本书遵循“以实用为主,理论够用为度”的原则,注重突出实用性。为适应当前电子技术应用型人才培养的迫切需求,教材介绍了电路分析的基础知识和常规内容,其中包括常用的电路分析理论与计算方法及若干应用实例等。
全书共分7章,包括电路分析的基本量、基本概念和基本定理;电阻网络等效分析方法;电路分析的一般方法;电路分析的重要定理,如戴维南与诺顿定理等;RC电路和RL电路讨论;一阶电路的阶跃响应和冲激响应;二阶动态电路时域分析;正弦稳态分析的相量法;线性电路的正弦稳态响应等。
本书深入浅出,重点明确,实例丰富。可以作为高校电子、通信、光电、计算机、电气及自动化等专业的专业基础课教材,尤其适合以培养应用技术型人才为目标的院校和高职高专院校电气信息类专业,也可供从事电子技术工作的工程技术人员参考。相关专业的《电路分析》课程也可使用本教材。
《电路、信号与系统(上)、(下)》课程是电类专业的重要专业基础课程。其基本内容、基本理论、基本方法技术也是数字信号处理、图象处理与分析、语音处理与分析、模式识别、遥感遥测技术、智能装备技术、预测方法等的重要基础。 该课程是电类、信息类本科生主干课程和核心课程,是该类学科研究方向学生考研的必考专业课程之一。自2014年来,国务院引导一批非研究型普通本科高校向应用技术型转型,武汉工程科技学院作为湖北省转型试点院校,开展了适应转型需要的课程建设及教材改革。为使教学内容既保证经典理论、方法的完整性、连续性,又保证其内容具有规范性、科学性、前沿性,及对转型后具有的专业教学适应性,必须开展适用于应用技术型人才培养的教材建设。作为试点院校,该教材的编著有利于后期应用型技术型高校教材体系的建立和推广。
前 言
“电路、信号与系统(上)”是电子、通信、光电、计算机、电气及自动化等电类专业的一门重要的专业基础课。随着电子技术和信息处理技术的迅猛发展,电子信息工程已成为当今IT领域不可或缺的一门学科。在电子信息工程等专业的后继课程中,电路分析与计算是学生必须掌握的基础知识和基本技能,是学习电子技术和信息处理技术知识的必备基础知识。编者在武汉工程科技学院(原:中国地质大学江城学院)和高职高专等多所学校的相关专业从教多年,为了适应对21世纪电子技术人才的培养需要,作者根据多年教学经验和体会,遵循“以实用为主,理论够用为度”的原则,编写了本教材。教材系统的介绍了电路分析的基本理论和分析计算方法,每个章节都附有实验实训项目,以加深理论知识的理解,并将理论知识与实践相结合。希望学生在学习完本教材后,能熟和悉掌握分析常用电路的基本理论和计算方法,为后继课程和将来从事电子技术及相关方面的工作打下良好的基础。
根据应用型人才培养方案而编制的本教材具有不同于其它一些教材的鲜明特色:
1. 针对应用型人才培养的教学特点,精选教材内容。根据“以实用为主,理论够用
为度”的原则,选择学生能在后继课程和今后工作中常用的知识点为基础进行理论讨论和分析计算。因此,本书缩简篇幅,简化了教材的内容。概念描述清晰简练,学习目的明确,内容鲜明实用。
2. 编者注重理论的严谨性,在保持内容的先进性、完整性的同时,叙述力求深入浅出,
且注重实用性;本书对每个问题的理论和概念的叙述力求由简到繁,深入浅出。去除了传统教材中的一些复杂的理论推导与计算,特别着重于电路分析理论的应用和分析计算方法的实用。
3. 习题的选择“少而精”。根据每章要求学生必须掌握的知识点,精选了相应的习题。
这样不仅让学生在练习中加深了知识点的印象,掌握了所要求的知识点,而且也避免了学生学习负担过重而缺乏学习的自信心。可以有更多的精力从事该课程的教学实践和课程设计。
4. 每章都选取具有代表性的仿真电路作为实验项目,利于学生对理论知识的深化和理解,理论结合实际更能体现应用性人才培养的教学理念。
4. 全书结构合理,内容精辟,图文并茂。既方便教师课堂讲授,也利于学生自学。
通过本课程的教学,学生应具备以下能力:
(1)能熟练掌握电路分析中常见的基本定理和基本计算能力;
(2)能正确分析常见电路;
