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 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩIR2​AR4​8 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAR4​15 ΩBR6​4 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 18 VIs = 1.5 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩAR5​30 ΩBIs​6 A+−V2​6 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 12 VIs = 6 AV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 ΩR5 = 30 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR4​10 ΩAR5​4 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 15 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 4 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​2 Ω+−VR2​AR4​3 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 18 VIs = 2.5 AR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩIR2​R4​ = 30 Ω+−V1​10 VR3​15 ΩAIs​2 AB−+V2​5 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VIs = 2 AV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩARL​4 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 4 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 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​2 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 2 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 = 30 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 100 Ωt = 0L10 mHi(t)

电感中流过 2 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。 电流降到 0.5 A 需要多长时间?求 t。

i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 10 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​10 VR1​ = 22 ΩR2​ = 10 Ω在 t = 0 断开L47 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已闭合很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关断开。 t = 0 之后多长时间电感电流达到 0.412 A?求 t。

Vs = 10 VR1 = 22 ΩR2 = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
12 V200 HzR = 15 ΩL = 20 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 12 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 = 12 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 20 mH
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
100 V500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 2.2 µFI

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 2.2 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 33 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 33 kW,功率因数为 0.6(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 33 kWpf = 0.6V = 230 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载4 kW, 0.65C68 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 4 kW,功率因数为 0.65(滞后)。一个 68 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 4 kWpf1 = 0.65V = 240 Vf = 50 HzC = 68 µF
cos φ =
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VNZ = 15 + j20 Ω每相

一个每相阻抗为 15 + j20 Ω 的对称 Y 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 = 15 + j20 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 60 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 60 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 0.98(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 = 60 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
2400 V240 VIHV​ILV​ = ?500 kVA

一台单相 500 kVA、2400/240 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 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
20.变压器困难
pf 0.825 kVA, η = 97.5%

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 100 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 97.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 25 kVAPcore = 100 Wpf = 0.8η = 97.5%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 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 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = −0.2 VR1​ = 100 kΩV2​ = −1.3 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 = −0.2 VV2 = −1.3 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩRf = 4.7 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.2 kΩβ = 200RE​ = 1.2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 39 kΩR2​ = 8.2 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管由 VCC = 12 V 分压偏置:R₁ = 39 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 8.2 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 = 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 = 39 kΩR2 = 8.2 kΩRC = 2.2 kΩRE = 1.2 kΩβ = 200
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
V (V)I (mA)0.6660Q = ?

一个二极管被建模为 0.6 V 与 25 Ω 串联(高于 0.6 V 时导通)。它与一个 100 Ω 的电阻串联,接在 6 V 电源两端。求二极管线与负载线相交处的工作电流 ID。

Vs = 6 VR = 100 ΩV0 = 0.6 Vrd = 25 Ω
ID = mA
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −40 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −408 bit
U =
26.数制困难
24 bit1 px1024 px768 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 1024 × 768 像素,每像素 24 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

1024 × 768 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010302140517061120131150140819011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 7, 9, 10, 12, 15) 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, 7, 9, 10, 12, 15)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKJOHNSON

一个 4 位约翰逊计数器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 从 0000 开始。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀),Q₃ 接收 Q₀ 的反相。给出 9 个时钟边沿之后的状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00009
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−312

用配方法求 F(s) = (4s + 11)/(s² + 6s + 13) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (4s + 11)/(s² + 6s + 13)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.8y(0.8) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = −8,y′(0) = −13,并求 y(0.8)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = −8y′(0) = −13t = 0.8 s
y(0.8) =
31.方框图中等
R(s)+16K+5s + 4G(s)C(s)4H₁−−

被控对象 G(s) = 5/(s + 4) 带有一个增益为 H₁ = 4 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 16 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) = 5/(s + 4)H₁ = 4K = 16
p =
32.方框图困难
R(s)+36s(s + 10)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 36/(s(s + 10)) 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) = 36/(s(s + 10))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) = 36/(s² + 3s + 12),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 36/(s² + 3s + 12)
ωn = rad/s
34.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 24 N·s/mm = 4 kgF = 10 Nx(t)

质量 m = 4 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 24 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 = 10 N。 求位移最大的时刻 tp。

m = 4 kgk = 100 N/mc = 24 N·s/mF = 10 N
tp = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

