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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩIR2​AR4​4 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​3 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 30 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​5 VR3​30 ΩAR5​8 ΩBIs​1.5 A−+V2​15 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 5 VIs = 1.5 AV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​5 ΩAR5​8 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 6 VV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 8 Ω
I2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​5 ΩBIs​1.5 A

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
PR2 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 Ω+−VR2​R4​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​15 ΩAIs​6 AB+−V2​18 V

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
VR2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​3 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时电感中储存的能量 W,以 mJ 表示。

Vs = 5 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 V在 t = 0 断开R1​ = 3.3 kΩR2​ = 10 kΩC47 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 150 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 3.3 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 150 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
230 V60 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 100 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
50 V50 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩC = 47 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 50 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 50 V (rms)f = 50 HzR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
15.交流功率和功率因数中等
P = 2 kWQSφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 2 kW,功率因数为 0.7(滞后)。 求线路电流 I。

P = 2 kWpf = 0.7V = 240 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
230 V1000 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

一个 230 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 10 + 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 = 230 V (rms)f = 1000 HzZs = 10 + j15 Ω
Pmax = W
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = 80 Acos φ = 0.8滞后

一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 80 A 的线电流,功率因数为 0.8(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VIL = 80 Acos φ = 0.8
P = kW
18.三相电困难
P = 120 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 120 kW,功率因数为 0.72(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 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 120 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 8 Ω51600 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 5:1 的理想变压器,一次绕组加 600 V 电压。二次绕组两端接一个 8 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 8 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.8250 kVA, η = 96%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 2000 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 96%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0.8η = 96%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 100 kΩVin​ = −0.3 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −0.3 VR1 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1.3 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0.2 VR3​ = 100 kΩR4​ = 22 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 电阻比不匹配。求输出电压 Vout。

V1 = 1.3 VV2 = 0.2 VR1 = 47 kΩR2 = 47 kΩR3 = 100 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.7 kΩβ = 80IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 270 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 12 V 经基极电阻 RB = 270 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 2.7 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 12 VRB = 270 kΩRC = 2.7 kΩβ = 80VBE = 0.7 V
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 220 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = 4.7 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 220 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 = 4.7 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。

VCC = 24 VRC = 220 Ωβ = 50Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 4.7 kΩ
IC = mA
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −85。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −858 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1001 1101 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1001 1101>> 3
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111011111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(2, 4, 7, 12, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011130204051716112113015X14X809011110

对于 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 6, 7, 10, 12, 13) + d(8, 14)(其中 d 表示无关项),求必要质蕴涵项的个数 N。

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 6, 7, 10, 12, 13) + d(8, 14)
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.5f(0.5) = ?

求 F(s) = (2s + 2)/(s² + 8s + 16) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。

F(s) = (2s + 2)/(s² + 8s + 16)t = 0.5 s
f(0.5) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 10(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.3)。

y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.3 s
y(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+30s + 7G(s)C(s)0.1H−

被控对象 G(s) = 30/(s + 7) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.1。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 30/(s + 7)H = 0.1
τ = s
32.方框图困难
R(s)+20s + 2G₁+2s + 1G₂C(s)0.5H₁−1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 20/(s + 2),G₂ = 2/(s + 1),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 = 20/(s + 2)G₂ = 2/(s + 1)H₁ = 0.5H₂ = 1
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 261/(s² + 11s + 87),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 261/(s² + 11s + 87)
tp = s
34.阶跃响应困难
+−12 VR = 71 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 71 Ω,L = 10 mH,C = 2 µF,在 t = 0 时接到 12 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电容电压的百分比超调量 %OS。

R = 71 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 12 V
%OS = %
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 10 nFR = 2.2 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 2.2 kΩ, C = 10 nF。输入为22 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 2.2 kΩC = 10 nFf = 22 kHz
φ = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−100−80−60−40−20020ω (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) = 2/(s(s + 1)(s + 2))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 8(s − 4)(s + 5)C(s)−

对象 G(s) = (s + 8)/((s − 4)(s + 5)) 在 s = 4 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 8)/((s − 4)(s + 5))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.707−1−2−3−4−5−6j1j2

