电路教案第3章.ppt

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1、西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作电路教案第3章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作第三章第三章 动态电路动态电路 许多实际电路，除了电源和电阻外，还常包含电容和电感元件。这类元件的VCR是微分或积分关系，故称其为动态元件。含有动态元件的电路称为动态电路，描述动态电路的方程是微分方程。电容元件(capacitor)是一种储存电能的元件,它是实际电容器的理想化模型。其电路符号如图(a)所示。下一页前一页第 3-2

2、 页返回本章目录电容上电荷与电压的关系最能反映这种元件的储能。1、电容的一般定义电容的一般定义 一个二端元件，若在任一时刻t，其电荷q(t)与电压u(t)之间的关系能用qu平面上的曲线表征，即具有代数关系 f(u，q)=0则称该元件为电容元件，简称电容。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 3.1 3.1 动态元件动态元件 电容也分：时变和时不变的，线性的和非线性的。线性时不变电容的外特性(库伏特性)是qu平面上一条过原点的直线，且其斜率C不随时间变化，如图(a)所示。其表达式可写为：q(t)=Cu(t)其中C就是电容元件的值，单位为：法拉(F)。对于线性时不变电容，C为正实常数。2、电容的

3、、电容的VAR(或或VCR)当电容两端的电压变化时，聚集在电容上的电荷也相应发生变化，这表明连接电容的导线上就有电荷移动，即有电流流过；若电容上电压不变化，电荷也不变化，即电流为零。这与电阻不同。若电容上电压与电流参考方向关联，如图(b)，考虑到 i=dq/dt，q=C u(t)，有称电容VAR的微分形式下一页前一页第 3-3 页返回本章目录西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 3.1 3.1 动态元件动态元件 对电容伏安关系的微分形式从-到t进行积分，并设u(-)=0，可得称电容VAR的积分形式 设t=t0为初始观察时刻，上式可改写为称为电容电压在t0时刻的初始值(initial valu

4、e),或初始状态(initial state)，它包含了在t0以前电流的“全部历史”信息。一般取t0=0。式中下一页前一页第 3-4 页 若电容电压、电流的参考方向非关联，如右图所示。电容VAR表达式可改为u与i非关联返回本章目录西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作3.1 3.1 动态元件动态元件当电容电压和电流为关联方向时，电容吸收的瞬时功率为：3、电容的功率与储能、电容的功率与储能 电容是储能元件，它不消耗能量。当 p(t)0时，说明电容是在吸收能量，处于充电状态；当 p(t)0时，说明电感是在吸收能量，处于充磁状态；当 p(t)0时，说明电感是在释放能量，处于放磁状态。释放的能量总也不

5、会超过吸收的能量。电感不能产生能量，因此为无源元件。对上式从-到 t 进行积分，即得t 时刻电感上的储能为：式中i(-)表示电感未充磁时刻的电流值，应有i(-)=0。于是，电感在时刻 t 的储能可简化为：可见：电感在某一时刻 t 的储能仅取决于此时刻的电流，而与电压无关，且储能 0。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作4 4、举例、举例下一页前一页第 3-13 返回本章目录 3.1 3.1 动态元件动态元件 例1 如图(a)电路，已知电感电压u(t)，L=0.5H，i(0)=0；试求电感上电流i(t)及在t=1s时的储能wL(1)。解：写出u(t)的表达式为当00.5s时，西安电子科技大学电

6、路与系统多媒体室制作5、主要结论、主要结论下一页前一页第 3-14 返回本章目录 3.1 3.1 动态元件动态元件（1）电感元件是动态元件。（2）由电感VAR的微分形式可知：任意时刻，通过电感的电压与该时刻电流的变化率成正比。当电感电压 u为有限值时，其di/dt也为有限值，则电流i必定是连续函数，此时电感电流是不会跃变的。当电感电流为直流电流时，则电压 u=0，即电感对直流相当于短路。（3）由电感VAR的积分形式可知：在任意时刻t，电感电流i是此时刻以前的电压作用的结果，它“记载”了以前电压的“全部历史”。即电感电流具有“记忆”电压的作用，故电感也是一个记忆元件。（4）电感是一个储能元件，它

