电路与信号分析基础.pdf

普通高等教育“十二五”规划教材 卓越工程师教育培养计划系列教材 高等学校规划教材 电路与信号分析基础 廖丽娟 主 编 武淑红 郝晓丽 副主编 彭新光 主 审 内 容 简 介 本书是太原理工大学国家级特色专业、教育部“卓越工程师教育培养计划”建设成果。本书系统地介绍了电路、信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法。全书共 6 章，内容包括基础知识、直流电路分析、一阶电路时域分析、正弦稳态电路分析、信号与系统的频域分析、信号与系统的复频域分析。各章配有适量的例题和习题，以利于学生更好地掌握基础理论知识和分析方法。本书配有 PPT 和习题解答等教学资源。本书可作为高等学校相关专业的学生学习电路与信号分析课程的教材，也可供各电类相关专业的自学者、工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容 版权所有侵权必究 图书在版编目(CIP)数据 电路与信号分析基础/廖丽娟主编北京：电子工业出版社，2011.9 高等学校规划教材 ISBN 978-7-121-13712-9 I 电 II 廖 III 电路分析高等学校教材信号分析高等学校教材 IV TM133TN911 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2011)第 101172 号 策划编辑：史鹏举 责任编辑：史鹏举 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：16.75 字数：483 千字 印 次：2011 年 9 月第 1 次印刷 定 价：33.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。III 前 言 本书是顺应教育部“卓越工程师教育培养计划”的实施，并结合当前计算机类、电子信息类、通信工程、物联网等专业开设“电路与系统”课程的实际教学需要编写而成。作为高校相关专业的一门重要的技术基础课程，电路与系统的基本理论和分析方法已非常成熟。然而，在经济和科技高速发展的今天，知识更新加速，人才竞争加剧，新的学科领域和学科分支不断涌现，使高校人才培养的目标定位趋向于宽口径、厚基础、重实践的新格局，增开选修课、缩短授课学时已成为高校各专业课程设置的普遍现象。因此，有必要重新整合内容、改革教材体系结构，以解决学时少、内容多、工程化要求高的矛盾。本书在内容上仍以“直流电路、过渡过程和交流电路”作为教材的主干知识体系，本着必需、够用为度的指导思想，力求讲清概念、强化应用；在结构上采用“先直流后交流，先时域后频域”的顺序，既保持教材知识体系的完整性和连贯性，又能突出反映章节内容的独立性和特殊性；在分析方法上体现电路的“一般分析法、等效分析法、叠加分析法及变换域分析法”相得益彰的逻辑层次，使电路问题的求解在普遍性和特殊性上达到协调统一；在实践技能的训练上推行仿真实验与实物实验并举，全方位、多角度开发学生的创新意识和工程应用能力。本书精选了适量的例题和习题，在每章后都附有小结，以便学生复习并学以致用。同时，每章中还结合相关内容介绍了仿真软件 Multisim 2001 在电路分析中的应用，使学生可以不受实验条件的限制，及时将所学理论及分析结论在仿真软件中得到验证，为进一步培养学生的电路分析与创新设计能力奠定基础。本书共6章，参考教学学时为4050学时，具体可参照下表并使用本书配套课件完成教学计划任务。教 学 内 容 学 时 第 1 章 基础知识 4 第 2 章 直流电路及基本分析法 12 第 3 章 一阶电路的时域分析 6 第 4 章 正弦稳态电路分析 10 第 5 章 信号与系统的频域分析 4 第 6 章 信号与系统的复频域分析 4 实 验 8 机 动 2 本书配有本书配有PPT、习题解答等教学资源、习题解答等教学资源，可登录电子工业出版社华信教育资源网，免费注册、下载。