计算机电路基础第1章电路基本分析方法课件.ppt

1、计算机电路基础 计算机电路基础 = + 模拟电子技术 + 数字电路基础 + 高频电子电路 的基础知识电源、电源、usb、功率、考试作业出、功率、考试作业出电路基本物理量：电流、电压、电功率电路元件：电阻、电容、电感、电压源和电流源电路基本定律：欧姆定律、基尔霍夫定律 电路基本分析方法：叠加定理、戴维南定理线性电路暂态分析：换路定律三要素法 第1章 电路基本分析方法 1.1.1 电流1.1.定义：定义：本质是电荷的本质是电荷的定向移动定向移动。 （电子带负电、质子带正电。单位（电子带负电、质子带正电。单位C C 库伦）库伦）2.2.方向：规定方向：规定正电荷正电荷移动的方向为电流的实际方向。移动

2、的方向为电流的实际方向。 如果如果只有负电荷只有负电荷做定向移动，那么做定向移动，那么反方向反方向为实际方向为实际方向3.3.大小：单位时间内通过导体横截面的电荷量大小：单位时间内通过导体横截面的电荷量 I= = I= = 单位单位: :安安 培培 （A A）tqddtq1.1.1直流4.分类：直流：方向不变 稳恒直流：大小方向不变 脉动直流：大小变，方向不变 问：图中哪个是稳恒直流问：图中哪个是稳恒直流1.1.1交流交流：电流方向随时间而变化。交流：电流方向随时间而变化。正弦交流（市电有效值为正弦交流（市电有效值为220V220V，50HZ50HZ。 工业用电工业用电380V380V，50H

3、Z 50HZ ）非正弦交流非正弦交流1.1.1区分交流直流1.1.1电流的方向1.1.参考方向：假设电流方向（可以任意选定）参考方向：假设电流方向（可以任意选定）2.2.实际方向：若电流为正值，则实际方向与参考方向相同；实际方向：若电流为正值，则实际方向与参考方向相同； 若电流为负值，则实际方向与参考方向相反。若电流为负值，则实际方向与参考方向相反。3.Ia=1A03.Ia=1A0；实际方向与参考方向相同，由；实际方向与参考方向相同，由A A到到B B； Ib=-1A0 Ib=-1A00；方向；方向A AB B； “I IABAB ”00, 则电压方向由则电压方向由A指向指向BqWAB1.1.

4、电压通常说电压通常说“UsUs的电压是的电压是1V1V”或或“UsUs两端电压为两端电压为1V1V；” 电位电位“A A点的电位是点的电位是1V1V”A A2.2.任意选定一点为任意选定一点为0 0电位，其他电位，其他 点电位都是相对参考电位而言点电位都是相对参考电位而言3.3.选选A A点为零电位参考点；点为零电位参考点； B=1V；C=1V+2V=3V；D=？4.4.选选B B为零电位参考点；为零电位参考点； B=0V；A=0-1V=-1V；C=0+2V=2V；D=？ 1.UBA=B-A UAB=A-B因此电压也叫 ”电位差 ”uR1两端电压为1V，uR2两端电压为2V，uR3两端电压为1

5、V 还是 -1V？uUCD=？ UDC=？1.I1.I和和U U参考方向选定是相互参考方向选定是相互独立独立的，可任意选定；但是的，可任意选定；但是2.2.对于同一段电路，同一个对于同一段电路，同一个元件，元件， I I和和U U参考方向参考方向通常选为一致，通常选为一致， 称为称为关联参考方向关联参考方向；3.I3.I从从“+ +”流入，流入，“- -”流出。流出。4.4.否则，称为非关联参考方向。否则，称为非关联参考方向。1.1.2关联参考方向关联参考方向1.1.电压参考方向可以任意确定；电压参考方向可以任意确定；2.2.电压实际方向是客观存在的，并不因电压参考方向的电压实际方向是客观存在