7、从外部电路吸收的能量，以磁场能量的形式储存于自身的磁场中。电感L在某一时刻的储能只与该时刻t电感电流有关。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作1、电容串联：、电容串联：下一页前一页第 3-15 返回本章目录3.1 3.1 动态元件动态元件电容串联电流相同，根据电容VAR积分形式由KVL，有 u=u1+u2+un分压公式特例：两个电容串联，西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作下一页前一页第 3-16 返回本章目录 3.1 3.1 动态元件动态元件2、电容并联：、电容并联：电容并联电压u相同，根据电容VAR微分形式由KCL，有 i=i1+i2+in Ceq=C1+C2+Cn分流公式西安电子科技

8、大学电路与系统多媒体室制作3、电感串联：、电感串联：下一页前一页第 3-17 返回本章目录 3.1 3.1 动态元件动态元件电感串联电流相同，根据电感VAR微分形式由KVL，有 u=u1+u2+un Leq=L1+L2+Ln分压公式西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作4、电感并联：、电感并联：下一页前一页第 3-18 返回本章目录 3.1 3.1 动态元件动态元件电感并联电压u相同，根据电容VAR积分形式由KCL，有 i=i1+i2+in分流公式特例：两个电感并联，西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作5、电容电感串并联两点说明、电容电感串并联两点说明（1）电感的串并联与电阻串并联形式相同，

9、而电容的串并联与电导形式相同。（2）电感与电容也可以利用-Y等效，但注意：对电容用1/C代入。下一页前一页第 3-19 返回本章目录 3.1 3.1 动态元件动态元件西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作?1971年加州大学伯克利分校华裔科学家基于结构完整性的推测，存在第四基本元件：memristor忆阻器 -memory resistor并用有源器件实现了具有忆阻电气特性的电路。但始终没有找到无源的忆阻器。石破天惊的消息来自2008年5月1日的Nature杂志，HP Lab的4位科学家R.Fano等“The missing memristor found”453:8083,2008 理论物理

10、，实验物理，物理化学，计算机结构可在nm(纳米)尺寸上实现开关，进而极大地缩小存储器的体积，这对计算机的发展和研制具有人类智能的模拟计算机开辟可能的新方向。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作第三章第三章 动态电路动态电路下一页前一页第 3-21 返回本章目录1、依据：元件VAR，KCL和KVL列写方程；2、一阶电路举例：由于动态电路中的电感电容的VAR是微积分关系，可以预料，动态电路列出的方程一定是微积分方程。若描述电路的方程是一阶微分方程，相应的电路称为一阶电路(first order circuit)。例1：图RC电路，t=0时开关S闭合，讨论t0时的电容电压uC(t)。t0时，根据K

11、VL方程列出回路电压方程为uR+uC uS=0根据元件的VAR，有代入上式，整理得令=RC，其单位是秒。因为RC=V/AC/V=C/A=s故称为时间常数，简称时常数。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作例2：图RL电路，t=0时开关S闭合，讨论t0时的电感电流iL(t)。下一页前一页第 3-22 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及其解动态电路的方程及其解 t0时，根据KCL有iR+iL iS=0根据元件的VAR，有代入上式，整理得观察上两例列出的方程，除变量不同外，均为典型的一阶微分方程，因此均为一阶电路。一阶微分方程的一般形式可写为y(t)+ay(t)=bf(t)，式中y(t)

