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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​20 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​30 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 4 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
VB = V
4.节点分析困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​25 ΩBIs​5 A+−V2​9 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩIR4​AR5​10 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBIs​4 A

用叠加定理求 R3 吸收的功率 PR3。

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 Ω
PR3 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩAIs​5 AB+−V2​24 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VIs = 5 AV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​0.5 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 18 VIs = 0.5 AR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 ΩL68 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 = 9 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 Vt = 0R = 4.7 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 3 V,极性如图所示。 求 t = 150 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 24 VR = 4.7 kΩC = 22 µFvC(0) = 3 Vt = 150 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
120 V60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 2.2 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 2.2 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
12 V200 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 4.7 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 23 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 23 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求线路电流 I。

P = 23 kWpf = 0.8V = 400 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载12 kW, 0.75C150 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 12 kW,功率因数为 0.75(滞后)。一个 150 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 12 kWpf1 = 0.75V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
cos φ =
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VZ = 24 + j7 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j7 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VZ = 24 + j7 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 75 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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 75 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
RL​ = 6 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 4800 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 = 20:1V1 = 4800 VRL = 6 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.95250 kVA, 25% 负载

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 750 W,额定负载下铜损为 1875 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1875 Wx = 0.25pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −1.4 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.4 VR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1.5 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0.4 VR3​ = 22 kΩR4​ = 47 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 电阻比不匹配。求输出电压 Vout。

V1 = 1.5 VV2 = 0.4 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩR3 = 22 kΩR4 = 47 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.2 kΩβ = 120RE​ = 680 ΩVCC​ = 18 VR1​ = 56 kΩR2​ = 6.8 kΩ

一只 β = 120 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 = 6.8 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 2.2 kΩ,发射极电阻为 RE = 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 = 18 VR1 = 56 kΩR2 = 6.8 kΩRC = 2.2 kΩRE = 680 Ωβ = 120
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 100 Ωβ = 200VCC​ = 12 V5 VRB​ = ?

一只 β = 200 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 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 = 12 VRC = 100 Ωβ = 200Vin = 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 −101。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1018 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1010 1011 >> 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1010 1011>> 2
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010111312140517060120131151141809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 7, 8, 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(0, 1, 2, 3, 4, 7, 8, 14, 15)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK123456

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0JK
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−4−6−8−10−122

用配方法求 F(s) = (3s + 32)/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (3s + 32)/(s² + 2s + 5)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−2−4−6−82

某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 18y = u′ + 7u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.1 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.1)。

y″ + 6y′ + 18y = u′ + 7ut = 0.1 s
g(0.1) =
31.方框图中等
R(s)+12K+9s + 2G(s)C(s)4H₁−−

被控对象 G(s) = 9/(s + 2) 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 = 12 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) = 9/(s + 2)H₁ = 4K = 12
T(0) =
32.方框图困难
R(s)+56s(s + 9)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 56/(s(s + 9)) 放在传感器增益为 H = 1 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的实部 σ。

G(s) = 56/(s(s + 9))H = 1
σ =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 42/(s² + 15s + 84),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) = 42/(s² + 15s + 84)
ts = s
34.阶跃响应困难
+−5 VR = 400 ΩL = 500 mHC = 2 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 400 Ω,L = 500 mH,C = 2 µF,在 t = 0 时接到 5 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求无阻尼固有频率 ωn,单位 rad/s。

R = 400 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 5 V
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 100 mHC = 0.22 µFR = 50 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 50 Ω 两端,其中 L = 100 mH,C = 0.22 µF。 求 −3 dB 带宽 BW,单位为 Hz。

R = 50 ΩL = 100 mHC = 0.22 µF
BW = Hz
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) = K/(s(s + 1)(s + 10))。 求给出 3 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))GM = 3 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 1(s − 2)(s + 2)C(s)−

对象 G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 2)) 在 s = 2 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 2))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

对于 L(s) = K/((s + 6)(s² + 4s + 5)),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 + 6)(s² + 4s + 5))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 1052s + 1C(s)−

