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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​10 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​25 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​4 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 VR3​12 ΩAR5​10 ΩBIs​4 A+−V2​18 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 5 VIs = 4 AV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​5 ΩIR3​A+−V2​10 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 30 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 Ω+−VR2​R3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​20 ΩAR5​3 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 3 Ω
VR2 = V
7.叠加定理中等
线性电路Vs​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有一个电压源 Vs 和一个电流源 Is。流过负载电阻的电流 I 测量了两次:Vs = 6 V、Is = 3 mA 时,I = 4.2 mA;Vs = 4 V、Is = 6 mA 时,I = 5.2 mA。求 Vs = 8 V、Is = 6 mA 时的负载电流 I。

6 V, 3 mA → 4.2 mA4 V, 6 mA → 5.2 mAVs = 8 V, Is = 6 mA
I = mA
8.叠加定理困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​10 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 9 VIs = 6 AV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 Ω
IR3 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​6 ABRL​20 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 20 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩRL = 20 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 ΩL33 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 15 VR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 6.8 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 8 V,极性如图所示。 求 t = 60 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR = 6.8 kΩC = 33 µFvC(0) = 8 Vt = 60 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
230 V100 HzR = 20 ΩL = 50 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 230 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 50 mH
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
230 V50 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 60 ΩC = 22 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 230 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 230 V (rms)f = 50 HzR1 = 50 ΩR2 = 60 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
15.交流功率和功率因数中等
P = 30 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 30 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 30 kWpf = 0.65V = 400 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
400 V60 Hz负载9 kW, 0.65C47 µFI = ?

一个单相负载从 400 V、60 Hz 的电源吸取 9 kW,功率因数为 0.65(滞后)。一个 47 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 9 kWpf1 = 0.65V = 400 Vf = 60 HzC = 47 µF
I = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VZ = 24 + j7 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j7 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 + j7 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 200 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 200 kW,功率因数为 0.72(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 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 200 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
11000 V400 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

一台单相 100 kVA、11000/400 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 = 100 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.85200 kVA, η = 98.8%

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1200 W。 在额定负载、功率因数为 0.85(滞后)时,其效率为 98.8%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 200 kVAPcore = 1200 Wpf = 0.85η = 98.8%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0.8 VR1​ = 10 kΩV2​ = 2.4 VR3​ = 10 kΩR4​ = 47 kΩ

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求反相输入端的电压 V−。

V1 = 0.8 VV2 = 2.4 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
V− = V
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = 1.1 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 0.4 VR3​ = 100 kΩR4​ = 2 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 电阻比不匹配。求输出电压 Vout。

V1 = 1.1 VV2 = 0.4 VR1 = 4.7 kΩR2 = 1 kΩR3 = 100 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.2 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 2.2 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 33 kΩR2​ = 22 kΩ

一只 β = 120 的 NPN 晶体管由 VCC = 20 V 分压偏置:R₁ = 33 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 22 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 2.2 kΩ,发射极电阻为 RE = 2.2 kΩ。取 VBE = 0.7 V,并使用分压器的戴维南等效电路(不忽略基极电流)。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 20 VR1 = 33 kΩR2 = 22 kΩRC = 2.2 kΩRE = 2.2 kΩβ = 120
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 1 kΩβ = 50VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = ?

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 1 kΩ 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 V 逻辑输出经基极电阻 RB 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 1 kΩβ = 50Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −105。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1058 bit
U =
26.数制困难
3155 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 3155 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?

3155
b = bit
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(0, 2, 6, 11, 12, 15)
  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
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 = 0.3f(0.3) = ?

求 F(s) = (s + 19)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = (s + 19)/(s² + 10s + 25)t = 0.3 s
f(0.3) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−61

某系统由微分方程 y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 15u 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 = 0.25 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.25)。

y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 15ut = 0.25 s
g(0.25) =
31.方框图中等
R(s)+18s(s + 6)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 18/(s(s + 6))。参考输入是斜坡 r(t) = 5·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 18/(s(s + 6))r(t) = 5·t
ess =
32.方框图困难
R(s)+K(s + 3)(s + 5)(s + 6)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6)) 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 + 3)(s + 5)(s + 6))单位负反馈
Kmax =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 83/(s² + 8s + 83),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 83/(s² + 8s + 83)
tp = s
34.阶跃响应困难
k = 1000 N/mc = 40 N·s/mm = 10 kgF = 25 Nx(t)

