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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 ΩR5 = 2 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​2.5 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VIs = 2.5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​18 VR3​4 ΩAR5​10 ΩBIs​4 A+−V2​9 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩIR2​+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩIR2​R3​ = 8 Ω+−V1​5 VR4​3 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 5 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 Ω+−VR2​R4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩAIs​6 AB−+V2​36 V

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 12 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
VR2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩARL​2 ΩIL​B

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 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAIs​1 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 ΩL33 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 80%?求 t。

Vs = 5 VR = 10 ΩL = 33 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 Vt = 0R = 6.8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 3 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 13.5 V?求 t。

Vs = 24 VR = 6.8 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
50 V100 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
10 V50 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 26 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 26 kW,功率因数为 0.75(滞后)。 求线路电流 I。

P = 26 kWpf = 0.75V = 230 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、60 Hz 电源吸取 5 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求所需电容 C。

P = 5 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VZ = 16 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 16 + j12 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VZ = 16 + j12 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 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 60 kW,功率因数为 0.8(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 = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 5 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 4800 V 电压。二次绕组两端接一个 5 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 5 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.95100 kVA, 25% 负载

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 400 W,额定负载下铜损为 600 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 100 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 600 Wx = 0.25pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±13 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 = 4.7 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0.3 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1.9 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 = −0.3 VV2 = 1.9 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 47 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.2 kΩβ = 80VCC​ = 15 VRB​ = 390 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 15 V 经基极电阻 RB = 390 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1.2 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–发射极电压 VCE。

VCC = 15 VRB = 390 kΩRC = 1.2 kΩβ = 80VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 100IC​ = ?VCC​ = 5 V3.3 VRB​ = 10 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 5 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 = 10 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 = 5 VRC = 330 Ωβ = 100Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 10 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 −56。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −568 bit
U =
26.数制困难
2612 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 2612 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?

2612
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011001130204150706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 3, 5) 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) = Σm(0, 3, 5)
L =
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​CLKSHIFT

一个 4 位移位寄存器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 中存有 0010。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀,Q₀ 丢失),串行输入进入 Q₃。串行输入在 6 个边沿处为 1, 1, 0, 1, 1, 0。给出最终状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00101, 1, 0, 1, 1, 0
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

用配方法求 F(s) = (5s + 39)/(s² + 4s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (5s + 39)/(s² + 4s + 5)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 2。用拉普拉斯变换求 y(0.6)。

y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.6 s
y(0.6) =
31.方框图中等
R(s)+11(s + 7)(s + 6)(s + 9)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 11(s + 7)/((s + 6)(s + 9))。在参考输入处施加大小为 1 的阶跃。求稳态误差 ess。

G(s) = 11(s + 7)/((s + 6)(s + 9))R = 1
ess =
32.方框图困难
R(s)+74s(s + 12)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 74/(s(s + 12)) 放在传感器增益为 H = 1 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的虚部 ωd(取正值),单位 rad/s。

G(s) = 74/(s(s + 12))H = 1
ωd = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1?

某系统的传递函数为 G(s) = 89/(s² + 3s + 89),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 89/(s² + 3s + 89)
%OS = %
34.阶跃响应困难
k = 500 N/mc = 80 N·s/mm = 20 kgF = 5 Nx(t)

质量 m = 20 kg 的物体挂在弹簧 k = 500 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 80 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 = 5 N。 求最大位移 xmax,单位 mm。

m = 20 kgk = 500 N/mc = 80 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 10 mHC = 1 µFR = 10 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 10 Ω 两端,其中 L = 10 mH,C = 1 µF。 求 −3 dB 带宽 BW,单位为 Hz。

R = 10 ΩL = 10 mHC = 1 µF
BW = Hz
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) = 28/(s(s + 2))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 28/(s(s + 2))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 1921s(s + 6)(s + 10)C(s)−

图中的回路在 K = 192 下运行,L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))。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 + 6)(s + 10))K = 192
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

