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​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​20 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​20 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​30 VR3​8 ΩAR5​25 ΩBIs​4 A+−V2​30 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 30 VIs = 4 AV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
I2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​6 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VIs = 2.5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩIR3​AIs​2.5 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 = 6 VIs = 2.5 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩARL​8 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 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 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAIs​4 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时的电流 i。

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 V在 t = 0 断开R1​ = 3.3 kΩR2​ = 6.8 kΩi2​C10 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 = 20 ms 时流过 R2 的电流 i2。

Vs = 15 VR1 = 3.3 kΩR2 = 6.8 kΩC = 10 µFt = 20 ms
i2 = mA
13.交流阻抗和相量中等
100 V200 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 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 = 100 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
24 V50 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 22 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 22 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 18 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 18 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求线路电流 I。

P = 18 kWpf = 0.85V = 230 V
I = A
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 240 V、50 Hz 电源吸取 45 kW,功率因数为 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求新的线路电流 Inew。

P = 45 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.92V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M75 kW, η = 88%cos φ = 0.85

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 75 kW。此负载下其效率为 88%,功率因数为 0.85(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 75 kWη = 88%cos φ = 0.85VL = 480 V
IL = A
18.三相电困难
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 150 kW,功率因数为 0.75(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 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 150 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 5 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 5 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 1200 VRL = 5 Ω
I1 = A
20.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 1200 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 0.3 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.3 VR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 10 kΩRf1​ = 22 kΩ第 2 级:同相R2​ = 10 kΩRf2​ = 1 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 = 0.6 V。求输出电压 Vout。

R1 = 10 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 1 kΩVin = 0.6 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.5 kΩβ = 150RE​ = 2.2 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 33 kΩR2​ = 12 kΩ

一只 β = 150 的 NPN 晶体管由 VCC = 20 V 分压偏置:R₁ = 33 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 = 1.5 kΩ,发射极电阻为 RE = 2.2 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 = 20 VR1 = 33 kΩR2 = 12 kΩRC = 1.5 kΩRE = 2.2 kΩβ = 150
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 100 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 12 V5 VRB​ = 33 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 12 V 与其集电极之间的 100 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 = 33 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 = 12 VRC = 100 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 33 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 −105。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1058 bit
U =
26.数制困难
610 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 610 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?

610
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010010302140517061120131150140809111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 7, 11, 12, 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(0, 4, 7, 11, 12, 15)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKJOHNSON

一个 4 位约翰逊计数器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 从 0000 开始。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀),Q₃ 接收 Q₀ 的反相。给出 7 个时钟边沿之后的状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00007
Q =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

求 F(s) = (2s + 38)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = (2s + 38)/(s² + 10s + 25)t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 10y′ + 24y = 0,初始条件 y(0) = 1,y′(0) = 10,并求 y(0.1)。

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 1y′(0) = 10t = 0.1 s
y(0.1) =
31.方框图中等
R(s)+17K+4s + 2G(s)C(s)5H₁−−

被控对象 G(s) = 4/(s + 2) 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 = 17 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) = 4/(s + 2)H₁ = 5K = 17
T(0) =
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 2)(s + 5)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)) 放在单位负反馈回路中。 在最大稳定增益时回路发生振荡。求振荡频率 ω,单位 rad/s。

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))单位负反馈
ω = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 144/(s² + 2s + 48),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 144/(s² + 2s + 48)
tp = s
34.阶跃响应困难
k = 500 N/mc = 71 N·s/mm = 10 kgF = 10 Nx(t)

质量 m = 10 kg 的物体挂在弹簧 k = 500 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 71 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 = 10 N。 求位移最大的时刻 tp。

m = 10 kgk = 500 N/mc = 71 N·s/mF = 10 N
tp = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.010.010.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 0.5

