本书把电路理论分为“直流”电路和“交流”电路两部分,直流部分包括电路基本定律和简单电阻电路、电路分析的基本方法和定理、运算放大器电路和动态电路的时域分析;交流部分包括正弦稳态电路、谐振电路与频率响应、互感电路、三相电路、非正弦周期电流电路和二端口网络。本书内容简洁,重点突出,逻辑清晰。课后习题按照知识点分类给出,便于教师布置作业和学生有针对性的练习,书末附有全部习题答案。
《电路理论》是普通高等工科院校信息类专业第一门重要的专业基础课,也是后续课程学习和科学研究的基础。根据编者对目前国内外主流教材的调研,大多数教材涵盖范围广、知识点内容多;由于这些教材是面向所有电类专业的,这实际上很难适应对信息类专业学生的授课需求。信息类专业包括电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、光电工程、计算机科学与技术、网络工程、智能科学与技术等,与电气工程、电力自动化等专业相比,这些专业侧重信息的传输、处理和控制。因而,亟需一本面向信息类专业、具有专业针对性的《电路理论》教材。鉴于此,根据高等院校课程改革的要求,结合作者多年授课经验,在我校2001年出版的《电路基础理论》教材基础上,针对信息类专业学生编写了《电路理论》一书。
这部《电路理论》教材具有如下特点:
第一,区别于大多数教材的编写思路,全书把电路分为“直流”电路和“交流”电路两部分。直流部分从第1章至第4章,包括简单电阻电路、线性直流电路,运算放大器电 《电路理论》是普通高等工科院校信息类专业第一门重要的专业基础课,也是后续课程学习和科学研究的基础。根据编者对目前国内外主流教材的调研,大多数教材涵盖范围广、知识点内容多;由于这些教材是面向所有电类专业的,这实际上很难适应对信息类专业学生的授课需求。信息类专业包括电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、光电工程、计算机科学与技术、网络工程、智能科学与技术等,与电气工程、电力自动化等专业相比,这些专业侧重信息的传输、处理和控制。因而,亟需一本面向信息类专业、具有专业针对性的《电路理论》教材。鉴于此,根据高等院校课程改革的要求,结合作者多年授课经验,在我校2001年出版的《电路基础理论》教材基础上,针对信息类专业学生编写了《电路理论》一书。
这部《电路理论》教材具有如下特点:
第一,区别于大多数教材的编写思路,全书把电路分为“直流”电路和“交流”电路两部分。直流部分从第1章至第4章,包括简单电阻电路、线性直流电路,运算放大器电路、动态电路时域分析。交流部分从第5章至第10章,包括正弦稳态电路、谐振电路与频率响应、含耦合电感电路、三相电路、非正弦周期电流电路和二端口网络。这样的章节安排事半功倍:先介绍线性直流电路中的相关概念、定理和方法,在引入频率的概念后,可以将直流电路中的这些概念、定理和方法自然地推广到交流电路中;在教学实践中收到了非常好的教学效果。
第二,针对信息类专业特点,充分考虑到后续课程衔接,有利于学生平稳过渡到后续专业课程。例如,针对电子通信专业后续课程,本书强调了动态电路的零输入响应、零状态响应、全响应、暂态响应和稳态响应等概念及其物理意义;由谐振电路详细介绍了频率响应的概念;通过非正弦周期电流电路自然引出了频谱的概念,建立信号的时域—频域对应关系,为《信号与系统》做铺垫;针对《低频电子线路》、《高频电子线路》、《电波与天线》等课程,重点讲解了输入、输出阻抗及等效阻抗的定义与求法;强调频率与电抗的关系,使学生深刻理解频率对电路特性的影响;对相量和利用相量图求解正弦稳态电路做了深入分析。本书作者从事电子通信专业教学和科研多年,补充或强调这些内容,有助于学生对后续课程的学习,在教学过程中受到了学生们的普遍认可。
