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​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩIR2​AR4​3 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBR6​8 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​3 Ω+−V1​9 VR2​4 Ω+−V2​30 VI2​R3​3 Ω+−V3​24 VA

如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 2 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I2。

V1 = 9 VR1 = 3 ΩV2 = 30 VR2 = 4 ΩV3 = 24 VR3 = 3 Ω
I2 = A
4.节点分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩAR5​6 ΩBIs​5 A−+V2​9 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VIs = 5 AV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 ΩR5 = 6 Ω
IR2 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 6 Ω+−VR1​R2​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​20 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

用网孔分析法求 R1 两端按图示极性的电压 VR1。

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

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​4 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩIR3​AIs​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 = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩAIs​1.5 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 5 VIs = 1.5 AR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 68 ΩL100 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 1 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 12 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 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。 vC 需要多长时间达到 16.4 V?求 t。

Vs = 20 VR = 4.7 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
100 V60 HzR = 25 ΩL = 100 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 100 V(有效值)、60 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 = 100 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 100 mH
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
VfR = 50 ΩL = 2 mHC = 0.1 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 50 Ω,L = 2 mH,C = 0.1 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 50 ΩL = 2 mHC = 0.1 µF
Q =
15.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 3715 W19 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 19 A 和 3715 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 230 VI = 19 AP = 3715 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
230 V60 Hz负载2 kW, 0.6C100 µFI

一个单相负载从 230 V、60 Hz 的电源吸取 2 kW,功率因数为 0.6(滞后)。一个 100 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 2 kWpf1 = 0.6V = 230 Vf = 60 HzC = 100 µF
cos φ =
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = 12 Acos φ = 0.7滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 12 A 的线电流,功率因数为 0.7(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 12 Acos φ = 0.7
P = kW
18.三相电困难
P = 300 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 300 kW,功率因数为 0.75(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 = 300 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
480 V240 VIHV​ILV​ = ?500 kVA

一台单相 500 kVA、480/240 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 = 500 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
20.变压器困难
200 kVA

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1000 W,额定负载下铜损为 3000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 200 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 15。

R1 = 2 kΩAv = 15
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = −1.3 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1.7 VR3​ = 100 kΩR4​ = 22 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 = −1.3 VV2 = 1.7 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩR3 = 100 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−18 V680 Ω3.3 V470 ΩIZ​ = ?

一个 3.3 V 的齐纳稳压器通过 680 Ω 接到 18 V,并向 470 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 18 VVZ = 3.3 VR = 680 ΩRL = 470 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 220 Ωβ = 100VCC​ = 12 V5 VRB​ = ?

一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 12 V 与其集电极之间的 220 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 4 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 12 VRC = 220 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 4
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 −34。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −348 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0111 1001 OR 1010 0000 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0111 1001OR1010 0000
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010011131214150716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(1, 2, 3, 4, 5, 6) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C) = Σm(1, 2, 3, 4, 5, 6)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X0010302141507X6X12113X150140809111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 10, 11, 13) + d(0, 6, 12, 15) 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, 11, 13) + d(0, 6, 12, 15)
L =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

用部分分式法求 F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 3)) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 3))t = 0.3 s
f(0.3) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

某系统满足 y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t),y(0) = 5,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.2)。

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+34s + 7G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 34/(s + 7) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 2。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 34/(s + 7)H = 2
τ = s
32.方框图困难
R(s)+32s(s + 5)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 32/(s(s + 5)) 放在传感器增益为 H = 1 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的实部 σ。

G(s) = 32/(s(s + 5))H = 1
σ =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3?

