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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​12 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 ΩR5 = 5 ΩR6 = 12 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩAR5​5 ΩBIs​2 A+−V2​30 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 15 VIs = 2 AV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩIR3​A+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​12 ΩAR5​12 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 Ω
IR2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 Ω+−VR2​AR4​20 ΩBIs​5 A

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
VR2 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​5 VR3​8 ΩAIs​0.5 AB+−V2​15 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 5 VIs = 0.5 AV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩARL​6 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 6 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​3 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 15 ΩL22 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 = 5 VR = 15 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​5 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 30 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 22.5 V?求 t。

Vs = 5 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 100 HzRL = 50 mHC = ?

一个 L = 50 mH 的 RLC 串联电路必须在 100 Hz 发生谐振。求所需的电容 C。

f0 = 100 HzL = 50 mH
C = µF
14.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 50 ΩL = 10 mHC = 0.1 µF

一个 RLC 串联电路由 1 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 = 1 V (rms)R = 50 ΩL = 10 mHC = 0.1 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 3276 W19.5 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 19.5 A 和 3276 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 240 VI = 19.5 AP = 3276 W
X = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 97 kWQ1​S1​φ

一台 150 kVA 的单相变压器为一个 97 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 = 150 kVAP1 = 97 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 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 208 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 = 208 VZ = 24 + j7 Ω 每相
P = kW
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 0.78(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 = 100 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?25 kVA

一台单相 25 kVA、4800/240 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 = 25 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
20.变压器困难
pf 0.85200 kVA, 50% 负载

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 2400 W。 它以 0.85(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 = 200 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 2400 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 2 kΩVin​

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 同相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 2 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 1.4 VR1​ = 47 kΩV2​ = −1.2 VR2​ = 1 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = 1.4 VV2 = −1.2 VR1 = 47 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
+−9 V270 Ω3.3 V2200 ΩIZ​ = ?

一个 3.3 V 的齐纳稳压器通过 270 Ω 接到 9 V,并向 2200 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 9 VVZ = 3.3 VR = 270 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 200VCC​ = 9 V5 VRB​ = ?

一只 β = 200 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 9 V 与其集电极之间的 330 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 2 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 9 VRC = 330 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 2
RB = kΩ
25.数制中等
补码中的位权1−12806413201608040201

8 位模式 1010 0000 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1010 00008 bit
N =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0011 1010 >> 1 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0011 1010>> 1
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXC′I0​0I1​C′I2​CI3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = C′,I₁ = 0,I₂ = C′,I₃ = C。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = C′I₁ = 0I₂ = C′I₃ = C
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-12

同步模 12 计数器依次计 0, 1, …, 11,然后回到 0。它从 5 开始。经过 33 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 533N = 12
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−612

用配方法求 F(s) = (2s + 11)/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = (2s + 11)/(s² + 2s + 5)t = 0.25 s
f(0.25) =
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′ + 12y = 48·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 5。用拉普拉斯变换求 y(0.2)。

y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+9s + 9G(s)C(s)0.1H−

被控对象 G(s) = 9/(s + 9) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.1。 在 R 处施加大小为 10 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 9/(s + 9)H = 0.1R = 10
css =
32.方框图困难
R(s)+14s + 4G₁+2s + 7G₂C(s)4H₁−0.25H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 14/(s + 4),G₂ = 2/(s + 7),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 0.25。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 14/(s + 4)G₂ = 2/(s + 7)H₁ = 4H₂ = 0.25
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 63/(s² + 2s + 63),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 63/(s² + 2s + 63)
tp = s
34.阶跃响应困难
R(s)+175s(s + 6)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 175/(s(s + 6))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 175/(s(s + 6))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 10 mHC = 0.1 µFR = 20 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 20 Ω 两端,其中 L = 10 mH,C = 0.1 µF。 求品质因数 Q。

R = 20 ΩL = 10 mHC = 0.1 µF
Q =
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 2/(s(s + 1))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 2/(s(s + 1))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 2081s(s + 5)(s + 8)C(s)−