(3)能熟练准确计算电路相关参数。
本书由李芳、吴国平主编。前言、附录及第3章、第5章、第6章由李芳执笔,孙利华、陈荣、黄翠翠、余良俊、叶磊、邓华等参加了部分章节的编写,其中孙利华参加了第1章、的编写,陈荣参加了第2章的编写,黄翠翠参加了第4章的编写,余良俊参加了第6章的编写,邓华参加了第7章的编写;全书由吴国平、叶磊统筹、修订定稿。
本书的编写工作离不开武汉工程科技学院机械与电子信息信学部领导的支持,编写中得到了张友纯教授和熊年禄教授的热情关心和帮助。在本书出版过程中,华中科技大学出版社的范莹老师给予了大力支持和帮助,作者在此一并表示衷心的感谢。在编写过程中,编者借鉴引用了有关参考资料。在此对参考文献的作者也一并表示深深的谢意。
由于作者水平有限,编写的教材不可避免地存在疏漏和不足之处,敬请读者批评指正。
本教材的先修课程为: 《大学物理(电学)》、《电工电子学》。
编 者
2017年7月
电路、信号与系统(上)目录第1章电路、信号与系统的基本概念1
1.1电路和电路模型1
1.1.1实际电路1
1.1.2电路模型1
1.2电流和电压的参考方向2
1.2.1电流和电压的实际方向2
1.2.2电流和电压的参考方向2
1.3电功率和能量3
1.3.1功率的定义3
1.3.2功率的计算4
1.4电路元器件5
1.4.1电阻元件5
1.4.2电容元件6
1.4.3电感元件8
1.5电压源和电流源10
1.5.1电压源的伏安特性11
1.5.2电流源的伏安特性11
1.6受控电源12
1.7基尔霍夫定律13
1.7.1基尔霍夫电流定律13
1.7.2基尔霍夫电压定律15
1.8信号的概念16
1.9信号的简单运算22
1.10奇异信号24
1.11系统的概念32
1.12电路、信号与系统的相互关系34
1.12.1电路与系统34
1.12.2信号、电路与系统35
1.13线性非时变系统的分析35
习题37
实验一Multisim软件入门和基尔霍夫定理的验证41
第2章电阻电路的等效变换49
2.1引言49
2.1.1线性电路49
2.1.2直流电路49
2.2电路的等效变换49
2.3电阻的串联和并联50
2.3.1电阻的串联50
2.3.2电阻的并联51
2.4电阻的Y形连接和△形连接的等效变换52
2.4.1电阻的Y形连接与△形连接52
2.4.2Y△形连接的等效变换53
2.5电压源、电流源的串联和并联55
2.5.1电压源的串、并联55
2.5.2电流源的串、并联55
2.6实际电源的两种模型及其等效变换56
2.6.1实际电压源56
2.6.2实际电流源56
2.6.3电源的等效变换56
2.7输入电阻58
习题59
实验二电阻串并联分压和分流关系验证62
第3章电阻电路的一般分析63
3.1图论初步63
3.1.1“图”的初步概念63
3.1.2利用图确定独立回路64
3.2“树”的概念65
3.2.1“树”和“支”65
3.2.2“图”的平面图和网孔66
3.3支路电流法67
3.4网孔电流法69
3.5回路电流法71
3.6结点电压法73
习题76
实验三网孔电流和结点电压分析法仿真实验78
第4章电路定理80
4.1叠加定理与齐次定理80
4.1.1叠加定理80
4.1.2齐次定理83
4.2替代定理85
4.3戴维南定理与诺顿定理87
4.3.1戴维南定理87
4.3.2诺顿定理89
习题90
实验四叠加定理、等效电源定理仿真实验92
第5章一阶电路97
5.1动态电路的方程及其初始条件97
5.1.1过渡过程97
5.1.2换路定律97
5.1.3初始值的确定98
5.2一阶电路的零输入响应100
5.2.1RC串联电路的零输入响应100
5.2.2RL串联电路的零输入响应101
5.3一阶电路的零状态响应103
5.3.1RC串联电路的零状态响应103
5.3.2RL串联电路的零状态响应104
5.4一阶电路的全响应105
5.4.1全响应的两种分解方式105
5.4.2三要素法106
5.5一阶电路的阶跃响应108