6、的，并不因电压参考方向的 不同选择而改变；不同选择而改变；3.3.不规定电压参考方向而分析电压正负是没有意义的。不规定电压参考方向而分析电压正负是没有意义的。1.1. 定义：定义： 电能对时间的变化率称为电功率电能对时间的变化率称为电功率p p( (t t)= )= = =uiui 。 2.2.含义：表示器件发出或者吸收电能的快慢。含义：表示器件发出或者吸收电能的快慢。 单位单位: :瓦瓦 特特 （W W）3.3.p p 0 0时为吸收功率，时为吸收功率，p p 00，吸收功率u图b，U和I方向相反，P0, 发出功率图a，b均表示实际方向。1. 电流从高电位流向低电位，电流从高电位流向低电位，

7、 耗能元件，吸收功率；耗能元件，吸收功率；2. 电流从低电位流向高电位，电流从低电位流向高电位， 如电源，发出功率。如电源，发出功率。水往低处流，如果水往高出，一定是其他能量转化，如化学能，动能水往低处流，如果水往高出，一定是其他能量转化，如化学能，动能1.1.3电能/额定值1.1.电能：一定功率的元件在一段电能：一定功率的元件在一段时间内发出或吸收的能量，时间内发出或吸收的能量，单位单位 J J（焦耳）。（焦耳）。2.2.一度电一度电=1=1千瓦时千瓦时=1KWh=1KWh =1000w X 3600s=3.6 x 106J =1000w X 3600s=3.6 x 106J3.3.额定值：

8、指设备安全、经济、额定值：指设备安全、经济、正常运行时的使用值。对应正常运行时的使用值。对应有：额定电流，额定电压，有：额定电流，额定电压，额定功率额定功率u某灯泡额定电压某灯泡额定电压220V220V，额定功，额定功率率40W40Wu接到接到110V110V，灯泡昏暗，功率小，灯泡昏暗，功率小于于40W40Wu接到接到380V380V，灯泡过亮，功率大，灯泡过亮，功率大于于40W40W，容易烧坏，容易烧坏 定义：定义：元件两端的电压与流过元件的电流的比值称为电阻。元件两端的电压与流过元件的电流的比值称为电阻。 R R = = ，单位：，单位：欧欧 姆姆 特点：特点： 对电流有阻碍作用；对电流

9、有阻碍作用； 电阻是耗能元件；电阻是耗能元件； 电流流过电阻会产生电压降电流流过电阻会产生电压降 , ,电阻两端有一定的电压。电阻两端有一定的电压。 电导：电阻的倒数称为电导，电导：电阻的倒数称为电导，G G = = 。单位：。单位：S S 西西 门子门子 iuR1u串联串联uR RABAB=R1+R2+R3=R1+R2+R3u并联，电导相等并联，电导相等 = + + = + + 。+ +21Rn1RR111R黑板串并联计算黑板串并联计算u先计算BC间电阻 GBC=1/RBC =1/30+1/30+1/30=1/10 S RBC=10 RAB=RAC+RCB =10+10 =201、标节点2、

10、编序号3、改画电路【例【例1-1】 已知电阻混联电路如图所示，试求已知电阻混联电路如图所示，试求AB端等效电阻。端等效电阻。 R1R2R3R6R4R7R5ABCDR1R2R3R7R4R6R5ABABBACCCD3222444AB改画电路改画电路 标节点标节点; 编序号编序号 计算等效电阻计算等效电阻R=R1/(R3/R2)+R4/(R5/R6)+R7=3/(2/2)+4/(4/4)+2=1.5 定义：定义：C C = = ；一个二端元件其存储的电荷一个二端元件其存储的电荷q q与其端电压与其端电压u u的比值的比值 称为电容。称为电容。 单位：单位：F F法法 拉拉 ，1F=101F=106

11、6F=10F=109 9nF=10nF=101212pFpF。2.2. 电容并联：电容并联：C C = = C C1 1+ + C C2 2+ + + C Cn n 3.3. 电容串联：电容串联： = + + + = + + +uqC111C21Cn1C1.2.2 1.2.2 电容元件电容元件 4.4. 伏安关系：伏安关系：i iC C( (t t) =) =C C ；u uC C( (t t) =) = 电流大小与电容两端电压的变化率电流大小与电容两端电压的变化率 成正比。成正比。 5.5.对直流，对直流，d du uC C( (t t)/d)/dt t =0=0，即电容对直流相当于开路。，

