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 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​10 ΩBR6​3 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 12 VIs = 1.5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​0.5 A+−V2​10 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 24 VIs = 0.5 AV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩIR2​+−V1​24 VR3​15 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩIR1​R2​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VV2 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

用叠加定理求 R3 吸收的功率 PR3。

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
PR3 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​36 VR3​25 Ω+−VR3​AIs​1.5 AB−+V2​24 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 36 VIs = 1.5 AV2 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​0.5 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 10 VIs = 0.5 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 100 Ωt = 0L100 mHi(t)

电感中流过 3 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 = 1 ms 时的电流 i。

i(0) = 3 AR = 100 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 Vt = 0R = 2.2 kΩC?+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 12 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 7.2 V 时它必须触发,恰好在开始后 50 ms。 已知 R = 2.2 kΩ,求所需的电容 C。

Vs = 12 VVth = 7.2 VT = 50 msR = 2.2 kΩ
C = µF
13.交流阻抗和相量中等
50 V200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、200 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 = 50 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
24 Vf0​R = 20 ΩL = 200 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路由 24 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 24 V (rms)R = 20 ΩL = 200 mHC = 0.47 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
120 VZ6 + j8 ΩI

一个阻抗为 Z = 6 + j8 Ω 的负载接在 120 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 120 VZ = 6 + j8 Ω
Q = var
16.交流功率和功率因数困难
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 25 kW,功率因数为 0.8(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 = 25 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 90%cos φ = 0.86

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 90%,功率因数为 0.86(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 90%cos φ = 0.86VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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 0.92(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 = 50 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
480 V240 VIHV​ = ?ILV​25 kVA

一台单相 25 kVA、480/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 25 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.9200 kVA, 25% 负载

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1200 W,额定负载下铜损为 1800 W。 它以 0.9(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 200 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 1800 Wx = 0.25pf = 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 21。

R1 = 47 kΩAv = 21
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = −1.3 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0.4 VR2​ = 4.7 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −1.3 VV2 = 0.4 VR1 = 47 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.7 kΩβ = 100RE​ = 1.2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 100 kΩR2​ = 22 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 12 V 分压偏置:R₁ = 100 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 = 2.7 kΩ,发射极电阻为 RE = 1.2 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–发射极电压 VCE。

VCC = 12 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRC = 2.7 kΩRE = 1.2 kΩβ = 100
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 100 Ωβ = 50VCC​ = 5 V3.3 VRB​ = ?

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 5 V 与其集电极之间的 100 Ω 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 = 5 VRC = 100 Ωβ = 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 −23。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −238 bit
U =
26.数制困难
4760 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 4760 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?

4760
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010302141517160121130150140819011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 6, 7, 9, 10, 13) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 6, 7, 9, 10, 13)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-10

模 10 计数器由最少个数的触发器构成。可能的状态中有多少个 U 从未被用到?

N = 10
U =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

用部分分式法求 F(s) = 45/(s(s + 3)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 45/(s(s + 3)(s + 4))t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

某系统满足 y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t),y(0) = 4,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 4。用拉普拉斯变换求 y(0.6)。

y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.6 s
y(0.6) =
31.方框图中等
R(s)+3K+9s + 8G(s)C(s)3H₁−−

被控对象 G(s) = 9/(s + 8) 带有一个增益为 H₁ = 3 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 3 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 9/(s + 8)H₁ = 3K = 3
p =
32.方框图困难
R(s)+28控制器+D(s)+6s + 10被控对象C(s)−

比例控制器 K = 28 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 6/(s + 10)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 同时施加大小为 2 的参考阶跃和大小为 2 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 28G(s) = 6/(s + 10)D = 2R = 2
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5?

某系统的传递函数为 G(s) = 4.5/(s² + s + 9),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 4.5/(s² + s + 9)
%OS = %
34.阶跃响应困难
k = 2000 N/mc = 170 N·s/mm = 10 kgF = 5 Nx(t)

质量 m = 10 kg 的物体挂在弹簧 k = 2000 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 170 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 = 5 N。 求阻尼比 ζ。

m = 10 kgk = 2000 N/mc = 170 N·s/mF = 5 N
ζ =
35.伯德图与裕度中等
vin​R = 2.2 kΩC = 22 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 2.2 kΩ, C = 22 nF。输入为13 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 2.2 kΩC = 22 nFf = 13 kHz
|H| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 16/(s(s + 4))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 16/(s(s + 4))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 1)(s + 10)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))。把增益提高到闭环处于稳定边缘。求持续振荡的频率 ω。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))
ω = rad/s
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4j2j4