12、为响应，f(t)为激励。令=L/R，其单位是秒。因为L/R=Wb/A/V/A=Wb/V=s故称为时间常数，简称时常数。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作3 3、二阶电路举例：、二阶电路举例：下一页前一页第 3-23 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及其解动态电路的方程及其解例：图RLC串联电路，仍以电容电压uC(t)作为电路的响应。根据KVL方程有uR+uL+uC uS=0根据元件的VAR，有代入上式，整理得这是二阶微分方程，因此称该电路为二阶电路。二阶微分方程的一般形式可写为y”(t)+a1y(t)+a0y(t)=b0f(t)西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作4、建立动态

13、方程的一般步骤下一页前一页第 3-24 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及其解动态电路的方程及其解、根据电路建立KCL或KVL方程，写出个元件的伏安关系；、在以上方程中消去中间变量，得到所需变量的微分方程。对于较复杂的动态电路，常用拉普拉斯变换进行分析。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作1、微分方程的经典解法下一页前一页第 3-25 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及其解动态电路的方程及其解一阶和二阶微分方程一般形式为y(t)+ay(t)=bf(t)（1），y”(t)+a1y(t)+a0y(t)=b0f(t)（2）对于线性时不变动态电路，上式中的系数都是常数。高等数

14、学学过，线性常系数微分方程的解由两部分组成：y(t)=yh(t)+yp(t)即：完全解=齐次解（通解）+特解齐次解yh(t)：它的函数形式取决于微分方程的特征根。对于一阶微分方程，其特征方程为 s+a=0，特征根为s=-a，故yh(t)=K est=K e-a t式中K为待定常数。对于二阶微分方程，其特征方程为 s2+a1s+a0=0，特征根为s1 和s2，当s1 s2 时，yh(t)=K1 es1t +K2 es2t 当s1=s2=s时，yh(t)=(K1+K2 t)est 式中待定常数K1、K2将在完全解中由初始条件确定。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作特解yh(t)：特解具有与激励

15、f(t)相同的函数形式。列表如下：(P99表3-2)下一页前一页第 3-26 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及其解动态电路的方程及其解激励f(t)函数形式特解yp(t)直流常数AtmAmtm+Am-1tm-1+A1t+A0etAet 当不是特征根时(A1t+A0)et 当是特征单根时(A2t2+A1t+A0)et 当是二阶特征根(二阶电路）cost或 sin tA1 cost+A2 sin t当特解yp(t)的函数形式确定后，将其代入原微分方程中，来求待定常数Ai西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作2、举例下一页前一页第 3-27 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及

16、其解动态电路的方程及其解 如图RC电路，Us为直流电压源，当t=0时开关闭合，电容的初始电压uC(0)=U0，求t0时的uC(t)。解（1）建立电路方程。前面已得（2）求齐次解uCh(t)。特征方程为 s+1/(RC)=0其特征根 s=-1/(RC)，故（3）求特解uCp(t)。激励Us为常数，特解也是常数。令 uCp(t)=A，将它代入上面微分方程，得故得特解 uCp(t)=A=Us（4）求完全解uC(t)。uC(t)=uCh(t)+uCp(t)=式中常数K由初试条件uC(0)=U0确定。将该条件代入上式，得uC(0)=K+Us=U0 ,解得 K=U0-Us，故西安电子科技大学电路与系统多媒

17、体室制作3、结果分析：固有响应和强迫响应 暂态响应和稳态响应下一页前一页第 3-28 返回本章目录 3.2 3.2 动态电路的方程及其解动态电路的方程及其解 在完全解中，其第一项（即齐次解）的函数形式仅由特征根确定，而与激励的函数形式无关，称为固有响应或自由响应。固有响应 式中第二项（即特解）与激励具有相同的函数形式，称为强迫响应。强迫响应 按电路的工作情况，也常将完全响应分为暂态响应和稳态响应。上式中第一项按指数规律衰减，t时，该项为0，称为暂态响应。第二项在任意时刻都保持稳定，称为稳态响应。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作一、换路定律下一页前一页第 3-29 返回本章目录 前面可以看

