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​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​6 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

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

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 ΩR5 = 5 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 2 Ω−+Vs​ = 8 V+−V1​6 VR2​2 ΩAR3​12 ΩBIs​2 A

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

V1 = 6 VIs = 2 AVs = 8 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​6 VR3​3 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 6 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−VR3​+−V1​24 VR4​20 ΩAR5​20 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 24 VV2 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 Ω
VR3 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​30 ΩAIs​5 AB+−V2​18 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VIs = 5 AV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩARL​5 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 5 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 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAIs​2 ABRL​2 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 2 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩRL = 2 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 47 ΩL47 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求电路稳定后电感中储存的能量 W(∞),以 mJ 表示。

Vs = 12 VR = 47 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 VR1​ = 47 ΩR2​ = 5 Ω在 t = 0 闭合L22 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已断开很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关闭合,把 R2 短路。 求 t = 1 ms 时的电感电流 i。

Vs = 15 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
120 V200 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
24 V50 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 10 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 32 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 32 kW,功率因数为 0.7(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 32 kWpf = 0.7V = 400 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 45 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 45 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M45 kW, η = 90%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 45 kW。此负载下其效率为 90%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 45 kWη = 90%cos φ = 0.82VL = 480 V
IL = A
18.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 300 kW,功率因数为 0.65(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(滞后)。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 300 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
RL​ = 6 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 6 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 6 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.85150 kVA, 25% 负载

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 1200 W。 它以 0.85(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 = 150 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1200 Wx = 0.25pf = 0.85
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 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 = 22 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −2 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = −0.8 VR2​ = 47 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 = −2 VV2 = −0.8 VR1 = 4.7 kΩR2 = 47 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.2 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 1.5 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 68 kΩR2​ = 10 kΩ

一只 β = 150 的 NPN 晶体管由 VCC = 18 V 分压偏置:R₁ = 68 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 = 2.2 kΩ,发射极电阻为 RE = 1.5 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 = 68 kΩR2 = 10 kΩRC = 2.2 kΩRE = 1.5 kΩβ = 150
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 470 Ωβ = 150IC​ = ?VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = 10 kΩ

一只 β = 150 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 470 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 = 24 VRC = 470 Ωβ = 150Vin = 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 −70。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −708 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0010 0011 OR 0110 1010 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0010 0011OR0110 1010
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010001031204151716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6, 7) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6, 7)
N =
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​CLKUP

4 位二进制加法计数器从 14(十进制,Q = 1110)开始。经过 53 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 1453n = 4
Q =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.5f(0.5) = ?

用部分分式法求 F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。

F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 5))t = 0.5 s
f(0.5) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.75y(0.75) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 6y′ + 5y = 0,初始条件 y(0) = −3,y′(0) = 1,并求 y(0.75)。

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = −3y′(0) = 1t = 0.75 s
y(0.75) =
31.方框图中等
R(s)+6(s + 7)(s + 4)(s + 9)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 6(s + 7)/((s + 4)(s + 9))。在参考输入处施加大小为 2 的阶跃。求稳态误差 ess。

G(s) = 6(s + 7)/((s + 4)(s + 9))R = 2
ess =
32.方框图困难
R(s)+3控制器+D(s)+4s + 9被控对象C(s)−

比例控制器 K = 3 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 4/(s + 9)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 令 R = 0,施加大小为 10 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 3G(s) = 4/(s + 9)D = 10R = 0
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5

某系统的传递函数为 G(s) = 35/(s² + 4s + 70),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 35/(s² + 4s + 70)
σ =
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)140 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 40 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 40 %
ζ =
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 10 mHR = 10 Ωvout​

图中所示的RL 低通滤波器有R = 10 Ω, L = 10 mH。输入为1.6 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 10 ΩL = 10 mHf = 1.6 kHz
|H| = dB
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) = 166/(s(s + 5)(s + 6))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 166/(s(s + 5)(s + 6))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+51s(s + 1)(s + 4)C(s)+

图中的回路采用正反馈,L(s) = 5/(s(s + 1)(s + 4))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 5/(s(s + 1)(s + 4))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−5j5

已画出 L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10)),必须以 0.5 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0.5
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 5t+5 + 5/s2(s + 5)(s + 10)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 5 + 5/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/((s + 5)(s + 10))。求斜坡输入 r(t) = 5t 的稳态误差 ess。

C(s) = 5 + 5/sG(s) = 2/((s + 5)(s + 10))r(t) = 5t
ess =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.125 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 6·21/(6+21) = 4.667 Ω
Req = R1 + 4.667 = 6 + 4.667 = 10.67 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 12/10.67 = 1.125 A

答案

IR1 = 1.125 A
2.串并联电阻

答案: Req = 21.35 Ω

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAR4​4 ΩBR6​6 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 + 6 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 2.933 Ω
R3 + 2.933 = 14.93 Ω
R2 ∥ 14.93 = 9.349 Ω
Req = R1 + 9.349 = 12 + 9.349 = 21.35 Ω

答案

Req = 21.35 Ω
3.节点分析

答案: PIs = 90.06 W

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0.6333·VA − 0.5·VB = 1.5

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/8 + (VB − VA)/2 = 4
−0.5·VA + 0.625·VB = 4

