電工電子技術與EDA基礎（上）（第2版）

《電工電子技術與EDA基礎（上）（第2版）》是2015年清華大學出版社出版的圖書，作者是段玉生、王艷丹。

基本介紹

• 書名：電工電子技術與EDA基礎（上）（第2版）
• 作者：段玉生、王艷丹
• ISBN：9787302382393
• 定價：45元
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2015-1-16

內容簡介

本教材分上、下兩冊。本冊（上冊）主要講授電工技術與相關的EDA知識。包括電路的基本理論和分析方法、EDA基礎知識（SPICE）、磁路與變壓器、電動機的原理及套用、繼電器、接觸器控制和可程式控制器（PLC）等內容，附錄中還介紹了本書要用到的電路仿真軟體AIMSPICE和SPICEOPUS的使用方法。內容軟硬結合，選材新穎；概念敘述準確、精練，通俗易懂，便於讀者自學。 書中既包含了傳統的電工學基本理論，又介紹了電路仿真軟體，是一本將電路基本理論和EDA技術結合起來的頗具特色的教材。本套教材是根據電工電子技術的發展，為高校理工科非電類專業而編寫的，也可以作為高校理工科電類專業學生的參考書，或作為EDA初學者的參考教材。

前言

“電工學”是高等學校非電類專業本科學生的技術基礎課，課程的主要目的是根據學生本專業對電氣工程知識的需求，介紹電氣工程的基本原理及其相關套用。其主要內容一般包括“電工技術”和“電子技術”兩大部分。從20世紀60年代我國高等學校開設電工學課程以來，隨著新技術和新器件的出現，以及電氣工程在其他工科領域套用的不斷深入和擴展，課程內容進行了多次改革。例如20世紀70年代末引入了模擬和數字積體電路，90年代初引入了可程式控制器和電力電子技術等。進入21世紀以來，電子設計自動化EDA（Electronics Design Automation）技術在我國逐漸推廣套用。它以計算機為工作平台，以硬體描述語言為電路和器件設計的基礎，結合相應的EDA軟體工具，使電子系統的設計產生了質的飛躍，系統的功能驗證日趨完善，硬體實現的速度大為提高。因此，理解EDA技術的基本原理，熟練掌握和套用 EDA技術，對於從事電氣工程相關工作的工程技術人員都是非常重要的。

本套教材分為上、下兩冊：上冊的主要內容為電工技術及EDA的基礎知識；下冊的主要內容包括電子技術、可程式邏輯器件和功率電子技術等。

上冊內容包括電路的基本理論和分析方法、EDA基礎知識（SPICE）、磁路與變壓器、電動機的原理及套用、繼電器接觸器控制和可程式控制器（PLC）等內容；下冊內容包括模擬電子電路、數字電子電路、電路的設計與仿真、數字可程式邏輯器件、電力電子等內容。另外，各章都對所選用的教學內容進行了深入細緻的分析，努力做到概念準確、重點突出、敘述精練、通俗易懂，便於讀者自學。配有較多的例題及習題，通過這些練習，讀者會加深對課程內容的理解。

根據非電類工科專業本科學的專業需求以及電工學課程的特點，本教材對傳統的“電工學”教學內容進行了重新設計。電工學課程的發展趨勢必然是軟硬結合，據此我們在教學內容中加入了EDA基礎知識，並將其放在了較重要的位置。在電工技術和模擬電路中，以電路仿真程式SPICE語言作為重點。教材的上冊，在對電路的基本概念和分析方法做了介紹之後，從第2章開始便引入了電路仿真工具SPICE，並在以後各章根據其具體內容，對SPICE的語法結構、語句格式以及電路仿真過程等作了進一步介紹。也就是說，採用“結合使用，循序漸進”的方法，將EDA內容引入到教材中，這樣安排既可以避免冗長煩瑣的講解，又可將其和傳統的教學內容有機地結合起來，更便於讀者學習。這種內容安排在以往的教學中得到了學生的一致好評。

教材的下冊，在模擬電路部分將全面使用基於SPICE的電路仿真軟體Multisim進行電路設計和仿真。由於讀者在電工技術部分對SPICE的仿真原理、元件模型等有了較深入的了解，因此能夠更有效地使用Multisim軟體。在數字電路部分，本書將對可程式邏輯器件（PLD）和硬體描述語言VHDL進行介紹。

可程式控制器（PLC）現在已是電工技術教學中不可或缺的內容。根據近幾年我國PLC的使用情況，西門子公司生產的可程式控制器占有較大市場，而且其系統性能、網路特性等都比較好。因此，上冊在講授可程式控制器時，採用了西門子的產品為介紹對象。因為不同的PLC產品，在編程語句和使用方法等方面多有類似之處，所以在掌握西門子產品之後，也有利於對其他品牌產品的學習和使用。在PLC教學內容上本書力求避免只介紹指令，而忽視介紹PLC程式設計方法的做法，重點介紹了利用順序功能圖的PLC程式設計方法。讀者通過本教材的學習，能夠掌握一般PLC程式的設計思路，掌握小型PLC控制系統的設計方法。

