電路設(shè)計電路實驗及計算機分析電路實例ppt課件

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§1－8 電路設(shè)計，電路實驗和計算機分析電路實例,一、電路設(shè)計,首先介紹幾個簡單電阻電路的設(shè)計和實際電阻器的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。再說明如何用教材光盤中的計算機程序分析電阻電路。最后介紹用半導(dǎo)體管特性圖示儀觀測電阻器件電壓電流關(guān)系曲線的實驗方法。,1,例l－l4 圖 l－38為某個實際電路的電路模型，已知電壓源電壓uS=10V，電流源電流iS=1mA，欲使電壓u2=5V，試確定兩個電阻器的電阻值R1和R2。,解: 列出電路方程，并求解得到電壓u2的符號表達式,圖 l－38,2,求解得到電阻R1的符號表達式,按照表1－5選擇電阻值，假設(shè)選擇R2=1kΩ。并代入uS=10V，iS=1mA和u2=5V得到,從表1－5中選擇接近833Ω的電阻值，假如選擇R1=820Ω，R2=1kΩ時，電壓u2等于,3,假如選擇R2=7.5kΩ，計算出電阻R1的值為,表1－5中剛好有3kΩ的電阻，假如選擇R1=3kΩ和R2=7.5kΩ的電阻器，電壓u2剛好等于5V。,計算表明R1=3kΩ和R2=7.5kΩ正好符合要求。假如選擇容差為±5％的電阻器，其電阻值的變化范圍為R1=2 850～3 150Ω，R2=7 125～7 875Ω，通過計算可以證明電壓u2將在4.75～5.25V之間變化。此例說明根據(jù)電路模型來確定實際電路的電阻器時，必須考慮從商業(yè)上能買到的那些電阻器。,4,表1－5 電阻器的標(biāo)準(zhǔn)電阻值,注：表中列出容差為±5％的全部電阻值，加粗部分是容差為±10％的電阻值。,5,例l－l5 圖 l－39表示一個電阻分壓電路端接負載電阻RL的電路模型，已知電壓源電壓uS=20V，假如要求端接負載電阻RL=3kΩ后的負載電壓uL=12V，試確定兩個電阻器的電阻值R1和R2。,解: 列出端接負載電阻的電路方程,圖 l－39,6,求解方程得到負載電壓uL的符號表達式,由此求得電阻R1的符號表達式,按照表1－5選擇電阻值，假如選擇R2=3kΩ,代入uS=20V，RL=3kΩ和uL=12V得到,7,表1－5中剛好有1kΩ的電阻器，假如選擇R1=1kΩ,R2=3kΩ,則負載電壓剛好等于12V。,以上計算結(jié)果表明，在R1=1kΩ,R2=3kΩ和端接負載電阻RL=3kΩ時，負載電壓滿足設(shè)計要求，即uL=12V。假如選擇容差為±5％的電阻器，電阻值的變化范圍為R1=950～1050Ω，R2=RL=2850～3150Ω，通過計算可以證明電壓u2將在11.515～12.475V之間變化。圖1－39所示電阻分壓電路在不接負載電阻時的開路電壓等于uLoc=15V，端接負載電阻RL=3kΩ時下降為uL=12V。一般來說，電阻分壓電路在端接負載電阻后會使輸出電壓有所下降。,8,例l－l6電路如圖l－40(a)所示，試判斷電路參數(shù)在什么條件下該電路沒有惟一解。,解：列出圖l－40(a)電路的支路電流方程,求出電路方程系數(shù)行列式的符號表達式,圖l－40,9,電路存在惟一解的條件是detT≠0，令上式detT＝0，求得,10,讀者應(yīng)該注意到電路方程的系數(shù)與電路中獨立電源的數(shù)值無關(guān)，當(dāng)電路中全部獨立電壓源用短路代替以及全部獨立電流源用開路替代時，不會影響電路方程的系數(shù)。由此可以斷定圖1－40(b)電路的行列式表達式與圖1－40(a)相同，其電阻參數(shù)剛好滿足detT=0條件因此沒有惟一解。如何從物理概念上理解圖1－40(b)電路沒有惟一解呢？讀者注意到圖1－40(b)電路具有兩個特點，一個特點是從電路任何一點斷開時，斷開兩點之間的等效電阻等于零，另外一個特點是兩個結(jié)點之間的等效電導(dǎo)等于零，即等效電阻為無窮大。,11,當(dāng)我們在電路任何一點斷開接入電壓源時，將產(chǎn)生無窮大的電流，導(dǎo)致電路沒有惟一解。而當(dāng)我們在電路兩個結(jié)點之間接入電流源時，將產(chǎn)生無窮大的電壓，導(dǎo)致電路沒有惟一解。例如R2=6Ω和R3=3Ω并聯(lián)的等效電阻為2Ω，它與R1=-2Ω的串聯(lián)的等效電阻為零，這個零電阻將使電壓源短路產(chǎn)生無窮大的電流，導(dǎo)致電路沒有惟一解。 R2=6Ω和R3=3Ω并聯(lián)的等效電阻為2Ω，它與R1=-2Ω的并聯(lián)的等效電阻為無窮大，這個無窮大的電阻在電流源作用下將產(chǎn)生無窮大電壓，導(dǎo)致電路沒有惟一解。由此可見，電路方程系數(shù)行列式確定了一個電路的基本特性。,12,二、計算機輔助電路分析,利用電路分析的計算機程序可以很方便地解算各種電路習(xí)題，只需要電路的連接關(guān)系和參數(shù)按照一定要求告訴計算機，馬上就能夠得到各種計算結(jié)果，便于了解各種電路的特性和更好地掌握電路理論，可以節(jié)省“ 筆算”求解復(fù)雜電路的大量時間。