18、到，求解微分方程时，需要根据给定的初始条件确定解答中的待定常数K。由于电路的响应是指电压和电流，故相应的初始条件为电压或电流的初始值，即在t=t0时刻的值u(t0)、i(t0)。其中电容电压uC和电感电流iL的初始值uC(t0)、iL(t0)由电路的初始储能决定，称为独立初始值或初始状态。其余电压电流的初始值称为非独立初始值，它们将由电路激励和初始状态来确定。1、换路现象*开关的闭或开动作；*元件参数突变；*电源数值突变；统称为“换路”电路的初始时刻一般认为是换路时刻。设换路时刻为t=t0，则换路前瞬间为：换路后瞬间为：我们解微分方程所需要的初始值实际上是指在t0+时刻的值。西安电子科技大学电

19、路与系统多媒体室制作2、换路定律(Switching Law)(Switching Law)下一页前一页第 3-30 返回本章目录 3.3 3.3 电路的初始值电路的初始值若电容电流iC和电感电压uL在t=t0时为有限值，则换路前后瞬间电容电压uC和电感电流iL是连续的（不发生跃变），即有 uC(t0+)=uC(t0-)iL(t0+)=iL(t0-)3、说明（1）强调指出：除电容电压和电感电流外，其余各处电压电流不受换路定律的约束，换路前后可能发生跃变。（2）换路定律可以从能量的角度来理解：由于wC(t)=0.5Cu2C(t)、wL(t)=0.5Li2L(t)，如果uC或iL发生跃变，则wC或

20、wL也发生跃变，由于功率p=dw/dt，因此能量的跃变意味着功率为，这在实际电路中是不可能的。但在某些理想情况下，有可能。（3）通常t0=0。此时uC(0+)=uC(0-)，iL(0+)=iL(0-)西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作1、独立初始值（初始状态）的求解下一页前一页第 3-31 返回本章目录 3.3 3.3 电路的初始值电路的初始值 首先根据换路前电路的具体状况，求出uC(0-)和 iL(0-)。然后利用换路定律即可求得uC(0+)=uC(0-)，iL(0+)=iL(0-)。例：电路如图所示，已知t0时，开关S是闭合的，电路已处于稳定。在t=0时，开关S打开，求初始值uC(0+

21、)和iL(0+)。解：t 0时，电路在直流电源作用下并已处于稳态，此时，电路各处电压、电流均为直流。因此电容可视为开路，电感视为短路。得t=0-时的等效电路如图(b)。由图(b)电路容易求得：iL(0-)=8/(2+6)=1 A uC(0-)=6 iL(0-)=6 V由换路定律得：uC(0+)=uC(0-)=6 V iL(0+)=iL(0-)=1 A基本思路先求出独立初始值，然后再由独立初始值求出非独立初始值。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作2、非独立初始值的求解下一页前一页第 3-32 返回本章目录 3.3 3.3 电路的初始值电路的初始值 当初始状态求出后，根据置换定理，在t=0+时

22、刻，将电容用电压等于uC(0+)的电压源替代若uC(0+)=0时用短路替代，电感用电流等于iL(0+)的电流源替代若iL(0+)=0时用开路替代，独立源均取t=0+时刻的值。此时得到的电路是一个直流电源作用下的电阻电路，称为0+等效电路,如图(b)。由该电路求得各电流、电压就是非独立初始值。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作3、初始值计算举例下一页前一页第 3-33 返回本章目录 3.3 3.3 电路的初始值电路的初始值例：电路如图(a)所示，已知t 0时，开关S是处于位置1，电路已达稳态。在t=0时，开关S切换至位置2，求初始值iR(0+)、iC(0+)和uL(0+)。解(1)计算uC(

23、0-)和iL(0-)。由于t 0时电路已达直流稳态，电容开路，电感短路，t=0-时的等效电路如图(b)。可得iL(0-)=210/(2+3)=4AuC(0-)=3 iL(0-)=12 V(2)根据换路定律得 uC(0+)=uC(0-)=12V，iL(0+)=iL(0-)=4A(3)计算非独立初始值。开关切换至位置2，画出0+等效电路，如图(c)。iR(0+)=12/4=3A iC(0+)=-iR(0+)4=-7A uL(0+)=12-34=0V西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作4、初始值计算步骤总结：下一页前一页第 3-34 返回本章目录 3.3 3.3 电路的初始值电路的初始值（1）由t

