電路與信號分析基礎(chǔ)

本書是太原理工大學(xué)國家級特色專業(yè)、教育部"卓越工程師教育培養(yǎng)計劃"建設(shè)成果。本書系統(tǒng)地介紹了電路、信號與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法。全書共6章，內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識、直流電路分析、一階電路時域分析、正弦穩(wěn)態(tài)電路分析、信號與系統(tǒng)的頻域分析、信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析。各章配有適量的例題和習(xí)題，以利于學(xué)生更好地掌握基礎(chǔ)理論知識和分析方法。本書配有PPT和習(xí)題解答等教學(xué)資源。

第1章 基礎(chǔ)知識 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 電路、信號與系統(tǒng)的基本概念 (2)

1.2.1 電路及電路模型 (2)

電流流過的回路叫做電路，又稱導(dǎo)電回路。最簡單的電路，是由電源、負(fù)載、導(dǎo)線、開關(guān)等元器件組成。電路導(dǎo)通叫做通路。只有通路，電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負(fù)極間沒有負(fù)載而是直接接通叫做短路，這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個元件的兩端直接接通，此時電流從直接接通處流經(jīng)而不會經(jīng)過該元件，這種情況叫做該元件短路。開路(或斷路)是允許的，而第一種短路決不允許，因為電源的短路會導(dǎo)致電源、用電器、電流表被燒壞。

電路(英語:Electrical circuit)或稱電子回路，是由電器設(shè)備和元器件, 按一定方式連接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路，簡稱網(wǎng)絡(luò)或回路。如電源、電阻、電容、電感、二極管、三極管、晶體管、IC和電鍵等，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)、硬件。負(fù)電荷可以在其中流動。

電路模型是實際電路抽象而成，它近似地反映實際電路的電氣特性。電路模型由一些理想電路元件用理想導(dǎo)線連接而成。用不同特性的電路元件按照不同的方式連接就構(gòu)成不同特性的電路。

電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據(jù)實際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求，應(yīng)當(dāng)用不同的電路模型模擬同一實際電路。

這種抽象的電路模型中的元件均為理想元件。

1.2.2 信號的基本概念 (4)

1.2.3 系統(tǒng)的基本概念 (6)

1.3 電路的基本變量 (7)

1.3.1 電流及其參考方向 (7)

1.3.2 電壓及其參考方向 (8)

1.3.3 電路中的電位 (8)

1.3.4 電路中的功率和能量 (9)

1.4 電路的基本元件 (11)

1.4.1 電阻元件 (11)

1.4.2 電容元件 (12)

1.4.3 電感元件 (15)

1.5 電源 (17)

1.5.1 獨立源 (17)

1.5.2 受控源 (18)

1.6 基爾霍夫定律 (19)

基爾霍夫定律Kirchhoff laws是電路中電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析和計算較為復(fù)雜電路的基礎(chǔ)，1845年由德國物理學(xué)家G.R.基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824~1887)提出。它既可以用于直流電路的分析，也可以用于交流電路的分析，還可以用于含有電子元件的非線性電路的分析。運用基爾霍夫定律進(jìn)行電路分析時，僅與電路的連接方式有關(guān)，而與構(gòu)成該電路的元器件具有什么樣的性質(zhì)無關(guān)?；鶢柣舴蚨砂娏鞫?KCL)和電壓定律(KVL)，前者應(yīng)用于電路中的節(jié)點而后者應(yīng)用于電路中的回路。

1.6.1 基爾霍夫電流定律 (20)

1.6.2 基爾霍夫電壓定律 (21)

1.7 Multisim仿真應(yīng)用 (23)

1.7.1 Multisim 2001軟件簡介 (23)

1.7.2 Multisim 2001實例 (23)

小結(jié) (25)

習(xí)題1 (26)

第2章 直流電路及基本分析法 (29)

2.1 電阻電路的等效變換分析法 (29)

2.1.1 電阻串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)的等效

變換 (29)

2.1.2 電阻星形連接與三角形連接及其

等效變換 (32)

2.1.3 含獨立電源網(wǎng)絡(luò)的等效

變換 (35)

2.2 復(fù)雜電路的一般分析法 (39)

2.2.1 支路電流法 (39)

2.2.2 網(wǎng)孔電流法 (40)

2.2.3 節(jié)點電壓法 (42)

2.3 線性電路的幾個基本定理 (44)

2.3.1 疊加定理 (44)

在線性電路中，任一支路的電流(或電壓)可以看成是電路中每一個獨立電源單獨作用于電路時，在該支路產(chǎn)生的電流(或電壓)的代數(shù)和(疊加)