5.5.1单位阶跃函数108
5.5.2单位阶跃响应108
5.6一阶电路的冲激响应110
5.6.1单位冲激函数110
5.6.2单位冲激响应110
习题112
实验五一阶动态电路的时域仿真分析115
第6章二阶动态电路的时域分析118
6.1二阶电路的零输入响应118
6.1.1二阶电路的初始条件118
6.1.2RLC串联电路的零输入响应118
6.2二阶电路的零状态响应122
6.2.1RLC串联电路的零状态响应122
6.2.2RLC并联电路的零状态响应123
6.3二阶电路的全响应123
习题124
实验六二阶动态电路暂态过程的研究126
第7章正弦稳态电路的分析129
7.1相量129
7.1.1复数129
7.1.2复数的直角坐标形式和极坐标形式130
7.2正弦量131
7.2.1正弦函数与正弦量131
7.2.2正弦量的有效值和相位差132
7.3相量法基础133
7.3.1相量133
7.3.2同频正弦量的相量运算134
7.4电路定律的相量形式136
7.4.1基尔霍夫定律的相量形式136
7.4.2基本元件VAR的相量形式136
7.5阻抗和导纳140
7.5.1阻抗140
7.5.2导纳141
7.6阻抗(导纳)的串联和并联142
7.7电路的相量图144
7.8正弦稳态电路的分析144
7.9正弦稳态电路的功率146
7.9.1瞬时功率146
7.9.2有功功率和无功功率147
7.9.3视在功率147
7.10复功率148
7.11最大功率传输定理150
7.12串联谐振电路151
7.12.1串联谐振电路的谐振特性151
7.12.2串联谐振电路的功率152
7.12.3串联谐振电路的频率特性153
7.13并联谐振电路154
习题156
实验七正弦稳态交流电路仿真实验159
第8章二端口网络162
8.1z参数与y参数网络162
8.1.1z参数网络163
8.1.2y参数网络165
8.2混合参数(h参数)网络167
8.2.1二端口网络的混合型VAR167
8.2.2二端口网络的混合型VAR和h参数等效电路169
8.3二端口网络的传输Ⅰ型、Ⅱ型矩阵171
8.3.1二端口网络的传输Ⅰ型矩阵171
8.3.2二端口网络的传输Ⅱ型矩阵172
8.4互易二端口网络和互易定理173
8.5各参数组之间的关系174
8.6具有端接的二端口网络177
习题178
实验八二端口网络仿真设计180
附录A习题参考答案184
参考文献190目录
电路、信号与系统(上)目录第1章电路、信号与系统的基本概念1
1.1电路和电路模型1
1.1.1实际电路1
1.1.2电路模型1
1.2电流和电压的参考方向2
1.2.1电压和电流的实际方向2
1.2.2电压,电流参考方向2
1.3电功率和能量3
1.3.1功率的定义3
1.3.2功率的计算4
1.4电路元器件5
1.4.1电阻元件5
1.4.2电容元件6
1.4.3电感元件8
1.5电压源和电流源11
1.5.1电压源的伏安特性11
1.5.2电流源的伏安特性11
1.6受控电源12
1.7基尔霍夫定律13
1.7.1基尔霍夫电流定律14
1.7.2基尔霍夫电压定律15
1.8信号的概念16
1.9信号的简单运算22
1.10奇异信号24
1.11系统的概念32
1.12电路、信号与系统的相互关系34
1.12.1电路与系统34
1.12.2信号、电路与系统35
1.13线性非时变系统的分析35
习题37
实验一Multisim软件入门和基尔霍夫定理的验证41
第2章电阻电路的等效变换49
2.1引言49
2.1.1线性电路49
2.1.2直流电路49
2.2电路的等效变换49
2.3电阻的串联和并联50
2.3.1电阻的串联50
2.3.2电阻的并联51
2.4电阻的Y形连接和△形连接的等效变换52
2.4.1电阻的Y形联接与△形联接52
2.4.2Y△形联接的等效变换53
2.5电压源、电流源的串联和并联55
2.5.1电压源的串、并联55
2.5.2电流源的串并联55
