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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩIR2​AR4​5 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​20 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​2.5 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 6 VIs = 2.5 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 7 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 ΩVA = 7 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​12 ΩIR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R5 的电流 IR5。

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 20 ΩR5 = 12 Ω
IR5 = A
7.叠加定理中等
线性电路Vs​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有一个电压源 Vs 和一个电流源 Is。流过负载电阻的电流 I 测量了两次:Vs = 4 V、Is = 8 mA 时,I = 5.2 mA;Vs = 10 V、Is = 3 mA 时,I = 14.7 mA。求 Vs = 6 V、Is = 4 mA 时的负载电流 I。

4 V, 8 mA → 5.2 mA10 V, 3 mA → 14.7 mAVs = 6 V, Is = 4 mA
I = mA
8.叠加定理困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​4 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电压源 V2 的值(极性如图所示)。

V1 = 5 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​1.5 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 30 VIs = 1.5 AR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 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 99%?求 t。

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 V在 t = 0 断开R1​ = 4.7 kΩR2​ = 6.8 kΩC220 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 400 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR1 = 4.7 kΩR2 = 6.8 kΩC = 220 µFt = 400 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
12 V50 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
12 V100 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 10 µF
f0 = Hz
15.交流功率和功率因数中等
230 V125 kW, 0.7222 kW, 0.9I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 25 kW、功率因数为 0.7(滞后)的负载,以及一个 22 kW、功率因数为 0.9(滞后)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 230 VP1 = 25 kW, pf1 = 0.7 滞后P2 = 22 kW, pf2 = 0.9 滞后
cos φ =
16.交流功率和功率因数困难
400 V50 Hz负载6 kW, 0.7C100 µFI

一个单相负载从 400 V、50 Hz 的电源吸取 6 kW,功率因数为 0.7(滞后)。一个 100 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 6 kWpf1 = 0.7V = 400 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = 15 Acos φ = 0.9滞后

一个对称三相负载从线电压为 415 V 的电源取用 15 A 的线电流,功率因数为 0.9(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VIL = 15 Acos φ = 0.9
P = kW
18.三相电困难
P = 60 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 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 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 12 Ω1011200 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 1200 V 电压。二次绕组两端接一个 12 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 1200 VRL = 12 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.95100 kVA, 50% 负载

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 900 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 = 100 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 Wx = 0.5pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 3。

R1 = 1 kΩAv = 3
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 1 VR = 4.7 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±12 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 1 V 时,电容未充电。 求 t = 20 ms 时的输出电压 Vout。

Vin = 1 VR = 4.7 kΩC = 1 µFVsat = ±12 Vt = 20 ms
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 5.6 kΩβ = 100IC​ = ?RE​ = 1.5 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 47 kΩR2​ = 12 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 18 V 分压偏置:R₁ = 47 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 = 5.6 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 = 47 kΩR2 = 12 kΩRC = 5.6 kΩRE = 1.5 kΩβ = 100
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 100VCC​ = 5 V5 VRB​ = ?

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 5 V 逻辑输出经基极电阻 RB 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 RB,以 kΩ 计。

VCC = 5 VRC = 330 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −7。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −78 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0101 0111 XOR 1011 1110 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0101 0111XOR1011 1110
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110312041507160120131151140819111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 5, 6, 9, 11, 14, 15) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 5, 6, 9, 11, 14, 15)
N =
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​FFQ4​Q4​FFQ5​Q5​CLKMOD-60

模 60 计数器必须依次经过 60 个不同的状态。它至少需要多少个触发器 n?

N = 60
n =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−4−62

用配方法求 F(s) = (5s + 33)/(s² + 4s + 13) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = (5s + 33)/(s² + 4s + 13)t = 0.75 s
f(0.75) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t),y(0) = 6,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 5。用拉普拉斯变换求 y(0.5)。

y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.5 s
y(0.5) =
31.方框图中等
R(s)+5K+6s + 6G(s)C(s)5H₁−−

被控对象 G(s) = 6/(s + 6) 带有一个增益为 H₁ = 5 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 5 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环直流增益 T(0)。

