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​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​12 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​12 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 11.5 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 ΩVA = 11.5 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩIR2​+−V1​18 VR3​3 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩIR4​AR5​10 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 6 VV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​4 Ω+−VR2​AR4​15 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
VR2 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−VR2​R4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩAIs​1.5 AB+−V2​36 V

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 24 VIs = 1.5 AV2 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
VR2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​5 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4.7 kΩC100 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求 t = 150 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 4.7 kΩC = 100 µFt = 150 ms
vC = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​6 Vt = 0R = 2.2 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 10 V,极性如图所示。 求 t = 50 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 6 VR = 2.2 kΩC = 10 µFvC(0) = 10 Vt = 50 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
24 V60 HzR = 30 ΩL = 100 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 24 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 100 mH
I = A
14.交流阻抗和相量困难
50 V1000 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 47 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、1000 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 47 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
240 V127 kW, 0.6214 kW, 1I = ?

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 27 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一台 14 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 240 VP1 = 27 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 14 kW, pf2 = 1
I = A
16.交流功率和功率因数困难
230 V60 Hz负载16 kW, 0.65C100 µFI = ?

一个单相负载从 230 V、60 Hz 的电源吸取 16 kW,功率因数为 0.65(滞后)。一个 100 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 16 kWpf1 = 0.65V = 230 Vf = 60 HzC = 100 µF
I = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M15 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 15 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 690 V。求线电流 IL。

Pout = 15 kWη = 93%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 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 = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 6 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 5:1 的理想变压器,一次绕组加 1200 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 = 5:1V1 = 1200 VRL = 6 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.9575 kVA, 50% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 450 W,额定负载下铜损为 1350 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1350 Wx = 0.5pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩVin​R1​ = 10 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±14 V。 反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 = 10 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 2 kΩRf1​ = 10 kΩ第 2 级:同相R2​ = 2 kΩRf2​ = 4.7 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = 0.25 V。求输出电压 Vout。

R1 = 2 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 4.7 kΩVin = 0.25 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1 kΩβ = 100RE​ = 1.5 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 56 kΩR2​ = 12 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 18 V 分压偏置:R₁ = 56 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 12 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 1 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–发射极电压 VCE。

VCC = 18 VR1 = 56 kΩR2 = 12 kΩRC = 1 kΩRE = 1.5 kΩβ = 100
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 470 Ωβ = 80VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = ?

一只 β = 80 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 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 4 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 470 Ωβ = 80Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 4
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −75 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −758 bit
U =
26.数制困难
2035 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 2035 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?

2035
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD0001111000011110111111

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(1, 2, 6, 7, 11, 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
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-10

模 10 计数器必须依次经过 10 个不同的状态。它至少需要多少个触发器 n?

N = 10
n =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm5

用配方法求 F(s) = 23/(s² + 2s + 26) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 23/(s² + 2s + 26)t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

某系统满足 y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.5)。

y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.5 s
y(0.5) =
31.方框图中等
R(s)+26s(s + 5)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 26/(s(s + 5))。参考输入是斜坡 r(t) = 5·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 26/(s(s + 5))r(t) = 5·t
ess =
32.方框图困难
R(s)+78s(s + 9)G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 78/(s(s + 9)) 放在传感器增益为 H = 2 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的实部 σ。

G(s) = 78/(s(s + 9))H = 2
σ =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3?

某系统的传递函数为 G(s) = 111/(s² + 8s + 37),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 111/(s² + 8s + 37)
%OS = %
34.阶跃响应困难
k = 800 N/mc = 36 N·s/mm = 2.5 kgF = 20 Nx(t)

质量 m = 2.5 kg 的物体挂在弹簧 k = 800 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 36 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 = 20 N。 求阻尼比 ζ。

m = 2.5 kgk = 800 N/mc = 36 N·s/mF = 20 N
ζ =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

求 G(s) = 780/((s + 6)(s + 13)) 在 ω = 20 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 780/((s + 6)(s + 13))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = 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)−180−135−90−450ωc​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 6.4/(s(s + 2))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 6.4/(s(s + 2))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 2)(s + 3)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6j1−0.5