本书由太原理工大学廖丽娟主编并编写第4、5章，武淑红和郝晓丽任副主编并分别编写第2、3章，相洁参编第 1 章，空军工程大学余侃民参编第 6 章，郝晓丽编写了附录 A，武淑红整理了习题参考答案。本书的编写思路与内容选择由所有作者共同讨论确定，全书由廖丽娟统稿，彭新光教授仔细审阅了全书，并提出了许多宝贵的意见，在此深表谢意。在本书的编写过程中，引用了一些相关资料，已将主要文献资料列于书末的参考文献中，在此一并向资料的作者致以诚挚的谢意。在本书的编写过程中，还得到了陈俊杰、段富、冯秀芳、李海芳、彭新光、强彦、张兴忠等的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。限于编者的水平，书中错误和不足在所难免，欢迎使用本书的教师、学生和工程技术人员批评指正，以便改进和提高。编 者 V 目 录 第 1 章 基础知识 (1)1.1 引言 (1)1.2 电路、信号与系统的基本概念 (2)1.2.1 电路及电路模型(2)1.2.2 信号的基本概念(4)1.2.3 系统的基本概念(6)1.3 电路的基本变量 (7)1.3.1 电流及其参考方向(7)1.3.2 电压及其参考方向(8)1.3.3 电路中的电位(8)1.3.4 电路中的功率和能量(9)1.4 电路的基本元件 (11)1.4.1 电阻元件(11)1.4.2 电容元件(12)1.4.3 电感元件(15)1.5 电源 (17)1.5.1 独立源(17)1.5.2 受控源(18)1.6 基尔霍夫定律 (19)1.6.1 基尔霍夫电流定律(20)1.6.2 基尔霍夫电压定律(21)1.7 Multisim 仿真应用 (23)1.7.1 Multisim 2001 软件简介(23)1.7.2 Multisim 2001 实例(23)小结 (25)习题 1(26)第 2 章 直流电路及基本分析法 (29)2.1 电阻电路的等效变换分析法 (29)2.1.1 电阻串联、并联及混联的等效 变换(29)2.1.2 电阻星形连接与三角形连接及其 等效变换(32)2.1.3 含独立电源网络的等效 变换(35)2.2 复杂电路的一般分析法 (39)2.2.1 支路电流法(39)2.2.2 网孔电流法(40)2.2.3 节点电压法(42)2.3 线性电路的几个基本定理(44)2.3.1 叠加定理(44)2.3.2 替代定理(46)2.3.3 戴维南定理(47)2.3.4 诺顿定理(49)2.3.5 最大功率传输定理(51)2.4 Multisim 直流电路分析(54)小结(57)习题 2 (58)第 3 章 一阶电路的时域分析(65)3.1 电路的过渡过程及换路定则(65)3.1.1 电路的过渡过程(65)3.1.2 电路的换路定则(66)3.1.3 初始值的确定(67)3.2 一阶电路的过渡过程(69)3.2.1 一阶电路的零输入响应(69)3.2.2 一阶电路的零状态响应(73)3.3 一阶电路的全响应(75)3.3.1 一阶电路的全响应(75)3.3.2 三要素法(77)3.4 一阶电路的阶跃响应(79)3.4.1 单位阶跃信号(79)3.4.2 阶跃响应(81)3.5 一阶电路的冲激响应(82)3.5.1 单位冲激信号的定义(82)3.5.2 冲激响应(83)3.6 卷积积分(85)3.6.1 信号的时域分解(85)3.6.2 零状态响应卷积 积分(86)3.7 Multisim 动态电路分析(87)小结(88)习题 3 (89)VI 第 4 章 正弦稳态电路分析 (93)4.1 正弦信号的基本概念 (93)4.1.1 正弦量的三要素(93)4.1.2 有效值(94)4.1.3 同频率正弦量的相位差(95)4.2 正弦量的相量表示 (97)4.2.1 复数(97)4.2.2 相量(100)4.3 正弦稳态电路的相量模型 (101)4.3.1 基尔霍夫定律的相量形式(101)4.3.2 