求解

Δ = (0.6333)(0.625) − (−0.5)(−0.5) = 0.1458
VA = Δ1/Δ = 2.938/0.1458 = 20.14 V
VB = Δ2/Δ = 3.283/0.1458 = 22.51 V

电流源输出的功率

电源把 Iₛ 从地(0 V)向上注入节点 B,即升到 VB。电流从其 + 端流出的电源输出功率 P = V·I。

PIs = VB·Is = 22.51·4 = 90.06 W

答案

PIs = 90.06 W
4.节点分析

答案: VA = 4 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 + 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 6)/2 + VA/2 + (VA + 8)/12 = 2
VA·(1/2 + 1/2 + 1/12) = 2 + 6/2 − 8/12 = 4.333
VA = 4.333/1.083 = 4 V
VB = 12 V

答案

VA = 4 V
5.网孔分析

答案: I1 = 0.4722 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​ = 10 Ω+−V1​6 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
6·I1 + 3(I1 − I2) = 6
9·I1 − 3·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 13·I2 = −9

求解

Δ = (9)(13) − (−3)(−3) = 108
I1 = Δ1/Δ = 51/108 = 0.4722 A
I2 = Δ2/Δ = −63/108 = −0.5833 A

答案

I1 = 0.4722 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR3 = 7.32 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​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR4​20 ΩAR5​20 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 24
25·I1 − 20·I2 = 24

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
4·I2 + 20(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 44·I2 − 20·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
30·I3 + 20(I3 − I2) = (−5)
−20·I2 + 50·I3 = −5

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 25000
I1 = Δ1/Δ = 41200/25000 = 1.648 A
I2 = Δ2/Δ = 21500/25000 = 0.86 A
I3 = Δ3/Δ = 6100/25000 = 0.244 A

答案

IR3 = I3 = 0.244 A
VR3 = IR3·R3 = 0.244·30 = 7.32 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = −0.1788 A

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 10+3 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6.964 Ω
VA = 12·6.964/(20+6.964) = 3.099 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.099·3/13 = 0.7152 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3.099 − 0.7152)/10 = 0.2384 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​15 ΩAR4​3 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 = 20·15/(20+15) = 8.571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 18.57 = 2.583 Ω
VB = Is·Req = 3·2.583 = 7.748 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7.748·8.571/18.57 = 3.576 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (3.576 − 7.748)/10 = −0.4172 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.2384 + (−0.4172) = −0.1788 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: IR2 = −0.4465 A

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

R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​30 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) = 30 ∥ 31 = 15.25 Ω
VA = 12·15.25/(20+15.25) = 5.191 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5.191·6/31 = 1.005 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (1.005 − 5.191)/25 = −0.1674 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​30 ΩAIs​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 = 12 Ω,所以左侧路径为 R2+12 = 37 Ω
Req = R4 ∥ 37 = 5.163 Ω
VB = Is·Req = (−5)·5.163 = −25.81 V
VA = VB·12/37 = −8.372 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (−25.81 − −8.372)/25 = −0.6977 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​30 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 = 20·30/(20+30) = 12 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·37/43 = 15.49 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 15.49·12/37 = 5.023 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (15.49 − 5.023)/25 = 0.4186 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0.1674) + (−0.6977) + 0.4186 = −0.4465 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.8197 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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 4 = 5.765 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 10·15/(2+15) = 8.824 V
Rth​ = 5.765 Ω+−Vth​8.824 VRL​5 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) = 8.824/(5.765 + 5) = 0.8197 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 23.12 W

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​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​15 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 2 = 8 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAIs​2 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) = 18 + 2·6 = 30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30 + 2·2 = 34 V
Rth​ = 8 Ω+−Vth​34 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) = 34/(8 + 2) = 3.4 A
PL = IL²·RL = 3.4²·2 = 23.12 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: W(∞) = 1.532 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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0.2553 A

储存的能量

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0.2553² = 1.532 mJ

答案

W(∞) = 1.532 mJ
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.3155 A

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

初始值、终值、时间常数

在 t = 0 之前,两个电阻都在回路中;之后闭合的开关把 R₂ 旁路。

i(0) = 15/(47 + 5) = 0.2885 A
i(∞) = 15/47 = 0.3191 A
τ = L/R = 22/47 = 0.4681 ms
i(t) = 0.3191 + (0.2885 − 0.3191)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(1) = 0.3191 + (−0.03069)·e−1/0.4681 = 0.3155 A

答案

i = 0.3155 A
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −80.5 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.05 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2.2·10⁻⁶) = 361.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−298.9)²) = 303 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−298.9/50) = −80.5°

答案

φ = −80.5°
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.08813 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·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) = √(25² + (−271.2)²) = 272.3 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/272.3 = 0.08813 A

答案

I = 0.08813 A
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 32.65 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(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

无功功率

Q = P·tan φ = 32·1.02 = 32.65 kvar

答案

Q = 32.65 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 17.89 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。

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 = 45·tan(41.41°) = 39.69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25.84°) = 21.79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17.89 kvar