求 G(s) = 1440/((s + 9)(s + 20)) 在 ω = 30 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 1440/((s + 9)(s + 20))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 21/(s(s + 2))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 21/(s(s + 2))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 1)(s + 8)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))。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 + 8))
ω = rad/s
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 + 5)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −5 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 + 5))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5 + 1t+20(s + 2)s(s + 1)(s + 4)C(s)−

输入 r(t) = 5 + 1t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 20(s + 2)/(s(s + 1)(s + 4)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20(s + 2)/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 5 + 1t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 501s(s + 8)C(s)−

比例控制器 K = 50 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 8))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 50
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.3 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​24 VR2​20 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 = 2 + 8 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 20·10/(20+10) = 6.667 Ω
Req = R1 + 6.667 = 20 + 6.667 = 26.67 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 = 24/26.67 = 0.9 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 − 0.9·20 = 6 V
IR2 = VA/R2 = 6/20 = 0.3 A

答案

IR2 = 0.3 A
2.串并联电阻

答案: Req = 17.33 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​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAR4​15 ΩBR6​4 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 4.773 Ω
R3 + 4.773 = 6.773 Ω
R2 ∥ 6.773 = 5.329 Ω
Req = R1 + 5.329 = 12 + 5.329 = 17.33 Ω

答案

Req = 17.33 Ω
3.节点分析

答案: PIs = 15.53 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/10 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0.55·VA − 0.25·VB = 3.6

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/6 + (VB − VA)/4 = 1.5
−0.25·VA + 0.4167·VB = 1.5

求解

Δ = (0.55)(0.4167) − (−0.25)(−0.25) = 0.1667
VA = Δ1/Δ = 1.875/0.1667 = 11.25 V
VB = Δ2/Δ = 1.725/0.1667 = 10.35 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 = 10.35·1.5 = 15.53 W

答案

PIs = 15.53 W
4.节点分析

答案: VA = 5.467 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​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩAR5​30 ΩBIs​6 A+−V2​6 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 = 6 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/4 + (VA − 12)/12 + (VA − VB)/12 = 0
0.4167·VA − 0.08333·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/30 + (VB − VA)/12 + (VB − 6)/2 = 6
−0.08333·VA + 0.6167·VB = 9

求解

Δ = (0.4167)(0.6167) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.25
VA = Δ1/Δ = 1.367/0.25 = 5.467 V
VB = Δ2/Δ = 3.833/0.25 = 15.33 V

答案

VA = 5.467 V
5.网孔分析

答案: IR3 = 1.772 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​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩA+−V2​12 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 + 3(I1 − I2) = 10
8·I1 − 3·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
8·I2 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 11·I2 = −12

求解

Δ = (8)(11) − (−3)(−3) = 79
I1 = Δ1/Δ = 74/79 = 0.9367 A
I2 = Δ2/Δ = −66/79 = −0.8354 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 1.772 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −1.094 A

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR4​10 ΩAR5​4 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
12·I1 + 10(I1 − I2) = 15
22·I1 − 10·I2 = 15

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
10·I2 + 10(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 24·I2 − 4·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
12·I3 + 4(I3 − I2) = (−18)
−4·I2 + 16·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 6496
I1 = Δ1/Δ = 4800/6496 = 0.7389 A
I2 = Δ2/Δ = 816/6496 = 0.1256 A
I3 = Δ3/Δ = −7104/6496 = −1.094 A

答案

I3 = −1.094 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR2 = 0.7174 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​3 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 = 3+3 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·6/(2+6) = 1.5 Ω
VA = 18·1.5/(10+1.5) = 2.348 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.348·3/6 = 1.174 V
VR2′ = VA − 0 = 2.348 − 0 = 2.348 V
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​2.5 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 = 10·2/(10+2) = 1.667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 4.667 = 1.826 Ω
VB = Is·Req = (−2.5)·1.826 = −4.565 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −4.565·1.667/4.667 = −1.63 V
VR2″ = VA − 0 = −1.63 − 0 = −1.63 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 2.348 + (−1.63) = 0.7174 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: IR2 = 0.9467 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​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​10 VR3​15 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) = 15 ∥ 45 = 11.25 Ω
VA = 10·11.25/(20+11.25) = 3.6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3.6·30/45 = 2.4 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (2.4 − 3.6)/15 = −0.08 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​15 ΩAIs​2 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