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 = 0.707 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0.707
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+50(s + 4)s(s + 5)C(s)−

斜坡 r(t) = 2t 加到 G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 5))r(t) = 2t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 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) = 4/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 6 rad/s 和 ζ = 0.7。求比例增益 Kp。

G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.7
Kp =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.8491 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 10·9/(10+9) = 4.737 Ω
Req = R1 + 4.737 = 12 + 4.737 = 16.74 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 = 30/16.74 = 1.792 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 = 30 − 1.792·12 = 8.491 V
IR2 = VA/R2 = 8.491/10 = 0.8491 A

答案

IR2 = 0.8491 A
2.串并联电阻

答案: Req = 14.38 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​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​10 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 = 30 + 3 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 7.674 Ω
R3 + 7.674 = 17.67 Ω
R2 ∥ 17.67 = 9.383 Ω
Req = R1 + 9.383 = 5 + 9.383 = 14.38 Ω

答案

Req = 14.38 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = 0.3273 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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 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 = 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/12 = 0
0.2167·VA − 0.08333·VB = 0.3

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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/12 = (−1)
−0.08333·VA + 0.2083·VB = −1

求解

Δ = (0.2167)(0.2083) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.03819
VA = Δ1/Δ = −0.02083/0.03819 = −0.5455 V
VB = Δ2/Δ = −0.1917/0.03819 = −5.018 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − −0.5455)/20 = 0.3273 A
4.节点分析

答案: IR4 = 2.855 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​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​30 ΩAR5​8 ΩBIs​1.5 A−+V2​15 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 5 V, V2 = −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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 5)/25 + (VA − VB)/3 = 0
0.4067·VA − 0.3333·VB = 0.2

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/8 + (VB − VA)/3 + (VB − (−15))/3 = 1.5
−0.3333·VA + 0.7917·VB = −3.5

求解

Δ = (0.4067)(0.7917) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.2108
VA = Δ1/Δ = −1.008/0.2108 = −4.783 V
VB = Δ2/Δ = −1.357/0.2108 = −6.435 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (−6.435 − −15)/3 = 2.855 A
5.网孔分析

答案: I1 = 3 A

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

R1​ = 4 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​12 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 + 12(I1 − I2) = 30
16·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 12(I2 − I1) = (−9)
−12·I1 + 18·I2 = −9

求解

Δ = (16)(18) − (−12)(−12) = 144
I1 = Δ1/Δ = 432/144 = 3 A
I2 = Δ2/Δ = 216/144 = 1.5 A

答案

I1 = 3 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I2 = −0.2531 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​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​5 ΩAR5​8 ΩB+−V2​6 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
25·I1 + 5(I1 − I2) = 6
30·I1 − 5·I2 = 6

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
2·I2 + 5(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 15·I2 − 8·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
6·I3 + 8(I3 − I2) = (−6)
−8·I2 + 14·I3 = −6

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 4030
I1 = Δ1/Δ = 636/4030 = 0.1578 A
I2 = Δ2/Δ = −1020/4030 = −0.2531 A
I3 = Δ3/Δ = −2310/4030 = −0.5732 A

答案

I2 = −0.2531 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR2 = 15.58 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​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​5 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+5 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·7/(8+7) = 3.733 Ω
VA = 15·3.733/(2+3.733) = 9.767 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9.767·5/7 = 6.977 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (9.767 − 0)/8 = 1.221 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​1.5 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 = 2·8/(2+8) = 1.6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 3.6 = 2.093 Ω
VB = Is·Req = 1.5·2.093 = 3.14 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3.14·1.6/3.6 = 1.395 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1.395 − 0)/8 = 0.1744 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ = 1.221 + 0.1744 = 1.395 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 = 1.395²·8 = 15.58 W