对于回路 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)),求使闭环极点位于 s = −0.5 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))s = −0.5
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+50s(s + 5)C(s)−

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

G(s) = 50/(s(s + 5))r(t) = 5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 505s(s + 5)C(s)−

比例控制器 K = 50 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 5))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 5/(s(s + 5))K = 50
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 3.519 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​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​12 ΩB

从远端开始合并电阻

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

R3 + R4 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 3·16/(3+16) = 2.526 Ω
Req = R1 + 2.526 = 6 + 2.526 = 8.526 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 = 30/8.526 = 3.519 A

答案

IR1 = 3.519 A
2.串并联电阻

答案: Req = 12.68 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​12 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 10.21 Ω
R3 + 10.21 = 12.21 Ω
R2 ∥ 12.21 = 8.679 Ω
Req = R1 + 8.679 = 4 + 8.679 = 12.68 Ω

答案

Req = 12.68 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = −0.08612 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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 12 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/10 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/15 = 0
0.4167·VA − 0.06667·VB = 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/12 + (VB − VA)/15 = 4
−0.06667·VA + 0.15·VB = 4

求解

Δ = (0.4167)(0.15) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.05806
VA = Δ1/Δ = 0.7167/0.05806 = 12.34 V
VB = Δ2/Δ = 1.867/0.05806 = 32.15 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 12.34)/4 = −0.08612 A
4.节点分析

答案: Is = 0.51 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

VA 已知,所以这个方程给出 VB。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(11.5 − 18)/5 + 11.5/15 = (VB − 11.5)/2
−0.5333 = (VB − 11.5)/2 → VB = 10.43 V

节点 B 的 KCL

经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (10.43 − 11.5)/2 + 10.43/10 = 0.51 A

答案

Is = 0.51 A
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.6154 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​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩA+−V2​10 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) = 18
7·I1 − 3·I2 = 18

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 + 3(I2 − I1) = (−10)
−3·I1 + 5·I2 = −10

求解

Δ = (7)(5) − (−3)(−3) = 26
I1 = Δ1/Δ = 60/26 = 2.308 A
I2 = Δ2/Δ = −16/26 = −0.6154 A

答案

IR2 = I2 = −0.6154 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 0.2358 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​10 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
8·I1 + 20(I1 − I2) = 6
28·I1 − 20·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
12·I2 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 42·I2 − 10·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
10·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 20·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 12720
I1 = Δ1/Δ = 2040/12720 = 0.1604 A
I2 = Δ2/Δ = −960/12720 = −0.07547 A
I3 = Δ3/Δ = −8112/12720 = −0.6377 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 0.2358 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR2 = 8.366 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​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​15 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 = 4+15 = 19 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·19/(4+19) = 3.304 Ω
VA = 10·3.304/(10+3.304) = 2.484 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.484·15/19 = 1.961 V
VR2′ = VA − 0 = 2.484 − 0 = 2.484 V
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​4 ΩAR4​15 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 = 10·4/(10+4) = 2.857 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 6.857 = 4.706 Ω
VB = Is·Req = 3·4.706 = 14.12 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14.12·2.857/6.857 = 5.882 V
VR2″ = VA − 0 = 5.882 − 0 = 5.882 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 2.484 + 5.882 = 8.366 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: VR2 = −12.24 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​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 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 ∥ 20 = 8.571 Ω
VA = 24·8.571/(20+8.571) = 7.2 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7.2·12/20 = 4.32 V
VR2′ = VA − VB = 7.2 − 4.32 = 2.88 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 Ω短路R3​15 ΩAIs​1.5 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 8.571 Ω,所以左侧路径为 R2+8.571 = 16.57 Ω
Req = R4 ∥ 16.57 = 6.96 Ω
VB = Is·Req = 1.5·6.96 = 10.44 V
VA = VB·8.571/16.57 = 5.4 V
VR2″ = VA − VB = 5.4 − 10.44 = −5.04 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 Ω短路R3​15 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 = 20·15/(20+15) = 8.571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·16.57/28.57 = 20.88 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 20.88·8.571/16.57 = 10.8 V
VR2‴ = VA − VB = 10.8 − 20.88 = −10.08 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 2.88 + (−5.04) + (−10.08) = −12.24 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: Rth = 7.875 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​ = 3 ΩR3​ = 6 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 = 3·5/(3+5) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 6 = 7.875 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 5.64 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​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​12 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 15·12/(15+12) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 10 = 16.67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​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) = 10.67 + 5·6.667 = 44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 44 + 5·10 = 94 V
IN​5.64 ARth​16.67 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 = 94/16.67 = 5.64 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 13.82 V