G(s) = 6/(s + 6)H₁ = 5K = 5
T(0) =
32.方框图困难
R(s)+36s(s + 2)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 36/(s(s + 2)) 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) = 36/(s(s + 2))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) = 5/(s² + s + 5),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 5/(s² + s + 5)
ωn = rad/s
34.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 2))。求使阶跃响应有 25 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 25 %
K =
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 47 nFR = 10 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 10 kΩ, C = 47 nF。输入为3.4 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 10 kΩC = 47 nFf = 3.4 kHz
φ = °
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) = 208/(s(s + 5)(s + 8))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 208/(s(s + 5)(s + 8))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 4)(s + 6)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6j2j4

对于 L(s) = K/((s + 5)(s² + 2s + 17)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 5)(s² + 2s + 17))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 0.5t+2s(s + 2)(s + 4)C(s)−

斜坡 r(t) = 0.5t 加到 G(s) = 2/(s(s + 2)(s + 4)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 2/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 0.5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 2t+2 + 5/s10(s + 1)(s + 2)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 2 + 5/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/((s + 1)(s + 2))。求斜坡输入 r(t) = 2t 的稳态误差 ess。

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 10/((s + 1)(s + 2))r(t) = 2t
ess =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 1.043 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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​5 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 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 15·9/(15+9) = 5.625 Ω
Req = R1 + 5.625 = 3 + 5.625 = 8.625 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 = 24/8.625 = 2.783 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 = 24 − 2.783·3 = 15.65 V
IR2 = VA/R2 = 15.65/15 = 1.043 A

答案

IR2 = 1.043 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.8628 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​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBR6​20 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 = 15 + 20 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 5.122 Ω
R3 + 5.122 = 9.122 Ω
R2 ∥ 9.122 = 4.262 Ω
Req = R1 + 4.262 = 5 + 4.262 = 9.262 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 = 15/9.262 = 1.62 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 = 15 − 1.62·5 = 6.902 V
IR2 = VA/R2 = 6.902/8 = 0.8628 A

答案

IR2 = 0.8628 A
3.节点分析

答案: PIs = 26.98 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/3 + (VA − 6)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0.6833·VA − 0.1·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/6 + (VB − VA)/10 = 2.5
−0.1·VA + 0.2667·VB = 2.5

求解

Δ = (0.6833)(0.2667) − (−0.1)(−0.1) = 0.1722
VA = Δ1/Δ = 0.65/0.1722 = 3.774 V
VB = Δ2/Δ = 1.858/0.1722 = 10.79 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 = 10.79·2.5 = 26.98 W

答案

PIs = 26.98 W
4.节点分析

答案: Is = 3.167 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
(7 − 6)/3 + 7/6 = (VB − 7)/2
1.5 = (VB − 7)/2 → VB = 10 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 − 7)/2 + 10/6 = 3.167 A

答案

Is = 3.167 A
5.网孔分析

答案: I1 = 0.9919 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​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
20·I1 + 12(I1 − I2) = 30
32·I1 − 12·I2 = 30

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 12(I2 − I1) = (−9)
−12·I1 + 20·I2 = −9

求解

Δ = (32)(20) − (−12)(−12) = 496
I1 = Δ1/Δ = 492/496 = 0.9919 A
I2 = Δ2/Δ = 72/496 = 0.1452 A

答案

I1 = 0.9919 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR5 = 0.6779 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​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 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
20·I1 + 20(I1 − I2) = 18
40·I1 − 20·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 20(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 42·I2 − 12·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
25·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 37·I3 = −24

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 41600
I1 = Δ1/Δ = 19620/41600 = 0.4716 A
I2 = Δ2/Δ = 1800/41600 = 0.04327 A
I3 = Δ3/Δ = −26400/41600 = −0.6346 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 0.6779 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 8.6 mA

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。

把响应写成各贡献之和

每个贡献与其自身的电源成正比,比例常数只与电阻有关。

I = k₁·Vs + k₂·Is
4·k₁ + 8·k₂ = 5.2
10·k₁ + 3·k₂ = 14.7

求常数

Δ = (4)(3) − (8)(10) = −68
k₁ = Δ1/Δ = −102/−68 = 1.5
k₂ = Δ2/Δ = 6.8/−68 = −0.1
k₁ = 1.5 mA/V, k₂ = −0.1