对于 L(s) = K/((s + 4)(s² + 6s + 25)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 4)(s² + 6s + 25))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 2)),必须以 0.1 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0.1
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(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) = 4/(s + 2)。闭环必须满足 ωₙ = 6 rad/s 和 ζ = 1。求积分增益 Ki。

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 6 rad/sζ = 1
Ki =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.7813 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​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​8 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 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 12·18/(12+18) = 7.2 Ω
Req = R1 + 7.2 = 12 + 7.2 = 19.2 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 = 15/19.2 = 0.7813 A

答案

IR1 = 0.7813 A
2.串并联电阻

答案: Req = 16 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​ = 10 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​10 ΩBR6​3 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 + 3 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 7.368 Ω
R3 + 7.368 = 17.37 Ω
R2 ∥ 17.37 = 11 Ω
Req = R1 + 11 = 5 + 11 = 16 Ω

答案

Req = 16 Ω
3.节点分析

答案: PIs = 29.82 W

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/20 = 0
0.7167·VA − 0.05·VB = 6

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/20 + (VB − VA)/20 = 1.5
−0.05·VA + 0.1·VB = 1.5

求解

Δ = (0.7167)(0.1) − (−0.05)(−0.05) = 0.06917
VA = Δ1/Δ = 0.675/0.06917 = 9.759 V
VB = Δ2/Δ = 1.375/0.06917 = 19.88 V

电流源输出的功率

电源把 Iₛ 从地(0 V)向上注入节点 B,即升到 VB。电流从其 + 端流出的电源输出功率 P = V·I。

PIs = VB·Is = 19.88·1.5 = 29.82 W

答案

PIs = 29.82 W
4.节点分析

答案: VA = 10.29 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​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​0.5 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 = 24 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/25 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/12 = 0
0.1733·VA − 0.08333·VB = 1.2

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/8 + (VB − VA)/12 + (VB − 10)/30 = 0.5
−0.08333·VA + 0.2417·VB = 0.8333

求解

Δ = (0.1733)(0.2417) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.03494
VA = Δ1/Δ = 0.3594/0.03494 = 10.29 V
VB = Δ2/Δ = 0.2444/0.03494 = 6.995 V

答案

VA = 10.29 V
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.8727 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​ = 5 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​15 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
5·I1 + 15(I1 − I2) = 24
20·I1 − 15·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
10·I2 + 15(I2 − I1) = (−30)
−15·I1 + 25·I2 = −30

求解

Δ = (20)(25) − (−15)(−15) = 275
I1 = Δ1/Δ = 150/275 = 0.5455 A
I2 = Δ2/Δ = −240/275 = −0.8727 A

答案

IR2 = I2 = −0.8727 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR1 = 0.7164 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​30 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
2·I1 + 30(I1 − I2) = 24
32·I1 − 30·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
30·I2 + 30(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 90·I2 − 30·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
15·I3 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 45·I3 = −36

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 60300
I1 = Δ1/Δ = 43200/60300 = 0.7164 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/60300 = −0.03582 A
I3 = Δ3/Δ = −49680/60300 = −0.8239 A

答案

IR1 = I1 = 0.7164 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR3 = 0.04592 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​8 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 = 4+8 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·12/(10+12) = 5.455 Ω
VA = 18·5.455/(20+5.455) = 3.857 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.857·8/12 = 2.571 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3.857 − 2.571)/4 = 0.3214 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​10 ΩAR4​8 ΩBIs​1 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 = 20·10/(20+10) = 6.667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 10.67 = 4.571 Ω
VB = Is·Req = 1·4.571 = 4.571 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4.571·6.667/10.67 = 2.857 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (2.857 − 4.571)/4 = −0.4286 A

把电流的各个贡献相加

IR3 = IR3′ + IR3″ = 0.3214 + (−0.4286) = −0.1071 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。

PR3 = IR3²·R3 = (−0.1071)²·4 = 0.04592 W

答案

PR3 = 0.04592 W

把各单独情况下的功率相加会得到 1.148 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: VR3 = 16.88 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​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​36 VR3​25 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) = 25 ∥ 20 = 11.11 Ω
VA = 36·11.11/(12+11.11) = 17.31 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 17.31·15/20 = 12.98 V
VR3′ = VA − 0 = 17.31 − 0 = 17.31 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​25 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。

