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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​4 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​3 ΩBR6​3 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 5 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​5 Ω+−V1​12 VR2​6 Ω+−V2​6 VR3​2 ΩI3​A

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 3 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I3。

V1 = 12 VR1 = 5 ΩV2 = 6 VR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
I3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​2 ΩIR4​B0.4·VA​

菱形符号是一个电压控制电流源,它向上注入节点 B 的电流为 0.4·VA(单位 A,VA 单位为 V)。用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 Ωg = 0.4 A/V
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​10 VR3​3 Ω+−VR3​A+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
VR3 = V
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 8 Ω+−VR2​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR4​6 ΩAR5​5 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 Ω
VR2 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩIR2​AR4​6 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
PR2 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​5 VR3​12 ΩAIs​3 AB+−V2​6 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 5 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAIs​1.5 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 4.7 kΩR2​ = 10 kΩC22 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。 求开关闭合后电路的时间常数 τ。

Vs = 15 VR1 = 4.7 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µF
τ = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 4.7 kΩC?+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 9 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 6.75 V 时它必须触发,恰好在开始后 1000 ms。 已知 R = 4.7 kΩ,求所需的电容 C。

Vs = 9 VVth = 6.75 VT = 1000 msR = 4.7 kΩ
C = µF
13.交流阻抗和相量中等
12 V200 HzR = 50 ΩL = 150 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。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 150 mH
I = A
14.交流阻抗和相量困难
100 V500 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 22 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 22 µF
f0 = Hz
15.交流功率和功率因数中等
P = 10 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 10 kWpf = 0.9V = 400 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求新的线路电流 Inew。

P = 35 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 93%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 110 kW。此负载下其效率为 93%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 110 kWη = 93%cos φ = 0.82VL = 415 V
IL = A
18.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 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 0.92(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 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 40 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 2400 V 电压。二次绕组两端接一个 40 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.9100 kVA, η = 97.5%

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 300 W。 在额定负载、功率因数为 0.9(滞后)时,其效率为 97.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 100 kVAPcore = 300 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 0.1 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.1 VR1 = 4.7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 1.2 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1 VR2​ = 100 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 = 1.2 VV2 = −1 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 3.3 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 2.2 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 100 kΩR2​ = 15 kΩ

一只 β = 120 的 NPN 晶体管由 VCC = 18 V 分压偏置:R₁ = 100 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 15 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 3.3 kΩ,发射极电阻为 RE = 2.2 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)。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 18 VR1 = 100 kΩR2 = 15 kΩRC = 3.3 kΩRE = 2.2 kΩβ = 120
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 680 Ωβ = 100VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 680 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 10 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 680 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 10
RB = kΩ
25.数制中等
补码中的位权1−12816413211608040201

8 位模式 1111 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?

1111 00008 bit
N =
26.数制困难
8 bit1 px800 px600 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 800 × 600 像素,每像素 8 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

800 × 600 px8 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000011312141507160120130151140809011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 5, 6, 10, 14) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 5, 6, 10, 14)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKT12345678

一个上升沿触发的 T 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0T
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
  7. 7时钟边沿 7
  8. 8时钟边沿 8
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−812

用配方法求 F(s) = (3s + 22)/(s² + 6s + 13) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = (3s + 22)/(s² + 6s + 13)t = 0.25 s
f(0.25) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−5−10−15−20

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 13y = u′ + 20u 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 = 0.6 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.6)。

y″ + 6y′ + 13y = u′ + 20ut = 0.6 s
g(0.6) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 5)(s + 10)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 5)(s + 10)) 放在单位负反馈回路中。求使闭环处于临界阻尼(两个相等的实极点)的增益 K。

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+15s + 4G₁+6s + 7G₂C(s)0.5H₁−1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 15/(s + 4),G₂ = 6/(s + 7),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 15/(s + 4)G₂ = 6/(s + 7)H₁ = 0.5H₂ = 1
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 54/(s² + 2s + 18),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 54/(s² + 2s + 18)
σ =
34.阶跃响应困难
+−10 VR = 89 ΩL = 50 mHC = 1 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 89 Ω,L = 50 mH,C = 1 µF,在 t = 0 时接到 10 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求无阻尼固有频率 ωn,单位 rad/s。