过程 G(s) = 5/(2s + 1) 由比例增益 K = 10 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) = 5/(2s + 1)K = 10
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 405s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 6))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 40
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 15.94 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​8 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5.935 Ω
Req = R1 + 5.935 = 10 + 5.935 = 15.94 Ω

答案

Req = 15.94 Ω
2.串并联电阻

答案: IR2 = 1.168 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​ = 4 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​4 ΩBR6​30 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 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 3.579 Ω
R3 + 3.579 = 28.58 Ω
R2 ∥ 28.58 = 3.509 Ω
Req = R1 + 3.509 = 4 + 3.509 = 7.509 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 = 10/7.509 = 1.332 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 = 10 − 1.332·4 = 4.673 V
IR2 = VA/R2 = 4.673/4 = 1.168 A

答案

IR2 = 1.168 A
3.节点分析

答案: VB = 8.049 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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 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/20 + (VA − 6)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0.2833·VA − 0.1667·VB = 0.4

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/3 + (VB − VA)/6 = 3
−0.1667·VA + 0.5·VB = 3

求解

Δ = (0.2833)(0.5) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.1139
VA = Δ1/Δ = 0.7/0.1139 = 6.146 V
VB = Δ2/Δ = 0.9167/0.1139 = 8.049 V

答案

VB = 8.049 V
4.节点分析

答案: VB = 28.31 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​ = 8 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​25 ΩBIs​5 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 = 6 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/30 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/30 = 0
0.1917·VA − 0.03333·VB = 0.75

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 − 9)/6 = 5
−0.03333·VA + 0.24·VB = 6.5

求解

Δ = (0.1917)(0.24) − (−0.03333)(−0.03333) = 0.04489
VA = Δ1/Δ = 0.3967/0.04489 = 8.837 V
VB = Δ2/Δ = 1.271/0.04489 = 28.31 V

答案

VB = 28.31 V
5.网孔分析

答案: I1 = −0.2045 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​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​15 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 + 20(I1 − I2) = 6
24·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 20(I2 − I1) = (−15)
−20·I1 + 35·I2 = −15

求解

Δ = (24)(35) − (−20)(−20) = 440
I1 = Δ1/Δ = −90/440 = −0.2045 A
I2 = Δ2/Δ = −240/440 = −0.5455 A

答案

I1 = −0.2045 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 2.255 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​10 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
5·I1 + 6(I1 − I2) = 24
11·I1 − 6·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
12·I2 + 6(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 28·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
5·I3 + 10(I3 − I2) = (−24)
−10·I2 + 15·I3 = −24

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 2980
I1 = Δ1/Δ = 6240/2980 = 2.094 A
I2 = Δ2/Δ = −480/2980 = −0.1611 A
I3 = Δ3/Δ = −5088/2980 = −1.707 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 2.255 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR3 = 2.101 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​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​3 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 = 10+2 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·12/(3+12) = 2.4 Ω
VA = 10·2.4/(20+2.4) = 1.071 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.071·2/12 = 0.1786 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (1.071 − 0.1786)/10 = 0.08929 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​3 ΩAR4​2 ΩBIs​4 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。

R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2.609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 12.61 = 1.726 Ω
VB = Is·Req = 4·1.726 = 6.905 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6.905·2.609/12.61 = 1.429 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (1.429 − 6.905)/10 = −0.5476 A

把电流的各个贡献相加

IR3 = IR3′ + IR3″ = 0.08929 + (−0.5476) = −0.4583 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。

PR3 = IR3²·R3 = (−0.4583)²·10 = 2.101 W

答案

PR3 = 2.101 W

把各单独情况下的功率相加会得到 3.079 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: IR2 = −1.088 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​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​20 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) = 20 ∥ 24 = 10.91 Ω
VA = 15·10.91/(15+10.91) = 6.316 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6.316·4/24 = 1.053 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (6.316 − 1.053)/20 = 0.2632 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​20 ΩAIs​5 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