,13,例l－l7 利用本教材提供的直流電路分析程序DC計算圖1－41所示電路的各電壓，電流和吸收功率。,解: 在計算機上運行DC.EXE程序，按照屏幕提示從鍵盤輸入支路數(shù)目和每條支路的類型，支路編號，開始結(jié)點和終止結(jié)點編號以及元件參數(shù)，就可以得到各結(jié)點電壓，各支路電壓，各支路電流以及各支路吸收功率，如圖所示。,圖1－41,14,,15,計算結(jié)果得到的各支路電壓，電流和吸收功率為,,利用本教材提供的符號網(wǎng)絡(luò)分析程序可以分析元件參數(shù)用Us，Is，R1，R2，L1，C1等符號表示的電路，得到電壓電流的符號表達式，對深入了解電路特性十分有用。,16,例l－l8利用符號網(wǎng)絡(luò)分析程序計算圖1－42(a)電路中輸出電壓UL的符號表達式。,解:將電路各支路依次編號，支路電壓電流采用關(guān)聯(lián)參考方向，將電路的結(jié)點依次編號，基準(zhǔn)結(jié)點編號為零，得到圖1－43(b)所示電路數(shù)據(jù)。在計算機上運行SNAP程序，輸入電路數(shù)據(jù)可以得到以下計算結(jié)果。,圖1－42,17,circuit data 元件 支路 開始 終止 控制 元 件 元 件 類型 編號 結(jié)點 結(jié)點 支路 符 號 符 號 V 1 1 0 Us R 2 1 2 R1 R 3 2 3 R2 R 4 3 0 Rw R 5 2 0 RL 獨立結(jié)點數(shù)目 = 3 支路數(shù)目 = 5 ----- 結(jié) 點 電 壓 , 支 路 電 壓 和 支 路 電 流 ----- RLRwUs+R2RLUs U5 = ------------------------------------------------- RLRw+R2RL+R1RL+R1Rw+R1R2,求得的電壓UL的符號表達式如下所示:,18,三、電路實驗設(shè)計,電阻器件是電路中最常用的一種電氣器件，它的特性是由端口電壓電流關(guān)系曲線來表征的，測量二端電阻器件的基本方法是用電壓表和電流表。本教材利用半導(dǎo)體管特性圖示儀來測量二端電阻器件和電阻單口網(wǎng)絡(luò)的電壓電流關(guān)系曲線，非常直觀，操作簡單方便。只要將被測量的二端電阻器件或電阻單口網(wǎng)絡(luò)插入標(biāo)注C和接地符號的插孔內(nèi)，調(diào)整峰值電壓旋鈕到適當(dāng)位置就可以觀測到電阻特性曲線。圖1－44表示測量一個由電池、電阻和發(fā)光二極管所構(gòu)成的非線性電阻單口網(wǎng)絡(luò)特性曲線的情況。,19,,圖1－43 測量非線性電阻單口網(wǎng)絡(luò)的特性曲線,圖1－43表示測量一個由電池、電阻和發(fā)光二極管所構(gòu)成的非線性電阻單口網(wǎng)絡(luò)特性曲線的情況。,20,根據(jù)教學(xué)需要，用鼠標(biāo)點擊名稱的方法放映相關(guān)錄像。,21,摘 要 1．電路理論課程研究的對象是實際電路的電路模型，電路模型近似描述實際電路的電氣特性，電路模型與實際電路是有區(qū)別的，一個實際電路可以用不同的電路模型來模擬。 2．實際電路的幾何尺寸遠小于電路工作信號的波長時，可用電路元件連接而成的集總參數(shù)電路(模型)來模擬。基爾霍夫定律適用于任何集總參數(shù)電路。 3．基爾霍夫電流定律(KCL)陳述為：對于任何集總參數(shù)電路，在任一時刻，流出任一結(jié)點或封閉面的全部支路電流的代數(shù)和等于零。其數(shù)學(xué)表達式,22,4．基爾霍夫電壓定律(KVL)陳述為：對于任何集總參數(shù)電路，在任一時刻，沿任一回路或閉合結(jié)點序列的的各段電壓的代數(shù)和等于零。其數(shù)學(xué)表達式為 5．一般來說，二端電阻由代數(shù)方程f(u,i)=0來表征。線性電阻滿足歐姆定律(u=Ri)，其特性曲線是平面上通過原點的直線。 6．電壓源的特性曲線是u-i平面上平行于軸的垂直線。電壓源的電壓uS(t)按給定時間函數(shù)變化，其電流由uS(t)和外電路共同確定。,23,7．電流源的特性曲線是u-i平面上平行于軸的水平線。電流源的電流iS(t)按給定時間函數(shù)變化，其電壓由iS(t)和外電路共同確定。 8．對于具有條支路和個結(jié)點的連通電路，有(n-1)個線性無關(guān)的 KCL方程，(b-n+1)個線性無關(guān)的KVL方程和個支路特性方程。 9．任何集總參數(shù)電路的電壓電流都要受KCL、KVL和VCR方程的約束。直接反映這些約束關(guān)系的方程是最基本的電路方程，它們是分析電路的基本依據(jù)。,24,10．電路分析的基本方法是用KCL、KVL和VCR對已知電路模型建立一組電壓，電流的約束方程(電路方程)，并求解電路方程得到反映電路特性的電壓，電流和電功率。 11．由電阻和電壓源構(gòu)成的電路，可以用b個支路電流作為變量，列出b個支路電流法方程，它通常由(n-1)個結(jié)點的 KCL方程和(b-n+1)個網(wǎng)孔的KVL方程構(gòu)成。,25,郁金香,26,