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 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​25 ΩBR6​25 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 15 Ω+−Vs​ = 3 V+−V1​9 VR2​10 ΩAR3​2 ΩBIs​0.5 A

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 A,所以它使 VA − VB = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 9 VIs = 0.5 AVs = 3 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 Ω+−VR2​+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 12 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
VR2 = V
6.网孔分析困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR4​6 ΩIR4​AR5​12 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 12 VV2 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 12 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
线性电路Vs​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有一个电压源 Vs 和一个电流源 Is。流过负载电阻的电流 I 测量了两次:Vs = 15 V、Is = 6 mA 时,I = 31.2 mA;Vs = 6 V、Is = 6 mA 时,I = 13.2 mA。求 Vs = 8 V、Is = 5 mA 时的负载电流 I。

15 V, 6 mA → 31.2 mA6 V, 6 mA → 13.2 mAVs = 8 V, Is = 5 mA
I = mA
8.叠加定理困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​15 ΩIR3​AIs​1.5 AB+−V2​10 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 36 VIs = 1.5 AV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​0.5 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 9 VIs = 0.5 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4.7 kΩC47 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求 t = 75 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 4.7 kΩC = 47 µFt = 75 ms
vC = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 2.2 kΩC47 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。 求 t = 80 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR = 2.2 kΩC = 47 µFvC(0) = 2 Vt = 80 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
12 V50 HzR = 100 ΩC = 10 µFI

一个电阻和一个电容并联接在 12 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩC = 10 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
2 Vf0​R = 15 ΩL = 5 mHC = 0.22 µF

一个 RLC 串联电路由 2 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 = 2 V (rms)R = 15 ΩL = 5 mHC = 0.22 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 38 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 38 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 38 kWpf = 0.85V = 240 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
50 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

一个 50 V(有效值)、60 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 50 + j15 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j15 Ω
Pmax = W
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 92%cos φ = 0.9

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 92%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 92%cos φ = 0.9VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 150 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(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 = 150 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
2 ΩN1​N2​32 Ω

一台输出电阻为 32 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 2 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 32 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 32 ΩRL = 2 Ω
a =
20.变压器困难
500 kVA

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 4000 W,额定负载下铜损为 12000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 500 kVAPcore = 4000 WPcu,fl = 12000 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 0.5 VRa​ = 22 kΩRb​ = 22 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.5 VRa = 22 kΩRb = 22 kΩR1 = 4.7 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​C = 4.7 µFVin​ = 1.4 VR = 1 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±14 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 1.4 V 时,电容未充电。 求 t = 5 ms 时的输出电压 Vout。

Vin = 1.4 VR = 1 kΩC = 4.7 µFVsat = ±14 Vt = 5 ms
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.7 kΩβ = 100RE​ = 680 ΩVCC​ = 20 VR1​ = 33 kΩR2​ = 10 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 20 V 分压偏置:R₁ = 33 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 10 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 = 680 Ω。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 = 20 VR1 = 33 kΩR2 = 10 kΩRC = 2.7 kΩRE = 680 Ωβ = 100
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 200VCC​ = 9 V3.3 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 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 = 9 VRC = 330 Ωβ = 200Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −49 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 = −498 bit
U =
26.数制困难
4045 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 4045 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?

4045
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010110302141517161120130150141819111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12)
L =
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​CLK

一个 4 位行波(异步)计数器由传播延迟均为 5 ns 的触发器构成。所有输出必须在下一个时钟边沿之前稳定下来。求最高时钟频率 fmax。

n = 4tpd = 5 ns
fmax = MHz
29.拉普拉斯变换中等
ReIm5

用配方法求 F(s) = (4s + 16)/(s² + 4s + 40) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。

F(s) = (4s + 16)/(s² + 4s + 40)t = 0.5 s
f(0.5) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−51

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 15u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.3 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.3)。

y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 15ut = 0.3 s
g(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+39s + 1G(s)C(s)0.2H−