质量 m = 10 kg 的物体挂在弹簧 k = 1000 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 40 N·s/m(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。在静止平衡状态下,突然施加恒力 F = 25 N。 求位移的百分比超调量 %OS。

m = 10 kgk = 1000 N/mc = 40 N·s/mF = 25 N
%OS = %
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)1101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

求 G(s) = 684/((s + 18)(s + 19)) 在 ω = 20 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 684/((s + 18)(s + 19))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = 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) = 474/(s(s + 7)(s + 10))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 474/(s(s + 7)(s + 10))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+11701s(s + 3)(s + 10)C(s)−

图中的回路采用负反馈,L(s) = 1170/(s(s + 3)(s + 10))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 1170/(s(s + 3)(s + 10))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.707−2−4−6−8−10−12j2j4

已给出 L(s) = K/(s(s + 10)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.707 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 10))ζ = 0.707
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10 + 2t+50(s + 3)s(s + 1)(s + 10)C(s)−

输入 r(t) = 10 + 2t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 1)(s + 10)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 1)(s + 10))r(t) = 10 + 2t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 165s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 6))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 16
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.375 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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​10 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 20 + 4 = 24 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 = 9/24 = 0.375 A

答案

IR1 = 0.375 A
2.串并联电阻

答案: Req = 24.62 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​25 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 = 30 + 25 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 11.79 Ω
R3 + 11.79 = 21.79 Ω
R2 ∥ 21.79 = 12.62 Ω
Req = R1 + 12.62 = 12 + 12.62 = 24.62 Ω

答案

Req = 24.62 Ω
3.节点分析

答案: IR3 = −0.2353 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​4 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 24 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/3 + (VA − 24)/6 + (VA − VB)/12 = 0
0.5833·VA − 0.08333·VB = 4

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)/12 = 4
−0.08333·VA + 0.4167·VB = 4

求解

Δ = (0.5833)(0.4167) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.2361
VA = Δ1/Δ = 2/0.2361 = 8.471 V
VB = Δ2/Δ = 2.667/0.2361 = 11.29 V

答案

IR3 = (VA − VB)/R3 = (8.471 − 11.29)/12 = −0.2353 A
4.节点分析

答案: VB = 17.96 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​ = 5 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 VR3​12 ΩAR5​10 ΩBIs​4 A+−V2​18 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 5 V, V2 = 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/12 + (VA − 5)/5 + (VA − VB)/3 = 0
0.6167·VA − 0.3333·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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/3 + (VB − 18)/6 = 4
−0.3333·VA + 0.6·VB = 7

求解

Δ = (0.6167)(0.6) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.2589
VA = Δ1/Δ = 2.933/0.2589 = 11.33 V
VB = Δ2/Δ = 4.65/0.2589 = 17.96 V

答案

VB = 17.96 V
5.网孔分析

答案: IR3 = 3.418 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​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​5 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 30
8·I1 − 5·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
8·I2 + 5(I2 − I1) = (−10)
−5·I1 + 13·I2 = −10

求解

Δ = (8)(13) − (−5)(−5) = 79
I1 = Δ1/Δ = 340/79 = 4.304 A
I2 = Δ2/Δ = 70/79 = 0.8861 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 3.418 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR2 = 9.623 V

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​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​20 ΩAR5​3 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 24
25·I1 − 20·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
20·I2 + 20(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 43·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
5·I3 + 3(I3 − I2) = (−18)
−3·I2 + 8·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 5175
I1 = Δ1/Δ = 6960/5175 = 1.345 A
I2 = Δ2/Δ = 2490/5175 = 0.4812 A
I3 = Δ3/Δ = −10710/5175 = −2.07 A

答案

IR2 = I2 = 0.4812 A
VR2 = IR2·R2 = 0.4812·20 = 9.623 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 6.8 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。

把响应写成各贡献之和

每个贡献与其自身的电源成正比,比例常数只与电阻有关。

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 3·k₂ = 4.2
4·k₁ + 6·k₂ = 5.2

求常数

Δ = (6)(6) − (3)(4) = 24
k₁ = Δ1/Δ = 9.6/24 = 0.4
k₂ = Δ2/Δ = 14.4/24 = 0.6
k₁ = 0.4 mA/V, k₂ = 0.6