2.6实际电源的两种模型及其等效变换56
2.6.1实际电压源56
2.6.2实际电流源56
2.6.3电源的等效变换56
1.7输入电阻58
习题59
实验二电阻串并联分压和分流关系验证62
第3章电阻电路的一般分析63
3.1图论初步63
3.1.1“图”的初步概念63
3.1.2利用图确定独立回路64
3.2“树”的概念65
3.2.1“树”和“支”65
3.2.2“图”的平面图和网孔66
3.3支路电流法67
3.4网孔电流法69
3.5回路电流法71
3.6结点电压法73
习题76
实验三网孔电流和结点电压分析法仿真实验78
第4章电路定理80
4.1叠加定理与齐次定理80
4.1.1叠加定理80
4.1.2齐次定理83
4.2替代定理85
4.3戴维南与诺顿定理87
4.3.1戴维南定理87
4.3.2诺顿定理89
习题90
实验四叠加定理、等效电源定理仿真实验92
第5章一阶电路97
5.1动态电路的方程及其初始条件97
5.1.1过渡过程97
5.1.2换路定律97
5.1.3初始值的确定98
5.2一阶电路的零输入响应100
5.2.1RC串联电路的零输入响应100
5.2.2RL串联电路的零输入响应101
5.3一阶电路的零状态响应103
5.3.1RC串联电路的零状态响应103
5.3.2RL串联电路的零状态响应104
5.4一阶电路的全响应105
5.4.1全响应的两种分解方式105
5.4.2三要素法106
5.5一阶电路的阶跃响应108
5.5.1单位阶跃函数108
5.5.2单位阶跃响应108
5.6一阶电路的冲激响应110
5.6.1单位冲激函数110
5.6.2单位冲激响应110
习题112
实验五一阶动态电路的时域仿真分析115
第6章二阶动态电路的时域分析118
6.1二阶电路的零输入响应118
6.1.1二阶电路的初始条件118
6.1.2RLC串联电路的零输入响应118
6.2二阶电路的零状态响应122
6.2.1RLC串联电路的零状态响应122
6.2.2RLC并联电路的零状态响应123
6.3二阶电路的全响应123
习题124
实验六二阶动态电路暂态过程的研究126
第7章正弦稳态电路的分析129
7.1相量129
7.1.1复数129
7.1.2复数的直角坐标形式和极坐标形式130
7.2正弦量131
7.2.1正弦函数与正弦量131
7.2.2正弦量的有效值和相位差132
7.3相量法基础133
7.3.1相量133
7.3.2同频正弦量的相量运算134
7.4电路定律的相量形式136
7.4.1基尔霍夫定律的相量形式136
7.4.2基本元件VAR的相量形式136
7.5阻抗和导纳140
7.5.1阻抗140
7.5.2导纳141
7.2阻抗(导纳)的串联和并联142
7.7电路的相量图144
7.8正弦稳态电路的分析144
7.9正弦稳态电路的功率146
7.9.1瞬时功率146
7.9.2有功功率和无功功率147
7.5.3视在功率147
7.10复功率148
7.11最大功率传输定理150
7.12串联谐振电路151
7.12.1串联谐振电路的谐振特性151
7.8.2串联谐振电路的功率152
7.12.3串联谐振电路的频率特性153
7.13并联谐振电路154
习题156
实验七正弦稳态交流电路仿真实验159
第8章二端口网络162
8.1参数与y参数网络162
8.1.1z参数网络163
8.1.2y参数网络165
8.2混合参数(h参数)网络167
8.2.1二端口网络的混合型VAR167
8.2.2二端网络的混合型VAR和h参数等效电路169
8.3二端口网络的传输Ⅰ型、Ⅱ型矩阵171
8.3.1二端网络的传输Ⅰ型矩阵171
8.3.2二端口网络的传输Ⅱ型矩阵172
8.4互易二端口网络和互易定理173
8.5各参数组之间的关系175
8.6具有端接的二端口网络177
习题178
实验八二端口网络仿真设计180
附录A习题参考答案184
参考文献190