電路設(shè)計(jì)電路實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)分析電路實(shí)例ppt課件

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§1－8 電路設(shè)計(jì)，電路實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)分析電路實(shí)例,一、電路設(shè)計(jì),首先介紹幾個簡單電阻電路的設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)方法。,1,例l－l4 圖 l－38為某個實(shí)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(dá)式,圖 l－38,2,求解得到電阻R1的符號表達(dá)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(fù)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(fù)載電阻RL=3kΩ后的負(fù)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(fù)載電阻的電路方程,圖 l－39,6,求解方程得到負(fù)載電壓uL的符號表達(dá)式,由此求得電阻R1的符號表達(dá)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(fù)載電壓剛好等于12V。,以上計(jì)算結(jié)果表明，在R1=1kΩ,R2=3kΩ和端接負(fù)載電阻RL=3kΩ時，負(fù)載電壓滿足設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)載電阻時的開路電壓等于uLoc=15V，端接負(fù)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(fù)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(dá)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(dú)立電源的數(shù)值無關(guān)，當(dāng)電路中全部獨(dú)立電壓源用短路代替以及全部獨(dú)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(dá)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(diǎn)，一個特點(diǎn)是從電路任何一點(diǎn)斷開時，斷開兩點(diǎn)之間的等效電阻等于零，另外一個特點(diǎn)是兩個結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)算機(jī)輔助電路分析,利用電路分析的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，馬上就能夠得到各種計(jì)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(jì)算圖1－41所示電路的各電壓，電流和吸收功率。,解: 在計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(diǎn)和終止結(jié)點(diǎn)編號以及元件參數(shù)，就可以得到各結(jié)點(diǎn)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(jì)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(dá)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(jì)算圖1－42(a)電路中輸出電壓UL的符號表達(dá)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(diǎn)依次編號，基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)編號為零，得到圖1－43(b)所示電路數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行SNAP程序，輸入電路數(shù)據(jù)可以得到以下計(jì)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(diǎn) 結(jié)點(diǎn) 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(dú)立結(jié)點(diǎn)數(shù)目 = 3 支路數(shù)目 = 5 ----- 結(jié) 點(diǎn) 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(dá)式如下所示:,18,三、電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),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(diǎn)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(shí)際電路的電路模型，電路模型近似描述實(shí)際電路的電氣特性，電路模型與實(shí)際電路是有區(qū)別的，一個實(shí)際電路可以用不同的電路模型來模擬。 2．實(shí)際電路的幾何尺寸遠(yuǎn)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?；鶢柣舴蚨蛇m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(diǎn)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(dá)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(diǎn)序列的的各段電壓的代數(shù)和等于零。其數(shù)學(xué)表達(dá)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的 KCL方程和(b-n+1)個網(wǎng)孔的KVL方程構(gòu)成。,25,郁金香,26,