预测新的电流

I = 1.5·6 + (−0.1)·4 = 8.6 mA

答案

I = 8.6 mA
8.叠加定理

答案: V2 = 47 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​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​4 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) = 4 ∥ 15 = 3.158 Ω
VA = 5·3.158/(25+3.158) = 0.5607 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0.5607·10/15 = 0.3738 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​4 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。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R3 = 3.448 Ω,所以左侧路径为 R2+3.448 = 8.448 Ω
Req = R4 ∥ 8.448 = 4.579 Ω
VB = −Is·Req = −5·4.579 = −22.9 V
VA = VB·3.448/8.448 = −9.346 V

情况 3 · V2 单独作用,按每伏计

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 = 3.448 Ω
VA‴ = V2·3.448/(10 + 5 + 3.448) = 0.1869·V2

令 VA 为零

VA = 0 时 R₃ 两端没有电压,所以其电流为零。

VA′ + VA″ + VA‴ = 0.5607 + (−9.346) + 0.1869·V2 = 0
V2 = 8.785/0.1869 = 47 V

答案

V2 = 47 V
9.戴维南和诺顿

答案: IN = 0.9 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​ = 10 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 + 10 = 11.76 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 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) = 12·15/(2+15) = 10.59 V
IN​0.9 ARth​11.76 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 = 10.59/11.76 = 0.9 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = −34.2 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​ = 8 ΩR3​ = 30 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 = 8·12/(8+12) = 4.8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.8 + 30 = 34.8 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​1.5 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) = 18 + (−1.5)·4.8 = 10.8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10.8 + (−1.5)·30 = −34.2 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 4.605 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 / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0.1515 A

求解时间

0.99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.99)
t = −1·ln(0.01) = 4.605 ms

答案

t = 4.605 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 4.073 V

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

电容的初始电压

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

vC(0) = 9·6.8/(4.7 + 6.8) = 5.322 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 6.8·220 = 1496 ms

放电

vC(t) = 5.322·e−400/1496 = 4.073 V

答案

vC = 4.073 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.3699 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/(314.2·100·10⁻⁶) = 31.83 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−25.55)²) = 32.45 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/32.45 = 0.3699 A

答案

I = 0.3699 A
14.交流阻抗和相量

答案: f0 = 129.9 Hz

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。

谐振

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.15·10·10⁻⁶)) = 129.9 Hz

答案

f0 = 129.9 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7926

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 = 25·tan(arccos 0.7) = 25.51 kvar
Q2 = 22·tan(arccos 0.9) = 10.66 kvar

总计

P = 25 + 22 = 47 kW
Q = 25.51 + 10.66 = 36.16 kvar
S = √(47² + 36.16²) = 59.3 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 47/59.3 = 0.7926 滞后

答案

cos φ = 0.7926
16.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.9838

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 = 6·tan(arccos 0.7) = 6.121 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·100·10⁻⁶ = 5027 var = 5.027 kvar
Q2 = 6.121 − 5.027 = 1.095 kvar

新的视在功率

S2 = √(6² + 1.095²) = 6.099 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 6/6.099 = 0.9838

答案

cos φ = 0.9838
17.三相电

答案: P = 9.704 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 = √3·415·15 = 10.78 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 10.78·0.9 = 9.704 kW

答案

P = 9.704 kW
18.三相电

答案: Cph = 98.21 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 0.9) = 60·0.4843 = 29.06 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 15.94 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 5314/(314.2·415²) = 98.21 µF

答案

Cph = 98.21 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 = 1200/10 = 120 V
I2 = 120/12 = 10 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 1 A

答案

I1 = 1 A

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

20.变压器

答案: Ploss = 825 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 = 0.25·900 = 225 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 600 + 225 = 825 W

答案

Ploss = 825 W

此负载下的效率为 η = 98.29%。

21.运放电路

答案: Rf = 2 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (3 − 1)·1 = 2 kΩ

答案

Rf = 2 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −4.255 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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 4.7 kΩ · 1 µF = 4.7 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −1/4.7 = −0.2128 V/ms

给定时刻的输出

理想值在 ±Vsat 以内,所以积分器尚未限幅。

Vout = −Vin·t/(RC) = −1·20/4.7 = −4.255 V

答案

Vout = −4.255 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 1.838 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 = 18·12/(47 + 12) = 3.661 V
RTH = 47·12/(47 + 12) = 9.559 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (3.661 − 0.7)/(9.559 + 101·1.5) = 18.38 µA