12、即电容对直流相当于开路。 6. 6. 电容电容是一种储能元件：是一种储能元件：W WC C( (t t) = ) = C CttuCd)(dttiC)d(1C21)(2CtuttuCd)(d 定义：定义：L L= = ；单位：；单位：H H亨亨 利利 ， 1H=101H=103 3mH=10mH=106 6HH。 一个二端元件，其交链的磁通量与电流的比值一个二端元件，其交链的磁通量与电流的比值 伏安关系：伏安关系：u uL L( (t t) =) =L L ；i iL L( (t t) =) = 对直流，对直流，d di iL L( (t t)/d)/dt t =0=0，即电感对直流相当于短路

13、，即电感对直流相当于短路（导线）。（导线）。 电流变化率越快，电感两端电压越高。电流变化率越快，电感两端电压越高。3.3.方向：方向： i iL L与与u uL L参考方向一致时，取参考方向一致时，取“+”“+”号；号；否则否则，取，取“-”“-”4.4. 电感储能：电感储能：W WL L( (t t) = ) = L L （思考独立（思考独立/ /耦合电感串并联？）耦合电感串并联？）ittid)(dLttLu)d(1L21)(2Lti1.2.4 电压源和电流源 电压源 理想电压源：在任何情况下，端电压均能按给定规律变化 的电路元件。 实际电压源：由理想电压源US与电阻RS串联组成。 伏安特性

14、： 符号符号 与外电路连接与外电路连接 伏安特性伏安特性 电流源 理想电流源：在任何情况下，输出电流均能按给定规律 变化的电路元件。 实际电流源：由理想电流源IS与电阻RS并联组成。 伏安特性： 符号符号 与外电路连接与外电路连接 伏安特性伏安特性 电压源与电流源等效互换 等效网络概念：若一个二端网络的端口电压、电流， 与另一个二端网络的端口电压、电流相同， 则这两个二端网络互为等效网络。 电压源与电流源等效互换：US=ISRS RSIABIS+U-USAB+-RS+U-I3VAB66V3-+-+【例【例1-2】已知电路，试将其等效为一个电压源电路。已知电路，试将其等效为一个电压源电路。 AB

15、60.5A32AAB22.5A-+5VAB2电流源合并电流源合并电压源等效为电流源电压源等效为电流源电流源等效为电压源电流源等效为电压源【例【例1-3】已知电路，试将其等效为一个电流源电路。已知电路，试将其等效为一个电流源电路。 电压源合并电压源合并电流源等效为电压源电流源等效为电压源电压源等效为电流源电压源等效为电流源6A2A53AB+-+AB510V318V+-AB88V81AAB1.3 电路基本定律电路基本定律1.3.1 欧姆定律欧姆定律 欧姆定律欧姆定律: u = iR。对直流：。对直流：U =IR u 与与 i 的的参考方向相同时取正号；相反时取负号。参考方向相同时取正号；相反时取负

16、号。 电阻串联电路的分压概念电阻串联电路的分压概念 U1 : U2 : : Un = R1 : R2 : : Rn 两个电阻串联时，有：两个电阻串联时，有：U1= ； U2= 211RRUR212+ RRUR 电阻并联电路的分流概念电阻并联电路的分流概念 I 1 : I 2 : : I n = : : : 两个电阻并联时，有：两个电阻并联时，有：I1= ; I2= 11R21Rn1R212RRIR112R IRR1.3.1 欧姆定律欧姆定律U1=UsR1/(R1+R2) =3 x 10/(10+20) =3 x 1/3 =1VU2?I1:I2= (Us/R1):(Us/R2) = (3/10)

17、:(3/20) =0.3:0.15 =2:1 1.3.2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL) 在任一时刻，任一节点上，所有支路电流的代数和恒为零。在任一时刻，任一节点上，所有支路电流的代数和恒为零。 i=0； 对直流：对直流：I=0 或或 I入入= I出出 I = I1+I4+I5-I2-I3 = 0 （流入为正，流出为负）（流入为正，流出为负）或：流入或：流入=流出，流出，即：即：I1+I4+I5 = I2+I3 推论推论1：任一时刻，：任一时刻， 穿过任一假设闭合面的电流代数和恒为零。穿过任一假设闭合面的电流代数和恒为零。推论推论2：若两个电网络之间只有一