某系统的传递函数为 G(s) = 219/(s² + 10s + 73),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 219/(s² + 10s + 73)
%OS = %
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.1 s15 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 15 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.1 s。求固有频率 ωn。

%OS = 15 %tp = 0.1 s
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 100 mHR = 22 Ωvout​

图中所示的RL 低通滤波器有R = 22 Ω, L = 100 mH。输入为7 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 22 ΩL = 100 mHf = 7 Hz
φ = °
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) = 20/(s(s + 2))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 20/(s(s + 2))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 3)(s + 8)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))
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 + 6)) 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 + 6))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+Ks(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5)),必须以 0.02 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 5t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 5tess = 0.02
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 82s(s + 5)C(s)−

比例控制器 K = 8 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 5))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 2/(s(s + 5))K = 8
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.439 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​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​3 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 3·18/(3+18) = 2.571 Ω
Req = R1 + 2.571 = 15 + 2.571 = 17.57 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 9/17.57 = 0.5122 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 = 9 − 0.5122·15 = 1.317 V
IR2 = VA/R2 = 1.317/3 = 0.439 A

答案

IR2 = 0.439 A
2.串并联电阻

答案: Req = 33.83 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​ = 30 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBR6​8 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 2.609 Ω
R3 + 2.609 = 10.61 Ω
R2 ∥ 10.61 = 3.832 Ω
Req = R1 + 3.832 = 30 + 3.832 = 33.83 Ω

答案

Req = 33.83 Ω
3.节点分析

答案: I2 = 2.455 A

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

节点 A 的 KCL

取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。

(VA − 9)/3 + (VA − 30)/4 + (VA − 24)/3 = 0

求 VA

VA = (9/3 + 30/4 + 24/3) / (1/3 + 1/4 + 1/3) = 18.5/0.9167 = 20.18 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I2 = (30 − VA)/R2 = (30 − 20.18)/4 = 2.455 A

答案

I2 = 2.455 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

4.节点分析

答案: IR2 = −1.287 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​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩAR5​6 ΩBIs​5 A−+V2​9 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 12 V, V2 = −9 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 − 12)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0.7·VA − 0.25·VB = 2.4

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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/6 + (VB − VA)/4 + (VB − (−9))/15 = 5
−0.25·VA + 0.4833·VB = 4.4

求解

Δ = (0.7)(0.4833) − (−0.25)(−0.25) = 0.2758
VA = Δ1/Δ = 2.26/0.2758 = 8.193 V
VB = Δ2/Δ = 3.68/0.2758 = 13.34 V

答案

IR2 = (VA − VB)/R2 = (8.193 − 13.34)/4 = −1.287 A
5.网孔分析

答案: VR1 = 3.12 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​ = 6 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​20 ΩA+−V2​6 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 + 20(I1 − I2) = 10
26·I1 − 20·I2 = 10

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
5·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 25·I2 = −6

求解

Δ = (26)(25) − (−20)(−20) = 250
I1 = Δ1/Δ = 130/250 = 0.52 A
I2 = Δ2/Δ = 44/250 = 0.176 A

答案

IR1 = I1 = 0.52 A
VR1 = IR1·R1 = 0.52·6 = 3.12 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 1.3 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​30 ΩB+−V2​10 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
3·I1 + 20(I1 − I2) = 18
23·I1 − 20·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 + 20(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 55·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
5·I3 + 30(I3 − I2) = (−10)
−30·I2 + 35·I3 = −10

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 9575
I1 = Δ1/Δ = 12450/9575 = 1.3 A
I2 = Δ2/Δ = 5700/9575 = 0.5953 A
I3 = Δ3/Δ = 2150/9575 = 0.2245 A

答案

I1 = 1.3 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = −2.479 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​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​20 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 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·26/(12+26) = 8.211 Ω
VA = 12·8.211/(3+8.211) = 8.789 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8.789·20/26 = 6.761 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (8.789 − 6.761)/6 = 0.338 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​4 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 = 3·12/(3+12) = 2.4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 8.4 = 5.915 Ω
VB = Is·Req = 4·5.915 = 23.66 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 23.66·2.4/8.4 = 6.761 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (6.761 − 23.66)/6 = −2.817 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.338 + (−2.817) = −2.479 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 = 31 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​ = 4 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​8 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) = 8 ∥ 12 = 4.8 Ω
VA = 9·4.8/(12+4.8) = 2.571 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.571·8/12 = 1.714 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​8 ΩAIs​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 = 4.8 Ω,所以左侧路径为 R2+4.8 = 8.8 Ω
Req = R4 ∥ 8.8 = 4.19 Ω
VB = −Is·Req = −5·4.19 = −20.95 V
VA = VB·4.8/8.8 = −11.43 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 = 4.8 Ω
VA‴ = V2·4.8/(8 + 4 + 4.8) = 0.2857·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‴ = 2.571 + (−11.43) + 0.2857·V2 = 0
V2 = 8.857/0.2857 = 31 V