答案

QC = 17.89 kvar
17.三相电

答案: IL = 73.34 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 = 45/0.9 = 50 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 50000/(√3·480·0.82) = 73.34 A

答案

IL = 73.34 A
18.三相电

答案: QC = 252.1 kvar

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 0.65) = 300·1.169 = 350.7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 252.1 kvar

答案

QC = 252.1 kvar
19.变压器

答案: I1 = 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 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/6 = 40 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 4 A

答案

I1 = 4 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 600 Ω,2400/600 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 675 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 = 0.0625·1200 = 75 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 600 + 75 = 675 W

答案

Ploss = 675 W

此负载下的效率为 η = 97.93%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 4.145 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 + 47/22 = 3.136

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3.136 = 4.145 V

答案

Vin,max = 4.145 V
22.运放电路

答案: If = −0.4426 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 = −2/4.7 = −0.4255 mA
I2 = V2/R2 = −0.8/47 = −0.01702 mA
If = I1 + I2 = −0.4426 mA

答案

If = −0.4426 mA
23.二极管与晶体管

答案: IC = 1.025 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 = 18·10/(68 + 10) = 2.308 V
RTH = 68·10/(68 + 10) = 8.718 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.308 − 0.7)/(8.718 + 151·1.5) = 6.835 µA

集电极电流

IC = 150·6.835 µA = 1.025 mA
IE = 151·6.835 µA = 1.032 mA

答案

IC = 1.025 mA
24.二极管与晶体管

答案: IC = 39 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 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 39 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/470 = 50.64 mA

集电极电流

IC = β·IB = 39 mA

答案

IC = 39 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 = 186

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

70 = 0100 0110
取反后: 1011 1001
+1 → 1011 1010

按无符号数读取

1011 1010₂ = 256 − 70 = 186

答案

U = 186
26.数制

答案: R = 107

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

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

0010 0011
OR 0110 1010
= 0110 1011

结果的值

0110 1011₂ = 107

答案

R = 107
27.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。

ABC00011110010001031204151716

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

BC′
AC

最简 SOP 形式

F = BC′ + AC
N = 2

答案

N = 2
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 3

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。

完整循环

每 16 个脉冲使计数器回到相同的状态。

53 = 3·16 + 5

剩余脉冲之后的计数

Q = (14 + 5) mod 16 = 3
Q = 0011₂

答案

Q = 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.5) = 2.361

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 45/(1·5) = 9
B = 45/((−1)·4) = −11.25
C = 45/((−5)·(−4)) = 2.25

逆变换

f(t) = 9 − 11.25·e−t + 2.25·e−5t

求值

f(0.5) = 9 − 11.25·e−0.5 + 2.25·e−5·0.5 = 2.361

答案

f(0.5) = 2.361
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.75) = −1.642

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

对方程做变换

s²Y − (−3)s − 1 + 6(sY − (−3)) + 5Y = 0
Y(s) = (−3s − 17)/((s + 1)(s + 5))

部分分式

A = −14/4 = −3.5
B = −2/(−4) = 0.5

结果

y(t) = −3.5·e−t + 0.5·e−5t
y(0.75) = −1.642

答案

y(0.75) = −1.642

检验:y(0) = A + B = −3。

31.方框图

答案: ess = 0.9231

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) = 6·7/(4·9) = 1.167

稳态误差

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 1.167) = 0.9231

答案

ess = 0.9231
32.方框图

答案: css = 1.905

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 9 + 12)

稳态

css = 10·4/21 = 1.905

答案

css = 1.905

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

33.阶跃响应

答案: σ = −2

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 = 70 → ωₙ = 8.367 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.367) = 0.239

结果

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

答案

σ = −2
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.28

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(0.4)/√(π² + ln²(0.4)) = 0.9163/√(9.87 + 0.8396) = 0.28

答案

ζ = 0.28
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −20.09 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。

转折频率

ωc = R/L = 10/0.01 = 1000 rad/s
fc = 159.2 Hz → f/fc = 1600/159.2 = 10.05

增益

|H| = 1/√(1 + 10.05²) = 0.09898
20·log₁₀(0.09898) = −20.09 dB

答案

|H| = −20.09 dB
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 5.477 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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5.477 rad/s

答案

ω180 = 5.477 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 1

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

s³ + 5s² + 4s − 5 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 4
s²: 5, −5
s¹: 5
s⁰: −5

第一列中的符号变化

1 → 5 → 5 → −5
N = 1

答案

N = 1

正反馈使常数项系数变为负:总会有一个实极点移到右半平面。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 6.856 rad/s

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。

临界增益

s³ + 12s² + 47s + 60 + K = 0
s¹: (12·47 − 60 − K)/12 = 0 → K = 504

穿越频率

12s² + 60 + 504 = 12s² + 564 = 0 → s² = −47
ω = √47 = 6.856 rad/s

答案

ω = 6.856 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 40

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 = 2/0.5 = 4

增益

K = 10·Kv = 40

答案

K = 40

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.7906。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: ess = 25

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 5s + 5 → 5。

Kv = 5·2/50 = 0.2

斜坡误差

ess = 5/0.2 = 25

答案

ess = 25

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

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