L(s) = K(s + 7)/(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 + 7)/(s(s + 5))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2·t²/2+4(s + 3)s²(s + 2)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 2·t²/2 加到 G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 2)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 2))r(t) = 2·t²/2
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 84s(s + 8)C(s)−

比例控制器 K = 8 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 8))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 4/(s(s + 8))K = 8
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 3.214 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 5·10/(5+10) = 3.333 Ω
Req = R1 + 3.333 = 6 + 3.333 = 9.333 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 = 30/9.333 = 3.214 A

答案

IR1 = 3.214 A
2.串并联电阻

答案: Req = 15.86 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​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​8 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 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 5.455 Ω
R3 + 5.455 = 11.45 Ω
R2 ∥ 11.45 = 5.86 Ω
Req = R1 + 5.86 = 10 + 5.86 = 15.86 Ω

答案

Req = 15.86 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = 1.3 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​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​2.5 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 10 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/15 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0.2917·VA − 0.125·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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/8 = (−2.5)
−0.125·VA + 0.1917·VB = −2.5

求解

Δ = (0.2917)(0.1917) − (−0.125)(−0.125) = 0.04028
VA = Δ1/Δ = −0.1208/0.04028 = −3 V
VB = Δ2/Δ = −0.6042/0.04028 = −15 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − −3)/10 = 1.3 A
4.节点分析

答案: VB = −6.548 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​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​18 VR3​4 ΩAR5​10 ΩBIs​4 A+−V2​9 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 18 V, V2 = 9 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 − 18)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0.8·VA − 0.5·VB = 0.9

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/10 + (VB − VA)/2 + (VB − 9)/10 = (−4)
−0.5·VA + 0.7·VB = −3.1

求解

Δ = (0.8)(0.7) − (−0.5)(−0.5) = 0.31
VA = Δ1/Δ = −0.92/0.31 = −2.968 V
VB = Δ2/Δ = −2.03/0.31 = −6.548 V

答案

VB = −6.548 V
5.网孔分析

答案: IR2 = 0.6667 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​ = 6 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​6 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
6·I1 + 12(I1 − I2) = 15
18·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−6)
−12·I1 + 14·I2 = −6

求解

Δ = (18)(14) − (−12)(−12) = 108
I1 = Δ1/Δ = 138/108 = 1.278 A
I2 = Δ2/Δ = 72/108 = 0.6667 A

答案

IR2 = I2 = 0.6667 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR2 = −0.5191 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​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR4​3 ΩAR5​25 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
6·I1 + 3(I1 − I2) = 5
9·I1 − 3·I2 = 5

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
15·I2 + 3(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 43·I2 − 25·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
8·I3 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 33·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 6849
I1 = Δ1/Δ = 2620/6849 = 0.3825 A
I2 = Δ2/Δ = −3555/6849 = −0.5191 A
I3 = Δ3/Δ = −6429/6849 = −0.9387 A

答案

IR2 = I2 = −0.5191 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = −1.81 A

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​12 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 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·17/(6+17) = 4.435 Ω
VA = 30·4.435/(12+4.435) = 8.095 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8.095·12/17 = 5.714 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (8.095 − 5.714)/5 = 0.4762 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​4 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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 9 = 5.143 Ω
VB = Is·Req = 4·5.143 = 20.57 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 20.57·4/9 = 9.143 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (9.143 − 20.57)/5 = −2.286 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.4762 + (−2.286) = −1.81 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