答案

V2 = 31 V
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 17.14 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​ = 6 ΩR3​ = 4 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 = 6·15/(6+15) = 4.286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.286 + 4 = 8.286 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 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) = 24·15/(6+15) = 17.14 V
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 1.542 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​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​6 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 = 30·6/(30+6) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 15 = 20 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​6 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) = 0.8333 + 1.5·5 = 8.333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8.333 + 1.5·15 = 30.83 V
IN​1.542 ARth​20 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 = 30.83/20 = 1.542 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 6.079 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 = 100 mH / 68 Ω = 1.471 ms
i(∞) = Vs/R = 12/68 = 0.1765 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 = 12·e−1/1.471 = 6.079 V

答案

vL = 6.079 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 166.4 ms

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 = 20 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 22 µF = 103.4 ms
vC(t) = 20 + (2 − 20)·e−t/τ

求解时间

16.4 = 20 + (−18)·e−t/τ → e−t/τ = (16.4 − 20)/(2 − 20) = 0.2
t = τ·ln((2 − 20)/(16.4 − 20)) = 103.4·ln(5) = 166.4 ms

答案

t = 166.4 ms
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 33.55 °

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·60·0.1 = 37.7 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 = 100/25 = 4 A
IX = V/XL = 100/37.7 = 2.653 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) = √(4² + 2.653²) = 4.8 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(2.653/4) = 33.55°

答案

φ = 33.55°
14.交流阻抗和相量

答案: Q = 2.828

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·√(0.002·0.1·10⁻⁶)) = 11254 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) = (1/50)·√(0.002/(0.1·10⁻⁶)) = 2.828

答案

Q = 2.828
15.交流功率和功率因数

答案: R = 10.29 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 3715/19² = 10.29 Ω

答案

R = 10.29 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.9479

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 = 2·tan(arccos 0.6) = 2.667 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·100·10⁻⁶ = 1994 var = 1.994 kvar
Q2 = 2.667 − 1.994 = 0.6724 kvar

新的视在功率

S2 = √(2² + 0.6724²) = 2.11 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 2/2.11 = 0.9479

答案

cos φ = 0.9479
17.三相电

答案: P = 10.04 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·690·12 = 14.34 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 14.34·0.7 = 10.04 kW

答案

P = 10.04 kW
18.三相电

答案: Cph = 1101 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 = 300·tan(acos 0.75) = 300·0.8819 = 264.6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 166 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 = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 55323/(314.2·400²) = 1101 µF

答案

Cph = 1101 µF
19.变压器

答案: ILV = 2083 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 = 500000/240 = 2083 A

答案

ILV = 2083 A
20.变压器

答案: Sη,max = 115.5 kVA

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

铜损等于铁损

x²·3000 = 1000 → x = √(1000/3000) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·200 = 115.5 kVA

答案

Sη,max = 115.5 kVA
21.运放电路

答案: Rf = 28 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 = (15 − 1)·2 = 28 kΩ

答案

Rf = 28 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = 1.11 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) = 1.7·22/(100 + 22) = 0.3066 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 = −(1/2)·(−1.3) + (1 + 1/2)·0.3066 = 0.65 + 0.4598 = 1.11 V

答案

Vout = 1.11 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 14.6 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 = 14.7/680 = 21.62 mA

负载电流

IL = 3.3/470 = 7.021 mA

齐纳电流

IZ = 21.62 − 7.021 = 14.6 mA

答案

IZ = 14.6 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 2.004 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) = (12 − 0.2)/220 = 53.64 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 53.64/100 = 536.4 µA

设计基极电流

IB = 4·536.4 µA = 2145 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/2.145 mA = 2.004 kΩ

