本书围绕电路分析方法,全面介绍了电路分析的基本概念、基本原理和基本方法,主要内容为:电路的基本概念及基尔霍夫定律、电路元件及电路基本类型、电路的基本分析方法、电路的网络拓扑分析方法、电路基本定理、一阶电路、二阶电路、相量及相量分析法、三相电路、功率和能量。书后附有部分习题答案。全书配有丰富的例题、思考与练习题、习题。本书选用通用数学分析软件MATLAB作为电路分析的辅助工具,教材中配有各种电路分析程序。附录A包含MATLAB语言简介,附录B~G对电路分析中的一些疑难问题进行了分析。
本书可作为高等学校电气信息类各专业“电路分析基础”和“电路”课程教材使用,也可作为科技人员的参考书。
电路分析课程是电气信息类专业的一门重要的专业基础课程。通过本课程的学习,可使读者掌握电路的基本理论、基本分析方法和进行电路实验、仿真的初步技能,并为后续课程准备必要的电路理论知识和分析方法。
当前,电气、电子信息科学技术的迅猛发展,对电气信息类专业创新人才的培养、课程体系的改革、课程内容的更新提出了更高的要求。在高等院校加强通识教育、素质教育的大背景下,我们在构建适合于电气信息类专业基础课程体系过程中,结合电路分析课程的改革实践,编写了本教材。
本教材内容符合教育部高等学校电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会2004年颁布的《电路分析基础》的教学基本要求。在编写过程中,我们特别考虑了以下问题:
(1) 强调电路分析方法的理论性和应用性的结合。电路是一门理论性和工程性都非常强的学科,而电路分析课程又是电气信息类各专业开设的第一门专业基础课程。我们力求在内容叙述上既要讲清楚电路分析的方法,又要说清楚该方法的理论基础。对一些较难、不宜在课堂上讲授,但对读者深入理解和掌握电路分析方法有帮助的内容,我们将之归入附录B~G,供读者参考。
同时,在教材中有针对性地编入一些强调电路理论应用的内容。如微分电路、积分电路在波形转换中的应用(例6.3.5、例6.3.6)、谐振电路(第8.7.3节)、功率因数的提高(第10.2.5节)等,以培养读者的工程应用意识。
(2) 难度适中,既注重基本概念、基本理论的阐述,又强调解题的技巧性和灵活性。在本书编写过程中,力图讲清电路分析的基本概念、基本理论和基本方法,同时根据电路分析题型多变、灵活的特点,适当强调解题的技巧性和灵活性。
(3) 以电路的分析方法为主线,便于读者掌握电路分析的方法。全书的编写结构如下页图所示。
全书第1、2章主要介绍基本概念、基本规律、元件和电路的基本类型。随着电路理论和电路应用技术的发展,现在更加强调电路端口特性的分析和电路等效的应用,本书第2章以端口为线索来安排电路元件和电路类型的内容,而将电路的等效变换的内容归入第3.1节。
从第3章开始介绍电路分析的各种方法,包括电路的基本分析方法(第3章)、电路的网络拓扑分析方法(第4章)、电路定理(第5章)、动态电路的分析方法(第6、7章)、相量分析方法(第8、9章)。对动态电路的分析,将大部分的基本概念和基本方法归入第6章,以引导读者尽快理解和掌握动态电路分析中所面对的问题及相应的分析方法; 第7章以动态电路分析的时域分析、复频域分析、状态变量分析进行分节编排,以期让读者理解动态电路分析方法的概貌。
电路分析的目的不仅仅是求得电路中的电压和电流变量,对电路应用的使用者而言,关心电路消耗的功率和能量也许更重要,典型的例子就是电力系统中的用户都装有计量电能量的电度表。全书以功率和能量(第10章)作为结束,正是表达了我们的这一看法。
考虑到不同高校在电路课程教学中对知识点的不同需求,以及不同的教学学时数,本教材对部分较难、较深的内容标以“*”号,在教学中略去这部分内容并不影响授课的连续性。
(4) 强调可读性,精选例题和习题。通过例题读者可以更好地掌握电路分析方法,本教材特别注重例题的选取。每章都配置了丰富的思考题与练习题,通过这些思考题与练习题,读者可进一步巩固和掌握电路的基本知识和基本分析方法。每章末还配置了难度适当的习题,以进一步锻炼读者的电路分析能力。
(5) 适当加入计算机辅助分析的内容。电路的计算机辅助分析是电路分析重要而实用的方法,是学生应该掌握的方法,在将来从事实际电路分析工作中必不可少。为了让读者了解和掌握电路的计算机辅助分析方法,而又不降低对电路分析的基本概念、基本原理和基本方法的掌握效果,我们选用通用数学分析软件MATLAB作为电路分析的辅助工具,在教材中插入各种电路分析程序,供读者学习、揣摩。
本书由多位作者分工撰写。上海交通大学陈洪亮编写第1、6、7章,华东理工大学吴雪编写第4章及2.5节,其余章节由上海交通大学田社平编写。全书习题由陈洪亮、田社平共同完成,MATLAB程序由田社平负责编写和调试。全书最后由陈洪亮和田社平统稿。
书稿完成后承清华大学陆文娟教授仔细审阅,并提出了许多宝贵的建议。作者在此致以衷心的感谢。
在编写教材过程中,课程组老师和我们的学生提出了积极的建议,同时本书的编写还参考了许多兄弟院校的教材和文献,在此一并表示感谢。
由于编写时间较为仓促,加上水平所限,缺点和不足之处在所难免,欢迎广大读者批评指正。
编者