R1 ∥ R3 = 8.108 Ω,所以左侧路径为 R2+8.108 = 13.11 Ω
Req = R4 ∥ 13.11 = 6.995 Ω
VB = Is·Req = 1.5·6.995 = 10.49 V
VA = VB·8.108/13.11 = 6.49 V
VR3″ = VA − 0 = 6.49 − 0 = 6.49 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​25 ΩA开路B−+V2​24 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 = 12·25/(12+25) = 8.108 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·13.11/28.11 = −11.19 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −11.19·8.108/13.11 = −6.923 V
VR3‴ = VA − 0 = −6.923 − 0 = −6.923 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 17.31 + 6.49 + (−6.923) = 16.88 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IN = 1.084 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​ = 8 ΩR3​ = 2 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 + 2 = 7.217 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 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) = 12·15/(8+15) = 7.826 V
IN​1.084 ARth​7.217 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 = 7.826/7.217 = 1.084 A
10.戴维南和诺顿

答案: IN = −0.2 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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​30 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 = 8·30/(8+30) = 6.316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.316 + 20 = 26.32 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​0.5 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) = 7.895 + (−0.5)·6.316 = 4.737 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4.737 + (−0.5)·20 = −5.263 V
IN​0.2 ARth​26.32 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 = −5.263/26.32 = −0.2 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 1.104 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 = 100 mH / 100 Ω = 1 ms

电流的衰减

i(t) = 3·e−1/1 = 1.104 A

答案

i = 1.104 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: C = 24.8 µF

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。

所需的时间常数

7.2 = 12·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(12/(12 − 7.2))
τ = 50/0.9163 = 54.57 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 54.57/2.2 = 24.8 µF

答案

C = 24.8 µF
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 53.81 °

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 = 1257·0.2 = 251.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4.7·10⁻⁶) = 169.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (82.01)²) = 101.6 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(82.01/60) = 53.81°

答案

φ = 53.81°
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 782.8 V

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

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·0.47·10⁻⁶) = 3262 rad/s
I = V/R = 24/20 = 1.2 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 3262·0.2 = 652.3 Ω
VL = I·XL = 1.2·652.3 = 782.8 V

答案

VL = 782.8 V

这是电源电压的 Q = 32.62 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: Q = 1152 var

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。

电流

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

无功功率

Q = I²·X = 12²·8 = 1152 var

答案

Q = 1152 var
16.交流功率和功率因数

答案: C = 367 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 = 25·tan(36.87°) = 18.75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(25.84°) = 12.11 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6.642 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 6642/(2π·50·240²) = 367 µF

答案

C = 367 µF
17.三相电

答案: IL = 8.108 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 = 7.5/0.9 = 8.333 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8333/(√3·690·0.86) = 8.108 A

答案

IL = 8.108 A
18.三相电

答案: QC = 37.16 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 = 50·tan(acos 0.65) = 50·1.169 = 58.46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.92) = 50·0.426 = 21.3 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 37.16 kvar

答案

QC = 37.16 kvar
19.变压器

答案: IHV = 52.08 A

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

IHV = S/V = 25000/480 = 52.08 A

答案

IHV = 52.08 A
20.变压器

答案: Ploss = 1313 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 = 0.0625·1800 = 112.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 1200 + 112.5 = 1313 W

答案

Ploss = 1313 W

此负载下的效率为 η = 97.17%。

21.运放电路

答案: Rf = 940 kΩ

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

同相放大器的增益

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

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (21 − 1)·47 = 940 kΩ

答案

Rf = 940 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −0.27 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 = −1.3/47 = −0.02766 mA
I2 = V2/R2 = 0.4/4.7 = 0.08511 mA
If = I1 + I2 = 0.05745 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −4.7·0.05745 = −0.27 V

答案

Vout = −0.27 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 7.887 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。

分压器的戴维南等效

VTH = 12·22/(100 + 22) = 2.164 V
RTH = 100·22/(100 + 22) = 18.03 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.164 − 0.7)/(18.03 + 101·1.2) = 10.51 µA

集电极电流

IC = 100·10.51 µA = 1.051 mA
IE = 101·10.51 µA = 1.062 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 1.051·2.7 − 1.062·1.2 = 7.887 V

答案

VCE = 7.887 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 2.708 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) = (5 − 0.2)/100 = 48 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 48/50 = 960 µA