答案

RB = 2.004 kΩ
25.数制

答案: U = 222

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

34 = 0010 0010
取反后: 1101 1101
+1 → 1101 1110

按无符号数读取

1101 1110₂ = 256 − 34 = 222

答案

U = 222
26.数制

答案: R = 249

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

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

0111 1001
OR 1010 0000
= 1111 1001

结果的值

1111 1001₂ = 249

答案

R = 249
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

ABC00011110010011131214150716

圈 0

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。

(A + B + C)
(A′ + B′ + C′)

最简 POS 形式

F = (A + B + C)(A′ + B′ + C′)
N = 2

答案

N = 2
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 5

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′, A′C′D′, ACD, A′BD′, ABD, AB′C
ABCD0001111000011110X0010302141507X6X12113X150140809111110

最小覆盖

F = BC′ + AB′C
L = 5

答案

L = 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 0.5557

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 + 2) + C/(s + 3)
A = 20/(2·3) = 3.333
B = 20/((−2)·1) = −10
C = 20/((−3)·(−1)) = 6.667

逆变换

f(t) = 3.333 − 10·e−2t + 6.667·e−3t

求值

f(0.3) = 3.333 − 10·e−2·0.3 + 6.667·e−3·0.3 = 0.5557

答案

f(0.3) = 0.5557
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 8.201

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 + 7s + 10)·Y(s) = 5s + 35 + 300/s
Y(s) = (5s² + 35s + 300)/(s(s + 2)(s + 5))

部分分式

A = 300/(2·5) = 30
B = 250/((−2)·3) = −41.67
C = 250/((−5)·(−3)) = 16.67

结果

y(t) = 30 − 41.67·e−2t + 16.67·e−5t
y(0.2) = 8.201

答案

y(0.2) = 8.201

检验:y(0) = A + B + C = 5。

31.方框图

答案: τ = 0.01333 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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 34/(s + 7 + 68) = 34/(s + 75)

结果

τ = 1/75 = 0.01333 s

答案

τ = 0.01333 s
32.方框图

答案: σ = −2.5

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 + 5) + 32·1 = 0 → s² + 5s + 32 = 0

根

s = −2.5 ± j·√(32 − 6.25) = −2.5 ± j5.074
σ = −2.5

答案

σ = −2.5
33.阶跃响应

答案: %OS = 10.36 %

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 = 73 → ωₙ = 8.544 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8.544) = 0.5852

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.267 = 10.36 %

答案

%OS = 10.36 %
34.阶跃响应

答案: ωn = 36.7 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(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 1.897/√(9.87 + 3.599) = 0.5169

固有频率

ωd = π/tp = π/0.1 = 31.42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31.42/0.856 = 36.7 rad/s

答案

ωn = 36.7 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: φ = −11.31 °

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 = R/L = 22/0.1 = 220 rad/s
fc = 35.01 Hz → f/fc = 7/35.01 = 0.1999

相位

φ = − atan(0.1999) = −11.31°

答案

φ = −11.31°
36.伯德图与裕度

答案: PM = 25.18 °

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 + 4ω² − 400 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·400))/2 = 18.1
ωc = 4.254 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(4.254/2) = −154.8°
PM = 180° + ∠L = 25.18°

答案

PM = 25.18°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 264

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 + 11s² + 24s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 24
s²: 11, K
s¹: (11·24 − K)/11
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
11·24 − K > 0 → K < 264

答案

Kmax = 264

当 K = 264 时,闭环以 ω = √24 = 4.899 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 4.472 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 + 9s² + 20s + 12 + K = 0
s¹: (9·20 − 12 − K)/9 = 0 → K = 168

穿越频率

9s² + 12 + 168 = 9s² + 180 = 0 → s² = −20
ω = √20 = 4.472 rad/s

答案

ω = 4.472 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 1250

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 = 5/0.02 = 250

增益

K = 5·Kv = 1250

答案

K = 1250

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.07071。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: %OS = 8.084 %

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 + 5) + 8·2 = s² + 5s + 16

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 5/(2·4) = 0.625

超调量

%OS = 100·e−0.625π/√(1 − 0.625²) = 8.084 %

答案

%OS = 8.084 %

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