求 G(s) = 3(s + 6)/(s(s + 14)) 在 ω = 0.5 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 3(s + 6)/(s(s + 14))ω = 0.5 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 58/(s(s + 3)(s + 9))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 58/(s(s + 3)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+101s(s + 3)(s + 5)C(s)+

图中的回路采用正反馈,L(s) = 10/(s(s + 3)(s + 5))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 10/(s(s + 3)(s + 5))
N =
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 + 4)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −4 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 + 4))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10t+Ks(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5)),必须以 0.1 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 10t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 10tess = 0.1
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 2010s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 20 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 10))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 10/(s(s + 10))K = 20
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.4286 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​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​20 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 10·40/(10+40) = 8 Ω
Req = R1 + 8 = 6 + 8 = 14 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 = 6/14 = 0.4286 A

答案

IR1 = 0.4286 A
2.串并联电阻

答案: Req = 7 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​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 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 = 10 + 20 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 5 Ω
R3 + 5 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 2 + 5 = 7 Ω

答案

Req = 7 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = 0.1423 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​9 VR2​6 ΩAR4​10 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 = 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 9)/4 + (VA − VB)/15 = 0
0.4833·VA − 0.06667·VB = 2.25

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/10 + (VB − VA)/15 = 4
−0.06667·VA + 0.1667·VB = 4

求解

Δ = (0.4833)(0.1667) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.07611
VA = Δ1/Δ = 0.6417/0.07611 = 8.431 V
VB = Δ2/Δ = 2.083/0.07611 = 27.37 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 8.431)/4 = 0.1423 A
4.节点分析

答案: IR4 = −3.194 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​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAR5​25 ΩBIs​4 A+−V2​30 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 V, V2 = 30 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/8 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/30 = 0
0.2083·VA − 0.03333·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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/30 + (VB − 30)/12 = (−4)
−0.03333·VA + 0.1567·VB = −1.5

求解

Δ = (0.2083)(0.1567) − (−0.03333)(−0.03333) = 0.03153
VA = Δ1/Δ = 0.185/0.03153 = 5.868 V
VB = Δ2/Δ = −0.2625/0.03153 = −8.326 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (−8.326 − 30)/12 = −3.194 A
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.2661 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​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​8 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 + 8(I1 − I2) = 15
28·I1 − 8·I2 = 15

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

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

求解

Δ = (28)(20) − (−8)(−8) = 496
I1 = Δ1/Δ = 228/496 = 0.4597 A
I2 = Δ2/Δ = −132/496 = −0.2661 A

答案

IR2 = I2 = −0.2661 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I2 = −0.1171 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​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​10 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
30·I1 + 10(I1 − I2) = 24
40·I1 − 10·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
20·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 40·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
20·I3 + 10(I3 − I2) = (−30)
−10·I2 + 30·I3 = −30

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 41000
I1 = Δ1/Δ = 23400/41000 = 0.5707 A
I2 = Δ2/Δ = −4800/41000 = −0.1171 A
I3 = Δ3/Δ = −42600/41000 = −1.039 A

答案

I2 = −0.1171 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR2 = 1.463 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​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 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 = 3+6 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·9/(8+9) = 4.235 Ω
VA = 15·4.235/(3+4.235) = 8.78 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8.78·6/9 = 5.854 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (8.78 − 0)/8 = 1.098 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​8 ΩAR4​6 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 = 3·8/(3+8) = 2.182 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 5.182 = 2.78 Ω
VB = Is·Req = 2.5·2.78 = 6.951 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6.951·2.182/5.182 = 2.927 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (2.927 − 0)/8 = 0.3659 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1.098 + 0.3659 = 1.463 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: V2 = 6 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​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 2 ∥ 21 = 1.826 Ω
VA = 6·1.826/(4+1.826) = 1.881 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.881·15/21 = 1.343 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​2 ΩAIs​2.5 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 = 1.333 Ω,所以左侧路径为 R2+1.333 = 7.333 Ω
Req = R4 ∥ 7.333 = 4.925 Ω
VB = −Is·Req = −2.5·4.925 = −12.31 V
VA = VB·1.333/7.333 = −2.239 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 = 1.333 Ω
VA‴ = V2·1.333/(15 + 6 + 1.333) = 0.0597·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‴ = 1.881 + (−2.239) + 0.0597·V2 = 0
V2 = 0.3582/0.0597 = 6 V