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.96 mA = 2.708 kΩ

答案

RB = 2.708 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 = 233

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

23 = 0001 0111
取反后: 1110 1000
+1 → 1110 1001

按无符号数读取

1110 1001₂ = 256 − 23 = 233

答案

U = 233
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 < 4760
213 = 8192 ≥ 4760

答案

b = 13
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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。

ABCD000111100001111000010302141517160121130150140819011110

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。

AC′D
A′B
AB′CD′

最简 SOP 形式

F = AC′D + A′B + AB′CD′
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: U = 6

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。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 10 → n = 4 (2⁴ = 16)

未使用的状态

U = 16 − 10 = 6

答案

U = 6
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 1.503

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 4)
A = 45/(3·4) = 3.75
B = 45/((−3)·1) = −15
C = 45/((−4)·(−1)) = 11.25

逆变换

f(t) = 3.75 − 15·e−3t + 11.25·e−4t

求值

f(0.4) = 3.75 − 15·e−3·0.4 + 11.25·e−4·0.4 = 1.503

答案

f(0.4) = 1.503
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 7.416

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

(s² + 5s + 6)·Y(s) = 4s + 20 + 72/s
Y(s) = (4s² + 20s + 72)/(s(s + 2)(s + 3))

部分分式

A = 72/(2·3) = 12
B = 48/((−2)·1) = −24
C = 48/((−3)·(−1)) = 16

结果

y(t) = 12 − 24·e−2t + 16·e−3t
y(0.6) = 7.416

答案

y(0.6) = 7.416

检验:y(0) = A + B + C = 4。

31.方框图

答案: p = −62

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) = 9/(s + 8 + 9·3) = 9/(s + 35)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 27/(s + 35 + 27) = 27/(s + 62)

结果

p = −62

答案

p = −62
32.方框图

答案: css = 1.955

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 6/(s + 10 + 168)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 168/(s + 10 + 168)

稳态

css = 2·168/178 + 2·6/178 = 1.955

答案

css = 1.955

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

33.阶跃响应

答案: %OS = 58.8 %

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 = 9 → ωₙ = 3 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·3) = 0.1667

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.531 = 58.8 %

答案

%OS = 58.8 %
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.601

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) = √(2000/10) = 14.14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 170/(2·√(2000·10)) = 0.601

结果

ζ = 0.601

答案

ζ = 0.601
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −12.21 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/(2200·2.2 × 10⁻⁸) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 13000/3288 = 3.953

增益

|H| = 1/√(1 + 3.953²) = 0.2452
20·log₁₀(0.2452) = −12.21 dB

答案

|H| = −12.21 dB
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 3.145 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。

增益穿越

ω⁴ + 16ω² − 256 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·256))/2 = 9.889
ωc = 3.145 rad/s

答案

ωc = 3.145 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 3.162 rad/s

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 + 11s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 11, K
s¹: (11·10 − K)/11
s⁰: K

临界增益

K = 11·10 = 110

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

11s² + 110 = 0 → s = ±j√10
ω = 3.162 rad/s

答案

ω = 3.162 rad/s
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 14.04 °

根轨迹:当增益 K 从 0 增大到 ∞ 时,闭环极点(即 1 + K·G(s) = 0 的根)从开环极点移向开环零点或无穷远。实轴上的某一点属于根轨迹,当且仅当其右侧的实极点和实零点的总数为奇数。趋向无穷远的 n − m 条分支沿渐近线延伸,渐近线的角度为 (2q + 1)·180°/(n − m),起点为重心 σₐ = (Σ极点 − Σ零点)/(n − m)。分支在 dK/ds = 0 处离开或汇入实轴。相角条件 ∠G(s) = 180° 决定轨迹的形状,幅值条件 K = 1/|G(s)| 给出轨迹上任意一点对应的增益。

极点位置

s² + 6s + 25 = 0 → s = −3 ± j4
s = −4

来自其他极点的角度

∠(−3 + j4 + 4) = atan2(4, 1) = 75.96°
∠(−3 + j4 − (−3 − j4)) = ∠(j8) = 90°

出射角

θd = 180° − 75.96° − 90° = 14.04°

答案

θd = 14.04°
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 40

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 = 2/0.1 = 20

增益

K = 2·Kv = 40

答案

K = 40

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1581。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: Ki = 9

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 + 2)。

s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki

目标多项式

s² + 2·1·6s + 6² = s² + 12s + 36

匹配各项系数

4Ki = 36 → Ki = 9

答案

Ki = 9

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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