電路分析課件(邱關源)第一章

電路原理課程介紹1）電路原理是研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，利用電路基本理論和基本定律進行分析計算，是理工類本科生的一門重要基礎課程；2）電路研究內容一般分類及應用方向：

a>.強電部分：電能輸送分配、電網(wǎng)、電功率計算、效率、電氣安全等；

b>.弱電部分：電信號傳輸、處理、調制解調、濾波、畸變分析、模擬和數(shù)字信號、電路特性等；應用研究領域包括電氣驅動、自動化工程、電力電子、電氣信息工程、通信工程、電子儀器及測量、計算機、光電工程等.電路原理課程介紹課程的實踐背景電路的功能進行能量的傳送和轉換。實現(xiàn)信號的產生、傳遞、變換、處理與控制電路分析過程實際電路電路模型電路分析分析結果電路的分類線性(linear)電路與非線性(nonlinear)電路時變(time-varying)與時不變(定常)(time-invariance)電路穩(wěn)態(tài)(steadystate)和暫態(tài)(transientstate)電路集總參數(shù)(lumpedparameter)和分布參數(shù)(distributedparameter)電路本課程研究的主要對象：線性、時不變、集總參數(shù)電路。電路理論體系電路分析(analysis)：在給定的激勵(excitation)下，求結構已知的電路的響應(response)。電路

已知激勵給定響應待求re電路綜合(synthesis)：在特定的激勵下，為了得到預期的響應而研究如何構成所需的電路電路

未知激勵已知目標給定re課程性質《電路分析基礎》是電路理論的入門課程，是電類各專業(yè)的技術基礎課。其任務是討論電路分析的基本規(guī)律和電路的各種分析方法。理論嚴密、邏輯性強，有著廣闊的工程背景。本課程的先修課程是《高等數(shù)學》和《大學物理》。本課程在專業(yè)課程群中的位置電路：電路分析基礎電子線路數(shù)字電路數(shù)字系統(tǒng)設計。。。系統(tǒng)：信號與系統(tǒng)數(shù)字信號處理語音信號處理多媒體技術現(xiàn)代通信技術現(xiàn)代交換技術光纖通信電視原理。。。場：電磁場理論微波與天線。。。計算機：

C/C++

數(shù)據(jù)庫及其應用微機原理和接口單片機原理數(shù)字信號處理器。。。課程特點：本課程定位為理工類本科生的基礎課，課程知識是對實際問題的抽象研究。課程主要講述電路的一般分析計算方法，具有較強的理論性。本課程研究內容是電子線路、信號處理、高頻電子線路、自動控制理論、微機控制、計算機、電氣驅動、電力電子、電力系統(tǒng)等后續(xù)課程的基礎。本課程學習所需的準備知識包括物理學、微積分、微分方程、復變函數(shù)、線性代數(shù)、矩陣等。課程特點通過該課程的學習，掌握電路的基本分析方法和一些基本性質，為后面的專業(yè)學習打下基礎。電路分析的主要內容是對電路中的電磁現(xiàn)象和過程的分析，這些知識是認識和分析實際電路的理論基礎，更是分析和設計電路的重要工具。特點之一：具有基礎課的特點強調理論基礎的學習。即：其中涉及很多定理、概念、方法和公式，以及它們之間的相互聯(lián)系。特點之二：具有專業(yè)課的特點與實際相關，應用廣泛。要學會用工程的觀點對電路進行分析。電路分析課程研究的對象：1、集總電路的分析。2、電路中的節(jié)點電壓、支路電流以及功率和能量。課程的基本結構：兩類約束（KCL、KVL和元件的VCR）、三大基本方法（疊加、分解、變換域的分析）主要教學環(huán)節(jié)