被控对象 G(s) = 39/(s + 1) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.2。 在 R 处施加大小为 2 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 39/(s + 1)H = 0.2R = 2
css =
32.方框图困难
R(s)+2s + 2G₁+10s + 8G₂C(s)0.5H₁−0.2H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 2/(s + 2),G₂ = 10/(s + 8),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 0.2。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 2/(s + 2)G₂ = 10/(s + 8)H₁ = 0.5H₂ = 0.2
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 12/(s² + s + 12),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 12/(s² + s + 12)
ts = s
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.8 s50 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 50 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.8 s。求固有频率 ωn。

%OS = 50 %tp = 0.8 s
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 100 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 = 100 mH,C = 0.1 µF。 求 −3 dB 带宽 BW,单位为 Hz。

R = 20 ΩL = 100 mHC = 0.1 µF
BW = Hz
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 388/(s(s + 8)(s + 9))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 388/(s(s + 8)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 241s(s + 3)(s + 5)C(s)−

图中的回路在 K = 24 下运行,L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))。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 + 3)(s + 5))K = 24
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1

对于 L(s) = K/((s + 3)(s² + 4s + 5)),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 + 3)(s² + 4s + 5))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 4)),必须以 0.02 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 2tess = 0.02
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(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 + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 5 rad/s 和 ζ = 1。求积分增益 Ki。

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 5 rad/sζ = 1
Ki =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.9231 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​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​2 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 10 + 3 = 13 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 = 12/13 = 0.9231 A

答案

IR1 = 0.9231 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 1.059 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​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​25 ΩBR6​25 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 12.98 Ω
R3 + 12.98 = 27.98 Ω
R2 ∥ 27.98 = 3.5 Ω
Req = R1 + 3.5 = 5 + 3.5 = 8.5 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 = 9/8.5 = 1.059 A

答案

IR1 = 1.059 A
3.节点分析

答案: IR1 = 1.448 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​1.5 A

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)。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/12 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0.5417·VA − 0.125·VB = 5

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = 1.5
−0.125·VA + 0.4583·VB = 1.5

求解

Δ = (0.5417)(0.4583) − (−0.125)(−0.125) = 0.2326
VA = Δ1/Δ = 2.479/0.2326 = 10.66 V
VB = Δ2/Δ = 1.438/0.2326 = 6.179 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 10.66)/3 = 1.448 A
4.节点分析

答案: VB = 0.9 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。

构成超节点

A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。

VB = VA − 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 9)/15 + VA/10 + (VA − 3)/2 = 0.5
VA·(1/15 + 1/10 + 1/2) = 0.5 + 9/15 + 3/2 = 2.6
VA = 2.6/0.6667 = 3.9 V
VB = 0.9 V

答案

VB = 0.9 V
5.网孔分析

答案: VR2 = −9.333 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​ = 4 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​24 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
4·I1 + 6(I1 − I2) = 12
10·I1 − 6·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
3·I2 + 6(I2 − I1) = (−24)
−6·I1 + 9·I2 = −24

求解

Δ = (10)(9) − (−6)(−6) = 54
I1 = Δ1/Δ = −36/54 = −0.6667 A
I2 = Δ2/Δ = −168/54 = −3.111 A

答案

IR2 = I2 = −3.111 A
VR2 = IR2·R2 = −3.111·3 = −9.333 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 0.7355 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​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR4​6 ΩAR5​12 ΩB+−V2​5 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
8·I1 + 6(I1 − I2) = 12
14·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 6(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 23·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) = (−5)
−12·I2 + 37·I3 = −5

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 8566
I1 = Δ1/Δ = 8124/8566 = 0.9484 A
I2 = Δ2/Δ = 1824/8566 = 0.2129 A
I3 = Δ3/Δ = −566/8566 = −0.06608 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 0.7355 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 17 mA

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

把响应写成各贡献之和

每个贡献与其自身的电源成正比,比例常数只与电阻有关。

I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 6·k₂ = 31.2
6·k₁ + 6·k₂ = 13.2

求常数

Δ = (15)(6) − (6)(6) = 54
k₁ = Δ1/Δ = 108/54 = 2
k₂ = Δ2/Δ = 10.8/54 = 0.2
k₁ = 2 mA/V, k₂ = 0.2