24、=0-时的等效电路，求出uC(0-)和iL(0-)（特别注意：直流稳态时，L相当于短路，C相当于开路）。（2）根据换路定律，确定初始状态uC(0+)=uC(0-)，iL(0+)=iL(0-)。（3）画出0+等效电路，利用电阻电路分析方法，求出各非独立初始值。5、电容电压、电感电流发生强迫跃变的情况（了解）指出：换路定律仅在电容电流和电感电压为有限值时才成立。在某些理想情况下，电容电流和电感电压可以为，uC和iL可能强迫跃变。可能情况：换路后，电路中存在有全部由电容组成的回路或由电容和理想电压源组成的回路，那么，电容电压可能发生跃变。换路后，电路中存在节点或闭合曲面，与它相连支路全部由含电感的支

25、路或理想电流源支路组成，那么，电感电流可能发生跃变。在发生强迫跃变的情况下，可根据电荷守恒和磁链守恒的原理确定有关初始值。q(0+)=q(0-),(0+)=(0-)西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作一、零输入响应下一页前一页第 3-35 返回本章目录 动态电路能量来源于两部分：一是外加激励，另一是电路的初始储能(初始状态)。定义：外加激励均为零时，仅由初始状态所引起的响应，称为零输入响应，记为yzi(t)。例：电路如图(a)所示，已知t 0时，开关S是处于位置1，电路已达稳态。在t=0时，开关S切换至位置2，求t0时，电容电压uC(t)(零输入响应)。解：首先计算初始状态，容易得到t0时，

26、开关切换至2，电路如图(b)。由KVL列方程 uR+uC=0 ，其中uR=R i,i=-C duC/dt，故有 或写为式中，=RC为时常数。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作下一页前一页第 3-36 返回本章目录 3.4 3.4 一阶动态电路的响应一阶动态电路的响应将初始值uC(0+)代入，可得常数 K=uC(0+)，最后得，t0波形如图(c)、(d)。可见当t时，它们衰减到零，达到稳态。这一变化过程称为暂态过程或过渡过程。在换路前后，电容电压是连续的；而电流i(0-)=0，i(0+)=uC(0+)/R，发生跃变。零输入响应与初始状态之间满足齐次性。实际上，对二阶以上电路，有多个初始状态，

27、零输入响应与各初始状态间也满足可加性。这种性质称为零输入线性。物理过程：放电上面齐次微分方程的特征方程为 s+(1/)=0，特征根为 s=-1/，故解为：西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作暂态过程与时常数之间的关系下一页前一页第 3-37 返回本章目录 3.4 3.4 一阶动态电路的响应一阶动态电路的响应 上述RC电路的放电过程的快慢取决于时常数，它越大，表达电压电流的暂态变化越慢，反之，越快。注意：仅与电路内参数有关，与激励和初始状态无关。不同t值对应的响应t0234 5 y(t)=e-t/e0=1e-1=0.368e-2=0.135e-3=0.05e-4=0.018e-5=0.0070

28、 工程上，一般认为，经过3 5 的时间后，暂态响应已基本结束。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作例：电路如图所示，已知R=4，L=0.1H，US=24V，开关在t=0打开，求t0时的电流iL，其中电压表的内阻RV=10k，量程为100V，问开关打开时，电压表有无危险？下一页前一页第 3-38 返回本章目录 3.4 3.4 一阶动态电路的响应一阶动态电路的响应解 因t=0-时，电感相当与短路，故u(0-)=0。而 iL(0+)=iL(0-)=Us/R=24/4=6 A换路后，等效电路如图(b)。由KVL方程有 uL u=0将uL=L diL/dt和 u=-RViL代入上式得令=L/RV=10