答案

PR2 = 15.58 W

把各单独情况下的功率相加会得到 12.17 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: VR2 = −38.42 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​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 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 ∥ 28 = 9.767 Ω
VA = 10·9.767/(2+9.767) = 8.3 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8.3·8/28 = 2.372 V
VR2′ = VA − VB = 8.3 − 2.372 = 5.929 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​15 ΩAIs​6 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 = 1.765 Ω,所以左侧路径为 R2+1.765 = 21.76 Ω
Req = R4 ∥ 21.76 = 5.85 Ω
VB = Is·Req = 6·5.85 = 35.1 V
VA = VB·1.765/21.76 = 2.846 V
VR2″ = VA − VB = 2.846 − 35.1 = −32.25 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​15 ΩA开路B+−V2​18 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 = 2·15/(2+15) = 1.765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·21.76/29.76 = 13.16 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13.16·1.765/21.76 = 1.067 V
VR2‴ = VA − VB = 1.067 − 13.16 = −12.09 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 5.929 + (−32.25) + (−12.09) = −38.42 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IN = 0.6667 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​ = 8 ΩR3​ = 20 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 = 8·20/(8+20) = 5.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.714 + 20 = 25.71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 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/(8+20) = 17.14 V
IN​0.6667 ARth​25.71 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 = 17.14/25.71 = 0.6667 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = −28 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​ = 20 ΩR3​ = 4 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 = 20·10/(20+10) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 4 = 10.67 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 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) = 4 + (−3)·6.667 = −16 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −16 + (−3)·4 = −28 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: W = 1.149 mJ

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

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 100 mH / 22 Ω = 4.545 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0.2273 A

给定时刻的电流

i(t) = 0.2273·(1 − e−5/4.545) = 0.1516 A

储存的能量

W = ½·L·i² = ½·100·0.1516² = 1.149 mJ

答案

W = 1.149 mJ
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 10.93 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。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 20·10/(3.3 + 10) = 15.04 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 10·47 = 470 ms

放电

vC(t) = 15.04·e−150/470 = 10.93 V

答案

vC = 10.93 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 2.293 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.05 = 18.85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26.53 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−7.676)²) = 100.3 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/100.3 = 2.293 A

答案

I = 2.293 A
14.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 46.43 Ω

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/(2π·50·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 25.08 − j11.11 Ω

总阻抗

Z = 20 + 25.08 − j11.11 = 45.08 − j11.11 Ω
|Z| = √(45.08² + 11.11²) = 46.43 Ω

答案

|Z| = 46.43 Ω
15.交流功率和功率因数

答案: I = 11.9 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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 2000/(240·0.7) = 11.9 A

答案

I = 11.9 A
16.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 1323 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* = 10 − j15 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 230/20 = 11.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·10) = 1323 W

答案

Pmax = 1323 W
17.三相电

答案: P = 53.21 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·480·80 = 66.51 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 66.51·0.8 = 53.21 kW

答案

P = 53.21 kW
18.三相电

答案: Cph = 359.6 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 = 120·tan(acos 0.72) = 120·0.9639 = 115.7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 64.54 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21514/(377·398.4²) = 359.6 µF

答案

Cph = 359.6 µF
19.变压器

答案: I1 = 3 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 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/8 = 15 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/5 = 3 A

答案

I1 = 3 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 200 Ω,600/200 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Pcu,fl = 6333 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 = 250·0.8 = 200 kW
Pin = 200000/0.96 = 208333 W

总损耗和铜损

Ploss = 208333 − 200000 = 8333 W
Pcu,fl = 8333 − 2000 = 6333 W

答案

Pcu,fl = 6333 W
21.运放电路

答案: Vout = −0.6 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₊ = −0.3 V
I = V₋/R1 = −0.3/100 = −0.003 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −0.3 + (−0.003)·100 = −0.6 V

答案

Vout = −0.6 V
22.运放电路

答案: Vout = −1.228 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

+ 输入端的电压

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.2·22/(100 + 22) = 0.03607 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时,V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时,V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

Vout = −(47/47)·1.3 + (1 + 47/47)·0.03607 = −1.3 + 0.07213 = −1.228 V

答案

Vout = −1.228 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 3.348 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。