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

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 1·4.7/(1 + 4.7) = 0.8246 kΩ
vC(∞) = 20·4.7/(1 + 4.7) = 16.49 V

时间常数

τ = Rth·C = 0.8246·100 = 82.46 ms

充电曲线

vC(t) = 16.49·(1 − e−150/82.46) = 13.82 V

答案

vC = 13.82 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 6.412 V

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

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 10 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 6 + (10 − 6)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(50) = 6 + (4)·e−50/22 = 6.412 V

答案

vC = 6.412 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 1.022 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·60·0.1 = 37.7 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 = 24/30 = 0.8 A
IX = V/XL = 24/37.7 = 0.6366 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) = √(0.8² + 0.6366²) = 1.022 A

答案

I = 1.022 A
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 1.316 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.02 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·47·10⁻⁶) = 3.386 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (122.3)²) = 128.7 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/128.7 = 0.3886 A

电容电压

VC = I·XC = 0.3886·3.386 = 1.316 V

答案

VC = 1.316 V
15.交流功率和功率因数

答案: I = 227.3 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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 27·tan(arccos 0.6) = 36 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 27 + 14 = 41 kW
Q = 36 + 0 = 36 kvar
S = √(41² + 36²) = 54.56 kVA

总电流

I = S/V = 54562/240 = 227.3 A

答案

I = 227.3 A
16.交流功率和功率因数

答案: I = 100.6 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 = 16·tan(arccos 0.65) = 18.71 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·100·10⁻⁶ = 1994 var = 1.994 kvar
Q2 = 18.71 − 1.994 = 16.71 kvar

新的视在功率

S2 = √(16² + 16.71²) = 23.14 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 23136/230 = 100.6 A

答案

I = 100.6 A
17.三相电

答案: IL = 16.46 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 = 15/0.93 = 16.13 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16129/(√3·690·0.82) = 16.46 A

答案

IL = 16.46 A
18.三相电

答案: Cph = 1193 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 = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21514/(314.2·239.6²) = 1193 µF

答案

Cph = 1193 µF
19.变压器

答案: I1 = 8 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 = 1200/5 = 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 = I2/5 = 8 A

答案

I1 = 8 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 150 Ω,1200/150 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 787.5 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 = 0.25·1350 = 337.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 450 + 337.5 = 787.5 W

答案

Ploss = 787.5 W

此负载下的效率为 η = 97.84%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 2.979 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| = Rf/R1 = 47/10 = 4.7

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/4.7 = 2.979 V

答案

Vin,max = 2.979 V
22.运放电路

答案: Vout = −4.188 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。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −10/2 = −5
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4.7/2 = 3.35

逐级计算

V1 = −5·0.25 = −1.25 V
Vout = 3.35·(−1.25) = −4.188 V

答案

Vout = −4.188 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 14.14 V

BJT 静态工作点:在放大区,VBE = 0.7 V,IC = β·IB,IE = (β + 1)·IB。用 KVL 由基极回路求 IB,再求 IC,然后由集电极–发射极回路求 VCE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替:VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂),RTH = R₁∥R₂;发射极电阻在基极回路中相当于放大了 (β + 1) 倍。

分压器的戴维南等效

VTH = 18·12/(56 + 12) = 3.176 V
RTH = 56·12/(56 + 12) = 9.882 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (3.176 − 0.7)/(9.882 + 101·1.5) = 15.35 µA