R = 89 ΩL = 50 mHC = 1 µFV = 10 V
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 4.7 nFR = 3.3 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 3.3 kΩ, C = 4.7 nF。输入为2.1 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 3.3 kΩC = 4.7 nFf = 2.1 kHz
φ = °
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) = 100/(s(s + 4)(s + 10))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 100/(s(s + 4)(s + 10))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 721s(s + 4)(s + 5)C(s)−

图中的回路在 K = 72 下运行,L(s) = K/(s(s + 4)(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 + 4)(s + 5))K = 72
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.5−2−4−6j2j4

已给出 L(s) = K/(s(s + 5)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.5 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0.5
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10·t²/2+2(s + 5)s²(s + 2)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 10·t²/2 加到 G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 2)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 2))r(t) = 10·t²/2
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 164s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 2))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 4/(s(s + 2))K = 16
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.5128 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​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​4 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 12·24/(12+24) = 8 Ω
Req = R1 + 8 = 5 + 8 = 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 = 10/13 = 0.7692 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 = 10 − 0.7692·5 = 6.154 V
IR2 = VA/R2 = 6.154/12 = 0.5128 A

答案

IR2 = 0.5128 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 1.709 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​3 ΩBR6​3 Ω

从远端开始合并电阻

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

R5 + R6 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 2.182 Ω
R3 + 2.182 = 5.182 Ω
R2 ∥ 5.182 = 3.851 Ω
Req = R1 + 3.851 = 2 + 3.851 = 5.851 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 = 10/5.851 = 1.709 A

答案

IR1 = 1.709 A
3.节点分析

答案: I3 = −1.962 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 − 12)/5 + (VA − 6)/6 + VA/2 = 0

求 VA

VA = (12/5 + 6/6 + 0/2) / (1/5 + 1/6 + 1/2) = 3.4/0.8667 = 3.923 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 3.923)/2 = −1.962 A

答案

I3 = −1.962 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: IR4 = 0.6793 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

经电阻从 A 流出的电流等于电源注入 A 的电流。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.85·VA − 0.1·VB = 1.25

节点 B 的 KCL

受控源向节点 B 注入 g·VA。把它当作独立源处理,然后把含 VA 的项移到左边。

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.4·VA
−0.5·VA + 0.6·VB = 0

求解

Δ = (0.85)(0.6) − (−0.1)(−0.5) = 0.46
VA = Δ1/Δ = 0.75/0.46 = 1.63 V
VB = Δ2/Δ = 0.625/0.46 = 1.359 V

流过 R₄ 的电流

IR4 = VB/R4 = 1.359/2 = 0.6793 A

答案

IR4 = 0.6793 A
5.网孔分析

答案: VR3 = 5.333 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​ = 6 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩA+−V2​9 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 + 3(I1 − I2) = 10
7·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
6·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 9·I2 = −9

求解

Δ = (7)(9) − (−3)(−3) = 54
I1 = Δ1/Δ = 63/54 = 1.167 A
I2 = Δ2/Δ = −33/54 = −0.6111 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 1.778 A
VR3 = IR3·R3 = 1.778·3 = 5.333 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR2 = 11 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​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR4​6 ΩAR5​5 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 30
8·I1 − 6·I2 = 30

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
8·I2 + 6(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 19·I2 − 5·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 + 5(I3 − I2) = (−12)
−5·I2 + 10·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 960
I1 = Δ1/Δ = 4590/960 = 4.781 A
I2 = Δ2/Δ = 1320/960 = 1.375 A
I3 = Δ3/Δ = −492/960 = −0.5125 A

答案

IR2 = I2 = 1.375 A
VR2 = IR2·R2 = 1.375·8 = 11 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR2 = 8.816 W

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

R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​6 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 = 12+6 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·18/(12+18) = 7.2 Ω
VA = 12·7.2/(4+7.2) = 7.714 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7.714·6/18 = 2.571 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (7.714 − 0)/12 = 0.6429 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​12 ΩAR4​6 ΩBIs​3 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 15 = 4.286 Ω
VB = Is·Req = 3·4.286 = 12.86 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12.86·3/15 = 2.571 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (2.571 − 0)/12 = 0.2143 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0.6429 + 0.2143 = 0.8571 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR2 = IR2²·R2 = 0.8571²·12 = 8.816 W