線性電路的這種疊加性稱為疊加定理。

也就是說，只要電路存在惟一解，線性電阻電路中的任一結(jié)點電壓、支路電壓或支路電流均可表示為以下形式:

y=H1us1+H2us2+…Hmusm+K1is1+K2is2+…+Knisn

式中uSk(k=1,2,…,m)表示電路中獨立電壓源的電壓;

iSk(k=1,2,…,n)表示電路中獨立電流源的電流。

Hk(k=1,2,…,m)和Kk(k=1,2,…,n)是常量，它們?nèi)Q于電路的參數(shù)和輸出變量的選擇，而與獨立電源無關(guān)

2.3.2 替代定理 (46)

替代定理:如果網(wǎng)絡(luò)N由一個電阻單口網(wǎng)絡(luò)NR和一個任意單口網(wǎng)絡(luò)NL連接而成，則:

1.如果端口電壓u有惟一解，則可用電壓為u的電壓源來替代單口網(wǎng)絡(luò)NL，只要替代后的網(wǎng)絡(luò)[圖(b)]仍有惟一解，則不會影響單口網(wǎng)絡(luò)NR內(nèi)的電壓和電流。

2.如果端口電流i有惟一解，則可用電流為i的電流源來替代單口網(wǎng)絡(luò)NL，只要替代后的網(wǎng)絡(luò)[圖(c)]仍有惟一解，則不會影響單口網(wǎng)絡(luò)NR內(nèi)的電壓和電流。

2.3.3 戴維南定理 (47)

戴維南定理(Thevenin's theorem):含獨立電源的線性電阻單口網(wǎng)絡(luò)N，就端口特性而言，可以等效為一個電壓源和電阻串聯(lián)的單口網(wǎng)絡(luò)。電壓源的電壓等于單口網(wǎng)絡(luò)在負(fù)載開路時的電壓uoc;電阻R0是單口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部獨立電源為零值時所得單口網(wǎng)絡(luò)N0的等效電阻。

戴維南定理(又譯為戴維寧定理)又稱等效電壓源定律，是由法國科學(xué)家L·C·戴維南于1883年提出的一個電學(xué)定理。由于早在1853年，亥姆霍茲也提出過本定理，所以又稱亥姆霍茲-戴維南定理。其內(nèi)容是:一個含有獨立電壓源、獨立電流源及電阻的線性網(wǎng)絡(luò)的兩端，就其外部型態(tài)而言，在電性上可以用一個獨立電壓源V和一個松弛二端網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電阻組合來等效。在單頻交流系統(tǒng)中，此定理不僅只適用于電阻，也適用于廣義的阻抗。

對于含獨立源，線性電阻和線性受控源的單口網(wǎng)絡(luò)(二端網(wǎng)絡(luò))，都可以用一個電壓源與電阻相串聯(lián)的單口網(wǎng)絡(luò)(二端網(wǎng)絡(luò))來等效，這個電壓源的電壓，就是此單口網(wǎng)絡(luò)(二端網(wǎng)絡(luò))的開路電壓，這個串聯(lián)電阻就是從此單口網(wǎng)絡(luò)(二端網(wǎng)絡(luò))兩端看進(jìn)去，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有獨立源均置零以后的等效電阻。

uoc 稱為開路電壓。Ro稱為戴維南等效電阻。在電子電路中，當(dāng)單口網(wǎng)絡(luò)視為電源時，常稱此電阻為輸出電阻，常用Ro表示;當(dāng)單口網(wǎng)絡(luò)視為負(fù)載時，則稱之為輸入電阻，并常用Ri表示。電壓源uoc和電阻Ro的串聯(lián)單口網(wǎng)絡(luò)，常稱為戴維南等效電路。

當(dāng)單口網(wǎng)絡(luò)的端口電壓和電流采用關(guān)聯(lián)參考方向時，其端口電壓電流關(guān)系方程可表為:U=R0i+uoc

2.3.4 諾頓定理 (49)

諾頓定理(Norton's theorem):含獨立源的線性電阻單口網(wǎng)絡(luò)N，就端口特性而言，可以等效為一個電流源和電阻的并聯(lián)。電流源的電流等于單口網(wǎng)絡(luò)從外部短路時的端口電流isc;電阻R0是單口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部獨立源為零值時所得網(wǎng)絡(luò)N0的等效電阻。