習題獨立完成作業(yè)，按時交作業(yè)。認真理解老師對相關內容的講解，特別是對基本概念，基本理論和基本分析方法的論述，注意解題方法和技巧。

課堂教學

實驗4個

考試期末70%，實驗、作業(yè)和和課堂測驗30%。教材及參考書

教材：

參考書：《電路分析基礎》

崔曉燕周慧玲張軼科學出版社《電路分析基礎》俎云霄李巍海呂玉琴編著電子工業(yè)出版社《電路》邱關源主編

高等教育出版社《簡明電路分析基礎》

李瀚蓀著高等教育出版社希望和要求:教學形式:

課堂上，主要以多媒體課件形式進行授課，輔之板書進行分析。有時借助計算機軟件對電路進行分析；

課后，認真復習，完成作業(yè)。意見要求及時反饋教師嚴謹治學學生積極配合共創(chuàng)優(yōu)異成績希望踴躍發(fā)表看法學習的獨立性??！2.電學和電路理論發(fā)展簡史

1）奠基時期

1752年富蘭克林證明閃電是電

1785年庫倫發(fā)現(xiàn)庫倫定律

1826年歐姆發(fā)現(xiàn)歐姆定律

1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律

2）通訊時代

1837年莫爾斯發(fā)明實用電報機

1845年基爾霍夫提出基爾霍夫電流定律和電壓定律

1875年貝爾發(fā)明電話

1894年馬可尼和波波夫分別發(fā)明無線電

3）電子管時代

1904年弗萊明發(fā)明真空二極管

1906年德福雷斯特發(fā)明真空三極管

4）晶體管時代

1948年布拉頓等發(fā)明晶體管

5）集成電路時代

1958年發(fā)明集成電路

電路器件建模：通過微觀或宏觀分析，得到器件端子上電量之間的約束關系，用于描述器件特性。

電路分析：給定電路結構和參數(shù)，求解電路中的電壓、電流，分析電路的特性。

電路綜合：給定電路性能要求，設計電路的形式并計算元件參數(shù)，從而確定電路的結構。

20世紀30年代，電路理論形成一門獨立學科，20世紀50年代末，電路理論體系基本完善。電路理論的研究演變?yōu)槿齻€方面的內容：電路器件的建模研究、電路分析方法研究和電路綜合方法研究。第1章電路模型和電路定律電路和電路模型1.1電阻元件1.5電流和電壓的參考方向1.2電壓源和電流源1.6電功率和能量1.3受控電源1.7電路元件1.4基爾霍夫定律1.8首頁本章重點1.電壓、電流的參考方向3.基爾霍夫定律

重點：2.電阻元件和電源元件的特性返回1.1電路和電路模型1.實際電路功能a能量的傳輸、分配與轉換；b信息的傳遞、控制與處理。建立在同一電路理論基礎上。由電工設備和電氣器件按預期目的連接構成的電流的通路。下頁上頁共性返回反映實際電路部件的主要電磁性質的理想電路元件及其組合。2.電路模型導線電池開關燈泡電路圖理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件。電路模型下頁上頁返回8~~~~~ElectriccircuitofaradioreceiverantennaL10.445

HC4C22200PFC30.1U1SBL-113,42,5,67Q1OscillatorR2R1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18++++___12VdcL31mHL222.7

H4710K10K220100K100K1M15K15K10K4710C191091055320.11.0

F1.0

F100

F100

F100

F0.00330.10.00220.470.1AudioOutput7MHztoU1.pin8U2BU2AU3Audiopoweramp56732184236541.2電流和電壓的參考方向

電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流、電壓和功率。1.電流的參考方向電流電流強度帶電粒子有規(guī)則的定向運動單位時間內通過導體橫截面的電荷量下頁上頁返回方向規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向單位1kA=103A1mA=10-3A1

A=10-6AA（安培）、kA、mA、

A元件(導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能:

實際方向AB實際方向AB對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷。下頁上頁問題返回參考方向大小方向(正負）電流(代數(shù)量)任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。i>0i<0實際方向實際方向電流的參考方向與實際方向的關系：下頁上頁i