图中的回路在 K = 208 下运行,L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))K = 208
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −4 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求分离点 sb。

L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+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) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0.05
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 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) = 5/(s + 2)。闭环必须满足 ωₙ = 3 rad/s 和 ζ = 0.8。求比例增益 Kp。

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 0.8
Kp =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 1.241 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​15 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 = 3 + 15 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 6·18/(6+18) = 4.5 Ω
Req = R1 + 4.5 = 10 + 4.5 = 14.5 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 = 24/14.5 = 1.655 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 = 24 − 1.655·10 = 7.448 V
IR2 = VA/R2 = 7.448/6 = 1.241 A

答案

IR2 = 1.241 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 0.8552 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​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​12 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 7.969 Ω
R3 + 7.969 = 10.97 Ω
R2 ∥ 10.97 = 8.032 Ω
Req = R1 + 8.032 = 6 + 8.032 = 14.03 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 = 12/14.03 = 0.8552 A

答案

IR1 = 0.8552 A
3.节点分析

答案: VA = 8.706 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​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 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 = 12 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/6 + (VA − 12)/3 + (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/20 + (VB − VA)/12 = 1
−0.08333·VA + 0.1333·VB = 1

求解

Δ = (0.5833)(0.1333) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.07083
VA = Δ1/Δ = 0.6167/0.07083 = 8.706 V
VB = Δ2/Δ = 0.9167/0.07083 = 12.94 V

答案

VA = 8.706 V
4.节点分析

答案: VA = 7.269 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​ = 8 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩAR5​5 ΩBIs​2 A+−V2​30 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 15 V, V2 = 30 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 − 15)/5 + (VA − VB)/8 = 0
0.4083·VA − 0.125·VB = 3

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/5 + (VB − VA)/8 + (VB − 30)/30 = (−2)
−0.125·VA + 0.3583·VB = −1

求解

Δ = (0.4083)(0.3583) − (−0.125)(−0.125) = 0.1307
VA = Δ1/Δ = 0.95/0.1307 = 7.269 V
VB = Δ2/Δ = −0.03333/0.1307 = −0.255 V

答案

VA = 7.269 V
5.网孔分析

答案: IR3 = 0.54 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​ = 20 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩA+−V2​15 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
20·I1 + 15(I1 − I2) = 12
35·I1 − 15·I2 = 12

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 35·I2 = −15

求解

Δ = (35)(35) − (−15)(−15) = 1000
I1 = Δ1/Δ = 195/1000 = 0.195 A
I2 = Δ2/Δ = −345/1000 = −0.345 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 0.54 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR2 = 0.2388 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​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​12 ΩAR5​12 ΩB+−V2​12 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 + 12(I1 − I2) = 10
16·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 12(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 28·I2 − 12·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
25·I3 + 12(I3 − I2) = (−12)
−12·I2 + 37·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 8944
I1 = Δ1/Δ = 7192/8944 = 0.8041 A
I2 = Δ2/Δ = 2136/8944 = 0.2388 A
I3 = Δ3/Δ = −2208/8944 = −0.2469 A

答案

IR2 = I2 = 0.2388 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR2 = 20.97 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​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 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 = 2+20 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·22/(15+22) = 8.919 Ω
VA = 10·8.919/(5+8.919) = 6.408 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6.408·20/22 = 5.825 V
VR2′ = VA − 0 = 6.408 − 0 = 6.408 V
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。

