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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​4 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩIR2​AR4​3 ΩBR6​2 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 ΩR5 = 4 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​3 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A−+V2​9 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 9 VIs = 2 AV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 ΩR5 = 2 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR4​15 ΩAR5​20 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 Ω
I2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​4 Ω+−VR2​AR4​2 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 24 VIs = 2.5 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 ΩIR4​+−V1​18 VR3​10 ΩAIs​0.5 AB+−V2​10 V

用叠加定理求 R4 吸收的功率 PR4。

V1 = 18 VIs = 0.5 AV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
PR4 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​6 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 24 VIs = 6 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​15 Vt = 0R = 15 ΩL47 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 15 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 2 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 11.1 V?求 t。

Vs = 15 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
12 V200 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 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 = 12 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
50 V50 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

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

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
230 V112 kW, 0.6216 kW, 0.85I = ?

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 12 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一个 16 kW、功率因数为 0.85(超前)的负载。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 230 VP1 = 12 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 16 kW, pf2 = 0.85 超前
I = A
16.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载15 kW, 0.7C470 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 15 kW,功率因数为 0.7(滞后)。一个 470 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 15 kWpf1 = 0.7V = 240 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = 80 Acos φ = 0.75滞后

一个对称三相负载从线电压为 415 V 的电源取用 80 A 的线电流,功率因数为 0.75(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VIL = 80 Acos φ = 0.75
P = kW
18.三相电困难
P = 80 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 80 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(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 = 80 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 24 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 24 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 24 Ω
I1 = A
20.变压器困难
250 kVA

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 2000 W,额定负载下铜损为 5000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 5000 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = −4.5 VRa​ = 1 kΩRb​ = 4.7 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −4.5 VRa = 1 kΩRb = 4.7 kΩR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0.1 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = −0.4 VR2​ = 1 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.1 VV2 = −0.4 VR1 = 4.7 kΩR2 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1 kΩβ = 100RE​ = 680 ΩVCC​ = 15 VR1​ = 39 kΩR2​ = 6.8 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 15 V 分压偏置:R₁ = 39 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 6.8 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 = 680 Ω。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 = 15 VR1 = 39 kΩR2 = 6.8 kΩRC = 1 kΩRE = 680 Ωβ = 100
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 9 VR = ?5.1 V≤ 25 mA

一个 5.1 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 25 mA。输入可能降到 9 V,齐纳管至少需要 2 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 9 VVZ = 5.1 VIL,max = 25 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −25。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −258 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1110 1111 XOR 1111 0010 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1110 1111XOR1111 0010
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(1, 6, 7, 9, 10)
  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
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLK

一个 3 位行波(异步)计数器由传播延迟均为 20 ns 的触发器构成。所有输出必须在下一个时钟边沿之前稳定下来。求最高时钟频率 fmax。

n = 3tpd = 20 ns
fmax = MHz
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

用部分分式法求 F(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(0.2)。

F(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5))t = 0.2 s
f(0.2) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = 9,y′(0) = 3,并求 y(1)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 9y′(0) = 3t = 1 s
y(1) =
31.方框图中等
R(s)+16K+4s + 3G(s)C(s)4H₁−−

被控对象 G(s) = 4/(s + 3) 带有一个增益为 H₁ = 4 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 16 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 4/(s + 3)H₁ = 4K = 16
p =
32.方框图困难
R(s)+21控制器+D(s)+7s + 10被控对象C(s)−

比例控制器 K = 21 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 7/(s + 10)。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 1 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 21G(s) = 7/(s + 10)D = 1R = 0
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 49/(s² + 11s + 98),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 49/(s² + 11s + 98)
ts = s
34.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 12))。求使阶跃响应有 5 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 5 %
K =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

求 G(s) = 1428/((s + 6)(s + 17)) 在 ω = 2 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 1428/((s + 6)(s + 17))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = K/(s(s + 7)(s + 8))。 求给出 3 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8))GM = 3 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 5)(s + 6)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 3)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −3 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 + 10)/(s(s + 3))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 512s + 1C(s)−

