電路與信號分析基礎

《電路與信號分析基礎》是2011年9月1日電子工業出版社出版發行廖麗娟著作的實體書。本書系統地介紹了電路、信號與系統的基本概念、基本理論和基本分析方法。

基本介紹

• 書名：電路與信號分析基礎
• 作者：廖麗娟
• ISBN：9787121137129
• 頁數： 268頁
• 出版社：電子工業出版社 
• 出版時間：2011年9月1日
• 版次：1
• 條形碼：9787121137129
• 尺寸及重量： 25.8 x 18.4 x 1.2 cm ; 422 g

內容簡介

本書是太原理工大學國家級特色專業、教育部“卓越工程師教育培養計畫”建設成果。全書共6章，內容包括基礎知識、直流電路分析、一階電路時域分析、正弦穩態電路分析、信號與系統的頻域分析、信號與系統的復頻域分析。各章配有適量的例題和習題，以利於學生更好地掌握基礎理論知識和分析方法。本書配有PPT和習題解答等教學資源。

圖書目錄

第1章 基礎知識 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 電路、信號與系統的基本概念 (2)

1.2.1 電路及電路模型 (2)

電流流過的迴路叫做電路，又稱導電迴路。最簡單的電路，是由電源、負載、導線、開關等元器件組成。電路導通叫做通路。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極間沒有負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而不會經過該元件，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致電源、用電器、電流表被燒壞。

電路（英語：Electrical circuit）或稱電子迴路，是由電器設備和元器件, 按一定方式連線起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣迴路，簡稱網路或迴路。如電源、電阻、電容、電感、二極體、三極體、電晶體、IC和電鍵等，構成的網路、硬體。負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線連線而成。用不同特性的電路元件按照不同的方式連線就構成不同特性的電路。

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，應當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 系統的基本概念 (6)

1.3 電路的基本變數 (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律，是分析和計算較為複雜電路的基礎，1845年由德國物理學家G.R.基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）提出。它既可以用於直流電路的分析，也可以用於交流電路的分析，還可以用於含有電子元件的非線性電路的分析。運用基爾霍夫定律進行電路分析時，僅與電路的連線方式有關，而與構成該電路的元器件具有什麼樣的性質無關。基爾霍夫定律包括電流定律（KCL)和電壓定律(KVL)，前者套用於電路中的節點而後者套用於電路中的迴路。

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仿真套用 (23)

1.7.1 Multisim 2001軟體簡介 (23)

1.7.2 Multisim 2001實例 (23)

小結 (25)

習題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、並聯及混聯的等效

變換 (29)

2.1.2 電阻星形連線與三角形連線及其

等效變換 (32)

2.1.3 含獨立電源網路的等效

變換 (35)

2.2 複雜電路的一般分析法 (39)

2.2.1 支路電流法 (39)

2.2.2 網孔電流法 (40)

2.2.3 節點電壓法 (42)

2.3 線性電路的幾個基本定理 (44)

2.3.1 疊加定理 (44)

線上性電路中，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於電路時，在該支路產生的電流（或電壓）的代數和（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，它們取決於電路的參數和輸出變數的選擇，而與獨立電源無關

2.3.2 替代定理 (46)

替代定理：如果網路N由一個電阻單口網路NR和一個任意單口網路NL連線而成，則：

1．如果連線埠電壓u有惟一解，則可用電壓為u的電壓源來替代單口網路NL，只要替代後的網路[圖(b)]仍有惟一解，則不會影響單口網路NR內的電壓和電流。

2．如果連線埠電流i有惟一解，則可用電流為i的電流源來替代單口網路NL，只要替代後的網路[圖(c)]仍有惟一解，則不會影響單口網路NR內的電壓和電流。

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路N，就連線埠特性而言，可以等效為一個電壓源和電阻串聯的單口網路。電壓源的電壓等於單口網路在負載開路時的電壓uoc；電阻R0是單口網路內全部獨立電源為零值時所得單口網路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，是由法國科學家L·C·戴維南於1883年提出的一個電學定理。由於早在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。其內容是：一個含有獨立電壓源、獨立電流源及電阻的線性網路的兩端，就其外部型態而言，在電性上可以用一個獨立電壓源V和一個鬆弛二端網路的串聯電阻組合來等效。在單頻交流系統中，此定理不僅只適用於電阻，也適用於廣義的阻抗。

對於含獨立源，線性電阻和線性受控源的單口網路（二端網路），都可以用一個電壓源與電阻相串聯的單口網路（二端網路）來等效，這個電壓源的電壓，就是此單口網路（二端網路）的開路電壓，這個串聯電阻就是從此單口網路（二端網路）兩端看進去，當網路內部所有獨立源均置零以後的等效電阻。

uoc 稱為開路電壓。Ro稱為戴維南等效電阻。在電子電路中，當單口網路視為電源時，常稱此電阻為輸出電阻，常用Ro表示；當單口網路視為負載時，則稱之為輸入電阻，並常用Ri表示。電壓源uoc和電阻Ro的串聯單口網路，常稱為戴維南等效電路。