预测新的电流

I = 0.4·8 + 0.6·6 = 6.8 mA

答案

I = 6.8 mA
8.叠加定理

答案: IR3 = −3.291 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​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 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 ∥ 40 = 4.444 Ω
VA = 9·4.444/(25+4.444) = 1.358 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.358·25/40 = 0.8491 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1.358)/5 = −0.2717 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​5 ΩAIs​6 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 4.167 Ω,所以左侧路径为 R2+4.167 = 19.17 Ω
Req = R4 ∥ 19.17 = 10.85 Ω
VB = Is·Req = 6·10.85 = 65.09 V
VA = VB·4.167/19.17 = 14.15 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 14.15)/5 = −2.83 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​5 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 = 25·5/(25+5) = 4.167 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·19.17/44.17 = 4.34 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4.34·4.167/19.17 = 0.9434 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 0.9434)/5 = −0.1887 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0.2717) + (−2.83) + (−0.1887) = −3.291 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 = 1.5 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​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​4 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流,因此其上无压降,V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·4/(4+4) = 9 V
IN​1.5 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 = 9/6 = 1.5 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 259.2 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​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω短路R2​4 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 = 5·4/(5+4) = 2.222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.222 + 25 = 27.22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​6 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) = 6.667 + 6·2.222 = 20 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20 + 6·25 = 170 V
Rth​ = 27.22 Ω+−Vth​170 VRL​20 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) = 170/(27.22 + 20) = 3.6 A
PL = IL²·RL = 3.6²·20 = 259.2 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 3.297 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 / 10 Ω = 3.3 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1.5 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 = 15·e−5/3.3 = 3.297 V

答案

vL = 3.297 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 8.235 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 33 µF = 224.4 ms
vC(t) = 9 + (8 − 9)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(60) = 9 + (−1)·e−60/224.4 = 8.235 V

答案

vC = 8.235 V
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 32.48 °

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 = 230/20 = 11.5 A
IX = V/XL = 230/31.42 = 7.321 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) = √(11.5² + 7.321²) = 13.63 A

相角

电感电流滞后于 V,所以总电流滞后,角度为正。

φ = arctan(IX/IR) = arctan(7.321/11.5) = 32.48°

答案

φ = 32.48°
14.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 103.4 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

XC = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144.7 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 51.2 − j21.23 Ω

总阻抗

Z = 50 + 51.2 − j21.23 = 101.2 − j21.23 Ω
|Z| = √(101.2² + 21.23²) = 103.4 Ω

答案

|Z| = 103.4 Ω
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 35.07 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(0.65) = 49.46°, tan φ = 1.169

无功功率

Q = P·tan φ = 30·1.169 = 35.07 kvar

答案

Q = 35.07 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: I = 29.59 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。

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 = 9·tan(arccos 0.65) = 10.52 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·47·10⁻⁶ = 2835 var = 2.835 kvar
Q2 = 10.52 − 2.835 = 7.687 kvar

新的视在功率

S2 = √(9² + 7.687²) = 11.84 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 11836/400 = 29.59 A

答案

I = 29.59 A
17.三相电

答案: P = 26.54 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 + 7²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19.2 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 = 3·19.2²·24 = 26.54 kW

答案

P = 26.54 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.96,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 1957 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 = 200·tan(acos 0.72) = 200·0.9639 = 192.8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.95) = 200·0.3287 = 65.74 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 127 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 42345/(377·239.6²) = 1957 µF

答案

Cph = 1957 µF
19.变压器

答案: IHV = 9.091 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 = 100000/11000 = 9.091 A

答案

IHV = 9.091 A
20.变压器

答案: Pcu,fl = 864.8 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。

输出功率和输入功率

Pout = 200·0.85 = 170 kW
Pin = 170000/0.988 = 172065 W

总损耗和铜损

Ploss = 172065 − 170000 = 2065 W
Pcu,fl = 2065 − 1200 = 864.8 W

答案

Pcu,fl = 864.8 W
21.运放电路

答案: V− = 1.979 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入端的电压

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2.4·47/(10 + 47) = 1.979 V
V₋ = V₊

答案

V− = 1.979 V
22.运放电路

答案: Vout = −0.2245 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

+ 输入端的电压

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.4·2/(100 + 2) = 0.007843 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时,V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时,V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