29、-5s，方程变为故电压表换路后瞬间要承受-60kV的高压，而其量程只有100V，因此电压表立即被打坏。u(t)=-RV iL(t)=-10103 =-60 kV西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作二、零状态响应下一页前一页第 3-39 返回本章目录 3.4 3.4 一阶动态电路的响应一阶动态电路的响应定义：当电路的初始储能为零(即初始状态为零)时，仅由外加激励所引起的响应，称为零状态响应，记为yzs(t)。例：电路如图(a)所示，已知t 0时，开关S是闭合，电路已达稳态。在t=0时，开关S断开，求t0时，电容电压uC(t)。解：t 0（称电路为正电路），当t时，电路稳态，A=y()稳态值。直

30、流激励时一阶电路的响应为三要素公式y(t)=y(0+)-yp(0+)e-t/+yp(t)西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作二、三要素公式说明下一页前一页第 3-44 返回本章目录（1）适用范围：直流激励下一阶电路中任意处的电流和电压；（2）三要素：y(0+)表示该响应（电压或电流）的初始值，y()表示响应的稳定值，表示电路的时间常数。（3）三要素法不仅可以求全响应，也可以求零输入响应和零状态响应分量。（4）0时，电路不稳定。但公式仍适用。只是y()的含义不是稳态值，而是称为平衡状态值。（5）若初始时刻为t=t0，则三要素公式应改为 y(t)=y(t0+)-y()e-(t-t0)/+y()，

31、t t0西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作三、三要素的计算（归纳）下一页前一页第 3-45 返回本章目录1、初始值y(0+)步骤（1）先计算uC(0-)和iL(0-)，然后由换路定律得 uC(0+)=uC(0-)，iL(0+)=iL(0-)（2）画0+等效电路，求其它电压、电流的初始值。2、稳态值y()换路后 t时，电路进入直流稳态，此时，电容开路，电感短路。步骤：（1）换路后，电容开路，电感短路，画出稳态等效电阻电路。（2）求解该电路得稳态(或平衡）值y()。3、时常数对于一阶RC电路，=R0C；对于一阶RL电路，=L/R0；这里R0就是换路后从动态元件C或L看进去的戴维南等效内阻。西安

32、电子科技大学电路与系统多媒体室制作四、举例下一页前一页第 3-46 返回本章目录例1 如图(a)所示电路，IS=3A，US=18V，R1=3，R2=6，L=2H，在t 0时电路已处于稳态，当t=0时开关S闭合，求t0时的iL(t)、uL(t)和i(t)。解 （1）求iL(0+)=iL(0-)=US/R1=6A（2）画0+等效电路，如图(b)。列节点方程得uL(0+)=6V，i(0+)=uL(0+)/6=1A（3）画等效电路，如图(c)。显然有 uL()=0，i()=0，iL()=18/3+3=9A（4）计算时常数。R0=3/6=2=2/2=1s=L/R0，西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作

33、下一页前一页第 3-47 返回本章目录（5）代入三要素公式得。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作例2 如图6.5所示电路，US=5V，IS=2A，R1=1，R2=R3=4，C=0.5F，在t0时开关S位于“1”，电路已处于稳态。t=0时开关S由“1”闭合到“2”，经过2s后，开关S又由“2”闭合到“3”。求t0时的电压uC(t)。下一页前一页第 3-48 返回本章目录解(1)首先求出uC(0-)。S接于1，电路直流稳态。(2)当0t2s时，开关S接于“2”，此时电路处于零输入状态，故稳态值 uC()=0；时常数1=R2C=40.5=2(s)，由换路定律，有 uC(0+)=uC(0-)=4V

