10000·1 × 10⁻⁹) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 8000/15915 = 0.5027

增益

|H| = 0.5027/√(1 + 0.5027²) = 0.4491
20·log₁₀(0.4491) = −6.953 dB

答案

|H| = −6.953 dB
36.伯德图与裕度

答案: GM = 4.006 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/8)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(8·10) = 8.944 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 100)) = K/(8·10·(8 + 10)) = K/1440

增益裕度

GM = 20·log₁₀(1440/908) = 4.006 dB

答案

GM = 4.006 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 3

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

特征多项式

s(s + 1)(s + 2) + K(s + 5) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 5K

劳斯阵列

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 5K
s¹: (3·(2 + K) − 5K)/3
s⁰: 5K

条件

6 − 2K > 0
K < 6/2 = 3

答案

Kmax = 3

如果零点位于 s = −3 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 4.123 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 + 8s² + 17s + 10 + K = 0
s¹: (8·17 − 10 − K)/8 = 0 → K = 126

穿越频率

8s² + 10 + 126 = 8s² + 136 = 0 → s² = −17
ω = √17 = 4.123 rad/s

答案

ω = 4.123 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 200

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 = 1/0.05 = 20

增益

K = 10·Kv = 200

答案

K = 200

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.3536。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 = 0.7854 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 + 4) + 5·4 = s² + 4s + 20

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s
ζ = 4/(2·4.472) = 0.4472

峰值时间

ωd = 4.472·√(1 − 0.4472²) = 4 rad/s
tp = π/4 = 0.7854 s

答案

tp = 0.7854 s

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