R1 ∥ R2 = 5·15/(5+15) = 3.75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 5.75 = 4.466 Ω
VB = Is·Req = 5·4.466 = 22.33 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 22.33·3.75/5.75 = 14.56 V
VR2″ = VA − 0 = 14.56 − 0 = 14.56 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 6.408 + 14.56 = 20.97 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: IR4 = −0.1863 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​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​5 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 ∥ 36 = 6.545 Ω
VA = 5·6.545/(12+6.545) = 1.765 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.765·30/36 = 1.471 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1.471 − 0)/30 = 0.04902 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​8 ΩAIs​0.5 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 = 4.8 Ω,所以左侧路径为 R2+4.8 = 10.8 Ω
Req = R4 ∥ 10.8 = 7.941 Ω
VB = Is·Req = 0.5·7.941 = 3.971 V
VA = VB·4.8/10.8 = 1.765 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (3.971 − 0)/30 = 0.1324 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​8 ΩA开路B+−V2​15 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 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·10.8/40.8 = 3.971 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3.971·4.8/10.8 = 1.765 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3.971 − 15)/30 = −0.3676 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.04902 + 0.1324 + (−0.3676) = −0.1863 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: IL = 0.6575 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​ = 5 ΩR3​ = 8 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 = 5·4/(5+4) = 2.222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.222 + 8 = 10.22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 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) = 24·4/(5+4) = 10.67 V
Rth​ = 10.22 Ω+−Vth​10.67 VRL​6 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) = 10.67/(10.22 + 6) = 0.6575 A
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 4.5 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2.308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.308 + 10 = 12.31 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​3 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) = 18.46 + 3·2.308 = 25.38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25.38 + 3·10 = 55.38 V
IN​4.5 ARth​12.31 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 = 55.38/12.31 = 4.5 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 2.528 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 = 22 mH / 15 Ω = 1.467 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0.3333 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 = 5·e−1/1.467 = 2.528 V

答案

vL = 2.528 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 35.67 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 5 + (30 − 5)·e−t/τ

求解时间

22.5 = 5 + (25)·e−t/τ → e−t/τ = (22.5 − 5)/(30 − 5) = 0.7
t = τ·ln((30 − 5)/(22.5 − 5)) = 100·ln(1.429) = 35.67 ms

答案

t = 35.67 ms
13.交流阻抗和相量

答案: C = 50.66 µF

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·100 = 628.3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628.3²·0.05) = 50.66 µF

答案

C = 50.66 µF
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 6.325 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/√(0.01·0.1·10⁻⁶) = 31623 rad/s
I = V/R = 1/50 = 0.02 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 31623·0.01 = 316.2 Ω
VL = I·XL = 0.02·316.2 = 6.325 V

答案

VL = 6.325 V

这是电源电压的 Q = 6.325 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: X = 8.789 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 = 3276/19.5² = 8.615 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 240/19.5 = 12.31 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(12.31² − 8.615²) = 8.789 Ω

答案

X = 8.789 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 34.18 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 = 97·tan(arccos 0.8) = 72.75 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) = √(150² − 72.75²) = 131.2 kW

增加的有功功率

ΔP = 131.2 − 97 = 34.18 kW

答案

ΔP = 34.18 kW
17.三相电

答案: P = 4.984 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 = 208 V

相电流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8.32 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 = 3·8.32²·24 = 4.984 kW

答案

P = 4.984 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: QC = 37.63 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 = 100·tan(acos 0.78) = 100·0.8023 = 80.23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.92) = 100·0.426 = 42.6 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 37.63 kvar

答案

QC = 37.63 kvar
19.变压器

答案: ILV = 104.2 A

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

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

ILV = S/V = 25000/240 = 104.2 A

答案

ILV = 104.2 A
20.变压器

答案: Ploss = 1200 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 = 0.25·2400 = 600 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 600 + 600 = 1200 W

答案

Ploss = 1200 W

此负载下的效率为 η = 98.61%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 1 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。

增益

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/2 = 12

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/12 = 1 V

答案

Vin,max = 1 V
22.运放电路

答案: If = −1.17 mA

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 = 1.4/47 = 0.02979 mA
I2 = V2/R2 = −1.2/1 = −1.2 mA
If = I1 + I2 = −1.17 mA

答案

If = −1.17 mA
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 19.61 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 = 5.7/270 = 21.11 mA

负载电流

IL = 3.3/2200 = 1.5 mA

齐纳电流

IZ = 21.11 − 1.5 = 19.61 mA

答案

IZ = 19.61 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 16.13 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) = (9 − 0.2)/330 = 26.67 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 26.67/200 = 133.3 µA