34、；代入三要素公式有 uC(t)=4e-t/2(V)，0 t 2s时，开关S闭合至“3”，由换路定律有 uC(2+)=uC(2-)=1.47V此时电路的稳态值 uC()=(R2/R3)Is=22=4(V),时常数2=(R2/R3)C=1s uC(t)=4-2.53e-(t-2)(V)，t 2s西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作例3 如图(a)所示电路，R1=6，R2=R4=6，R3=3，在t 0时开关S位于“1”，电路已处于稳态。t=0时开关S由“1”闭合到“2”。求t0时的电流iL(t)和电压u(t)的零输入响应和零状态响应。下一页前一页第 3-49 返回本章目录解(1)首先求出iL(0-

35、)。S接于1，电路直流稳态。电感短路，利用分流公式得：iL(0+)=iL(0-)=3A(2)求解零状态响应iLzs(t)和uzs(t)。零状态响应是初始状态为零，仅由独立源所引起的响应；故 iLzs(0+)=0，电感相当于开路。画出其0+等效电路，如图(b)所示，所以 uzs(0+)=uzs()=iLzs()=uzs()/R3=3/3=1(A)R0=()=L/R0=0.5s iLzs(t)=1-e-2t(A)，uzs(t)=3+3e-2t(V)，t0 西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作下一页前一页第 3-50 返回本章目录(3)求解零输入响应iLzi(t)和uzi(t)。零输入响应是令外加

36、激励均为零，仅由初始状态所引起的响应；故 iLzi(0+)=iL(0+)=3A，电压源US短路，画出其0+等效电路，如图(c)所示，uzi(0+)=-(R2/R4)iLzi(0+)=-33=-9(V)uzs()=0，iLzs()=0，时常数同前时常数同前；iLzi(t)=3e-2t(A)，uzi(t)=-9e-2t(V)，t0【评注】本题中，求u(t)的零输入响应和零状态响应时，也可利用下列方法：先用三要素法求出iL(t)的全响应，iL(t)=iL(0+)e-t/+iL()（1-e-t/），其中iLzi(t)=iL(0+)e-t/，iLzs(t)=iL()（1-e-t/），即若所求响应为iL(

37、t)或uC(t)时，可直接从全响应的三要素公式中把其零输入响应和零状态响应分离出。之后，利用u(t)=R3 iL(t)+=R3 iLzi(t)+iLzs(t)+从而 ux(t)=R3 iLzi(t)+，uzs(t)=R3 iLzs(t)+西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作例4 如图(a)所示电路，在t0时开关S是断开的，电路已处于稳态。t=0时开关S闭合。求t0时的电流i(t)。下一页前一页第 3-51 返回本章目录解 分析 开关S闭合后电路变为两个一阶电路，先利用三要素法分别求出两个一阶电路的电流i1(t)和i2(t)，然后利用KCL求得i(t)=i1(t)+i2(t)。t=0-时开关S

38、断开，电路为直流稳态，iL(0+)=iL(0-)=12/(2+1)=12/3=4(A)uC(0+)=uC(0-)=1iL(0-)=4(V)C=RCC=21=2s，L=L/RL=2/(2/2+1)=1s 画出换路后的0+等效电路如图(d)所示。i1(0+)=2A，i2(0+)=1A。i1()=0，i2()=1.5A i1(t)=2e-0.5t(A)，i2(t)=1.5-0.5e-t(A)，t0i(t)=i1(t)+i2(t)=2e-0.5t+1.5-0.5e-t(A)，t0 西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作下一页前一页第 3-52 返回本章目录例5 如图(a)所示电路，在t 0时开关S位于

39、b点，电路已处于稳态。t=0时开关S由b点切换至a点。求t0时的电压uC(t)和电流i(t)。解 化简电路。进行戴维南等效。uC(0+)=uC(0-)=-5VuC()=10VC=R0C=10.1=0.1s利用三要素公式，得回到原电路计算电流i(t)。2i(t)+uC(t)12=0。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作一、单位阶跃函数下一页前一页第 3-53 返回本章目录单位阶跃函数用(t)表示，其定义为：该函数在t=0处发生单位跃变，波形如图(a)。阶跃函数的应用之一是描述某些情况下的开关动作。如图(b)所示的开关动作，表示在t=0时把电路接入1V直流源时 u(t)的值，即：u(t)=(t)