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

R1 ∥ R3 = 8.571 Ω,所以左侧路径为 R2+8.571 = 23.57 Ω
Req = R4 ∥ 23.57 = 13.2 Ω
VB = Is·Req = 2·13.2 = 26.4 V
VA = VB·8.571/23.57 = 9.6 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (26.4 − 9.6)/15 = 1.12 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​15 ΩA开路B−+V2​5 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 = 20·15/(20+15) = 8.571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−5)·23.57/53.57 = −2.2 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2.2·8.571/23.57 = −0.8 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (−2.2 − −0.8)/15 = −0.09333 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0.08) + 1.12 + (−0.09333) = 0.9467 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 = 0.1818 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​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​3 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2.609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.609 + 2 = 4.609 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​3 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) = 12·3/(20+3) = 1.565 V
Rth​ = 4.609 Ω+−Vth​1.565 VRL​4 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) = 1.565/(4.609 + 4) = 0.1818 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 3.244 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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​12 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 = 20·12/(20+12) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 12 = 19.5 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​12 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) = 11.25 + 3·7.5 = 33.75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33.75 + 3·12 = 69.75 V
Rth​ = 19.5 Ω+−Vth​69.75 VRL​2 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) = 69.75/(19.5 + 2) = 3.244 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.1386 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。

时间常数

τ = L/R = 10 mH / 100 Ω = 0.1 ms

求解时间

0.5 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0.5)
t = 0.1·ln(4) = 0.1386 ms

答案

t = 0.1386 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.5229 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

在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 10/22 = 0.4545 A
i(∞) = 10/(22 + 10) = 0.3125 A
τ = L/R = 47/32 = 1.469 ms
i(t) = 0.3125 + (0.4545 − 0.3125)·e−t/τ

求解时间

e−t/τ = (0.412 − 0.3125)/(0.4545 − 0.3125) = 0.7005
t = 1.469·ln(1.428) = 0.5229 ms

答案

t = 0.5229 ms
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 30.83 °

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·200·0.02 = 25.13 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 = 12/15 = 0.8 A
IX = V/XL = 12/25.13 = 0.4775 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) = √(0.8² + 0.4775²) = 0.9317 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(0.4775/0.8) = 30.83°

答案

φ = 30.83°
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1558 A

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.25 = 785.4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2.2·10⁻⁶) = 144.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (640.7)²) = 642 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 100/642 = 0.1558 A

答案

I = 0.1558 A
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 44 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(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333

无功功率

Q = P·tan φ = 33·1.333 = 44 kvar

答案

Q = 44 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7576

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 = 4·tan(arccos 0.65) = 4.677 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1230 var = 1.23 kvar
Q2 = 4.677 − 1.23 = 3.446 kvar

新的视在功率

S2 = √(4² + 3.446²) = 5.28 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 4/5.28 = 0.7576

答案

cos φ = 0.7576
17.三相电

答案: P = 5.53 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 = 480/√3 = 277.1 V

相电流

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 277.1/25 = 11.09 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 = 3·11.09²·15 = 5.53 kW

答案

P = 5.53 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 553.7 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 = 60·tan(acos 0.78) = 60·0.8023 = 48.14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 35.95 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) = 11984/(377·239.6²) = 553.7 µF

答案

Cph = 553.7 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: Pcu,fl = 412.8 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 = 25·0.8 = 20 kW
Pin = 20000/0.975 = 20513 W

总损耗和铜损

Ploss = 20513 − 20000 = 512.8 W
Pcu,fl = 512.8 − 100 = 412.8 W

答案

Pcu,fl = 412.8 W
21.运放电路

答案: Vin,max = 1.091 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 + 10/1 = 11

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/11 = 1.091 V

答案

Vin,max = 1.091 V
22.运放电路

答案: If = −1.302 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 = −0.2/100 = −0.002 mA
I2 = V2/R2 = −1.3/1 = −1.3 mA
If = I1 + I2 = −1.302 mA

答案

If = −1.302 mA
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 8.196 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 = 12·8.2/(39 + 8.2) = 2.085 V
RTH = 39·8.2/(39 + 8.2) = 6.775 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.085 − 0.7)/(6.775 + 201·1.2) = 5.584 µA

集电极电流

IC = 200·5.584 µA = 1.117 mA
IE = 201·5.584 µA = 1.122 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 1.117·2.2 − 1.122·1.2 = 8.196 V