答案

PR2 = 8.816 W

把各单独情况下的功率相加会得到 5.51 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: IR4 = −2.5 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​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​12 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) = 12 ∥ 6 = 4 Ω
VA = 5·4/(10+4) = 1.429 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.429·3/6 = 0.7143 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0.7143 − 0)/3 = 0.2381 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω短路R3​12 ΩAIs​3 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 = 5.455 Ω,所以左侧路径为 R2+5.455 = 8.455 Ω
Req = R4 ∥ 8.455 = 2.214 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2.214 = −6.643 V
VA = VB·5.455/8.455 = −4.286 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−6.643 − 0)/3 = −2.214 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω短路R3​12 ΩA开路B+−V2​6 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 = 10·12/(10+12) = 5.455 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·8.455/11.45 = 4.429 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4.429·5.455/8.455 = 2.857 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (4.429 − 6)/3 = −0.5238 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.2381 + (−2.214) + (−0.5238) = −2.5 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: Rth = 22.73 Ω

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​ = 20 Ω短路R2​5 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 20 = 22.73 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = 26.75 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​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​5 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 = 25·5/(25+5) = 4.167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.167 + 12 = 16.17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​5 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) = 2.5 + 1.5·4.167 = 8.75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8.75 + 1.5·12 = 26.75 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: τ = 70.34 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。

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 = 4.7·10/(4.7 + 10) = 3.197 kΩ
vC(∞) = 15·10/(4.7 + 10) = 10.2 V

时间常数

τ = Rth·C = 3.197·22 = 70.34 ms

答案

τ = 70.34 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: C = 153.5 µF

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

所需的时间常数

6.75 = 9·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(9/(9 − 6.75))
τ = 1000/1.386 = 721.3 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 721.3/4.7 = 153.5 µF

答案

C = 153.5 µF
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.2483 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

XL = ωL = 2π·200·0.15 = 188.5 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 = 12/50 = 0.24 A
IX = V/XL = 12/188.5 = 0.06366 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) = √(0.24² + 0.06366²) = 0.2483 A

答案

I = 0.2483 A
14.交流阻抗和相量

答案: f0 = 75.87 Hz

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

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.2·22·10⁻⁶)) = 75.87 Hz

答案

f0 = 75.87 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 4.843 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(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

无功功率

Q = P·tan φ = 10·0.4843 = 4.843 kvar

答案

Q = 4.843 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 158.5 A

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(45.57°) = 35.71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23.07°) = 14.91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20.8 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(240·0.92) = 158.5 A

答案

Inew = 158.5 A
17.三相电

答案: IL = 200.7 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 = 110/0.93 = 118.3 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 118280/(√3·415·0.82) = 200.7 A

答案

IL = 200.7 A
18.三相电

答案: Cph = 629.9 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 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 136.8 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 = 480 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 45592/(314.2·480²) = 629.9 µF

答案

Cph = 629.9 µF
19.变压器

答案: I1 = 0.6 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。

二次电压和电流

V2 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/40 = 6 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 0.6 A

答案

I1 = 0.6 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 4000 Ω,2400/4000 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Pcu,fl = 2008 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 = 100·0.9 = 90 kW
Pin = 90000/0.975 = 92308 W

总损耗和铜损

Ploss = 92308 − 90000 = 2308 W
Pcu,fl = 2308 − 300 = 2008 W

答案

Pcu,fl = 2008 W
21.运放电路

答案: Vout = 0.5681 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 0.1 V
I = V₋/R1 = 0.1/4.7 = 0.02128 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.1 + 0.02128·22 = 0.5681 V

答案

Vout = 0.5681 V
22.运放电路

答案: If = 0.59 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 = 1.2/2 = 0.6 mA
I2 = V2/R2 = −1/100 = −0.01 mA
If = I1 + I2 = 0.59 mA