设计基极电流

IB = 2·133.3 µA = 266.7 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.2667 mA = 16.13 kΩ

答案

RB = 16.13 kΩ
25.数制

答案: N = −96

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

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 32 = −96

答案

N = −96
26.数制

答案: R = 29

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

右移 1 位,把每一位向右移动 1 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

0011 1010 >> 1
= 0001 1101

结果的值

0001 1101₂ = 29

答案

R = 29
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = A′B′C′ + AB′C′ + ABC

F = 1 的行

ABC = 000, 100, 111
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 2

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。

完整循环

每 12 个脉冲使计数器回到相同的状态。

33 = 2·12 + 9

剩余脉冲之后的计数

Q = (5 + 9) mod 12 = 2
Q = 0010₂

答案

Q = 2
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 3.047

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)。

配方

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

匹配分子

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (9/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(2·cos 2t + 4.5·sin 2t)
f(0.25) = e−0.25·(2·cos(2·0.25) + 4.5·sin(2·0.25)) = 3.047

答案

f(0.25) = 3.047
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 5.597

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 + 12)·Y(s) = 3s + 21 + 240/s
Y(s) = (3s² + 21s + 240)/(s(s + 3)(s + 4))

部分分式

A = 240/(3·4) = 20
B = 204/((−3)·1) = −68
C = 204/((−4)·(−1)) = 51

结果

y(t) = 20 − 68·e−3t + 51·e−4t
y(0.2) = 5.597

答案

y(0.2) = 5.597

检验:y(0) = A + B + C = 3。

31.方框图

答案: css = 9.091

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) = 9/(s + 9 + 0.9) = 9/(s + 9.9)

结果

css = R·T(0) = 10·9/9.9 = 9.091

答案

css = 9.091
32.方框图

答案: T(0) = 0.4179

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) = 2/(s + 15)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 28/((s + 4)(s + 15) + 7)

直流增益

T(0) = 28/(4·15 + 7) = 28/67 = 0.4179

答案

T(0) = 0.4179
33.阶跃响应

答案: tp = 0.399 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 = 63 → ωₙ = 7.937 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7.937) = 0.126

结果

ωd = 7.937·√(1 − 0.126²) = 7.874 rad/s → tp = π/ωd = 0.399 s

答案

tp = 0.399 s
34.阶跃响应

答案: ts = 1.333 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)。

闭环传递函数

T(s) = 175/(s² + 6s + 175): ωₙ = 13.23 rad/s, ζ = 0.2268

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1.333 s

答案

ts = 1.333 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: Q = 15.81

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·1 × 10⁻⁷) = 31623 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 5033 Hz

品质因数

BW = R/L = 20/0.01 = 2000 rad/s = 318.3 Hz
Q = ω₀/BW = 31623/2000 = 15.81

答案

Q = 15.81
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 1.25 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 + 1ω² − 4 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·4))/2 = 1.562
ωc = 1.25 rad/s

答案

ωc = 1.25 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 2.5

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 + 13s² + 40s + K = 0
s³: 1, 40
s²: 13, K
s¹: (13·40 − K)/13
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 13·40 = 520

倍数

m = 520/208 = 2.5

答案

m = 2.5

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:7.959 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −2.225

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。

实轴上的增益

K(s) = −(s² + 4s)/(s + 11)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 4)(s + 11) − (s² + 4s) = s² + 22s + 44 = 0
s = −11 ± √77 = −2.225, −19.77

分离点

sb = −2.225

答案

sb = −2.225

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √77 = 8.775。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 400

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 = 2/0.05 = 40

增益

K = 10·Kv = 400

答案

K = 400

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.25。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: Kp = 0.56

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 + 5Kp)s + 5Ki

目标多项式

s² + 2·0.8·3s + 3² = s² + 4.8s + 9

匹配各项系数

2 + 5Kp = 4.8 → Kp = 0.56

答案

Kp = 0.56

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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