过程 G(s) = 1/(2s + 1) 由比例增益 K = 5 在单位负反馈回路中控制。求阶跃输入的稳态误差 ess,以阶跃大小的百分数表示。

G(s) = 1/(2s + 1)K = 5
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 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) = 2/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 4 rad/s 和 ζ = 1。求积分增益 Ki。

G(s) = 2/(s + 1)ωₙ = 4 rad/sζ = 1
Ki =

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 4.917 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 5·7/(5+7) = 2.917 Ω
Req = R1 + 2.917 = 2 + 2.917 = 4.917 Ω

答案

Req = 4.917 Ω
2.串并联电阻

答案: IR2 = 1.881 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​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBR6​2 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2 Ω
R3 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 1.75 Ω
Req = R1 + 1.75 = 15 + 1.75 = 16.75 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 = 36/16.75 = 2.149 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 = 36 − 2.149·15 = 3.761 V
IR2 = VA/R2 = 3.761/2 = 1.881 A

答案

IR2 = 1.881 A
3.节点分析

答案: VA = 7.714 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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​3 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/10 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0.3167·VA − 0.1667·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/6 + (VB − VA)/6 = 3
−0.1667·VA + 0.3333·VB = 3

求解

Δ = (0.3167)(0.3333) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.07778
VA = Δ1/Δ = 0.6/0.07778 = 7.714 V
VB = Δ2/Δ = 1/0.07778 = 12.86 V

答案

VA = 7.714 V
4.节点分析

答案: VA = 1.282 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​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩAR5​2 ΩBIs​2 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 = 9 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/3 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/10 = 0
0.5·VA − 0.1·VB = 0.6

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/2 + (VB − VA)/10 + (VB − (−9))/5 = 2
−0.1·VA + 0.8·VB = 0.2

求解

Δ = (0.5)(0.8) − (−0.1)(−0.1) = 0.39
VA = Δ1/Δ = 0.5/0.39 = 1.282 V
VB = Δ2/Δ = 0.16/0.39 = 0.4103 V

答案

VA = 1.282 V
5.网孔分析

答案: I1 = −2.24 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​ = 5 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩA+−V2​30 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 12
25·I1 − 20·I2 = 12

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 + 20(I2 − I1) = (−30)
−20·I1 + 22·I2 = −30

求解

Δ = (25)(22) − (−20)(−20) = 150
I1 = Δ1/Δ = −336/150 = −2.24 A
I2 = Δ2/Δ = −510/150 = −3.4 A

答案

I1 = −2.24 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I2 = −0.2535 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​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR4​15 ΩAR5​20 ΩB+−V2​30 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 + 15(I1 − I2) = 10
40·I1 − 15·I2 = 10

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 15(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 60·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
20·I3 + 20(I3 − I2) = (−30)
−20·I2 + 40·I3 = −30

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 71000
I1 = Δ1/Δ = 11000/71000 = 0.1549 A
I2 = Δ2/Δ = −18000/71000 = −0.2535 A
I3 = Δ3/Δ = −62250/71000 = −0.8768 A

答案

I2 = −0.2535 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR2 = 5.034 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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​2 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+2 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω
VA = 24·2.4/(15+2.4) = 3.31 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.31·2/6 = 1.103 V
VR2′ = VA − 0 = 3.31 − 0 = 3.31 V
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​4 ΩAR4​2 ΩBIs​2.5 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 = 15·4/(15+4) = 3.158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 7.158 = 1.563 Ω
VB = Is·Req = 2.5·1.563 = 3.908 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3.908·3.158/7.158 = 1.724 V
VR2″ = VA − 0 = 1.724 − 0 = 1.724 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 3.31 + 1.724 = 5.034 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: PR4 = 1.086 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​10 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) = 10 ∥ 33 = 7.674 Ω
VA = 18·7.674/(10+7.674) = 7.816 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7.816·8/33 = 1.895 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1.895 − 0)/8 = 0.2368 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​10 ΩAIs​0.5 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 = 5 Ω,所以左侧路径为 R2+5 = 30 Ω
Req = R4 ∥ 30 = 6.316 Ω
VB = Is·Req = 0.5·6.316 = 3.158 V
VA = VB·5/30 = 0.5263 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (3.158 − 0)/8 = 0.3947 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​10 ΩA开路B+−V2​10 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·30/38 = 7.895 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7.895·5/30 = 1.316 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (7.895 − 10)/8 = −0.2632 A