8.叠加定理

答案: VR2 = −11.94 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​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​2 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) = 2 ∥ 20 = 1.818 Ω
VA = 12·1.818/(8+1.818) = 2.222 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.222·15/20 = 1.667 V
VR2′ = VA − VB = 2.222 − 1.667 = 0.5556 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​2 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 = 1.6 Ω,所以左侧路径为 R2+1.6 = 6.6 Ω
Req = R4 ∥ 6.6 = 4.583 Ω
VB = Is·Req = 6·4.583 = 27.5 V
VA = VB·1.6/6.6 = 6.667 V
VR2″ = VA − VB = 6.667 − 27.5 = −20.83 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​2 ΩA开路B−+V2​36 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 = 8·2/(8+2) = 1.6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·6.6/21.6 = −11 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −11·1.6/6.6 = −2.667 V
VR2‴ = VA − VB = −2.667 − −11 = 8.333 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0.5556 + (−20.83) + 8.333 = −11.94 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: IL = 0.2727 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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​12 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) = 6·12/(12+12) = 3 V
Rth​ = 9 Ω+−Vth​3 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) = 3/(9 + 2) = 0.2727 A
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 1.059 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​ = 30 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 30 = 34 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAIs​1 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 + 1·4 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 1·30 = 36 V
IN​1.059 ARth​34 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 = 36/34 = 1.059 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 5.311 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 = 33 mH / 10 Ω = 3.3 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0.5 A

求解时间

0.8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.8)
t = −3.3·ln(0.2) = 5.311 ms

答案

t = 5.311 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 1037 ms

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

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 24 + (3 − 24)·e−t/τ

求解时间

13.5 = 24 + (−21)·e−t/τ → e−t/τ = (13.5 − 24)/(3 − 24) = 0.5
t = τ·ln((3 − 24)/(13.5 − 24)) = 1496·ln(2) = 1037 ms

答案

t = 1037 ms
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.5659 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.25 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (84.74)²) = 88.35 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/88.35 = 0.5659 A

答案

I = 0.5659 A
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 11.72 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。

电抗

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.15 = 47.12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·10·10⁻⁶) = 318.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−271.2)²) = 271.6 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 10/271.6 = 0.03682 A

电容电压

VC = I·XC = 0.03682·318.3 = 11.72 V

答案

VC = 11.72 V
15.交流功率和功率因数

答案: I = 150.7 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) = 26000/(230·0.75) = 150.7 A

答案

I = 150.7 A
16.交流功率和功率因数

答案: C = 114.3 µF

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 = 5·tan(41.41°) = 4.41 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23.07°) = 2.13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2.28 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 2280/(2π·60·230²) = 114.3 µF

答案

C = 114.3 µF
17.三相电

答案: P = 5.192 kW

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

相电压

Vph = VL = 208 V

相电流

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 208/20 = 10.4 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 = 3·10.4²·16 = 5.192 kW

答案

P = 5.192 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 268.6 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 = 60·tan(acos 0.8) = 60·0.75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 19.44 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 6480/(314.2·277.1²) = 268.6 µF

答案

Cph = 268.6 µF
19.变压器

答案: I1 = 2.4 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 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/5 = 48 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 2.4 A

答案

I1 = 2.4 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 2000 Ω,4800/2000 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 437.5 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.0625·600 = 37.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 400 + 37.5 = 437.5 W

答案

Ploss = 437.5 W

此负载下的效率为 η = 98.19%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 1.182 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 + 47/4.7 = 11

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/11 = 1.182 V

答案

Vin,max = 1.182 V
22.运放电路

答案: If = −0.131 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 = −0.3/2 = −0.15 mA
I2 = V2/R2 = 1.9/100 = 0.019 mA
If = I1 + I2 = −0.131 mA

答案

If = −0.131 mA
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 11.48 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。

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0.7)/390 kΩ = 36.67 µA

集电极电流

IC = β·IB = 80·36.67 µA = 2.933 mA

集电极–发射极电压

VCE = 15 − 2.933 mA·1.2 kΩ = 11.48 V

答案

VCE = 11.48 V
24.二极管与晶体管

答案: IC = 14.55 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)/10 kΩ = 260 µA

饱和还是放大?