18、根导线连接，：若两个电网络之间只有一根导线连接， 则该连接导线中电流为则该连接导线中电流为0。KCL推论推论问题问题1； I1 = 2A I2 = 1A I3 = ？问题问题2； I1 = 2A I2 = -1A I3 = ？应用举例应用举例 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。u=0； 对直流：对直流：U =0 或或 US= IRU= UAB+ UBC+ UCD+ UDE+ UEF+ UFA = - -I1R1- -US1+I2R2- -I3R3+US2+I4R4 = 0 基尔霍夫电

19、压定律推论基尔霍夫电压定律推论推论推论1：两点间电压是定值，与计算时所沿路径无关。：两点间电压是定值，与计算时所沿路径无关。推论推论2：KVL可推广应用于任一不闭合电路。可推广应用于任一不闭合电路。U= UAB+ UBC+ UCD+ UDE+ UEF+ UFA = - -I1R1- -US1+I2R2- -I3R3+US2+I4R4 = 0 【例【例1-4】 已知电路，已知电路，R1=10，R2=5，R3=5，US1=13 V， US3=6 V，试求支路电流，试求支路电流 I1、I2、I3 。解：解：列出列出KVL方程：方程： 回路回路I：I1R1+I2R2- -US1=0 回路回路II：-

20、-I2R2- -I3R3+US3=0 对节点对节点A，列出，列出KCL方程方程：I1- -I2+I3=0 联立求解联立求解方程方程 、得：得： I1=0.8A，I2=1A，I3=0.2A1.4 电路基本分析方法电路基本分析方法 1.4.1 叠加定理叠加定理 有多个独立电源共同作用的线性电路，有多个独立电源共同作用的线性电路， 任一支路电流（或电压）等于任一支路电流（或电压）等于 每个电源单独作用时每个电源单独作用时 在该支路产生的电流（或电压）的代数和（叠加）。在该支路产生的电流（或电压）的代数和（叠加）。USR1R2ISI2I1-+=+ +USR1R2-2I 1I R1ISR22I 1I I

21、1= + ，I2= + 2I 1I 2I 1I 叠加定理注意事项叠加定理注意事项： 叠加定理只能用来计算线性电路的电流和电压，叠加定理只能用来计算线性电路的电流和电压， 不适用于非线性电路或计算线性电路功率。不适用于非线性电路或计算线性电路功率。 所谓一个电源单独作用，其他电源不作用，所谓一个电源单独作用，其他电源不作用， 是指不作用的电源置零，即：电压源短路，电流源开路。是指不作用的电源置零，即：电压源短路，电流源开路。 求电流（或电压）代数和（叠加）时，求电流（或电压）代数和（叠加）时， 一个电源单独作用时的电流（或电压）参考方向一个电源单独作用时的电流（或电压）参考方向 与多个电源共同作

22、用时的电流（或电压）参考方向与多个电源共同作用时的电流（或电压）参考方向 相同时取相同时取“+”号，相反时取号，相反时取“- -”号。号。I2= + = (1.25+0.75)A=2A，I2= + =(2-0.8)A=1.2A2I 2I 1I 1I 【例1-5】 已知电路，US=10V，IS=2A，R1=5，R2=R3=3， R4=2，试用叠加定理求解 I1、I2。=+ +IS-+AI2I1R2R4R1R3CDUSBIS-+AR2R4R1R3CDUSB2I 1I ISAR2R4R1R3CDB2I 1I 2I 1I ISAR3R4R1R2CDB = = A=1.25A， = = A= 2A 2I

23、 1I 31SRRU3+51042SRRU2+310 = = A=0.75A， = = A=-0.8A 2I 1I 313SRRRI3+532424SRRRI-2+322-1.4.2 戴维南定理戴维南定理 任何一个线性含源二端电阻网络任何一个线性含源二端电阻网络NS，对外电路来讲，对外电路来讲，都可以用一个电压源和一个电阻相串联的模型等效替代。都可以用一个电压源和一个电阻相串联的模型等效替代。电压源的电压等于该网络电压源的电压等于该网络NS的开路电压的开路电压uOC；串联电阻等于该网络内所有独立源置零后，串联电阻等于该网络内所有独立源置零后，所得无源二端网络的等效电阻所得无源二端网络的等效电阻

