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、電路的網絡拓撲分析方法、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。書后附有部分習題答案。全書配有豐富的例題、思考與練習題、習題。本書選用通用數(shù)學分析軟件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行了分析。
本書可作為高等學校電氣信息類各專業(yè)“電路分析基礎”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)基礎課程。通過本課程的學習,可使讀者掌握電路的基本理論、基本分析方法和進行電路實驗、仿真的初步技能,并為后續(xù)課程準備必要的電路理論知識和分析方法。
當前,電氣、電子信息科學技術的迅猛發(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、素質教育的大背景下,我們在構建適合于電氣信息類專業(yè)基礎課程體系過程中,結合電路分析課程的改革實踐,編寫了本教材。
本教材內容符合教育部高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會2004年頒布的《電路分析基礎》的教學基本要求。在編寫過程中,我們特別考慮了以下問題:
(1) 強調電路分析方法的理論性和應用性的結合。電路是一門理論性和工程性都非常強的學科,而電路分析課程又是電氣信息類各專業(yè)開設的第一門專業(yè)基礎課程。我們力求在內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。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電路理論應用的內容。如微分電路、積分電路在波形轉換中的應用(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,同時根據電路分析題型多變、靈活的特點,適當強調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。全書的編寫結構如下頁圖所示。
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用技術的發(fā)展,現(xiàn)在更加強調電路端口特性的分析和電路等效的應用,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容,而將電路的等效變換的內容歸入第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)、電路的網絡拓撲分析方法(第4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的分析方法; 第7章以動態(tài)電路分析的時域分析、復頻域分析、狀態(tài)變量分析進行分節(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,對電路應用的使用者而言,關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)作為結束,正是表達了我們的這一看法。
考慮到不同高校在電路課程教學中對知識點的不同需求,以及不同的教學學時數(shù),本教材對部分較難、較深的內容標以“*”號,在教學中略去這部分內容并不影響授課的連續(xù)性。
(4) 強調可讀性,精選例題和習題。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題,通過這些思考題與練習題,讀者可進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?shù)牧曨},以進一步鍛煉讀者的電路分析能力。
(5) 適當加入計算機輔助分析的內容。電路的計算機輔助分析是電路分析重要而實用的方法,是學生應該掌握的方法,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,供讀者學習、揣摩。
本書由多位作者分工撰寫。上海交通大學陳洪亮編寫第1、6、7章,華東理工大學吳雪編寫第4章及2.5節(jié),其余章節(jié)由上海交通大學田社平編寫。全書習題由陳洪亮、田社平共同完成,MATLAB程序由田社平負責編寫和調試。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陸文娟教授仔細審閱,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,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系
2.5.3二端口電路各參數(shù)間的關系
習題
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
習題
第4章電路的網絡拓撲分析方法
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關聯(lián)矩陣回路矩陣割集矩陣
4.2.1關聯(lián)矩陣及基爾霍夫定律的關聯(lián)矩陣形式
4.2.2基本回路矩陣及基爾霍夫定律的關聯(lián)矩陣形式
4.2.3基本割集矩陣及基爾霍夫定律的關聯(lián)矩陣形式
4.2.4A、B、Q矩陣之間的關系
4.3一般支路及其電壓電流關系的矩陣形式
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經典法分析一階電路
6.3.1零輸入響應
6.3.2零狀態(tài)響應
6.3.3完全響應
6.4一階電路的階躍響應
6.5一階電路的沖激響應
*6.6動態(tài)電路對任意輸入的零狀態(tài)響應(卷積積分)
習題
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
7.1.3二階RLC電路的零狀態(tài)響應
*7.1.4二階RLC電路的全響應
7.2動態(tài)電路的復頻域分析
7.2.1拉普拉斯變換及其性質簡介
7.2.2電路基本定律及電路元件的復頻域形式
7.2.3應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
習題
第8章相量及相量分析法
8.1相量及其基本性質
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
8.2KCL和KVL的相量形式
8.3電路元件電壓電流關系的相量形式
8.3.1一端口電路元件電壓電流關系的相量形式
8.3.2二端口電路元件電壓電流關系的相量形式
8.4阻抗與導納
8.4.1阻抗與導納
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
*8.6.3傅里葉變換簡介
8.7頻率響應與諧振電路
8.7.1網絡函數(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復功率
10.3.1復功率的基本概念
10.3.2復功率守恒
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
部分習題答案
中英文名詞索引
參考文獻