答案

If = 0.59 mA
23.二极管与晶体管

答案: IC = 0.7081 mA

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 = 18·15/(100 + 15) = 2.348 V
RTH = 100·15/(100 + 15) = 13.04 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.348 − 0.7)/(13.04 + 121·2.2) = 5.901 µA

集电极电流

IC = 120·5.901 µA = 0.7081 mA
IE = 121·5.901 µA = 0.714 mA

答案

IC = 0.7081 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 1.229 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) = (24 − 0.2)/680 = 35 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 35/100 = 350 µA

设计基极电流

IB = 10·350 µA = 3500 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/3.5 mA = 1.229 kΩ

答案

RB = 1.229 kΩ
25.数制

答案: N = −16

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 + 64 + 32 + 16 = −16

答案

N = −16
26.数制

答案: M = 468.8 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

800·600·8 = 3840000 bit = 480000 B

换算为 KiB

480000/1024 = 468.75 KiB

答案

M = 468.75 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。

ABCD000111100001111000011312141507160120130151140809011110

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。

(B + C)
(B′ + C′ + D′)
(A′ + D′)
(A′ + C)

最简 POS 形式

F = (B + C)(B′ + C′ + D′)(A′ + D′)(A′ + C)
N = 4

答案

N = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 5

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 Q

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。

1: T = 0 → Q = 0
2: T = 0 → Q = 0
3: T = 1 → Q = 1
4: T = 0 → Q = 1
5: T = 1 → Q = 0
6: T = 1 → Q = 1
7: T = 0 → Q = 1
8: T = 1 → Q = 0

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 5

答案

时钟边沿 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 2.716

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) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (13/2)·2/((s + 3)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−3t·(3·cos 2t + 6.5·sin 2t)
f(0.25) = e−3·0.25·(3·cos(2·0.25) + 6.5·sin(2·0.25)) = 2.716

答案

f(0.25) = 2.716
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.6) = 1.369

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) = (s + 20)/(s² + 6s + 13)

部分分式

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 2²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (17/2)·2/((s + 3)² + 2²)

冲激响应

g(t) = e−3t·(cos 2t + 8.5·sin 2t)
g(0.6) = 1.369

答案

g(0.6) = 1.369
31.方框图

答案: K = 6.25

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

1 + K/((s + 5)(s + 10)) = 0 → s² + 15s + 50 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

15² = 4(50 + K) → K = 225/4 − 50 = 6.25

答案

K = 6.25
此时两个闭环极点都在 s = −7.5。
32.方框图

答案: T(0) = 0.6923

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) = 6/(s + 10)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 90/((s + 4)(s + 10) + 90)

直流增益

T(0) = 90/(4·10 + 90) = 90/130 = 0.6923

答案

T(0) = 0.6923
33.阶跃响应

答案: σ = −1

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 = 18 → ωₙ = 4.243 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4.243) = 0.2357

结果

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

答案

σ = −1
34.阶跃响应

答案: ωn = 4472 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (89/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.05) = 0.199

结果

ωₙ = 4472 rad/s

答案

ωn = 4472 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: φ = 78.43 °

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

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·4.7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 2100/10261 = 0.2046

相位

φ = 90° − atan(0.2046) = 78.43°

答案

φ = 78.43°
36.伯德图与裕度

答案: GM = 14.96 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。

相位穿越

(ω/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6.325 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

增益裕度

GM = 20·log₁₀(560/100) = 14.96 dB

答案

GM = 14.96 dB
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 + 9s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 9, K
s¹: (9·20 − K)/9
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 9·20 = 180

倍数

m = 180/72 = 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: K = 25

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。

与标准形式比较

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

增益

K = ωₙ² = 5² = 25

答案

K = 25

闭环极点位于 ζ 线与 s = −2.5 处垂直分支的交点。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 2

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。

加速度误差常数

Ka = 2·5/2 = 5

抛物线误差

ess = 10/5 = 2

答案

ess = 2
40.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.3958 s

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 + 2) + 16·4 = s² + 2s + 64

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √64 = 8 rad/s
ζ = 2/(2·8) = 0.125

峰值时间

ωd = 8·√(1 − 0.125²) = 7.937 rad/s
tp = π/7.937 = 0.3958 s

答案

tp = 0.3958 s

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