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0.7)/270 kΩ = 41.85 µA

集电极电流

IC = β·IB = 80·41.85 µA = 3.348 mA

答案

IC = 3.348 mA

验算:VCE = 2.96 V 远高于 0.2 V,所以晶体管确实工作在放大区。

24.二极管与晶体管

答案: IC = 27.66 mA

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。

基极电流

IB = (3.3 − 0.7)/4.7 kΩ = 553.2 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 27.66 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/220 = 108.2 mA

集电极电流

IC = β·IB = 27.66 mA

答案

IC = 27.66 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

25.数制

答案: U = 171

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

取反加一

85 = 0101 0101
取反后: 1010 1010
+1 → 1010 1011

按无符号数读取

1010 1011₂ = 256 − 85 = 171

答案

U = 171
26.数制

答案: R = 19

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 3 位,把每一位向右移动 3 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

1001 1101 >> 3
= 0001 0011

结果的值

0001 0011₂ = 19

答案

R = 19
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 00, CD = 10

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。

每个 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m2: m3, m0, m6, m10 → 0
ABCD000111100001111011111

孤立的 1

m2 = A′B′CD′ → AB = 00, CD = 10

答案

AB = 00, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

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

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′C′D′, BCD′, AD′, A′CD, A′B′D, A′B′C′, A′BC, ABC′
ABCD00011110000111101011130204051716112113015X14X809011110

必要质蕴涵项

AD′, ABC′
N = 2

答案

N = 2
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.5) = −0.1353

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)。

分解分母

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

部分分式

2s + 2 = 2(s + 4) + −6
F(s) = 2/(s + 4) − 6/(s + 4)²

逆变换

f(t) = 2·e−4t − 6·t·e−4t
f(0.5) = (2 − 6·0.5)·e−4·0.5 = −0.1353

答案

f(0.5) = −0.1353
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 5.19

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

Y(s) = 200/(s(s + 1)(s + 5))

部分分式

A = 200/(1·5) = 40
B = 200/((−1)·4) = −50
C = 200/((−5)·(−4)) = 10

出量

y(t) = 40 − 50·e−t + 10·e−5t
y(0.3) = 5.19

答案

y(0.3) = 5.19
31.方框图

答案: τ = 0.1 s

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 30/(s + 7 + 3) = 30/(s + 10)

结果

τ = 1/10 = 0.1 s

答案

τ = 0.1 s
32.方框图

答案: T(0) = 0.9091

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 + 2)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 40/((s + 2)(s + 2) + 40)

直流增益

T(0) = 40/(2·2 + 40) = 40/44 = 0.9091

答案

T(0) = 0.9091
33.阶跃响应

答案: tp = 0.417 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 = 87 → ωₙ = 9.327 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9.327) = 0.5897

结果

ωd = 9.327·√(1 − 0.5897²) = 7.533 rad/s → tp = π/ωd = 0.417 s

答案

tp = 0.417 s
34.阶跃响应

答案: %OS = 16.14 %

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/√(0.01·2 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (71/2)·√(2 × 10⁻⁶/0.01) = 0.502

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16.14 %

答案

%OS = 16.14 %
35.伯德图与裕度

答案: φ = 18.2 °

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/(2200·1 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 22000/7234 = 3.041

相位

φ = 90° − atan(3.041) = 18.2°

答案

φ = 18.2°
36.伯德图与裕度

答案: GM = 9.542 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/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1.414 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

增益裕度

GM = 20·log₁₀(6/2) = 9.542 dB

答案

GM = 9.542 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 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。

特征多项式

(s − 4)(s + 5) + K(s + 8) = s² + (1 + K)s + (8K − 20)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

1 + K > 0 → K > −1
8K − 20 > 0 → K > 2.5
Kmin = 2.5

答案

Kmin = 2.5
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 12.5

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
2·0.707·ωₙ = 5 → ωₙ = 3.536 rad/s

增益

K = ωₙ² = 3.536² = 12.5

答案

K = 12.5

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 = 0.05

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) = 40

斜坡误差

ess = 2/40 = 0.05

答案

ess = 0.05
40.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 1.85

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 + 4Kp)s + 4Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·6s + 6² = s² + 8.4s + 36

匹配各项系数

1 + 4Kp = 8.4 → Kp = 1.85

答案

Kp = 1.85

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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