集电极电流

IC = 100·15.35 µA = 1.535 mA
IE = 101·15.35 µA = 1.55 mA

集电极–发射极电压

VCE = 18 − 1.535·1 − 1.55·1.5 = 14.14 V

答案

VCE = 14.14 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 1.027 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)/470 = 50.64 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 50.64/80 = 633 µA

设计基极电流

IB = 4·633 µA = 2532 µA

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/2.532 mA = 1.027 kΩ

答案

RB = 1.027 kΩ
25.数制

答案: U = 181

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

取反加一

75 = 0100 1011
取反后: 1011 0100
+1 → 1011 0101

按无符号数读取

1011 0101₂ = 256 − 75 = 181

答案

U = 181
26.数制

答案: b = 11 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

210 = 1024 < 2035
211 = 2048 ≥ 2035

答案

b = 11
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 00, CD = 01

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。

m1: m0, m3, m5, m9 → 0
ABCD0001111000011110111111

孤立的 1

m1 = A′B′C′D → AB = 00, CD = 01

答案

AB = 00, CD = 01
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: n = 4

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。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 10 → n = 4 (2⁴ = 16)

答案

n = 4
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 2.804

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 + 2s + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²

匹配分子

F(s) = (23/5)·5/((s + 1)² + 5²)

逆变换

f(t) = e−t·(4.6·sin 5t)
f(0.4) = e−0.4·(4.6·sin(5·0.4)) = 2.804

答案

f(0.4) = 2.804
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 5.398

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 + 5s + 6)·Y(s) = 3s + 15 + 60/s
Y(s) = (3s² + 15s + 60)/(s(s + 2)(s + 3))

部分分式

A = 60/(2·3) = 10
B = 42/((−2)·1) = −21
C = 42/((−3)·(−1)) = 14

结果

y(t) = 10 − 21·e−2t + 14·e−3t
y(0.5) = 5.398

答案

y(0.5) = 5.398

检验:y(0) = A + B + C = 3。

31.方框图

答案: ess = 0.9615

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)。

速度误差系数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 26/5 = 5.2

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 5/5.2 = 0.9615

答案

ess = 0.9615
32.方框图

答案: σ = −4.5

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 + 9) + 78·2 = 0 → s² + 9s + 156 = 0

根

s = −4.5 ± j·√(156 − 20.25) = −4.5 ± j11.65
σ = −4.5

答案

σ = −4.5
33.阶跃响应

答案: %OS = 6.443 %

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 = 37 → ωₙ = 6.083 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6.083) = 0.6576

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.742 = 6.443 %

答案

%OS = 6.443 %
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.4025

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) = √(800/2.5) = 17.89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 36/(2·√(800·2.5)) = 0.4025

结果

ζ = 0.4025

答案

ζ = 0.4025
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 3.896 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。

把各模相乘

|G(j20)| = 780/(√(20² + 6²)·√(20² + 13²)) = 780/(20.88·23.85) = 1.566

结果

20·log₁₀(1.566) = 3.896 dB

答案

|G(jω)| = 3.896 dB
36.伯德图与裕度

答案: PM = 42.68 °

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 − 40.96 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·40.96))/2 = 4.705
ωc = 2.169 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(2.169/2) = −137.3°
PM = 180° + ∠L = 42.68°

答案

PM = 42.68°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 30

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。

特征方程

s³ + 5s² + 6s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 6
s²: 5, K
s¹: (5·6 − K)/5
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
5·6 − K > 0 → K < 30

答案

Kmax = 30

当 K = 30 时,闭环以 ω = √6 = 2.449 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 3.375

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。

幅值条件

K = |s|·|s + 2|·|s + 5|

在该点处计算

K = 0.5·1.5·4.5 = 3.375

答案

K = 3.375

检验:s(s + 2)(s + 5) + K 在 s = −0.5 处为零。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.5

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) = 10

斜坡误差

ess = 5/10 = 0.5

答案

ess = 0.5
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 60.47 %

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 + 5) + 50·5 = s² + 5s + 250

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √250 = 15.81 rad/s
ζ = 5/(2·15.81) = 0.1581

超调量

%OS = 100·e−0.1581π/√(1 − 0.1581²) = 60.47 %

答案

%OS = 60.47 %

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