北郵電路分析與信號(hào)系統(tǒng)課件第一章.ppt

自我介紹,張軼 北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院教師,聯(lián)系方式： 電話：62282118 辦公室：教四樓440室 電子郵箱：epic_,前 言,Fundamentals of Electric Circuit and Signal Analysis,電路與信號(hào)分析(基礎(chǔ)）,整本書圍繞著“信號(hào)”、“電路”和“系統(tǒng)”這三個(gè)核心展開討論和分析。,課程內(nèi)容,什么是信號(hào)？,信號(hào)（Signal）：指消息的表現(xiàn)形式與傳送載體。 消息（Message）：在通信系統(tǒng)中，一般將語言、文字、圖像或數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為消息。,注意：消息與信息的區(qū)別！,信號(hào)種類很多，如聲、光、電信號(hào)都很常見，而作為通信領(lǐng)域最為廣泛出現(xiàn)的則是電信號(hào)。電流、電壓、電荷、磁鏈等都是電信號(hào)。,什么是電路？,通俗說，就是電流所通過的路徑。它是由電路元、器件按一定方式組合而成的。我們習(xí)慣認(rèn)為：電路是由若干電氣元器件相互有機(jī)聯(lián)接完成特定功能的整體。,掌握電路分析的基本概念、理論和一些基本分析方法，培養(yǎng)分析和解決問題的能力。,汽車電路,較復(fù)雜的電路我們一般也稱其為電系統(tǒng)。,什么是系統(tǒng)？,系統(tǒng)：具有特定功能的總體，可以看作信號(hào)的變換器、處理器。,舉例,重點(diǎn)研究: 線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本特性,綜上所述,電路部分：學(xué)習(xí)電路的基本概念、規(guī)律、定理和分析方法，能夠獨(dú)立分析較復(fù)雜的電路問題。 信號(hào)與系統(tǒng)部分：掌握常用確定性信號(hào)的基本概念、性質(zhì)和信號(hào)作用于線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本分析方法。,參考書,簡(jiǎn)明電路分析基礎(chǔ) 李瀚蓀著 高等教育出版社,信號(hào)與系統(tǒng)鄭君里等 清華大學(xué)出版社,電路 邱關(guān)源 西安交通大學(xué),電路分析霍錫真等 北郵出版社,學(xué)習(xí)方法,聽（筆記）、讀、想、練,以上課教師的講述為主！ 教材作為主要參考書！,電路理論的兩大分支：,1、電路分析：給定電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)，求輸入（激勵(lì)） 與輸出（響應(yīng)）的關(guān)系；,2、電路綜合：給出輸入輸出的傳輸特性（即：輸入與輸出 之間的關(guān)系），求電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。,1-1 電路及集總電路模型,第一章 電路基礎(chǔ)知識(shí),電路定義：,例如：手電筒是日常生活中最簡(jiǎn)單的一個(gè)電路例子。,就是電流所通過的路徑。它是由電路元、器件按一定方式組合而成的。,理想電路模型,在一定條件下，突出其在電路中的主要性能，忽略次要因素，將實(shí)際電路元件理想化（模型化）。,理想電路元件模型： （理想元件、元件）,三種理想電路元件模型和符號(hào)：,R 電阻元件（resistor）,消耗電能并轉(zhuǎn)化為非電能（熱效應(yīng)）,圖片,L 電感元件(inductor）,C 電容元件（capacitor),存儲(chǔ)或釋放電場(chǎng)能量,存儲(chǔ)或釋放磁場(chǎng)能量,指無體積大小， 特性集總在空間一點(diǎn)上的理想元件模型。,集總參數(shù)元件(lumped parameter element)：,集總參數(shù)電路：由集總參數(shù)元件組成的電路。,！電路理論分析的對(duì)象是電路模型而不是實(shí)際電路。,圖片,圖片,電路采用集總參數(shù)概念的條件：,元件的尺寸 l 正常工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 其中：=c/f,例1：無線電調(diào)頻接收機(jī)接受100MHz的頻率的信號(hào)， =3m，接收天線與接收機(jī)間的傳輸線即使只1m長(zhǎng)，也不能作集總參數(shù)對(duì)待。,例2：我國民用電，頻率為50Hz，波長(zhǎng)為6000km，對(duì)以此頻率工作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可按集總電路處理，但對(duì)遠(yuǎn)距離的電力傳輸線則要考慮電場(chǎng)、磁場(chǎng)沿電線的分布情況。,本課程的電路基本定律、定理的前提是：集總假設(shè),下面首先討論由電阻和電源組成的電阻電路（resistive circuit),1-2 電路的基本變量 電流、電壓和功率,一、電流（current)及其參考方向(reference direction),單位名稱：安（培） 符號(hào)：A （Ampere）,參考方向：任意選定的一個(gè)方向作為電流的參考方向。,例,I1 = 1A,I1 = -1A,Direct Current, Alternating Current,實(shí)際電流方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。,分析電路時(shí)，首先應(yīng)假設(shè)電流的一個(gè)參考方向，以此對(duì)電路進(jìn)行分析、計(jì)算。由得出的電流正負(fù)值，可判斷出實(shí)際的電流方向。,二、電壓（voltage)及其參考方向（極性）(reference direction),電壓（Uab）：?jiǎn)挝徽姾蓮腶點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)所獲得或失去 的能量，稱為ab兩點(diǎn)的電位差。