本書圍繞電路分析方法,全面介紹了電路分析的基本概念、基本原理和基本方法,主要內(nèi)容為:電路的基本概念及基爾霍夫定律、電路元件及電路基本類型、電路的基本分析方法、電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒、電路基本定理、一階電路、二階電路、相量及相量分析法、三相電路、功率和能量。書后附有部分習(xí)題答案。全書配有豐富的例題、思考與練習(xí)題、習(xí)題。本書選用通用數(shù)學(xué)分析軟件MATLAB作為電路分析的輔助工具,教材中配有各種電路分析程序。附錄A包含MATLAB語言簡介,附錄B~G對電路分析中的一些疑難問題進(jìn)行了分析。
本書可作為高等學(xué)校電氣信息類各專業(yè)“電路分析基礎(chǔ)”和“電路”課程教材使用,也可作為科技人員的參考書。
電路分析課程是電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí),可使讀者掌握電路的基本理論、基本分析方法和進(jìn)行電路實驗、仿真的初步技能,并為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路理論知識和分析方法。
當(dāng)前,電氣、電子信息科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、課程體系的改革、課程內(nèi)容的更新提出了更高的要求。在高等院校加強通識教育、素質(zhì)教育的大背景下,我們在構(gòu)建適合于電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課程體系過程中,結(jié)合電路分析課程的改革實踐,編寫了本教材。
本教材內(nèi)容符合教育部高等學(xué)校電子信息科學(xué)與電氣信息類基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會2004年頒布的《電路分析基礎(chǔ)》的教學(xué)基本要求。在編寫過程中,我們特別考慮了以下問題:
(1) 強調(diào)電路分析方法的理論性和應(yīng)用性的結(jié)合。電路是一門理論性和工程性都非常強的學(xué)科,而電路分析課程又是電氣信息類各專業(yè)開設(shè)的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。我們力求在內(nèi)容敘述上既要講清楚電路分析的方法,又要說清楚該方法的理論基礎(chǔ)。對一些較難、不宜在課堂上講授,但對讀者深入理解和掌握電路分析方法有幫助的內(nèi)容,我們將之歸入附錄B~G,供讀者參考。
同時,在教材中有針對性地編入一些強調(diào)電路理論應(yīng)用的內(nèi)容。如微分電路、積分電路在波形轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用(例6.3.5、例6.3.6)、諧振電路(第8.7.3節(jié))、功率因數(shù)的提高(第10.2.5節(jié))等,以培養(yǎng)讀者的工程應(yīng)用意識。
(2) 難度適中,既注重基本概念、基本理論的闡述,又強調(diào)解題的技巧性和靈活性。在本書編寫過程中,力圖講清電路分析的基本概念、基本理論和基本方法,同時根據(jù)電路分析題型多變、靈活的特點,適當(dāng)強調(diào)解題的技巧性和靈活性。
(3) 以電路的分析方法為主線,便于讀者掌握電路分析的方法。全書的編寫結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。
全書第1、2章主要介紹基本概念、基本規(guī)律、元件和電路的基本類型。隨著電路理論和電路應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在更加強調(diào)電路端口特性的分析和電路等效的應(yīng)用,本書第2章以端口為線索來安排電路元件和電路類型的內(nèi)容,而將電路的等效變換的內(nèi)容歸入第3.1節(jié)。
從第3章開始介紹電路分析的各種方法,包括電路的基本分析方法(第3章)、電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒ǎǖ?章)、電路定理(第5章)、動態(tài)電路的分析方法(第6、7章)、相量分析方法(第8、9章)。對動態(tài)電路的分析,將大部分的基本概念和基本方法歸入第6章,以引導(dǎo)讀者盡快理解和掌握動態(tài)電路分析中所面對的問題及相應(yīng)的分析方法; 第7章以動態(tài)電路分析的時域分析、復(fù)頻域分析、狀態(tài)變量分析進(jìn)行分節(jié)編排,以期讓讀者理解動態(tài)電路分析方法的概貌。