答案

VCE = 8.196 V
24.二极管与晶体管

答案: ID = 43.2 mA

LED 与二极管电路:正向偏置的 LED 无论电流多大,压降都约为其正向电压 VF(红光约 2 V,蓝光或白光约 3 V)。串联电阻决定电流:n 个 LED 串联时 R = (Vs − n·VF)/I。用更精确的二极管模型 V = V₀ + I·rd 时,工作点在二极管线与负载线 I = (Vs − V)/R 相交处,所以 I = (Vs − V₀)/(R + rd)。

联立两个方程

6 = 0.6 + I·(100 + 25)

工作电流

ID = 5.4/125 = 43.2 mA
VD = 0.6 + 0.0432·25 = 1.68 V

答案

ID = 43.2 mA
25.数制

答案: U = 216

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

取反加一

40 = 0010 1000
取反后: 1101 0111
+1 → 1101 1000

按无符号数读取

1101 1000₂ = 256 − 40 = 216

答案

U = 216
26.数制

答案: M = 2304 KiB

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。

位和字节

1024·768·24 = 18874368 bit = 2359296 B

换算为 KiB

2359296/1024 = 2304 KiB

答案

M = 2304 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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

ABCD000111100001111000010302140517061120131150140819011110

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。

BC′D′
BCD
AB′C′D
AB′CD′

最简 SOP 形式

F = BC′D′ + BCD + AB′C′D + AB′CD′
N = 4

答案

N = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 8

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。

每个边沿之后的状态

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011 → 0001 → 0000 → 1000

十进制值

1000₂ = 8

答案

Q = 8
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 2.831

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 + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

匹配分子

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (−1/2)·2/((s + 3)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−3t·(4·cos 2t − 0.5·sin 2t)
f(0.1) = e−3·0.1·(4·cos(2·0.1) − 0.5·sin(2·0.1)) = 2.831

答案

f(0.1) = 2.831
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.8) = −6.455

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

s²Y − (−8)s − (−13) + 5(sY − (−8)) + 4Y = 0
Y(s) = (−8s − 53)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = −45/3 = −15
B = −21/(−3) = 7

结果

y(t) = −15·e−t + 7·e−4t
y(0.8) = −6.455

答案

y(0.8) = −6.455

检验:y(0) = A + B = −8。

31.方框图

答案: p = −104

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) = 5/(s + 4 + 5·4) = 5/(s + 24)

外环

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

结果

p = −104

答案

p = −104
32.方框图

答案: σ = −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 + 10) + 36·1 = 0 → s² + 10s + 36 = 0

根

s = −5 ± j·√(36 − 25) = −5 ± j3.317
σ = −5

答案

σ = −5
33.阶跃响应

答案: ωn = 3.464 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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 12 → ωₙ = 3.464 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3.464) = 0.433

结果

ωₙ = 3.464 rad/s

答案

ωn = 3.464 rad/s
34.阶跃响应

答案: tp = 0.7854 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(100/4) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 24/(2·√(100·4)) = 0.6

结果

ωd = 4 rad/s
tp = π/ωd = 0.7854 s

答案

tp = 0.7854 s
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 2.111 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(j30)| = 1440/(√(30² + 9²)·√(30² + 20²)) = 1440/(31.32·36.06) = 1.275

结果

20·log₁₀(1.275) = 2.111 dB

答案

|G(jω)| = 2.111 dB
36.伯德图与裕度

答案: PM = 24.59 °

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 − 441 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·441))/2 = 19.1
ωc = 4.37 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(4.37/2) = −155.4°
PM = 180° + ∠L = 24.59°

答案

PM = 24.59°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 2.828 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 + 9s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 9, K
s¹: (9·8 − K)/9
s⁰: K

临界增益

K = 9·8 = 72

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

9s² + 72 = 0 → s = ±j√8
ω = 2.828 rad/s

答案

ω = 2.828 rad/s
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −2.876

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 + 5s)/(s + 11)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 5)(s + 11) − (s² + 5s) = s² + 22s + 55 = 0
s = −11 ± √66 = −2.876, −19.12

分离点

sb = −2.876

答案

sb = −2.876

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √66 = 8.124。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.1

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) = 10

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 1/10 = 0.1

答案

ess = 0.1
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 11.59 %

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 + 8) + 50·1 = s² + 8s + 50

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 8/(2·7.071) = 0.5657

超调量

%OS = 100·e−0.5657π/√(1 − 0.5657²) = 11.59 %

答案

%OS = 11.59 %

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