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

R1 ∥ R3 = 8.571 Ω,所以左侧路径为 R2+8.571 = 28.57 Ω
Req = R4 ∥ 28.57 = 3.509 Ω
VB = Is·Req = 5·3.509 = 17.54 V
VA = VB·8.571/28.57 = 5.263 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (5.263 − 17.54)/20 = −0.614 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​20 ΩA开路B+−V2​24 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 = 15·20/(15+20) = 8.571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·28.57/32.57 = 21.05 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 21.05·8.571/28.57 = 6.316 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (6.316 − 21.05)/20 = −0.7368 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0.2632 + (−0.614) + (−0.7368) = −1.088 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IN = 1.304 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​10 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 = 12·10/(12+10) = 5.455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.455 + 5 = 10.45 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 30·10/(12+10) = 13.64 V
IN​1.304 ARth​10.45 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 = 13.64/10.45 = 1.304 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = −1 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​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​6 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 = 15·6/(15+6) = 4.286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.286 + 8 = 12.29 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​0.5 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) = 5.143 + (−0.5)·4.286 = 3 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3 + (−0.5)·8 = −1 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 4.314 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 = 68 mH / 10 Ω = 6.8 ms
i(∞) = Vs/R = 9/10 = 0.9 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 = 9·e−5/6.8 = 4.314 V

答案

vL = 4.314 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 19.08 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 22 µF = 103.4 ms
vC(t) = 24 + (3 − 24)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(150) = 24 + (−21)·e−150/103.4 = 19.08 V

答案

vC = 19.08 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.104 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.15 = 56.55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·2.2·10⁻⁶) = 1206 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−1149)²) = 1154 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/1154 = 0.104 A

答案

I = 0.104 A
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.4928 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 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) = √(15² + (19.18)²) = 24.35 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/24.35 = 0.4928 A

答案

I = 0.4928 A
15.交流功率和功率因数

答案: I = 71.88 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) = 23000/(400·0.8) = 71.88 A

答案

I = 71.88 A
16.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.8363

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 = 12·tan(arccos 0.75) = 10.58 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2.714 kvar
Q2 = 10.58 − 2.714 = 7.869 kvar

新的视在功率

S2 = √(12² + 7.869²) = 14.35 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 12/14.35 = 0.8363

答案

cos φ = 0.8363
17.三相电

答案: P = 4.984 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。

相电压

Vph = VL = 208 V

相电流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8.32 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·8.32²·24 = 4.984 kW

答案

P = 4.984 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.96,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: QC = 19.93 kvar

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 75·tan(acos 0.8) = 75·0.75 = 56.25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.9) = 75·0.4843 = 36.32 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 19.93 kvar

答案

QC = 19.93 kvar
19.变压器

答案: I1 = 2 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 = 4800/20 = 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 = I2/20 = 2 A

答案

I1 = 2 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 2400 Ω,4800/2400 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 867.2 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.0625·1875 = 117.2 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 750 + 117.2 = 867.2 W

答案

Ploss = 867.2 W

此负载下的效率为 η = 98.56%。

21.运放电路

答案: Vout = −4.48 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₊ = −1.4 V
I = V₋/R1 = −1.4/10 = −0.14 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −1.4 + (−0.14)·22 = −4.48 V

答案

Vout = −4.48 V
22.运放电路

答案: Vout = −0.3045 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.4·47/(22 + 47) = 0.2725 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时,V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时,V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

Vout = −(47/100)·1.5 + (1 + 47/100)·0.2725 = −0.705 + 0.4005 = −0.3045 V

答案

Vout = −0.3045 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 13.1 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 = 18·6.8/(56 + 6.8) = 1.949 V
RTH = 56·6.8/(56 + 6.8) = 6.064 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (1.949 − 0.7)/(6.064 + 121·0.68) = 14.14 µA

集电极电流

IC = 120·14.14 µA = 1.697 mA
IE = 121·14.14 µA = 1.711 mA

集电极–发射极电压

VCE = 18 − 1.697·2.2 − 1.711·0.68 = 13.1 V

答案

VCE = 13.1 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 7.288 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) = (12 − 0.2)/100 = 118 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 118/200 = 590 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.59 mA = 7.288 kΩ