電路分析的目的不僅僅是求得電路中的電壓和電流變量,對電路應(yīng)用的使用者而言,關(guān)心電路消耗的功率和能量也許更重要,典型的例子就是電力系統(tǒng)中的用戶都裝有計量電能量的電度表。全書以功率和能量(第10章)作為結(jié)束,正是表達(dá)了我們的這一看法。
考慮到不同高校在電路課程教學(xué)中對知識點的不同需求,以及不同的教學(xué)學(xué)時數(shù),本教材對部分較難、較深的內(nèi)容標(biāo)以“*”號,在教學(xué)中略去這部分內(nèi)容并不影響授課的連續(xù)性。
(4) 強調(diào)可讀性,精選例題和習(xí)題。通過例題讀者可以更好地掌握電路分析方法,本教材特別注重例題的選取。每章都配置了豐富的思考題與練習(xí)題,通過這些思考題與練習(xí)題,讀者可進(jìn)一步鞏固和掌握電路的基本知識和基本分析方法。每章末還配置了難度適當(dāng)?shù)牧?xí)題,以進(jìn)一步鍛煉讀者的電路分析能力。
(5) 適當(dāng)加入計算機輔助分析的內(nèi)容。電路的計算機輔助分析是電路分析重要而實用的方法,是學(xué)生應(yīng)該掌握的方法,在將來從事實際電路分析工作中必不可少。為了讓讀者了解和掌握電路的計算機輔助分析方法,而又不降低對電路分析的基本概念、基本原理和基本方法的掌握效果,我們選用通用數(shù)學(xué)分析軟件MATLAB作為電路分析的輔助工具,在教材中插入各種電路分析程序,供讀者學(xué)習(xí)、揣摩。
本書由多位作者分工撰寫。上海交通大學(xué)陳洪亮編寫第1、6、7章,華東理工大學(xué)吳雪編寫第4章及2.5節(jié),其余章節(jié)由上海交通大學(xué)田社平編寫。全書習(xí)題由陳洪亮、田社平共同完成,MATLAB程序由田社平負(fù)責(zé)編寫和調(diào)試。全書最后由陳洪亮和田社平統(tǒng)稿。
書稿完成后承清華大學(xué)陸文娟教授仔細(xì)審閱,并提出了許多寶貴的建議。作者在此致以衷心的感謝。
在編寫教材過程中,課程組老師和我們的學(xué)生提出了積極的建議,同時本書的編寫還參考了許多兄弟院校的教材和文獻(xiàn),在此一并表示感謝。
由于編寫時間較為倉促,加上水平所限,缺點和不足之處在所難免,歡迎廣大讀者批評指正。
編者
2008年8月
第1章電路的基本概念及基爾霍夫定律
1.1電路電路圖集中參數(shù)元件集中參數(shù)電路
1.1.1實際電路與電路模型
1.1.2集中參數(shù)元件和集中參數(shù)電路
1.2電路變量及其參考方向
1.2.1電流、電壓及其參考方向
1.2.2功率與能量
1.3基爾霍夫定律
1.3.1基爾霍夫電流定律
1.3.2基爾霍夫電壓定律
習(xí)題
第2章電路元件及電路基本類型
2.1二端電路元件
2.1.1電阻元件
2.1.2獨立電源
2.1.3電容元件
2.1.4電感元件
2.2二端口電路元件
2.2.1受控電源
2.2.2運算放大器
2.2.3耦合電感
2.2.4理想變壓器
2.3電路基本類型
2.4一端口電路及其端口特性
2.4.1一端口電路
2.4.2一端口電路的電壓電流關(guān)系
2.5二端口電路及其端口特性
2.5.1二端口電路
2.5.2二端口電路的電壓電流關(guān)系
2.5.3二端口電路各參數(shù)間的關(guān)系
習(xí)題
第3章電路的基本分析方法
3.1等效電路與等效變換
3.2二端電路的等效變換
3.2.1電阻、電容、電感的串聯(lián)與并聯(lián)
3.2.2含獨立電源電路的等效變換
3.2.3含受控源電路的等效變換
3.2.4具有等電位節(jié)點/零電流支路電路的等效變換
3.3多端電路的等效變換
3.3.1T形電路和Π形電路的等效變換
3.3.2二端口電路的互連
3.4獨立電流變量和獨立電壓變量
3.5回路分析法
3.6節(jié)點分析法
3.7電路的對偶性
習(xí)題
第4章電路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒?br />
4.1樹割集
4.1.1電路的圖
4.1.2基本回路和基本割集
4.2關(guān)聯(lián)矩陣回路矩陣割集矩陣
4.2.1關(guān)聯(lián)矩陣及基爾霍夫定律的關(guān)聯(lián)矩陣形式