把电流的各个贡献相加

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0.2368 + 0.3947 + (−0.2632) = 0.3684 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。

PR4 = IR4²·R4 = 0.3684²·8 = 1.086 W

答案

PR4 = 1.086 W

把各单独情况下的功率相加会得到 2.249 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 8.182 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​5 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 12 = 14.73 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 18·5/(6+5) = 8.182 V
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 6.522 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​ = 30 Ω短路R2​30 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 = 8·30/(8+30) = 6.316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.316 + 30 = 36.32 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​6 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) = 18.95 + 6·6.316 = 56.84 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 56.84 + 6·30 = 236.8 V
IN​6.522 ARth​36.32 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 = 236.8/36.32 = 6.522 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 3.041 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。

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 / 15 Ω = 3.133 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−5/3.133 = 3.041 V

答案

vL = 3.041 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 1204 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 15 + (2 − 15)·e−t/τ

求解时间

11.1 = 15 + (−13)·e−t/τ → e−t/τ = (11.1 − 15)/(2 − 15) = 0.3
t = τ·ln((2 − 15)/(11.1 − 15)) = 1000·ln(3.333) = 1204 ms

答案

t = 1204 ms
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −86.03 °

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 = 1257·0.02 = 25.13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4.7·10⁻⁶) = 169.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (−144.2)²) = 144.5 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−144.2/10) = −86.03°

答案

φ = −86.03°
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.682 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 = 314.2·0.02 = 6.283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−61.44)²) = 73.32 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/73.32 = 0.682 A

答案

I = 0.682 A
15.交流功率和功率因数

答案: I = 124.6 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。

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 = 12·tan(arccos 0.6) = 16 kvar
Q2 = −16·tan(arccos 0.85) = −9.916 kvar

总计

P = 12 + 16 = 28 kW
Q = 16 + (−9.916) = 6.084 kvar
S = √(28² + 6.084²) = 28.65 kVA

总电流

I = S/V = 28653/230 = 124.6 A

答案

I = 124.6 A
16.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.9108

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 = 15·tan(arccos 0.7) = 15.3 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·470·10⁻⁶ = 8505 var = 8.505 kvar
Q2 = 15.3 − 8.505 = 6.798 kvar

新的视在功率

S2 = √(15² + 6.798²) = 16.47 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 15/16.47 = 0.9108

答案

cos φ = 0.9108
17.三相电

答案: P = 43.13 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 = √3·415·80 = 57.5 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 57.5·0.75 = 43.13 kW

答案

P = 43.13 kW
18.三相电

答案: Cph = 592.3 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 = 80·tan(acos 0.7) = 80·1.02 = 81.62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.9) = 80·0.4843 = 38.75 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 42.87 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) = 14290/(314.2·277.1²) = 592.3 µF

答案

Cph = 592.3 µF
19.变压器

答案: I1 = 1 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 = 120/24 = 5 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/5 = 1 A

答案

I1 = 1 A

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

20.变压器

答案: Sη,max = 158.1 kVA

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。

铜损等于铁损

x²·5000 = 2000 → x = √(2000/5000) = 0.6325

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.6325·250 = 158.1 kVA

答案

Sη,max = 158.1 kVA
21.运放电路

答案: Vout = −11.61 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −4.5·4.7/(1 + 4.7) = −3.711 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −3.711·(1 + 100/47) = −11.61 V

答案

Vout = −11.61 V
22.运放电路

答案: Vout = 4.213 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 = −0.1/4.7 = −0.02128 mA
I2 = V2/R2 = −0.4/1 = −0.4 mA
If = I1 + I2 = −0.4213 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −10·(−0.4213) = 4.213 V

答案

Vout = 4.213 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 11.54 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 = 15·6.8/(39 + 6.8) = 2.227 V
RTH = 39·6.8/(39 + 6.8) = 5.79 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.227 − 0.7)/(5.79 + 101·0.68) = 20.51 µA