答案

RB = 7.288 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 = 155

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

101 = 0110 0101
取反后: 1001 1010
+1 → 1001 1011

按无符号数读取

1001 1011₂ = 256 − 101 = 155

答案

U = 155
26.数制

答案: R = 42

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

右移 2 位,把每一位向右移动 2 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

1010 1011 >> 2
= 0010 1010

结果的值

0010 1010₂ = 42

答案

R = 42
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 5

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。

ABCD000111100001111010111312140517060120131151141809011010

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。

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

最简 POS 形式

F = (B′ + C + D′)(A′ + C + D′)(A′ + B + C′)(A′ + B′ + C)(A + B′ + C′ + D)
N = 5

答案

N = 5

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: 时钟边沿 3

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

每个边沿之后的 Q

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 0, K = 1 → Q = 0
2: J = 1, K = 0 → Q = 1
3: J = 0, K = 1 → Q = 0
4: J = 0, K = 0 → Q = 0
5: J = 0, K = 0 → Q = 0
6: J = 0, K = 1 → Q = 0

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 3

答案

时钟边沿 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 5.267

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 + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

匹配分子

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (29/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(3·cos 2t + 14.5·sin 2t)
f(0.1) = e−0.1·(3·cos(2·0.1) + 14.5·sin(2·0.1)) = 5.267

答案

f(0.1) = 5.267
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.1) = 0.9996

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 7)/(s² + 6s + 18)

部分分式

s² + 6s + 18 = (s + 3)² + 3²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (4/3)·3/((s + 3)² + 3²)

冲激响应

g(t) = e−3t·(cos 3t + 1.333·sin 3t)
g(0.1) = 0.9996

答案

g(0.1) = 0.9996
31.方框图

答案: T(0) = 0.7397

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) = 9/(s + 2 + 9·4) = 9/(s + 38)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 108/(s + 38 + 108) = 108/(s + 146)

结果

T(0) = 108/146 = 0.7397

答案

T(0) = 0.7397
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) + 56·1 = 0 → s² + 9s + 56 = 0

根

s = −4.5 ± j·√(56 − 20.25) = −4.5 ± j5.979
σ = −4.5

答案

σ = −4.5
33.阶跃响应

答案: ts = 0.5333 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 = 84 → ωₙ = 9.165 rad/s
2ζωₙ = 15 → ζ = 15/(2·9.165) = 0.8183

结果

ζωₙ = 7.5 → ts ≈ 4/7.5 = 0.5333 s

答案

ts = 0.5333 s
34.阶跃响应

答案: ωn = 1000 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (400/2)·√(2 × 10⁻⁶/0.5) = 0.4

结果

ωₙ = 1000 rad/s

答案

ωn = 1000 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: BW = 79.58 Hz

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。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·2.2 × 10⁻⁷) = 6742 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1073 Hz

带宽

BW = R/L = 50/0.1 = 500 rad/s = 79.58 Hz

答案

BW = 79.58 Hz
36.伯德图与裕度

答案: K = 77.87

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/1)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3.162 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 100)) = K/(1·10·(1 + 10)) = K/110

所需增益

110/K = 103/20 = 1.413
K = 110/1.413 = 77.87

答案

K = 77.87
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 4

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

(s − 2)(s + 2) + K(s + 1) = s² + (0 + K)s + (1K − 4)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

0 + K > 0 → K > 0
1K − 4 > 0 → K > 4
Kmin = 4

答案

Kmin = 4
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 75.96 °

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 + 4s + 5 = 0 → s = −2 ± j1
s = −6

来自其他极点的角度

∠(−2 + j1 + 6) = atan2(1, 4) = 14.04°
∠(−2 + j1 − (−2 − j1)) = ∠(j2) = 90°

出射角

θd = 180° − 14.04° − 90° = 75.96°

答案

θd = 75.96°
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1.961 %

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 = 10·5 = 50

阶跃误差

ess = 100/(1 + 50) = 1.961 %

答案

ess = 1.961 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 50.56 %

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 + 6) + 40·5 = s² + 6s + 200

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √200 = 14.14 rad/s
ζ = 6/(2·14.14) = 0.2121

超调量

%OS = 100·e−0.2121π/√(1 − 0.2121²) = 50.56 %

答案

%OS = 50.56 %

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