2008年8月
第1章电路的基本概念及基尔霍夫定律
1.1电路电路图集中参数元件集中参数电路
1.1.1实际电路与电路模型
1.1.2集中参数元件和集中参数电路
1.2电路变量及其参考方向
1.2.1电流、电压及其参考方向
1.2.2功率与能量
1.3基尔霍夫定律
1.3.1基尔霍夫电流定律
1.3.2基尔霍夫电压定律
习题
第2章电路元件及电路基本类型
2.1二端电路元件
2.1.1电阻元件
2.1.2独立电源
2.1.3电容元件
2.1.4电感元件
2.2二端口电路元件
2.2.1受控电源
2.2.2运算放大器
2.2.3耦合电感
2.2.4理想变压器
2.3电路基本类型
2.4一端口电路及其端口特性
2.4.1一端口电路
2.4.2一端口电路的电压电流关系
2.5二端口电路及其端口特性
2.5.1二端口电路
2.5.2二端口电路的电压电流关系
2.5.3二端口电路各参数间的关系
习题
第3章电路的基本分析方法
3.1等效电路与等效变换
3.2二端电路的等效变换
3.2.1电阻、电容、电感的串联与并联
3.2.2含独立电源电路的等效变换
3.2.3含受控源电路的等效变换
3.2.4具有等电位节点/零电流支路电路的等效变换
3.3多端电路的等效变换
3.3.1T形电路和Π形电路的等效变换
3.3.2二端口电路的互连
3.4独立电流变量和独立电压变量
3.5回路分析法
3.6节点分析法
3.7电路的对偶性
习题
第4章电路的网络拓扑分析方法
4.1树割集
4.1.1电路的图
4.1.2基本回路和基本割集
4.2关联矩阵回路矩阵割集矩阵
4.2.1关联矩阵及基尔霍夫定律的关联矩阵形式
4.2.2基本回路矩阵及基尔霍夫定律的关联矩阵形式
4.2.3基本割集矩阵及基尔霍夫定律的关联矩阵形式
4.2.4A、B、Q矩阵之间的关系
4.3一般支路及其电压电流关系的矩阵形式
4.4节点分析的矩阵方法
4.5回路分析的矩阵方法
4.6割集分析的矩阵方法
4.7节点分析、回路分析和割集分析方法的比较
习题
第5章电路基本定理
5.1齐次定理和叠加定理
5.1.1齐次定理
5.1.2叠加定理
5.2置换定理
5.3戴维南定理和诺顿定理
5.3.1戴维南定理
5.3.2诺顿定理
5.4特勒根定理
5.5互易定理
习题
第6章一阶电路
6.1一阶电路及其电路方程
6.1.1一阶电路及其方程
6.1.2一阶电路方程的求解
6.2三要素法求解一阶直流电路
6.3经典法分析一阶电路
6.3.1零输入响应
6.3.2零状态响应
6.3.3完全响应
6.4一阶电路的阶跃响应
6.5一阶电路的冲激响应
*6.6动态电路对任意输入的零状态响应(卷积积分)
习题
第7章二阶电路
7.1二阶电路的时域分析
7.1.1二阶电路方程及其求解
7.1.2二阶RLC电路的零输入响应
7.1.3二阶RLC电路的零状态响应
*7.1.4二阶RLC电路的全响应
7.2动态电路的复频域分析
7.2.1拉普拉斯变换及其性质简介
7.2.2电路基本定律及电路元件的复频域形式
7.2.3应用拉普拉斯变换分析动态电路
*7.3动态电路的状态变量分析
7.3.1电路的状态和状态变量
7.3.2状态方程及其列写
7.3.3状态方程的解法
习题
第8章相量及相量分析法
8.1相量及其基本性质
8.1.1正弦量
8.1.2相量的基本概念
8.1.3相量的基本性质
8.2KCL和KVL的相量形式
8.3电路元件电压电流关系的相量形式
8.3.1一端口电路元件电压电流关系的相量形式
8.3.2二端口电路元件电压电流关系的相量形式
8.4阻抗与导纳
8.4.1阻抗与导纳
8.4.2一端口电路相量模型的等效
8.5正弦稳态电路的分析
8.5.1相量分析法
8.5.2相量分析法的应用
8.6非正弦周期稳态电路的分析
8.6.1非正弦周期波形的傅里叶级数展开
8.6.2非正弦周期稳态电路的响应
*8.6.3傅里叶变换简介
8.7频率响应与谐振电路
8.7.1网络函数与频率特性
8.7.2RLC串联电路的频率特性
8.7.3谐振电路
习题
第9章三相电路
9.1三相电的基本原理
9.2三相电路的基本接法
9.2.1星形连接
9.2.2三角形连接
9.3对称三相电路的分析
9.4非对称三相电路的分析
习题
第10章功率和能量
10.1瞬时功率和能量
10.1.1瞬态过程的功率和能量
10.1.2稳态电路的瞬时功率
10.2有功功率和无功功率
10.2.1有功功率
10.2.2无功功率
10.2.3表观功率
10.2.4非正弦周期稳态电路的功率
10.2.5功率因数的提高
10.3复功率
10.3.1复功率的基本概念
10.3.2复功率守恒
10.4功率的传输
10.4.1功率传输的共轭匹配
10.4.2功率传输的模匹配
10.5三相电路的功率
10.5.1三相电路功率的基本概念
10.5.2三相电路功率的测量
习题
附录AMATLAB语言简介
附录B运算放大器工作状态的判定
附录C含源T形电路和含源Π形电路的等效变换
附录D二端口电路互连有效性的结论及证明
附录E奇异电路及其能量分析
附录F一般高阶电路响应的时域求解
附录G正弦稳态最大功率传输的实现方法
部分习题答案
中英文名词索引
参考文献