諾頓定理與戴維南定理互為對偶的定理。定理指出，一個含有獨立電源線性二端網(wǎng)絡(luò)N(圖1a), 就其外部狀態(tài)而言,可以用一個獨立電流源isc和一個松弛二端網(wǎng)絡(luò)N0的并聯(lián)組合來等效(圖1b)。其中，isc是網(wǎng)絡(luò)N的短路電流，松弛網(wǎng)絡(luò)N0是將網(wǎng)絡(luò) N中的全部獨立電源和所有動態(tài)元件上的初始條件置零后得到的網(wǎng)絡(luò)。上述并聯(lián)組合稱為諾頓等效網(wǎng)絡(luò)。在復(fù)頻域中等效網(wǎng)絡(luò)由電流源Isc和算子阻抗Yi(s)并聯(lián)而成(圖2)。Isc(s)是短路電流的拉普拉斯變換，Yi(s)是松弛網(wǎng)絡(luò)N0的入端(策動點)導(dǎo)納。另外，還能導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)N用于正弦穩(wěn)態(tài)分析和直流分板的等效網(wǎng)絡(luò)。

求等效電路的關(guān)鍵是求出網(wǎng)絡(luò)N的短路電流和網(wǎng)絡(luò)N0的入端(策動點)導(dǎo)納。它們均可通過電子計算機(jī)求得。

isc稱為短路電流。Ro稱為諾頓電阻，也稱為輸入電阻或輸出電阻。電流源isc和電阻Ro的并聯(lián)單口，稱為單口網(wǎng)絡(luò)的諾頓等效電路。在端口電壓電流采用關(guān)聯(lián)參考方向時，單口的VCR方程可表示為i=u/Ro+ isc

2.3.5 最大功率傳輸定理 (51)

2.4 Multisim直流電路分析 (54)

小結(jié) (57)

習(xí)題2 (58)

第3章 一階電路的時域分析 (65)

3.1 電路的過渡過程及換路定則 (65)

3.1.1 電路的過渡過程 (65)

3.1.2 電路的換路定則 (66)

3.1.3 初始值的確定 (67)

3.2 一階電路的過渡過程 (69)

3.2.1 一階電路的零輸入響應(yīng) (69)

3.2.2 一階電路的零狀態(tài)響應(yīng) (73)

3.3 一階電路的全響應(yīng) (75)

3.3.1 一階電路的全響應(yīng) (75)

3.3.2 三要素法 (77)

3.4 一階電路的階躍響應(yīng) (79)

3.4.1 單位階躍信號 (79)

3.4.2 階躍響應(yīng) (81)

3.5 一階電路的沖激響應(yīng) (82)

3.5.1 單位沖激信號的定義 (82)

3.5.2 沖激響應(yīng) (83)

3.6 卷積積分 (85)

3.6.1 信號的時域分解 (85)

3.6.2 零狀態(tài)響應(yīng)--卷積

積分 (86)

3.7 Multisim動態(tài)電路分析 (87)

小結(jié) (88)

習(xí)題3 (89)

第4章 正弦穩(wěn)態(tài)電路分析 (93)

4.1 正弦信號的基本概念 (93)

4.1.1 正弦量的三要素 (93)

4.1.2 有效值 (94)

4.1.3 同頻率正弦量的相位差 (95)

4.2 正弦量的相量表示 (97)

4.2.1 復(fù)數(shù) (97)

4.2.2 相量 (100)

4.3 正弦穩(wěn)態(tài)電路的相量模型 (101)

4.3.1 基爾霍夫定律的相量形式 (101)

4.3.2 無源二端元件伏安關(guān)系的相量

形式 (102)

4.3.3 電路的相量模型 (105)

4.4 無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗

與導(dǎo)納 (107)

4.4.1 二端網(wǎng)絡(luò)的阻抗與導(dǎo)納 (107)

4.4.2 阻抗與導(dǎo)納的串、并聯(lián) (109)

4.4.3 RLC串聯(lián)的交流電路 (111)

4.4.4 GLC并聯(lián)的交流電路 (113)

4.5 復(fù)雜正弦穩(wěn)態(tài)電路分析舉例 (116)

4.6 正弦交流電路的功率 (119)

4.6.1 無源二端元件的功率 (119)

4.6.2 二端網(wǎng)絡(luò)的功率 (122)

4.6.3 復(fù)功率 (125)

4.6.4 功率因數(shù)的提高 (126)

4.6.5 最大功率傳輸 (129)

4.7 諧振電路 (130)

4.7.1 串聯(lián)諧振電路 (130)

4.7.2 并聯(lián)諧振電路 (134)

4.8 變壓器 (136)

4.8.1 空心變壓器 (136)

4.8.2 理想變壓器 (138)

4.9 三相電路 (141)