參考方向ABi

參考方向ABi

參考方向AB表明返回電流參考方向的兩種表示：

用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向。

用雙下標表示：如iAB

,

電流的參考方向由A指向B。下頁上頁i

參考方向ABiABAB返回電壓U

單位2.電壓的參考方向單位正電荷q

從電路中一點移至另一點時電場力做功（W）的大小。(即兩點之間的電位差）

電位

單位正電荷q

從電路中一點移至參考點（＝0）時電場力做功的大小。

實際電壓方向

電位真正降低的方向。下頁上頁V(伏)、kV、mV、V返回例已知：4C正電荷由a點均勻移動至b點電場力做功8J，由b點移動到c點電場力做功為12J，若以b點為參考點，求a、b、c點的電位和電壓Uab、Ubc;若以c點為參考點，再求以上各值。解(1)下頁上頁acb返回acb解(2)下頁上頁結論電路中電位參考點可任意選擇；參考點一經(jīng)選定，電路中各點的電位值就唯一確定；當選擇不同的電位參考點時，電路中各點電位值將改變，但任意兩點間電壓保持不變。返回復雜電路或交變電路中，兩點間電壓的實際方向往往不易判別，給實際電路問題的分析計算帶來困難。電壓(降)的參考方向U>0參考方向U+–參考方向U+–

<0U假設高電位指向低電位的方向。下頁上頁問題+實際方向–+實際方向–返回電壓參考方向的三種表示方式：(1)用箭頭表示：(2)用正負極性表示(3)用雙下標表示UU+ABUAB下頁上頁返回元件或支路的u，i

采用相同的參考方向稱之為關聯(lián)參考方向。反之，稱為非關聯(lián)參考方向。關聯(lián)參考方向非關聯(lián)參考方向3.關聯(lián)參考方向i+-+-iuu下頁上頁返回分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應位置標注(包括方向和符號)，在計算過程中不得任意改變參考方向不同時，其表達式相差一負號，但電壓、電流的實際方向不變。例電壓電流參考方向如圖中所標，問：對A、B兩部分電路電壓電流參考方向關聯(lián)否？答：A電壓、電流參考方向非關聯(lián)；

B電壓、電流參考方向關聯(lián)。下頁上頁注意＋－uBAi返回1.3電功率和能量1.電功率功率的單位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的單位：J(焦)(Joule，焦耳)單位時間內電場力所做的功。下頁上頁返回在t0到t時間內元件的吸收的能量u+-

正電荷從元件上電壓的“+”極經(jīng)元件運動到電壓的“—”極時，電場力對電荷做正功，元件吸收能量。2.電場力所做功的極性iu+-

正電荷從元件上電壓的“—”極經(jīng)元件運動到電壓的“+”極時，電場力對電荷做負功，元件釋放能量。i3.電路吸收或發(fā)出功率的判斷

u,i

取關聯(lián)參考方向P=ui

表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(實際吸收)P<0

吸收負功率(實際發(fā)出)P=-ui

表示元件發(fā)出的功率P>0

吸收正功率(實際吸收)P<0

吸收負功率(實際發(fā)出)

u,i

取非關聯(lián)參考方向下頁上頁+-iu+-iu返回例求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產生的功率。下頁上頁已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－返回解對一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率＝吸收的功率下頁上頁564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－注意返回下頁上頁1.4電路元件是電路中最基本的組成單元。1.電路元件返回5種基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉變成電能的元件。注意如果表征元件端子特性的數(shù)學關系式是線性關系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。2.集總參數(shù)電路由集總元件構成的電路集總元件假定每種理想元件都只表示一種基本物理現(xiàn)象且可用數(shù)學方法精確定義，并且元件特性集中在空間一點上，無體積大小。集總條件下頁上頁在集總參數(shù)電路中，假定電場和磁場的作用均“集中”在元件內部，其對外的作用效果僅體現(xiàn)為元件端子上的電壓和電流；電路中的電壓和電流也只隨時間變化，與其空間位置無關。注意返回本課程主要討論線性非時變集總參數(shù)電路。下頁上頁例iiz集總參數(shù)電路+-兩線傳輸線的等效電路當兩線傳輸線的長度l與電磁波的波長滿足：返回下頁上頁iiz++--分布參數(shù)電路當兩線傳輸線的長度l與電磁波的波長滿足：返回1.5電阻元件2.線性時不變電阻元件電路符號R電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用u～i平面上的一條曲線來描述：iu任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性下頁上頁0返回