答案

V2 = 6 V
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.2885 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​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 20 = 26.67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​20 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) = 15·20/(10+20) = 10 V
Rth​ = 26.67 Ω+−Vth​10 VRL​8 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) = 10/(26.67 + 8) = 0.2885 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = −118.6 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​ = 10 ΩR3​ = 25 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 + 25 = 31 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAIs​4 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) = 5.4 + (−4)·6 = −18.6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −18.6 + (−4)·25 = −118.6 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.5246 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。

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 = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1.333 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1.333·(1 − e−5/10) = 0.5246 A

答案

i = 0.5246 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: i2 = 1.107 mA

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) = 15·6.8/(3.3 + 6.8) = 10.1 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 6.8·10 = 68 ms

放电

vC(t) = 10.1·e−20/68 = 7.526 V
i2 = vC/R2 = 7.526/6.8 = 1.107 mA

答案

i2 = 1.107 mA
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −86.36 °

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 = 1257·0.1 = 125.7 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) = √(15² + (−236.1)²) = 236.5 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−236.1/15) = −86.36°

答案

φ = −86.36°
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 25.04 V

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.1 = 31.42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·22·10⁻⁶) = 144.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−113.3)²) = 138.7 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/138.7 = 0.1731 A

电容电压

VC = I·XC = 0.1731·144.7 = 25.04 V

答案

VC = 25.04 V
15.交流功率和功率因数

答案: I = 92.07 A

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 18000/(230·0.85) = 92.07 A

答案

I = 92.07 A
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 203.8 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 = P·tan φ1 = 45·tan(53.13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23.07°) = 19.17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 40.83 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(240·0.92) = 203.8 A

答案

Inew = 203.8 A
17.三相电

答案: IL = 120.6 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 = 75/0.88 = 85.23 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 85227/(√3·480·0.85) = 120.6 A

答案

IL = 120.6 A
18.三相电

答案: Cph = 351.1 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 = 150·tan(acos 0.75) = 150·0.8819 = 132.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.92) = 150·0.426 = 63.9 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 68.39 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22796/(377·415²) = 351.1 µF

答案

Cph = 351.1 µF
19.变压器

答案: I1 = 2.4 A

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

二次电压和电流

V2 = 1200/10 = 120 V
I2 = 120/5 = 24 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 2.4 A

答案

I1 = 2.4 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 500 Ω,1200/500 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Sη,max = 37.5 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

x²·1200 = 300 → x = √(300/1200) = 0.5

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5·75 = 37.5 kVA

答案

Sη,max = 37.5 kVA
21.运放电路

答案: Vout = 0.6 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 0.3 V
I = V₋/R1 = 0.3/22 = 0.01364 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.3 + 0.01364·22 = 0.6 V

答案

Vout = 0.6 V
22.运放电路

答案: Vout = −1.452 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 = −22/10 = −2.2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1.1

逐级计算

V1 = −2.2·0.6 = −1.32 V
Vout = 1.1·(−1.32) = −1.452 V

答案

Vout = −1.452 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 12.43 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 = 20·12/(33 + 12) = 5.333 V
RTH = 33·12/(33 + 12) = 8.8 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (5.333 − 0.7)/(8.8 + 151·2.2) = 13.59 µA

集电极电流

IC = 150·13.59 µA = 2.038 mA
IE = 151·13.59 µA = 2.052 mA

集电极–发射极电压

VCE = 20 − 2.038·1.5 − 2.052·2.2 = 12.43 V

答案

VCE = 12.43 V
24.二极管与晶体管

答案: IC = 10.42 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 = (5 − 0.7)/33 kΩ = 130.3 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 = 10.42 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/100 = 118 mA