40、V电路简画为图(c)。若单位直流电源接入的时刻为t0，则可用延迟单位阶跃函数表示，其波形如图(d)。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作阶跃函数另一个重要应用是可以简洁地表示某些信号。下一页前一页第 3-54 返回本章目录如图(a)的矩形脉冲信号，可以看成是图(b)和(c)两个阶跃信号之和。f(t)=A(t)-A(t t0)f 1(t)=2(t)-4(t 1)+2(t 2)f 2(t)=2(t)+2(t 1)2(t 2)2(t 3)此外，还可以用(t)表示任意函数的作用区间。f 3(t)=t(t)-(t 1)，画出波形。西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作二、阶跃响应下一页前一页第 3-5

41、5 返回本章目录1、定义：当激励为单位阶跃函数(t)时，电路的零状态响应称为单位阶跃响应，简称阶跃响应，用g(t)表示。单位阶跃函数(t)作用于电路相当于单位直流源(1V或1A)在t=0时接入电路，因此，一阶电路的阶跃响应仍可用三要素法求得。2、线性时不变电路的性质：（1）零状态响应与外加激励之间满足齐次性和叠加性(称零状态线性)。即，若f1(t)yzs1(t)，f2(t)yzs2(t)，则 a f1(t)+b f2(t)a yzs1(t)+byzs2(t)（2）满足时不变性：若f(t)yzs(t)，则f(t-t0)yzs(t-t0)西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作三、举例下一页前一页第

42、 3-56 返回本章目录例 如图(a)所示电路，（1）以uC(t)为输出，求电路的阶跃响应g(t)；（2）若激励iS的波形如图(b)，求电路的零状态响应uC(t)。解（1）用三要素法。根据阶跃响应g(t)的定义，知uC(0+)=0；激励iS=(t)A,可得 uC()=61=6V =RC=(6+4)0.2=2s故 g(t)=6(1 e-t/2)(t)（2）iS=2(t)-2(t-2)A，根据线性时不变性质，得零状态响应 uC(t)=2 g(t)-2 g(t-2)=12(1 e-t/2)(t)121 e-(t-2)/2(t-2)V 西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 实际电路中，除直流电源外，

43、另一类典型的激励就是正弦电源。下面以一阶电路为例讨论正弦电源激励下电路的完全响应。下一页前一页第 3-57 返回本章目录例 如图(a)所示电路，t=0时开关闭合。已知电容电压的初始值uC(0+)=U0。激励为uS(t)=USmcos(t+S)V，求t0时的uC(t)。解 t0时开关闭合，列方程为 uC(t)=uCh(t)+uCp(t)，uCh(t)=K e-t/(RC)，其特解为与激励具有相同频率的余弦函数，即 uCp(t)=UCmcos(t+C)，代入得 -RC UCmsin(t+C)+UCmcos(t+C)=USmcos(t+S)为方便，设A1=RCUCm，A2=Ucm，构成直角三角形，如

44、图(b)，则A1=Asin，A2=Acos,故-Asinsin(t+C)+Acos cos(t+C)=USmcos(t+S)西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作利用cosxcosy sinxsiny=cos(x+y)，得下一页前一页第 3-58 返回本章目录Acos(t+C+)=USmcos(t+S)，故有 C+=S解得 C=S =S arctan(RC)由初始条件确定常数K，即 uC(0+)=K+UCmcos(C)=U0，解得 K=U0-UCmcos(C)因此，uC(t)=(U0-UCmcos C)e-t/(RC)+UCmcos(t+C)前一项是暂态响应，后一项为稳态响应，称为正弦稳态响应。由上可见当电路复杂时，求解稳态响应麻烦，下一章介绍一种简便方法相量法。