预测新的电流

I = 2·8 + 0.2·5 = 17 mA

答案

I = 17 mA
8.叠加定理

答案: IR3 = 0.9758 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 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 ∥ 36 = 10.59 Ω
VA = 36·10.59/(25+10.59) = 10.71 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10.71·6/36 = 1.785 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (10.71 − 0)/15 = 0.714 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​15 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 = 9.375 Ω,所以左侧路径为 R2+9.375 = 39.38 Ω
Req = R4 ∥ 39.38 = 5.207 Ω
VB = Is·Req = 1.5·5.207 = 7.81 V
VA = VB·9.375/39.38 = 1.86 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1.86 − 0)/15 = 0.124 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​15 ΩA开路B+−V2​10 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 25·15/(25+15) = 9.375 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·39.38/45.38 = 8.678 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8.678·9.375/39.38 = 2.066 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2.066 − 0)/15 = 0.1377 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0.714 + 0.124 + 0.1377 = 0.9758 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: Vth = 19.2 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​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​20 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) = 24·20/(5+20) = 19.2 V
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = −4.824 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​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​2 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 = 15·2/(15+2) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 10 = 11.76 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​2 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) = 1.059 + (−0.5)·1.765 = 0.1765 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0.1765 + (−0.5)·10 = −4.824 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 2.513 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。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 10·4.7/(10 + 4.7) = 3.197 kΩ
vC(∞) = 20·4.7/(10 + 4.7) = 6.395 V

时间常数

τ = Rth·C = 3.197·47 = 150.3 ms

充电曲线

vC(t) = 6.395·(1 − e−75/150.3) = 2.513 V

答案

vC = 2.513 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 5.771 V

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 47 µF = 103.4 ms
vC(t) = 9 + (2 − 9)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(80) = 9 + (−7)·e−80/103.4 = 5.771 V

答案

vC = 5.771 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1258 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

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·50·10·10⁻⁶) = 318.3 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 = 12/100 = 0.12 A
IX = V/XC = 12/318.3 = 0.0377 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) = √(0.12² + 0.0377²) = 0.1258 A

答案

I = 0.1258 A
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 20.1 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/√(0.005·0.22·10⁻⁶) = 30151 rad/s
I = V/R = 2/15 = 0.1333 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 30151·0.005 = 150.8 Ω
VL = I·XL = 0.1333·150.8 = 20.1 V

答案

VL = 20.1 V

这是电源电压的 Q = 10.05 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: Q = 23.55 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(0.85) = 31.79°, tan φ = 0.6197

无功功率

Q = P·tan φ = 38·0.6197 = 23.55 kvar

答案

Q = 23.55 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 12.5 W

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 50 − j15 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 50/100 = 0.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·50) = 12.5 W

答案

Pmax = 12.5 W
17.三相电

答案: IL = 7.579 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 = 7.5/0.92 = 8.152 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8152/(√3·690·0.9) = 7.579 A

答案

IL = 7.579 A
18.三相电

答案: Cph = 1486 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 = 150·tan(acos 0.7) = 150·1.02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 80.38 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·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 26794/(314.2·239.6²) = 1486 µF

答案

Cph = 1486 µF
19.变压器

答案: a = 4

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。

匹配折算负载

a²·2 = 32
a = √(32/2) = √16 = 4

答案

a = 4
20.变压器

答案: Sη,max = 288.7 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

x²·12000 = 4000 → x = √(4000/12000) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·500 = 288.7 kVA

答案

Sη,max = 288.7 kVA
21.运放电路

答案: Vout = 2.75 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 0.5·22/(22 + 22) = 0.25 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0.25·(1 + 47/4.7) = 2.75 V

答案

Vout = 2.75 V
22.运放电路

答案: Vout = −1.489 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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 1 kΩ · 4.7 µF = 4.7 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −1.4/4.7 = −0.2979 V/ms

给定时刻的输出

理想值在 ±Vsat 以内,所以积分器尚未限幅。

Vout = −Vin·t/(RC) = −1.4·5/4.7 = −1.489 V

答案

Vout = −1.489 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 2.474 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 = 20·10/(33 + 10) = 4.651 V
RTH = 33·10/(33 + 10) = 7.674 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (4.651 − 0.7)/(7.674 + 101·0.68) = 51.75 µA