當單口網路的連線埠電壓和電流採用關聯參考方向時，其連線埠電壓電流關係方程可表為：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路N，就連線埠特性而言，可以等效為一個電流源和電阻的並聯。電流源的電流等於單口網路從外部短路時的連線埠電流isc；電阻R0是單口網路內全部獨立源為零值時所得網路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路N(圖1a), 就其外部狀態而言,可以用一個獨立電流源isc和一個鬆弛二端網路N0的並聯組合來等效(圖1b)。其中，isc是網路N的短路電流，鬆弛網路N0是將網路 N中的全部獨立電源和所有動態元件上的初始條件置零後得到的網路。上述並聯組合稱為諾頓等效網路。在復頻域中等效網路由電流源Isc和運算元阻抗Yi(s)並聯而成（圖2）。Isc(s)是短路電流的拉普拉斯變換，Yi(s)是鬆弛網路N0的入端（策動點）導納。另外，還能導出網路N用於正弦穩態分析和直流分板的等效網路。

求等效電路的關鍵是求出網路N的短路電流和網路N0的入端（策動點）導納。它們均可通過電子計算機求得。

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的並聯單口，稱為單口網路的諾頓等效電路。在連線埠電壓電流採用關聯參考方向時，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 (57)

習題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 一階電路的零輸入回響 (69)

3.2.2 一階電路的零狀態回響 (73)

3.3 一階電路的全回響 (75)

3.3.1 一階電路的全回響 (75)

3.3.2 三要素法 (77)

3.4 一階電路的階躍回響 (79)

3.4.1 單位階躍信號 (79)

3.4.2 階躍回響 (81)

3.5 一階電路的衝激回響 (82)

3.5.1 單位衝激信號的定義 (82)

3.5.2 衝激回響 (83)

3.6 卷積積分 (85)

3.6.1 信號的時域分解 (85)

3.6.2 零狀態回響——卷積

積分 (86)

3.7 Multisim動態電路分析 (87)

小結 (88)

習題3 (89)

第4章 正弦穩態電路分析 (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 複數 (97)

4.2.2 相量 (100)

4.3 正弦穩態電路的相量模型 (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係的相量

形式 (102)

4.3.3 電路的相量模型 (105)

4.4 無源二端網路的等效阻抗

與導納 (107)

4.4.1 二端網路的阻抗與導納 (107)

4.4.2 阻抗與導納的串、並聯 (109)

4.4.3 RLC串聯的交流電路 (111)

4.4.4 GLC並聯的交流電路 (113)

4.5 複雜正弦穩態電路分析舉例 (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 二端網路的功率 (122)

4.6.3 復功率 (125)

4.6.4 功率因數的提高 (126)

4.6.5 最大功率傳輸 (129)

4.7 諧振電路 (130)

4.7.1 串聯諧振電路 (130)

4.7.2 並聯諧振電路 (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 負載星形連線的三相

電路 (144)

4.9.3 負載三角形連線的三相

電路 (147)

4.9.4 三相電路的功率 (148)

4.10 Multisim正弦穩態分析 (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 (153)

習題4 (155)

第5章 信號與系統的頻域分析 (162)

5.1 連續周期信號的傅立葉級數

展開 (162)

5.1.1 信號分類 (162)

5.1.2 周期信號分解為傅立葉

級數 (163)

5.1.3 信號對稱性與傅立葉係數

的關係 (165)

5.2 連續周期信號的頻譜 (169)

5.2.1 單邊頻譜 (169)

5.2.2 雙邊頻譜 (170)

5.2.3 典型矩形脈衝信號

的頻譜 (171)

5.2.4 傅立葉級數在電路分析中

的套用 (174)

5.3 連續非周期信號的傅立葉

變換 (178)

5.3.1 非周期信號的傅立葉

變換 (178)

5.3.2 傅立葉變換的物理意義 (179)

5.3.3 典型非周期信號的傅立葉

變換 (179)

5.4 傅立葉變換性質 (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 線性系統的頻域分析 (190)

5.5.1 系統的頻率特性H(j) (190)

5.5.2 頻域分析法 (192)

5.5.3 電路無失真傳輸信號

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衝激

回響 (198)

5.6.4 理想低通濾波器的單位階躍

回響 (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對信號進行傅立葉

分析 (200)

5.7.2 用Multisim對網路的傳輸特性

進行分析 (202)

小結 (204)

習題5 (207)

第6章 信號與系統的復頻域分析 (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 (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 實數單極點情況 (221)

6.3.2 重極點情況 (223)

6.3.3 共軛複數極點情況 (224)

6.4 線性系統的復頻域分析 (225)

6.4.1 微分方程的復頻域分析 (225)

6.4.2 電路的復頻域模型 (226)

6.5 網路函式與網路特性 (231)

6.5.1 網路函式 (231)

6.5.2 網路函式的零、極點 (232)

6.5.3 網路函式的零、極點與

穩定性 (233)

6.5.4 網路函式的零、極點與頻率

特性 (235)

6.6 Multisim復頻域分析 (237)

小結 (241)

習題6 (243)

附錄A Multisim 2001軟體簡介 (246)

A.1 Multisim 2001界面主視窗

簡介 (246)

A.2 用戶界面設定 (254)

A.3 實驗中用到的設備的使用

方法 (255)

A.4 仿真實驗的基本步驟 (258)

參考文獻 (260)