第三,结合信息类专业特点,根据教学时数与前后课程衔接关系,对教学内容作了必要调整和删减。考虑到学生学完《复变函数与积分变换》后马上学习《信号与系统》,故删去了线性动态电路的复频域分析;考虑到《低频电子线路》或《模拟电子技术》课程中会系统讲授非线性电路,故删去这部分内容;受学时数限制,对图、树概念介绍做了简化处理,删去了电路方程矩阵形式等内容。这样,全书讲授内容控制在9~10章,能够最大程度上利用现有学时数,提升重点内容的教学效果。
此外,本书增加了例题数量,有的题目还给出了不同解法,以期让学生从不同角度深刻理解电路理论的概念、定理和解题方法。课后习题按照章节顺序给出,便于教师布置作业和学生有针对性练习。在行文上,本书注重启发性,力求将刻板乏味的电路理论讲述得生动易懂,便于学生自学。在本书最后,还推荐了一些与本课程相关的网络学习资源,启发和引导学生利用网络获取专业知识,激发学生学习兴趣、拓展学生视野。
本书由国家级电工电子教学中心电路理论课程组教师编写。全书共10章,第1~4章由许爱德编写,第5~9章由那振宇编写,第10章由李作洲编写。
为了方便教学,本书配有电子课件,任课教师可登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)免费注册下载。
在成书过程中得到了大连海事大学教务处的大力支持。感谢信息科学技术学院领导、课程组其他任课教师和同仁的倾力协助。此外,我校研究生潘军、丁晖,北京航空航天大学研究生徐芙蓉、天津大学研究生曾亚辉协助参与了部分内容的校对和作图,也在此表示感谢。
由于作者水平有限,难免有疏漏之处,恳请读者批评指正。
电路课程教研室
2014年8月
许爱德,2003.04-至今,大连海事大学信息科学技术学院,副教授,曾获“省级教学成果三等奖”、“海事大学教学优秀奖”、“最受学生欢迎的优秀青年讲课教师”、“本科教学质量连续多年免检”等教学奖。
第1章 电路基本定律和简单电阻电路
1.1 电路和电路模型
1.2 电路分析基本变量
1.2.1 电流
1.2.2 电压
1.2.3 关联、非关联方向
1.2.4 电功率
1.3 电路分析基本元件
1.3.1 电阻元件
1.3.2 电容元件
1.3.3 电感元件
1.3.4 电压源
1.3.5 电流源
1.3.6 受控源
1.4 基尔霍夫定律
第1章 电路基本定律和简单电阻电路
1.1 电路和电路模型
1.2 电路分析基本变量
1.2.1 电流
1.2.2 电压
1.2.3 关联、非关联方向
1.2.4 电功率
1.3 电路分析基本元件
1.3.1 电阻元件
1.3.2 电容元件
1.3.3 电感元件
1.3.4 电压源
1.3.5 电流源
1.3.6 受控源
1.4 基尔霍夫定律
1.4.1 基尔霍夫电流定律
1.4.2 基尔霍夫电压定律
1.5 电路的等效变换
1.5.1 纯电阻电路的等效变换
1.5.2 含电源电路的等效变换
1.5.3 输入电阻
习题1
第2章 电阻电路的一般分析
2.1 结点法
2.2 回路法
2.3 齐次性和叠加原理
2.3.1 齐次性定理
2.3.2 叠加原理
2.4 替代定理
2.5 戴维南定理和诺顿定理
2.5.1 戴维南定理
2.5.2 诺顿定理
2.6 最大功率传输定理
习题2
第3章 含有运算放大器的电路
3.1 运算放大器的电路模型
3.1.1 运算放大器简介
3.1.2 运算放大器符号及电路模型
3.1.3 理想运算放大器
3.2 含有理想运算放大器的电路分析
3.3 实际运放应用时的考虑
习题3
第4章 动态电路时域分析
4.1 动态电路的暂态过程及初始值
4.1.1 暂态过程
4.1.2 初始值
4.2 一阶电路的零输入响应
4.3 一阶电路的零状态响应
4.4 一阶电路的全响应
4.5 一阶电路的阶跃响应
4.6 二阶电路的暂态过程
习题4
第5章 相量法和正弦稳态电路分析
5.1 正弦量
5.1.1 正弦量的三要素
5.1.2 正弦量的相位差