集电极电流

IC = 100·51.75 µA = 5.175 mA
IE = 101·51.75 µA = 5.227 mA

集电极–发射极电压

VCE = 20 − 5.175·2.7 − 5.227·0.68 = 2.474 V

答案

VCE = 2.474 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 19.5 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

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.1333 mA = 19.5 kΩ

答案

RB = 19.5 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 = 207

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

49 = 0011 0001
取反后: 1100 1110
+1 → 1100 1111

按无符号数读取

1100 1111₂ = 256 − 49 = 207

答案

U = 207
26.数制

答案: b = 12 bit

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

2 的幂

211 = 2048 < 4045
212 = 4096 ≥ 4045

答案

b = 12
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 9

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。

ABCD000111100001111010110302141517161120130150141819111010

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。

C′D′
B′C′
A′B
AB′D

最简 SOP 形式

F = C′D′ + B′C′ + A′B + AB′D
L = 9

答案

L = 9

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: fmax = 50 MHz

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。

最坏情况的稳定时间

T = 4·5 ns = 20 ns

最高频率

fmax = 1/20 ns = 50 MHz

答案

fmax = 50 MHz
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.5) = −1.388

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 + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

匹配分子

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (8/6)·6/((s + 2)² + 6²)

逆变换

f(t) = e−2t·(4·cos 6t + 1.333·sin 6t)
f(0.5) = e−2·0.5·(4·cos(6·0.5) + 1.333·sin(6·0.5)) = −1.388

答案

f(0.5) = −1.388
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 2.018

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

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 15)/(s² + 6s + 8)

部分分式

s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 4.5, B = −1.5

冲激响应

g(t) = 4.5·e−2t − 1.5·e−4t
g(0.3) = 2.018

答案

g(0.3) = 2.018
31.方框图

答案: css = 8.864

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) = 39/(s + 1 + 7.8) = 39/(s + 8.8)

结果

css = R·T(0) = 2·39/8.8 = 8.864

答案

css = 8.864
32.方框图

答案: T(0) = 0.6667

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) = 10/(s + 13)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 20/((s + 2)(s + 13) + 4)

直流增益

T(0) = 20/(2·13 + 4) = 20/30 = 0.6667

答案

T(0) = 0.6667
33.阶跃响应

答案: ts = 8 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 = 1 → ζ = 1/(2·3.464) = 0.1443

结果

ζωₙ = 0.5 → ts ≈ 4/0.5 = 8 s

答案

ts = 8 s
34.阶跃响应

答案: ωn = 4.021 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(0.5)/√(π² + ln²(0.5)) = 0.6931/√(9.87 + 0.4805) = 0.2155

固有频率

ωd = π/tp = π/0.8 = 3.927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.927/0.9765 = 4.021 rad/s

答案

ωn = 4.021 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: BW = 31.83 Hz

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/√(0.1·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz

带宽

BW = R/L = 20/0.1 = 200 rad/s = 31.83 Hz

答案

BW = 31.83 Hz
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 8.485 rad/s

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

相位穿越

(ω/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8.485 rad/s

答案

ω180 = 8.485 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 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 + 8s² + 15s + K = 0
s³: 1, 15
s²: 8, K
s¹: (8·15 − K)/8
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 8·15 = 120

倍数

m = 120/24 = 5

答案

m = 5

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:13.98 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 45 °

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 + 4s + 5 = 0 → s = −2 ± j1
s = −3

来自其他极点的角度

∠(−2 + j1 + 3) = atan2(1, 1) = 45°
∠(−2 + j1 − (−2 − j1)) = ∠(j2) = 90°

出射角

θd = 180° − 45° − 90° = 45°

答案

θd = 45°
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 = 2/0.02 = 100

增益

K = 4·Kv = 400

答案

K = 400

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1。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 = 5

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 + 1)。

s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki

目标多项式

s² + 2·1·5s + 5² = s² + 10s + 25

匹配各项系数

5Ki = 25 → Ki = 5

答案

Ki = 5

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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