电路设计电路实验及计算机分析电路实例ppt课件

18电路设计，电路实验和计算机分析电路实例,一、电路设计,首先介绍几个简单电阻电路的设计和实际电阻器的标准电阻值。再说明如何用教材光盘中的计算机程序分析电阻电路。最后介绍用半导体管特性图示仪观测电阻器件电压电流关系曲线的实验方法。,1,例ll4图l38为某个实际电路的电路模型，已知电压源电压uS=10V，电流源电流iS=1mA，欲使电压u2=5V，试确定两个电阻器的电阻值R1和R2。,解:列出电路方程，并求解得到电压u2的符号表达式,图l38,2,求解得到电阻R1的符号表达式,按照表15选择电阻值，假设选择R2=1k。并代入uS=10V，iS=1mA和u2=5V得到,从表15中选择接近833的电阻值，假如选择R1=820，R2=1k时，电压u2等于,3,假如选择R2=7.5k，计算出电阻R1的值为,表15中刚好有3k的电阻，假如选择R1=3k和R2=7.5k的电阻器，电压u2刚好等于5V。,计算表明R1=3k和R2=7.5k正好符合要求。假如选择容差为5的电阻器，其电阻值的变化范围为R1=28503150，R2=71257875，通过计算可以证明电压u2将在4.755.25V之间变化。此例说明根据电路模型来确定实际电路的电阻器时，必须考虑从商业上能买到的那些电阻器。,4,表15电阻器的标准电阻值,注：表中列出容差为5的全部电阻值，加粗部分是容差为10的电阻值。,5,例ll5图l39表示一个电阻分压电路端接负载电阻RL的电路模型，已知电压源电压uS=20V，假如要求端接负载电阻RL=3k后的负载电压uL=12V，试确定两个电阻器的电阻值R1和R2。,解:列出端接负载电阻的电路方程,图l39,6,求解方程得到负载电压uL的符号表达式,由此求得电阻R1的符号表达式,按照表15选择电阻值，假如选择R2=3k,代入uS=20V，RL=3k和uL=12V得到,7,表15中刚好有1k的电阻器，假如选择R1=1k,R2=3k,则负载电压刚好等于12V。,以上计算结果表明，在R1=1k,R2=3k和端接负载电阻RL=3k时，负载电压满足设计要求，即uL=12V。假如选择容差为5的电阻器，电阻值的变化范围为R1=9501050，R2=RL=28503150，通过计算可以证明电压u2将在11.51512.475V之间变化。图139所示电阻分压电路在不接负载电阻时的开路电压等于uLoc=15V，端接负载电阻RL=3k时下降为uL=12V。一般来说，电阻分压电路在端接负载电阻后会使输出电压有所下降。,8,例ll6电路如图l40(a)所示，试判断电路参数在什么条件下该电路没有惟一解。,解：列出图l40(a)电路的支路电流方程,求出电路方程系数行列式的符号表达式,图l40,9,电路存在惟一解的条件是detT0，令上式detT0，求得,10,读者应该注意到电路方程的系数与电路中独立电源的数值无关，当电路中全部独立电压源用短路代替以及全部独立电流源用开路替代时，不会影响电路方程的系数。由此可以断定图140(b)电路的行列式表达式与图140(a)相同，其电阻参数刚好满足detT=0条件因此没有惟一解。如何从物理概念上理解图140(b)电路没有惟一解呢？读者注意到图140(b)电路具有两个特点，一个特点是从电路任何一点断开时，断开两点之间的等效电阻等于零，另外一个特点是两个结点之间的等效电导等于零，即等效电阻为无穷大。,11,当我们在电路任何一点断开接入电压源时，将产生无穷大的电流，导致电路没有惟一解。而当我们在电路两个结点之间接入电流源时，将产生无穷大的电压，导致电路没有惟一解。例如R2=6和R3=3并联的等效电阻为2，它与R1=-2的串联的等效电阻为零，这个零电阻将使电压源短路产生无穷大的电流，导致电路没有惟一解。R2=6和R3=3并联的等效电阻为2，它与R1=-2的并联的等效电阻为无穷大，这个无穷大的电阻在电流源作用下将产生无穷大电压，导致电路没有惟一解。