5.1.3 正弦量的有效值
5.2 相量法的基本概念
5.2.1 复数的表示方法
5.2.2 复数的运算
5.2.3 正弦量的相量表示
5.2.4 相量的运算规则
5.3 电路定律的相量形式
5.3.1 欧姆定律的相量形式
5.3.2 基尔霍夫定律的相量形式
5.4 阻抗与导纳
5.4.1 阻抗的定义
5.4.2 RLC串联电路的阻抗
5.4.3 阻抗的串联
5.4.4 导纳的定义
5.4.5 RLC并联电路的导纳
5.4.6 导纳的并联
5.5 正弦稳态电路的功率
5.5.1 RLC串联电路的瞬时功率分析
5.5.2 有功功率P(Active Power)
5.5.3 无功功率Q(Reactive Power)
5.5.4 视在功率S(Apparent Power)
5.5.5 功率因数l(Power Factor)
5.5.6 复功率 (Complex Power)
5.5.7 功率、电压和阻抗三角形的关系
5.6 正弦稳态电路分析
5.6.1 相量法求解正弦稳态电路
5.6.2 利用相量图辅助求解正弦稳态电路
5.7 最大功率传输定理
习题5
第6章 谐振现象与频率响应
6.1 网络函数和频率响应
6.2 RLC串联电路的谐振
6.2.1 谐振参数
6.2.2 谐振时电流和电压的特点
6.2.3 谐振时的功率和能量
6.2.4 RLC串联电路的频率响应
6.3 RLC并联电路的谐振
6.4 其他谐振电路
6.5 滤波器简介
习题6
第7章 含有耦合电感的电路
7.1 互感和互感电压
7.1.1 磁耦合现象
7.1.2 耦合电感上的电压
7.1.3 自感电压与互感电压方向的确定
7.2 具有耦合电感电路的计算
7.2.1 耦合线圈的串联
7.2.2 耦合线圈的并联
7.3 空心变压器
7.4 理想变压器
7.4.1 理想变压器模型
7.4.2 理想变压器原、副线圈电流和电压关系
7.4.3 理想变压器的功率
7.4.4 理想变压器的变阻抗关系
习题7
第8章 三相电路
8.1 三相电路的基本概念
8.1.1 三相电源的概念
8.1.2 三相电源的连接
8.1.3 三相负载的连接
8.2 对称三相电路的计算
8.3 三相电路的功率
8.3.1 复功率
8.3.2 有功功率
8.3.3 无功功率
8.3.4 视在功率
8.3.5 瞬时功率
8.3.6 三相电路功率的测量
8.4 不对称三相电路的概念
习题8
第9章 非正弦周期电流电路分析
9.1 非正弦周期电流和电压
9.2 周期函数分解为傅里叶级数和信号频率
9.2.1 周期函数的傅里叶分解
9.2.2 信号频谱
9.3 周期函数波形与傅里叶系数的关系
9.4 非正弦周期量的有效值和平均功率
9.4.1 非正弦周期量的有效值
9.4.2 非正弦周期量的平均功率
9.5 非正弦周期电流电路的稳态分析
9.6* 傅里叶级数的指数形式
9.7 傅里叶变换初步
9.7.1 傅里叶变换的概念
9.7.2 傅里叶变换的简单应用
习题9
第10章 二端口网络
10.1 二端口网络及其方程
10.1.1 引例
10.1.2 二端口网络定义
10.1.3 二端口网络参数及其方程
10.2 二端口网络的方程及参数
10.2.1 Y参数矩阵
10.2.2 Z参数矩阵
10.2.3 T参数矩阵
10.2.4 H参数矩阵
10.2.5 二端口网络参数矩阵之间的关系
10.3 二端口网络的等效电路
10.3.1 二端口网络T形等效电路
10.3.2 二端口网络 形等效电路
10.4 二端口网络的连接
10.4.1 二端口网络的级联
10.4.2 二端口网络的并联
10.4.3 二端口网络的串联
10.5 回转器和负阻抗变换器
10.5.1 回转器
10.5.2 负阻抗变换器
习题10
习题参考答案
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