u～i

關系R

稱為電阻，單位：

(Ohm)滿足歐姆定律單位G

稱為電導，單位：S(Siemens)u、i取關聯(lián)參考方向下頁上頁伏安特性為一條過原點的直線ui0Rui+－返回如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián)，公式中應冠以負號；說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。歐姆定律只適用于線性電阻(

R

為常數(shù)）；則歐姆定律寫為u–Rii–Gu公式和參考方向必須配套使用！下頁上頁注意Rui-+返回3.功率和能量電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。p

-ui(–Ri)i

i2R

u2/Rp

ui

i2R

u2/R功率Rui+-下頁上頁表明Rui-+返回ui從

t0

到t電阻消耗的能量：4.電阻的開路與短路能量短路開路ui下頁上頁Riu+–u+–i00返回下頁上頁實際電阻器返回§1－6電壓源和電流源電路中的耗能器件或裝置有電流流動時，會不斷消耗能量，電路中必須有提供能量的器件或裝置——電源。常用的直流電源有干電池、蓄電池、直流發(fā)電機、直流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)流電源等。常用的交流電源有電力系統(tǒng)提供的正弦交流電源、交流穩(wěn)壓電源和產生多種波形的各種信號發(fā)生器等。為了得到各種實際電源的電路模型，定義兩種理想的電路元件——獨立電壓源和獨立電流源。

常用的干電池和可充電電池實驗室使用的直流穩(wěn)壓電源用示波器觀測直流穩(wěn)壓電源的電壓隨時間變化的波形。示波器穩(wěn)壓電源一、理想獨立電壓源(Idealindependentvoltagesource)２、電壓源的文字圖形符號(電路符號)：如圖所示，圖中“+”，“-”號表示電壓源電壓的參考極性。１、定義：如果一個二端元件的電流無論為何值(與電流無關)，其電壓保持常量US或按給定的時間函數(shù)uS(t)變化，則此二端元件稱為理想獨立電壓源，簡稱為電壓源。3、特點：4、伏安特性：5、理想獨立電壓源的開路與短路

6、（３）、電壓隨時間周期性變化且平均值為零的時變電壓源，稱為交流電壓源。電壓源的電壓與電流采用關聯(lián)參考方向時，其吸收功率為：

p=ui

7、分類：（１）、電壓保持常量的電壓源，稱為恒定電壓源或直流電壓源。（２）、電壓隨時間變化的電壓源，稱為時變電壓源。

8、吸收功率：（１）、當p>0，即電壓源工作在i-u平面的一、三象限時，電壓源實際吸收功率。（２）、當p<0，即電壓源工作在i-u平面的二、四象限時，電壓源實際發(fā)出功率。P>0P<0也就是說，隨著電壓源工作狀態(tài)的不同，它既可發(fā)出功率，也可吸收功率。

二、理想獨立電流源(Idealindependentcurrend

source)如果一個二端元件的電壓無論為何值，其電流保持常量IS或按給定時間函數(shù)iS(t)變化，則此二端元件稱為獨立電流源，簡稱電流源。１、定義（是從實際電源抽象出來的另一種電路元件）：２、電流源的文字圖形符號：３、特點：4、伏安特性：相當于開路元件5、理想電流源的短路與開路：6、實際電流源7、實際電流源的產生：（１）、電流保持常量的電流源，稱為恒定電流源或直流電流源。（２）、電流隨時間變化的電流源，稱為時變電流源。