4.9.1 三相電源 (141)

4.9.2 負(fù)載星形連接的三相

電路 (144)

4.9.3 負(fù)載三角形連接的三相

電路 (147)

4.9.4 三相電路的功率 (148)

4.10 Multisim正弦穩(wěn)態(tài)分析 (149)

4.10.1 用虛擬儀器做測量仿真 (149)

4.10.2 用Multisim的AC頻率掃描功能

分析電路 (151)

小結(jié) (153)

習(xí)題4 (155)

第5章 信號與系統(tǒng)的頻域分析 (162)

5.1 連續(xù)周期信號的傅里葉級數(shù)

展開 (162)

5.1.1 信號分類 (162)

5.1.2 周期信號分解為傅里葉

級數(shù) (163)

5.1.3 信號對稱性與傅里葉系數(shù)

的關(guān)系 (165)

5.2 連續(xù)周期信號的頻譜 (169)

5.2.1 單邊頻譜 (169)

5.2.2 雙邊頻譜 (170)

5.2.3 典型矩形脈沖信號

的頻譜 (171)

5.2.4 傅里葉級數(shù)在電路分析中

的應(yīng)用 (174)

5.3 連續(xù)非周期信號的傅里葉

變換 (178)

5.3.1 非周期信號的傅里葉

變換 (178)

5.3.2 傅里葉變換的物理意義 (179)

5.3.3 典型非周期信號的傅里葉

變換 (179)

5.4 傅里葉變換性質(zhì) (183)

5.4.1 線性 (183)

5.4.2 時移性 (183)

5.4.3 頻移性 (184)

5.4.4 尺度變換 (185)

5.4.5 對稱性 (186)

5.4.6 時域微分、積分性 (187)

5.4.7 頻域微分、積分性 (188)

5.4.8 卷積定理 (189)

5.5 線性系統(tǒng)的頻域分析 (190)

5.5.1 系統(tǒng)的頻率特性H(j) (190)

5.5.2 頻域分析法 (192)

5.5.3 電路無失真?zhèn)鬏斝盘?/p>

的條件 (194)

5.6 濾波器 (196)

5.6.1 濾波器概述 (196)

5.6.2 理想濾波器的頻率特性 (196)

5.6.3 理想低通濾波器的單位沖激

響應(yīng) (198)

5.6.4 理想低通濾波器的單位階躍

響應(yīng) (198)

5.6.5 實際的低通濾波器 (199)

5.7 Multisim頻域分析 (200)

5.7.1 用Multisim對信號進(jìn)行傅里葉

分析 (200)

5.7.2 用Multisim對網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性

進(jìn)行分析 (202)

小結(jié) (204)

習(xí)題5 (207)

第6章 信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析 (210)

6.1 拉普拉斯變換 (210)

6.1.1 拉普拉斯變換的定義 (210)

6.1.2 典型信號的拉普拉斯

變換 (212)

6.2 拉普拉斯變換的性質(zhì) (214)

6.2.1 線性 (214)

6.2.2 時移性 (215)

6.2.3 尺度變換性 (216)

6.2.4 頻移性 (216)

6.2.5 時域微分性 (217)

6.2.6 時域積分性 (218)

6.2.7 初值定理 (219)

6.2.8 終值定理 (219)

6.3 拉普拉斯反變換 (221)

6.3.1 實數(shù)單極點情況 (221)

6.3.2 重極點情況 (223)

6.3.3 共軛復(fù)數(shù)極點情況 (224)

6.4 線性系統(tǒng)的復(fù)頻域分析 (225)

6.4.1 微分方程的復(fù)頻域分析 (225)

6.4.2 電路的復(fù)頻域模型 (226)

6.5 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)特性 (231)

6.5.1 網(wǎng)絡(luò)函數(shù) (231)

6.5.2 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的零、極點 (232)

6.5.3 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的零、極點與

穩(wěn)定性 (233)

6.5.4 網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的零、極點與頻率

特性 (235)

6.6 Multisim復(fù)頻域分析 (237)

小結(jié) (241)

習(xí)題6 (243)

附錄A Multisim 2001軟件簡介 (246)

A.1 Multisim 2001界面主窗口

簡介 (246)

A.2 用戶界面設(shè)置 (254)

A.3 實驗中用到的設(shè)備的使用

方法 (255)

A.4 仿真實驗的基本步驟 (258)

參考文獻(xiàn) (260)

其他: 268頁

ISBN: 9787121137129

條形碼: 9787121137129

產(chǎn)品尺寸及重量: 25.8 x 18.4 x 1.2 cm ; 422 g