本套教材的教學內容，主要適用於多學時類型的電工學課程，也適用於其他類型電工學課程的選用。教師在選用該教材時，可不受學時數的限制，根據學生的專業需求和學時安排，對教學內容進行安排或取捨。

第2版教材是在第1版教材經過多年使用的基礎上，對很多章節經過較大的重編而形成的。由於時間倉促，編者的知識水平有限，書中難免存在不妥和錯誤之處，真誠希望廣大讀者特別是從事“電工學”教學的同仁批評、指正！

編者

2014年9月於清華大學

目錄

第1章電路的基本概念和分析方法

1.1電路變數

1.1.1電流及其參考方向

1.1.2電壓、電壓的參考方向和電位

1.1.3電功率和電能

1.2基爾霍夫定理

1.2.1基爾霍夫電流定律

1.2.2基爾霍夫電壓定律

1.3電路元件

1.3.1電阻、電感和電容

1.3.2電源

1.3.3電路元件的額定值

1.4電路的基本分析方法

1.4.1電路方程

1.4.2電阻的串聯、並聯和星/三角等效變換

1.4.3支路電流法

1.4.4節點電位法

1.5線性電路中的重要定理

1.5.1疊加定理

1.5.2等效電源定理

1.5.3最大功率傳輸定理

1.6含受控源電路的分析

1.6.1獨立源與受控源

1.6.2含受控源電路的分析

本章小結

習題

第2章電路仿真程式SPICE入門

2.1SPICE簡介

2.2SPICE電路檔案

2.2.1在SPICE中怎樣描述電路

2.2.2元件值的寫法

2.2.3電路檔案的編輯與運行

2.3元件語句

2.3.1電阻、電容和電感

2.3.2電源

2.4直流分析語句（DC analysis）

2.5輸出語句(output statements)

2.6子電路(subcircuit)的定義和調用

2.7.model語句與二極體、開關在SPICE中的表示法

2.7.1.model語句

2.7.2開關模型(switch models)

2.7.3二極體模型(diode model)