集电极电流

IC = β·IB = 10.42 mA

答案

IC = 10.42 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 = 151

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

105 = 0110 1001
取反后: 1001 0110
+1 → 1001 0111

按无符号数读取

1001 0111₂ = 256 − 105 = 151

答案

U = 151
26.数制

答案: b = 10 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

29 = 512 < 610
210 = 1024 ≥ 610

答案

b = 10
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。

ABCD000111100001111010010302140517061120131150140809111010

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′)
(C′ + D)
(A + B + D′)
(A′ + B + D)

最简 POS 形式

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

答案

N = 4

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 1

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

每个边沿之后的状态

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011 → 0001

十进制值

0001₂ = 1

答案

Q = 1
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 1.786

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)。

分解分母

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

2s + 38 = 2(s + 5) + 28
F(s) = 2/(s + 5) + 28/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 2·e−5t + 28·t·e−5t
f(0.4) = (2 + 28·0.4)·e−5·0.4 = 1.786

答案

f(0.4) = 1.786
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 1.521

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 − 1s − 10 + 10(sY − 1) + 24Y = 0
Y(s) = (s + 20)/((s + 4)(s + 6))

部分分式

A = 16/2 = 8
B = 14/(−2) = −7

结果

y(t) = 8·e−4t − 7·e−6t
y(0.1) = 1.521

答案

y(0.1) = 1.521

检验:y(0) = A + B = 1。

31.方框图

答案: T(0) = 0.7556

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 + 2 + 4·5) = 4/(s + 22)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 68/(s + 22 + 68) = 68/(s + 90)

结果

T(0) = 68/90 = 0.7556

答案

T(0) = 0.7556
32.方框图

答案: ω = 3.162 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

s³ + 7s² + 10s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 10
s² | 7 K
s¹ | (7·10 − K)/7
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 7·10 = 70

振荡频率

7·(jω)² + 70 = 0 → ω² = 70/7 = 10
ω = 3.162 rad/s

答案

ω = 3.162 rad/s
33.阶跃响应

答案: tp = 0.4582 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 = 48 → ωₙ = 6.928 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6.928) = 0.1443

结果

ωd = 6.928·√(1 − 0.1443²) = 6.856 rad/s → tp = π/ωd = 0.4582 s

答案

tp = 0.4582 s
34.阶跃响应

答案: tp = 0.5137 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(500/10) = 7.071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 71/(2·√(500·10)) = 0.502

结果

ωd = 6.115 rad/s
tp = π/ωd = 0.5137 s

答案

tp = 0.5137 s
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −87.28 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(0.5/6) − 90° − atan(0.5/14) = 4.764° − 90° − 2.045°

结果

∠G(j0.5) = −87.28°

答案

∠G(jω) = −87.28°
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 5.196 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/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5.196 rad/s

答案

ω180 = 5.196 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 + 8s² + 15s − 10 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 15
s²: 8, −10
s¹: 16.25
s⁰: −10

第一列中的符号变化

1 → 8 → 16.25 → −10
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: sb = −2.254

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 + 4s)/(s + 10)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 4)(s + 10) − (s² + 4s) = s² + 20s + 40 = 0
s = −10 ± √60 = −2.254, −17.75

分离点

sb = −2.254

答案

sb = −2.254

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √60 = 7.746。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 500

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 = 10/0.1 = 100

增益

K = 5·Kv = 500

答案

K = 500

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1118。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: tp = 0.2375 s

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 + 10) + 20·10 = s² + 10s + 200

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √200 = 14.14 rad/s
ζ = 10/(2·14.14) = 0.3536

峰值时间

ωd = 14.14·√(1 − 0.3536²) = 13.23 rad/s
tp = π/13.23 = 0.2375 s

答案

tp = 0.2375 s

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