集电极电流

IC = 100·20.51 µA = 2.051 mA
IE = 101·20.51 µA = 2.071 mA

集电极–发射极电压

VCE = 15 − 2.051·1 − 2.071·0.68 = 11.54 V

答案

VCE = 11.54 V
24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 144.4 Ω

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的电流

IR = 25 + 2 = 27 mA

最大电阻

Rmax = 3.9/0.027 = 144.4 Ω

答案

Rmax = 144.4 Ω
25.数制

答案: U = 231

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

25 = 0001 1001
取反后: 1110 0110
+1 → 1110 0111

按无符号数读取

1110 0111₂ = 256 − 25 = 231

答案

U = 231
26.数制

答案: R = 29

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

XOR 在两位不同时得 1。

1110 1111
XOR 1111 0010
= 0001 1101

结果的值

0001 1101₂ = 29

答案

R = 29
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 10, 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。

m10: m11, m8, m14, m2 → 0
ABCD000111100001111011111

孤立的 1

m10 = AB′CD′ → AB = 10, CD = 10

答案

AB = 10, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: fmax = 16.67 MHz

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。

最坏情况的稳定时间

T = 3·20 ns = 60 ns

最高频率

fmax = 1/60 ns = 16.67 MHz

答案

fmax = 16.67 MHz
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.2) = 0.2249

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 20/(4·5) = 1
B = 20/((−4)·1) = −5
C = 20/((−5)·(−1)) = 4

逆变换

f(t) = 1 − 5·e−4t + 4·e−5t

求值

f(0.2) = 1 − 5·e−4·0.2 + 4·e−5·0.2 = 0.2249

答案

f(0.2) = 0.2249
30.拉普拉斯变换

答案: y(1) = 4.709

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 − 9s − 3 + 5(sY − 9) + 4Y = 0
Y(s) = (9s + 48)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 39/3 = 13
B = 12/(−3) = −4

结果

y(t) = 13·e−t − 4·e−4t
y(1) = 4.709

答案

y(1) = 4.709

检验:y(0) = A + B = 9。

31.方框图

答案: p = −83

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 = G/(1 + G·H₁) = 4/(s + 3 + 4·4) = 4/(s + 19)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 64/(s + 19 + 64) = 64/(s + 83)

结果

p = −83

答案

p = −83
32.方框图

答案: css = 0.04459

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) = 7/(s + 10 + 147)

稳态

css = 1·7/157 = 0.04459

答案

css = 0.04459

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: ts = 0.7273 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 = 98 → ωₙ = 9.899 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9.899) = 0.5556

结果

ζωₙ = 5.5 → ts ≈ 4/5.5 = 0.7273 s

答案

ts = 0.7273 s
34.阶跃响应

答案: K = 75.59

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)。

闭环传递函数

T(s) = K/(s² + 12s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 0.6901

增益

ωₙ = 12/(2ζ) = 8.694 rad/s
K = ωₙ² = 75.59

答案

K = 75.59
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 22.41 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(j2)| = 1428/(√(2² + 6²)·√(2² + 17²)) = 1428/(6.325·17.12) = 13.19

结果

20·log₁₀(13.19) = 22.41 dB

答案

|G(jω)| = 22.41 dB
36.伯德图与裕度

答案: K = 594.7

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/7)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(7·8) = 7.483 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 64)) = K/(7·8·(7 + 8)) = K/840

所需增益

840/K = 103/20 = 1.413
K = 840/1.413 = 594.7

答案

K = 594.7
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 330

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 + 11s² + 30s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
11·30 − K > 0 → K < 330

答案

Kmax = 330

当 K = 330 时,闭环以 ω = √30 = 5.477 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −1.633

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 + 3s)/(s + 10)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 3)(s + 10) − (s² + 3s) = s² + 20s + 30 = 0
s = −10 ± √70 = −1.633, −18.37

分离点

sb = −1.633

答案

sb = −1.633

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √70 = 8.367。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 16.67 %

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。

位置误差常数

Kp = 5·1 = 5

阶跃误差

ess = 100/(1 + 5) = 16.67 %

答案

ess = 16.67 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: Ki = 8

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 + 2Kp)s + 2Ki

目标多项式

s² + 2·1·4s + 4² = s² + 8s + 16

匹配各项系数

2Ki = 16 → Ki = 8

答案

Ki = 8

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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