集电极电流

IC = 100·18.38 µA = 1.838 mA
IE = 101·18.38 µA = 1.857 mA

答案

IC = 1.838 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 29.56 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) = (5 − 0.2)/330 = 14.55 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 14.55/100 = 145.5 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.1455 mA = 29.56 kΩ

答案

RB = 29.56 kΩ

任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和;实际中通常选小几倍的电阻。

25.数制

答案: U = 249

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

7 = 0000 0111
取反后: 1111 1000
+1 → 1111 1001

按无符号数读取

1111 1001₂ = 256 − 7 = 249

答案

U = 249
26.数制

答案: R = 233

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。

0101 0111
XOR 1011 1110
= 1110 1001

结果的值

1110 1001₂ = 233

答案

R = 233
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

ABCD000111100001111000110312041507160120131151140819111010

圈 0

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。

(C + D)
(A + C′ + D′)
(A′ + B + D)
(A′ + B′ + C)

最简 POS 形式

F = (C + D)(A + C′ + D′)(A′ + B + D)(A′ + B′ + C)
N = 4

答案

N = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: n = 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。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 60 → n = 6 (2⁶ = 64)

答案

n = 6
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 0.6302

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 + 13 = (s + 2)² + 9 = (s + 2)² + 3²

匹配分子

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (23/3)·3/((s + 2)² + 3²)

逆变换

f(t) = e−2t·(5·cos 3t + 7.667·sin 3t)
f(0.75) = e−2·0.75·(5·cos(3·0.75) + 7.667·sin(3·0.75)) = 0.6302

答案

f(0.75) = 0.6302
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 11.59

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) = 6s + 36 + 160/s
Y(s) = (6s² + 36s + 160)/(s(s + 2)(s + 4))

部分分式

A = 160/(2·4) = 20
B = 112/((−2)·2) = −28
C = 112/((−4)·(−2)) = 14

结果

y(t) = 20 − 28·e−2t + 14·e−4t
y(0.5) = 11.59

答案

y(0.5) = 11.59

检验:y(0) = A + B + C = 6。

31.方框图

答案: T(0) = 0.4545

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) = 6/(s + 6 + 6·5) = 6/(s + 36)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 30/(s + 36 + 30) = 30/(s + 66)

结果

T(0) = 30/66 = 0.4545

答案

T(0) = 0.4545
32.方框图

答案: ωd = 5.916 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 + 2) + 36·1 = 0 → s² + 2s + 36 = 0

根

s = −1 ± j·√(36 − 1) = −1 ± j5.916
ωd = 5.916 rad/s

答案

ωd = 5.916 rad/s
33.阶跃响应

答案: ωn = 2.236 rad/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 = 5 → ωₙ = 2.236 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2.236) = 0.2236

结果

ωₙ = 2.236 rad/s

答案

ωn = 2.236 rad/s
34.阶跃响应

答案: K = 6.136

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 + 2s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 0.4037

增益

ωₙ = 2/(2ζ) = 2.477 rad/s
K = ωₙ² = 6.136

答案

K = 6.136
35.伯德图与裕度

答案: φ = 5.688 °

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(10000·4.7 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338.6 Hz → f/fc = 3400/338.6 = 10.04

相位

φ = 90° − atan(10.04) = 5.688°

答案

φ = 5.688°
36.伯德图与裕度

答案: GM = 7.959 dB

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

相位穿越

(ω/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6.325 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

增益裕度

GM = 20·log₁₀(520/208) = 7.959 dB

答案

GM = 7.959 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 240

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 + 10s² + 24s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
10·24 − K > 0 → K < 240

答案

Kmax = 240

当 K = 240 时,闭环以 ω = √24 = 4.899 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 45 °

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。

极点位置

s² + 2s + 17 = 0 → s = −1 ± j4
s = −5

来自其他极点的角度

∠(−1 + j4 + 5) = atan2(4, 4) = 45°
∠(−1 + j4 − (−1 − j4)) = ∠(j8) = 90°

出射角

θd = 180° − 45° − 90° = 45°

答案

θd = 45°
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 2

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) = 0.25

斜坡误差

ess = 0.5/0.25 = 2

答案

ess = 2
40.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.08

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) = 2s + 5 → 5。

Kv = 5·10/2 = 25

斜坡误差

ess = 2/25 = 0.08

答案

ess = 0.08

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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