由此可见，电路方程系数行列式确定了一个电路的基本特性。,12,二、计算机辅助电路分析,利用电路分析的计算机程序可以很方便地解算各种电路习题，只需要电路的连接关系和参数按照一定要求告诉计算机，马上就能够得到各种计算结果，便于了解各种电路的特性和更好地掌握电路理论，可以节省“笔算”求解复杂电路的大量时间。,13,例ll7利用本教材提供的直流电路分析程序DC计算图141所示电路的各电压，电流和吸收功率。,解:在计算机上运行DC.EXE程序，按照屏幕提示从键盘输入支路数目和每条支路的类型，支路编号，开始结点和终止结点编号以及元件参数，就可以得到各结点电压，各支路电压，各支路电流以及各支路吸收功率，如图所示。,图141,14,15,计算结果得到的各支路电压，电流和吸收功率为,利用本教材提供的符号网络分析程序可以分析元件参数用Us，Is，R1，R2，L1，C1等符号表示的电路，得到电压电流的符号表达式，对深入了解电路特性十分有用。,16,例ll8利用符号网络分析程序计算图142(a)电路中输出电压UL的符号表达式。,解:将电路各支路依次编号，支路电压电流采用关联参考方向，将电路的结点依次编号，基准结点编号为零，得到图143(b)所示电路数据。在计算机上运行SNAP程序，输入电路数据可以得到以下计算结果。,图142,17,circuitdata元件支路开始终止控制元件元件类型编号结点结点支路符号符号V110UsR212R1R323R2R430RwR520RL独立结点数目=3支路数目=5-结点电压,支路电压和支路电流-RLRwUs+R2RLUsU5=-RLRw+R2RL+R1RL+R1Rw+R1R2,求得的电压UL的符号表达式如下所示:,18,三、电路实验设计,电阻器件是电路中最常用的一种电气器件，它的特性是由端口电压电流关系曲线来表征的，测量二端电阻器件的基本方法是用电压表和电流表。本教材利用半导体管特性图示仪来测量二端电阻器件和电阻单口网络的电压电流关系曲线，非常直观，操作简单方便。只要将被测量的二端电阻器件或电阻单口网络插入标注C和接地符号的插孔内，调整峰值电压旋钮到适当位置就可以观测到电阻特性曲线。图144表示测量一个由电池、电阻和发光二极管所构成的非线性电阻单口网络特性曲线的情况。,19,图143测量非线性电阻单口网络的特性曲线,图143表示测量一个由电池、电阻和发光二极管所构成的非线性电阻单口网络特性曲线的情况。,20,根据教学需要，用鼠标点击名称的方法放映相关录像。,21,摘要1电路理论课程研究的对象是实际电路的电路模型，电路模型近似描述实际电路的电气特性，电路模型与实际电路是有区别的，一个实际电路可以用不同的电路模型来模拟。2实际电路的几何尺寸远小于电路工作信号的波长时，可用电路元件连接而成的集总参数电路(模型)来模拟。基尔霍夫定律适用于任何集总参数电路。3基尔霍夫电流定律(KCL)陈述为：对于任何集总参数电路，在任一时刻，流出任一结点或封闭面的全部支路电流的代数和等于零。其数学表达式,22,4基尔霍夫电压定律(KVL)陈述为：对于任何集总参数电路，在任一时刻，沿任一回路或闭合结点序列的的各段电压的代数和等于零。其数学表达式为5一般来说，二端电阻由代数方程f(u,i)=0来表征。线性电阻满足欧姆定律(u=Ri)，其特性曲线是平面上通过原点的直线。6电压源的特性曲线是u-i平面上平行于轴的垂直线。电压源的电压uS(t)按给定时间函数变化，其电流由uS(t)和外电路共同确定。,23,7电流源的特性曲线是u-i平面上平行于轴的水平线。电流源的电流iS(t)按给定时间函数变化，其电压由iS(t)和外电路共同确定。8对于具有条支路和个结点的连通电路，有(n-1)个线性无关的KCL方程，(b-n+1)个线性无关的KVL方程和个支路特性方程。9任何集总参数电路的电压电流都要受KCL、KVL和VCR方程的约束。直接反映这些约束关系的方程是最基本的电路方程，它们是分析电路的基本依据