β·IB 大于 IC(sat),所以晶体管饱和。

β·IB = 26 mA
IC(sat) = (5 − 0.2)/330 = 14.55 mA

集电极电流

IC = IC(sat) = 14.55 mA

答案

IC = 14.55 mA

晶体管处于饱和状态。

25.数制

答案: U = 200

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

56 = 0011 1000
取反后: 1100 0111
+1 → 1100 1000

按无符号数读取

1100 1000₂ = 256 − 56 = 200

答案

U = 200
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 < 2612
212 = 4096 ≥ 2612

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。

ABC00011110011001130204150706

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。

A′B′C′
A′BC
AB′C

最简 SOP 形式

F = A′B′C′ + A′BC + AB′C
L = 9

答案

L = 9
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 6

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

0010 → 1001 → 1100 → 0110 → 1011 → 1101 → 0110

十进制值

0110₂ = 6

答案

Q = 6
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 6.444

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 + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

匹配分子

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (29/1)·1/((s + 2)² + 1²)

逆变换

f(t) = e−2t·(5·cos 1t + 29·sin 1t)
f(0.1) = e−2·0.1·(5·cos(1·0.1) + 29·sin(1·0.1)) = 6.444

答案

f(0.1) = 6.444
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 5.442

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

对方程做变换

(s² + 6s + 8)·Y(s) = 3s + 18 + 64/s
Y(s) = (3s² + 18s + 64)/(s(s + 2)(s + 4))

部分分式

A = 64/(2·4) = 8
B = 40/((−2)·2) = −10
C = 40/((−4)·(−2)) = 5

结果

y(t) = 8 − 10·e−2t + 5·e−4t
y(0.6) = 5.442

答案

y(0.6) = 5.442

检验:y(0) = A + B + C = 3。

31.方框图

答案: ess = 0.4122

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)。

位置误差系数

Kₚ = G(0) = 11·7/(6·9) = 1.426

稳态误差

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 1.426) = 0.4122

答案

ess = 0.4122
32.方框图

答案: ωd = 6.164 rad/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)。

特征方程

s(s + 12) + 74·1 = 0 → s² + 12s + 74 = 0

根

s = −6 ± j·√(74 − 36) = −6 ± j6.164
ωd = 6.164 rad/s

答案

ωd = 6.164 rad/s
33.阶跃响应

答案: %OS = 60.29 %

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 = 89 → ωₙ = 9.434 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9.434) = 0.159

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.5059 = 60.29 %

答案

%OS = 60.29 %
34.阶跃响应

答案: xmax = 12.54 mm

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) = √(500/20) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 80/(2·√(500·20)) = 0.4

结果

xst = F/k = 5/500 m = 10 mm
%OS = 25.38 %
xmax = 10·(1 + 0.2538) = 12.54 mm

答案

xmax = 12.54 mm
35.伯德图与裕度

答案: BW = 159.2 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/√(0.01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz

带宽

BW = R/L = 10/0.01 = 1000 rad/s = 159.2 Hz

答案

BW = 159.2 Hz
36.伯德图与裕度

答案: PM = 21.39 °

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 − 784 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·784))/2 = 26.07
ωc = 5.106 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(5.106/2) = −158.6°
PM = 180° + ∠L = 21.39°

答案

PM = 21.39°
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 + 16s² + 60s + K = 0
s³: 1, 60
s²: 16, K
s¹: (16·60 − K)/16
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 16·60 = 960

倍数

m = 960/192 = 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: sb = −3.258

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 + 7)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 5)(s + 7) − (s² + 5s) = s² + 14s + 35 = 0
s = −7 ± √14 = −3.258, −10.74

分离点

sb = −3.258

答案

sb = −3.258

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √14 = 3.742。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.3333

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 = 4·3/2 = 6

抛物线误差

ess = 2/6 = 0.3333

答案

ess = 0.3333
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 4.321 %

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) + 8·4 = s² + 8s + 32

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √32 = 5.657 rad/s
ζ = 8/(2·5.657) = 0.7071

超调量

%OS = 100·e−0.7071π/√(1 − 0.7071²) = 4.321 %

答案

%OS = 4.321 %

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