8、分類：（３）、電流隨時間周期變化且平均值為零的時變電流源，稱為交流電流源。電流源的電壓與電流采用關聯(lián)參考方向時，其吸收功率為：（１）、當p>0，即電流源工作在u-i平面的一、三象限時，電流源實際吸收功率；（２）、當p<0，即電流源工作在u-i平面的二、四象限時，電流源實際發(fā)出功率。

9、吸收功率：也就是說隨著電流源工作狀態(tài)的不同，它既可發(fā)出功率，也可吸收功率。例計算圖示電路各元件的功率解發(fā)出吸收吸收滿足：P（發(fā)）＝P（吸）下頁上頁i+_+_10V5V-+返回例計算圖示電路各元件的功率解發(fā)出發(fā)出滿足：P（發(fā)）＝P（吸）下頁上頁u2Ai+_5V-+返回實際電源干電池鈕扣電池1.干電池和鈕扣電池（化學電源）干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。鈕扣電池電動勢1.35V，用固體化學材料，化學反應不可逆。下頁上頁返回氫氧燃料電池示意圖2.燃料電池（化學電源）電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學能轉變?yōu)殡娔堋嶒炿A段加燃料可繼續(xù)工作。下頁上頁返回3.太陽能電池（光能電源）一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結上，形成一個從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約11%的光能轉變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板?/p>

一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A太陽能電池示意圖太陽能電池板下頁上頁返回蓄電池示意圖4.蓄電池（化學電源）電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應可逆。下頁上頁返回直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計函數(shù)發(fā)生器下頁上頁返回發(fā)電機組下頁上頁返回交流電的大小和方向隨時間作周期性變化。特征：正弦電壓源需用頻率、峰值和相位三個物理量來描述草原上的風力發(fā)電下頁上頁返回1.7受控電源(非獨立源)電路符號+–受控電壓源1.定義受控電流源電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。下頁上頁返回電流控制的電流源(CCCS)

:電流放大倍數(shù)根據(jù)控制量和被控制量是電壓u

或電流i，受控源可分四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示。2.分類四端元件輸出：受控部分輸入：控制部分下頁上頁b

i1+_u2i2_u1i1+返回i1g:轉移電導

電壓控制的電流源(VCCS)電壓控制的電壓源(VCVS)

:電壓放大倍數(shù)

gu1+_u2i2_u1i1+下頁上頁i1

u1+_u2i2_u1++_返回u1+_u1+_+_電流控制的電壓源(CCVS)r

:轉移電阻

例電路模型

ibicib下頁上頁ri1+_u2i2_u1i1++_返回+_i13.受控源與獨立源的比較獨立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨立源在電路中起“激勵”作用，在電路中產生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對另一處的電壓或電流的控制關系，在電路中不能作為“激勵”。下頁上頁返回例求：電壓u2解5i1+_u2_i1++-3u1=6V下頁上頁返回1.8基爾霍夫定律

基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律(KVL)。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構成了電路分析的基礎。下頁上頁返回1.幾個名詞電路中通過同一電流的分支。元件的連接點稱為結點。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路電路中每一個兩端元件就叫一條支路。i3i2i1結點b=5下頁上頁或三條以上支路的連接點稱為結點。n=2注意兩種定義分別用在不同的場合。返回由支路組成的閉合路徑。兩結點間的一條通路。由支路構成對平面電路，其內部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123路徑回路網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。下頁上頁+_R1uS1+_uS2R2R3注意返回2.基爾霍夫電流定律

(KCL)令流出為“+”，有：例在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結點流出（或流入）該結點電流的代數(shù)和等于零。流進的電流等于流出的電流下頁上頁返回例三式相加得：KCL可推廣應用于電路中包圍多個結點的任一閉合面。下頁上頁1

32表明返回KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結點處的反映；KCL是對結點處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無關，與電路是線性還是非線性無關；KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電流實際方向無關。下頁上頁明確返回3.基爾霍夫電壓定律

(KVL)U3U1U2U4下頁上頁標定各元件電壓參考方向選定回路繞行方向，順時針或逆時針.I1+US1R1I4_+US