Vout = −(1/4.7)·1.1 + (1 + 1/4.7)·0.007843 = −0.234 + 0.009512 = −0.2245 V

答案

Vout = −0.2245 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 3.135 mA

BJT 静态工作点:在放大区,VBE = 0.7 V,IC = β·IB,IE = (β + 1)·IB。用 KVL 由基极回路求 IB,再求 IC,然后由集电极–发射极回路求 VCE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替:VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂),RTH = R₁∥R₂;发射极电阻在基极回路中相当于放大了 (β + 1) 倍。

分压器的戴维南等效

VTH = 20·22/(33 + 22) = 8 V
RTH = 33·22/(33 + 22) = 13.2 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (8 − 0.7)/(13.2 + 121·2.2) = 26.13 µA

集电极电流

IC = 120·26.13 µA = 3.135 mA
IE = 121·26.13 µA = 3.161 mA

答案

IC = 3.135 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 5.462 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)/1000 = 23.8 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 23.8/50 = 476 µA

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.476 mA = 5.462 kΩ

答案

RB = 5.462 kΩ

任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和;实际中通常选小几倍的电阻。

25.数制

答案: U = 151

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

105 = 0110 1001
取反后: 1001 0110
+1 → 1001 0111

按无符号数读取

1001 0111₂ = 256 − 105 = 151

答案

U = 151
26.数制

答案: b = 12 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

211 = 2048 < 3155
212 = 4096 ≥ 3155

答案

b = 12
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 11, CD = 00

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。

m12: m13, m14, m8, m4 → 0
ABCD0001111000011110111111

孤立的 1

m12 = ABC′D′ → AB = 11, CD = 00

答案

AB = 11, CD = 00
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 7

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

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 7

答案

时钟边沿 7
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 1.16

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

s + 19 = 1(s + 5) + 14
F(s) = 1/(s + 5) + 14/(s + 5)²

逆变换

f(t) = e−5t + 14·t·e−5t
f(0.3) = (1 + 14·0.3)·e−5·0.3 = 1.16

答案

f(0.3) = 1.16
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.25) = 2.003

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 + 15)/(s² + 7s + 6)

部分分式

s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 2.4, B = 0.6

冲激响应

g(t) = 2.4·e−t + 0.6·e−6t
g(0.25) = 2.003

答案

g(0.25) = 2.003
31.方框图

答案: ess = 1.667

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) = 18/6 = 3

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 5/3 = 1.667

答案

ess = 1.667
32.方框图

答案: Kmax = 792

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 + 14s² + 63s + 90 + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 63
s² | 14 90 + K
s¹ | (14·63 − 90 − K)/14
s⁰ | 90 + K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 14·63 − 90 = 792

答案

Kmax = 792
33.阶跃响应

答案: tp = 0.3838 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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 83 → ωₙ = 9.11 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9.11) = 0.4391

结果

ωd = 9.11·√(1 − 0.4391²) = 8.185 rad/s → tp = π/ωd = 0.3838 s

答案

tp = 0.3838 s
34.阶跃响应

答案: %OS = 52.66 %

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 = √(k/m) = √(1000/10) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(1000·10)) = 0.2

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52.66 %

答案

%OS = 52.66 %
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = −0.7101 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。

把各模相乘

|G(j20)| = 684/(√(20² + 18²)·√(20² + 19²)) = 684/(26.91·27.59) = 0.9215

结果

20·log₁₀(0.9215) = −0.7101 dB

答案

|G(jω)| = −0.7101 dB
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 8.367 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/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8.367 rad/s

答案

ω180 = 8.367 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 2

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

s³ + 13s² + 30s + 1170 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 30
s²: 13, 1170
s¹: −60
s⁰: 1170

第一列中的符号变化

1 → 13 → −60 → 1170
N = 2

答案

N = 2

增益超过了极限 K = 390,所以一对复极点已经越过虚轴进入右半平面。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 50.02

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。

与标准形式比较

s² + 10s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.707·ωₙ = 10 → ωₙ = 7.072 rad/s

增益

K = ωₙ² = 7.072² = 50.02

答案

K = 50.02

闭环极点位于 ζ 线与 s = −5 处垂直分支的交点。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.1333

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) = 15

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 2/15 = 0.1333

答案

ess = 0.1333
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 32.68 %

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 + 6) + 16·5 = s² + 6s + 80

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s
ζ = 6/(2·8.944) = 0.3354

超调量

%OS = 100·e−0.3354π/√(1 − 0.3354²) = 32.68 %

答案

%OS = 32.68 %

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