24、RO。+u-Bi ANS外电路+uOC-BANSBANSRO=RAB+u-Bi A-+uOCRO外电路【例【例1-22】第一步：求端电压；第一步：求端电压； 第二步：短路电压源，求等效电阻第二步：短路电压源，求等效电阻【例【例1-25】已知电路如图所示，已知电路如图所示，R1=1，R2=2，R3=3，R4=4，RL=5，US=6V，试用戴维南定理求电阻，试用戴维南定理求电阻RL中的电中的电流流I。 1.5 线性电路暂态分析 引起电路过渡过程的原因：引起电路过渡过程的原因：外因：电路换路；内因：电路中含有储能元件。外因：电路换路；内因：电路中含有储能元件。 电路从一种稳定状态变化到另一种稳定状态

25、的中间过程。电路从一种稳定状态变化到另一种稳定状态的中间过程。1.5.1 换路定律换路定律 注意事项：注意事项：除换路定律所规定的除换路定律所规定的uC(0+)=uC(0-)、iL(0+)=iL(0-)外，外，电路中其余电流电压参数均不存在电路中其余电流电压参数均不存在f(0+)=f(0-)。 数学表达式数学表达式：uC(0+)=uC(0-)；iL(0+)=iL(0-)。 文字表述：文字表述：在换路瞬间，电容两端电压不能跃变，电感中电流不能跃变。在换路瞬间，电容两端电压不能跃变，电感中电流不能跃变。 产生换路定律结论的原因：激励电源的功率不可能为产生换路定律结论的原因：激励电源的功率不可能为。

26、 换路定律推论：换路定律推论：1）换路前，若电容两端电压为）换路前，若电容两端电压为0，则换路瞬间，电容相当于短路。，则换路瞬间，电容相当于短路。2）换路前，若电感中电流为）换路前，若电感中电流为0，则换路瞬间，电感相当于开路。，则换路瞬间，电感相当于开路。1.5.2 一阶电路三要素法一阶电路三要素法f(0+)：初始值：初始值 f()：稳态值：稳态值 ： 时间常数，时间常数，反映了电路过渡过程的快慢。反映了电路过渡过程的快慢。 从理论上讲，过渡过程要到从理论上讲，过渡过程要到t时结束。但实际上经过时结束。但实际上经过35后，可以认为过渡过程基本上后，可以认为过渡过程基本上结束了。结束了。 RC

27、电路：电路： =RC；RL电路：电路： = 。 不同时间常数不同时间常数值的值的uC放电响应曲线如图所示。放电响应曲线如图所示。【例例3-1】已知电路，】已知电路，US=5V，R1=6，R2=4，C=4F，且电路已处于，且电路已处于稳态，稳态，t=0时时S开关断开，试求电路开关断开，试求电路uC(0+)和和iC(0+)。 uC(t)波形如图所示。波形如图所示。【例例3-2】 已知电路，已知电路，R=1.5k，L=15H，US=18V，换路前，电路已处，换路前，电路已处于稳态。于稳态。t=0时，时，S开关闭合，试求开关闭合，试求iL、uL，并画出其波形。，并画出其波形。画出画出iL(t)、uL(t)波形图所示波形图所示。【例例3-3】 已知电路，已知电路，R1=R2=1k，US=10V，C=10F，电路已达稳态。，电路已达稳态。t=0时，时，S开关断开。试用三要素法求开关断开。试用三要素法求uC、iC，并画出，并画出uC波形图。波形图。画出画出uC波形图如图所示。波形图如图所示。1.5.2 微分电路和积分电路微分电路和积分电路 微分电路微分电路电路形式：电路形式：输入输出电压关系：输入输出电压关系： 条件：条件： = RCa 输入输出波形输入输出波形:积分电路和输入输出电压波形积分电路和输入输出电压波形