4.2.2基本回路矩陣及基爾霍夫定律的關(guān)聯(lián)矩陣形式
4.2.3基本割集矩陣及基爾霍夫定律的關(guān)聯(lián)矩陣形式
4.2.4A、B、Q矩陣之間的關(guān)系
4.3一般支路及其電壓電流關(guān)系的矩陣形式
4.4節(jié)點分析的矩陣方法
4.5回路分析的矩陣方法
4.6割集分析的矩陣方法
4.7節(jié)點分析、回路分析和割集分析方法的比較
習(xí)題
第5章電路基本定理
5.1齊次定理和疊加定理
5.1.1齊次定理
5.1.2疊加定理
5.2置換定理
5.3戴維南定理和諾頓定理
5.3.1戴維南定理
5.3.2諾頓定理
5.4特勒根定理
5.5互易定理
習(xí)題
第6章一階電路
6.1一階電路及其電路方程
6.1.1一階電路及其方程
6.1.2一階電路方程的求解
6.2三要素法求解一階直流電路
6.3經(jīng)典法分析一階電路
6.3.1零輸入響應(yīng)
6.3.2零狀態(tài)響應(yīng)
6.3.3完全響應(yīng)
6.4一階電路的階躍響應(yīng)
6.5一階電路的沖激響應(yīng)
*6.6動態(tài)電路對任意輸入的零狀態(tài)響應(yīng)(卷積積分)
習(xí)題
第7章二階電路
7.1二階電路的時域分析
7.1.1二階電路方程及其求解
7.1.2二階RLC電路的零輸入響應(yīng)
7.1.3二階RLC電路的零狀態(tài)響應(yīng)
*7.1.4二階RLC電路的全響應(yīng)
7.2動態(tài)電路的復(fù)頻域分析
7.2.1拉普拉斯變換及其性質(zhì)簡介
7.2.2電路基本定律及電路元件的復(fù)頻域形式
7.2.3應(yīng)用拉普拉斯變換分析動態(tài)電路
*7.3動態(tài)電路的狀態(tài)變量分析
7.3.1電路的狀態(tài)和狀態(tài)變量
7.3.2狀態(tài)方程及其列寫
7.3.3狀態(tài)方程的解法
習(xí)題
第8章相量及相量分析法
8.1相量及其基本性質(zhì)
8.1.1正弦量
8.1.2相量的基本概念
8.1.3相量的基本性質(zhì)
8.2KCL和KVL的相量形式
8.3電路元件電壓電流關(guān)系的相量形式
8.3.1一端口電路元件電壓電流關(guān)系的相量形式
8.3.2二端口電路元件電壓電流關(guān)系的相量形式
8.4阻抗與導(dǎo)納
8.4.1阻抗與導(dǎo)納
8.4.2一端口電路相量模型的等效
8.5正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析
8.5.1相量分析法
8.5.2相量分析法的應(yīng)用
8.6非正弦周期穩(wěn)態(tài)電路的分析
8.6.1非正弦周期波形的傅里葉級數(shù)展開
8.6.2非正弦周期穩(wěn)態(tài)電路的響應(yīng)
*8.6.3傅里葉變換簡介
8.7頻率響應(yīng)與諧振電路
8.7.1網(wǎng)絡(luò)函數(shù)與頻率特性
8.7.2RLC串聯(lián)電路的頻率特性
8.7.3諧振電路
習(xí)題
第9章三相電路
9.1三相電的基本原理
9.2三相電路的基本接法
9.2.1星形連接
9.2.2三角形連接
9.3對稱三相電路的分析
9.4非對稱三相電路的分析
習(xí)題
第10章功率和能量
10.1瞬時功率和能量
10.1.1瞬態(tài)過程的功率和能量
10.1.2穩(wěn)態(tài)電路的瞬時功率
10.2有功功率和無功功率
10.2.1有功功率
10.2.2無功功率
10.2.3表觀功率
10.2.4非正弦周期穩(wěn)態(tài)電路的功率
10.2.5功率因數(shù)的提高
10.3復(fù)功率
10.3.1復(fù)功率的基本概念
10.3.2復(fù)功率守恒
10.4功率的傳輸
10.4.1功率傳輸?shù)墓曹椘ヅ?br />
10.4.2功率傳輸?shù)哪Fヅ?br />
10.5三相電路的功率
10.5.1三相電路功率的基本概念
10.5.2三相電路功率的測量
習(xí)題
附錄AMATLAB語言簡介
附錄B運算放大器工作狀態(tài)的判定
附錄C含源T形電路和含源Π形電路的等效變換
附錄D二端口電路互連有效性的結(jié)論及證明
附錄E奇異電路及其能量分析
附錄F一般高階電路響應(yīng)的時域求解
附錄G正弦穩(wěn)態(tài)最大功率傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法
部分習(xí)題答案
中英文名詞索引
參考文獻(xiàn)