,單位名稱：伏(特) 符號(hào)：V（Volt）,U 0,U < 0,與電流一樣，有了電壓的參考方向和電壓的正負(fù)值，可判斷實(shí)際電位。,三、關(guān)聯(lián)參考方向(associated reference direction),電流的參考方向由電壓參考極性的正極指向負(fù)極。,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,小結(jié),(1) 分析電路前必須選定電壓或電流的參考方向。,(2) 參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 (包括方向 和符號(hào)），在計(jì)算過程中不得任意改變。,(3) 參考方向也稱為假定正方向，以后討論均在參考方向下進(jìn) 行，不考慮實(shí)際方向。,四、電路元件的（吸收）功率 (power),功率單位：瓦（特） 符號(hào)（W）,能量單位：焦（耳)符號(hào)（J）,關(guān)聯(lián)參考方向下： p = u*i （W，瓦）,非關(guān)聯(lián)參考方向下： p =- u*i （W，瓦）,將能量的傳輸（流動(dòng)）方向定為功率的正方向。,P 為正值，吸收功率；反之，供出功率。,P 0 實(shí)際吸收5W,(b) U = 5V， I = - 1A,P= -UI = -5(-1) = +5 W,P< 0 實(shí)際供出5W,例 1: (a) U = 5V， I = - 1A,P= UI = 5(-1) = -5 W,要將功率公式中的正、負(fù)號(hào)與將電壓電流的值的正、負(fù)區(qū)別開。,例2：求所給電路的功率。,u=-2V, i=-5A,p = -ui =- 10W,u=-8V,i=2A,p =ui = -16W,u=12V, i= -3A,p= -ui =36W,節(jié)點(diǎn)（node）：支路的聯(lián)接點(diǎn)。,回路(loop)：電路中任一閉合的路徑。,網(wǎng)孔(mesh)： 內(nèi)部不含支路 的回路。,1,2,3,支路(branch)：電路中一個(gè)兩端元件或具有兩個(gè)端鈕而由多個(gè)元件串聯(lián)而成的組合。稱為一條支路。,1-3 基爾霍夫定律（Kirchhoffs laws）,2個(gè)節(jié)點(diǎn),3個(gè)回路,2個(gè)網(wǎng)孔,電網(wǎng)絡(luò)（ network)：包含較多元件的電路。,網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔,3個(gè)支路,在任一時(shí)刻，電路的任一節(jié)點(diǎn)，流出（或流入）該節(jié)點(diǎn)的所有支路電流代數(shù)和為零。,一、基爾霍夫電流定律（KCL定律，或稱基爾霍夫第一定律）,物理基礎(chǔ): 電荷守恒。,或,或,若規(guī)定流入為正，則流出就為負(fù)。,KCL又可表示為：,KCL的推廣：,想象為廣義的節(jié)點(diǎn),對(duì)KCL的理解：,第二：KCL方程是系數(shù)為1，-1，0的線性齊次代數(shù)方程。它表明了節(jié)點(diǎn)上各個(gè)支路電流受線性約束。,第三：KCL適合于任何集總參數(shù)電路。它只與元件的連接方式有關(guān)，與元件性質(zhì)無關(guān)。,第一：流入節(jié)點(diǎn)電荷必須等于流出節(jié)點(diǎn)的電荷。這是因?yàn)樽袷仉姾墒睾愣伞?拓?fù)浼s束,運(yùn)用KCL時(shí)需要和兩套符號(hào)打交道： 一是方程中各項(xiàng)前的正、負(fù)號(hào)。對(duì)KCL來說，正、負(fù)號(hào)取決于電流參考方向是流出節(jié)點(diǎn)還是流入節(jié)點(diǎn)。 二是電流或電壓本身數(shù)值的正、負(fù)號(hào)。該正負(fù)號(hào)反映的是參考方向與真實(shí)方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,正確列寫KCL的注意點(diǎn)：,即：電路中任一回路，在任一時(shí)刻，沿該回路的所有支路電壓的代數(shù)和為零。,二、基爾霍夫電壓定律（KVL，或稱基爾霍夫第二定律）,物理基礎(chǔ): 能量守恒。,使用基爾霍夫電壓定理（KVL）強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：,第一：KVL方程是系數(shù)為1，-1，0的線性齊次代數(shù)方程。它表明一個(gè)回路中各個(gè)支路電壓的線性約束關(guān)系。,第二：KVL適用于任何集總參數(shù)電路，它僅與元件的連接方式有關(guān)，與元件的性質(zhì)無關(guān)。,列KVL方程時(shí)，必須選定回路的繞行方向。支路電壓參考方向與回路繞行方向一致的取正號(hào)，相反的取負(fù)號(hào)。,例：,或：電壓升=電壓降 u3+u2=u1+u4+u5,u1-u2-u3+u4+u5=0,KCL，KVL使支路的電流和電壓具有約束關(guān)系。此約束關(guān)系與構(gòu)成電路的元件無關(guān)。因此在研究這些約束關(guān)系時(shí)，可用定向圖（directed graph）表示。,支路,節(jié)點(diǎn),上面的幾何結(jié)構(gòu)稱為“圖形”，或“圖” 。,若G中的任兩個(gè)節(jié)點(diǎn)至少存在一條由支路構(gòu)成的路徑，圖G成為連通圖(connected graph)。否則，稱為非連通圖。,圖論的起源,圖論屬于數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它是一個(gè)年輕但卻迅速成熟的學(xué)科，它主要是研究事物之間客觀規(guī)律。,哥尼斯堡橋問題,從任一陸地出發(fā)走遍七座橋（而且只走一次）再回到原地是否可行？,古普魯士哥尼斯堡城的Pregel有七座橋?qū)⑺膲K陸地相連。,1736年Euler（歐拉：圣彼得堡大學(xué)的數(shù)學(xué)教授）證明無解。原因：連通圖每點(diǎn)連接的邊數(shù)為偶數(shù)才能有解。,定值電阻,壓敏電阻,返回,各種形式的電容器,返回,高頻電感器,去耦電感器,直流-直流電感器,徑向引線電感器,軸向引線電感器,返回,