2.8用SPICE分析直流電路舉例

本章小結

習題

第3章正弦交流電路

3.1正弦量的數學描述

3.1.1正弦量的三要素

3.1.2正弦量的相量表示法

3.2單一參數的正弦交流電路

3.2.1理想電阻電路

3.2.2理想電感電路

3.2.3理想電容電路

3.3RLC串聯電路

3.3.1RLC串聯電路中電壓和電流的關係及阻抗

3.3.2RLC串聯電路中的功率

3.4正弦交流電路中電壓和電流的分析

3.4.1阻抗的串並聯

3.4.2正弦交流電路的分析舉例

3.5正弦交流電路中的功率

3.5.1正弦交流電路中功率的計算

3.5.2功率因數的提高

3.5.3正弦交流電路中的功率守恆

3.5.4正弦交流電路的最大功率傳輸

3.6電路中的諧振現象

3.6.1串聯諧振

3.6.2並聯諧振

3.6.3諧振的套用舉例

3.7電路的頻率特性

3.7.1傳遞函式

3.7.2濾波器的類型

3.7.3濾波器的性能

3.8SPICE在正弦交流電路分析中的套用

3．8．1SPICE中正弦交流電源的表示方法

3．8．2電阻、電感、電容在SPICE中的表示方法

3．8．3SPICE中的弛豫分析語句．tran

3．8．4交流分析語句．ac

本章小結

習題

第4章三相交流電路

4.1三相交流電源

4.1.1三相交流電動勢的產生及其特點

4.1.2三相交流電源的連線

4.1.3線電壓和相電壓

4.2三相負載的連線

4.3三相電路中電壓和電流的分析

4.3.1三相負載星形連線時電路中的電壓和電流

4.3.2三相負載三角形連線時電路中的電壓和電流

4.4三相電路的功率

4.4.1三相電路功率（threephase power）的計算

4.4.2三相電路功率的測量

4.5三相電源的相序

4.6用SPICE分析三相交流電路

本章小結

習題

第5章非正弦周期交流電路

5.1概述

5.2非正弦周期交流信號的分解

5.3非正弦周期交流電路的計算

5.4有效值和平均功率的計算

5.4.1有效值

5.4.2平均功率

5.5脈衝信號源在SPICE中的表示法與傅立葉分析（.Fourier）語句

5.5.1脈衝信號源在SPICE中的表示法

5.5.2SPICE中的非線性受控源

5.5.3SPICE的傅立葉分析（.Fourier）語句

5.6用SPICE分析非正弦電路舉例

本章小結

習題

第6章電路的過渡過程

6.1概述

6.2換路定理及起始值的確定

6.2.1換路定理

6.2.2起始值的確定

6.3一階電路過渡過程的分析方法

6.3.1經典法

6.3.2三要素法

6.3.3用疊加法求一階電路的回響

6.4脈衝激勵下的RC電路

6.4.1微分電路

6.4.2積分電路

6.4.3序列脈衝作用下的RC電路

6.5含有多個儲能元件的一階電路

6.5.1多個儲能元件可等效為一個儲能元件的一階電路

6.5.2起始值不獨立的一階電路

6.5.3實用電路舉例——脈衝分壓電路

6.6二階電路過渡過程簡介

6.6.1RLC電路二階過渡過程求解的簡要說明

6.6.2二階過渡過程的特點

6.7用SPICE分析電路的過渡過程舉例

本章小結

習題

第7章磁路與變壓器

7.1磁路

7.1.1磁感線、磁感應強度和磁通量

7.1.2磁場強度、安培環路定律和磁路的歐姆定律

7.1.3磁性材料的主要特性

7.2交流鐵心線圈

7.2.1交流勵磁下鐵心線圈的電壓關係式

7.2.2交流勵磁下電壓、電流與磁通的關係

7.3變壓器

7.3.1互感與互感係數

7.3.2變壓器的結構

7.3.3變壓器的工作分析

7.3.4變壓器的外特性與效率

7.3.5變壓器的連線組別

7.3.6一些特殊變壓器

7.3.7變壓器的額定值及型號

7.4互感器和理想變壓器在SPICE中的表示方法

7.4.1互感器在SPICE中的表示方法

7.4.2理想變壓器在SPICE中的表示方法

7.5用SPICE分析變壓器電路舉例

本章小結

習題

第8章電動機

8.1三相異步電動機

8.1.1三相異步電動機的結構及轉動原理

8.1.2三相異步電動機的等效電路

8.1.3三相異步電動機的電磁轉矩和機械特性

8.1.4三相異步電動機的銘牌數據及套用

8.2單相異步電動機

8.2.1單相異步電動機的結構和工作原理

8.2.2單相異步電動機的啟動

8.2.3三相異步電動機的單相運行

8.3直流電動機

8.3.1直流電動機的主要結構

8.3.2直流電動機的工作原理

8.3.3機械特性

8.3.4直流電動機的調速

8.3.5直流電動機的使用

8.3.6直流電動機的額定值

8.4控制電動機

8.4.1步進電動機

8.4.2伺服電動機

本章小結

習題

第9章繼電器、接觸器控制

9.1常用低壓電器

9.1.1刀開關

9.1.2熔斷器

9.1.3控制按鈕

9.1.4行程開關

9.1.5交流接觸器

9.1.6中間繼電器

9.2三相異步電動機的啟—保—停控制及電動機的保護

9.2.1三相異步電動機的啟—保—停控制

9.2.2電動機的保護

9.3基本控制環節

9.3.1電動機的啟動和停車控制

9.3.2電動機正反轉控制

9.3.3行程控制

9.3.4時間繼電器和延時控制

9.4綜合套用舉例

本章小結

習題

第10章可程式控制器

10.1可程式控制器的組成與工作原理

10.1.1PLC的組成

10.1.2PLC的工作原理

10.1.3西門子S7200可程式序控制器簡介

10.2S7200 PLC 程式設計基礎

10.2.1可程式序控制器的程式語言與程式結構

10.2.2S7200 PLC 存儲器的數據類型與定址方式

10.3S7200 PLC 的基本指令(SIMATIC指令)

10.3.1位邏輯指令

10.3.2定時器指令

10.3.3計數器指令

10.4小型PLC控制系統設計

10.4.1小型PLC控制系統設計的一般步驟

10.4.2PLC程式的經驗設計方法

10.5利用順序功能圖設計PLC控制程式

10.5.1順序功能圖

10.5.2利用順序控制繼電器指令編寫程式

10.6STEP 7MicroWIN編程軟體使用指南

10.6.1STEP 7MicroWIN編程軟體的視窗界面介紹

10.6.2項目的組成

10.6.3程式的編寫與下載

10.6.4監視與調試程式

本章小結

習題

附錄A電阻器與電位器

附錄B電感與電容

附錄CAIMSPICE的使用方法

附錄D混合電路仿真軟體SPICE OPUS使用說明

附錄E本書用到的SPICE3F5語句

附錄F用電安全技術知識

附錄G常用電工電子術語中英文對照