无源二端元件伏安关系的相量 形式(102)4.3.3 电路的相量模型(105)4.4 无源二端网络的等效阻抗 与导纳 (107)4.4.1 二端网络的阻抗与导纳(107)4.4.2 阻抗与导纳的串、并联(109)4.4.3 RLC 串联的交流电路(111)4.4.4 GLC 并联的交流电路(113)4.5 复杂正弦稳态电路分析举例 (116)4.6 正弦交流电路的功率 (119)4.6.1 无源二端元件的功率(119)4.6.2 二端网络的功率(122)4.6.3 复功率(125)4.6.4 功率因数的提高(126)4.6.5 最大功率传输(129)4.7 谐振电路 (130)4.7.1 串联谐振电路(130)4.7.2 并联谐振电路(134)4.8 变压器 (136)4.8.1 空心变压器(136)4.8.2 理想变压器(138)4.9 三相电路 (141)4.9.1 三相电源(141)4.9.2 负载星形连接的三相 电路(144)4.9.3 负载三角形连接的三相 电路(147)4.9.4 三相电路的功率(148)4.10 Multisim 正弦稳态分析(149)4.10.1 用虚拟仪器做测量仿真(149)4.10.2 用 Multisim 的 AC 频率扫描功能 分析电路(151)小结(153)习题 4(155)第 5 章 信号与系统的频域分析(162)5.1 连续周期信号的傅里叶级数 展开(162)5.1.1 信号分类(162)5.1.2 周期信号分解为傅里叶 级数(163)5.1.3 信号对称性与傅里叶系数 的关系(165)5.2 连续周期信号的频谱(169)5.2.1 单边频谱(169)5.2.2 双边频谱(170)5.2.3 典型矩形脉冲信号 的频谱(171)5.2.4 傅里叶级数在电路分析中 的应用(174)5.3 连续非周期信号的傅里叶 变换(178)5.3.1 非周期信号的傅里叶 变换(178)5.3.2 傅里叶变换的物理意义(179)5.3.3 典型非周期信号的傅里叶 变换(179)5.4 傅里叶变换性质(183)5.4.1 线性(183)5.4.2 时移性(183)5.4.3 频移性(184)5.4.4 尺度变换(185)5.4.5 对称性(186)5.4.6 时域微分性、积分性(187)5.4.7 频域微分性、积分性(188)5.4.8 卷积定理(189)5.5 线性系统的频域分析(190)5.5.1 系统的频率特性 H(j)(190)5.5.2 频域分析法(192)5.5.3 电路无失真传输信号 的条件(194)VII 5.6 滤波器 (196)5.6.1 滤波器概述(196)5.6.2 理想滤波器的频率特性(196)5.6.3 理想低通滤波器的单位冲激 响应(198)5.6.4 理想低通滤波器的单位阶跃 响应(198)5.6.5 实际的低通滤波器(199)5.7 Multisim 频域分析 (200)5.7.1 用 Multisim 对信号进行傅里叶 分析(200)5.7.2 用 Multisim 对网络的传输特性 进行分析(202)小结 (204)习题 5(207)第 6 章 信号与系统的复频域分析 (210)6.1 拉普拉斯变换 (210)6.1.1 拉普拉斯变换的定义(210)6.1.2 典型信号的拉普拉斯 变换(212)6.2 拉普拉斯变换的性质 (214)6.2.1 线性(214)6.2.2 时移性(215)6.2.3 尺度变换性(216)6.2.4 频移性(216)6.2.5 时域微分性(217)6.2.6 时域积分性(218)6.2.7 初值定理(219)6.2.8 终值定理(219)6.3 拉普拉斯反变换(221)6.3.1 实数单极点情况(221)6.3.2 重极点情况(223)6.3.3 共轭复数极点情况(224)6.4 线性系统的复频域分析(225)6.4.1 微分方程的复频域分析(225)6.4.2 电路的复频域模型(226)6.5 网络函数与网络特性(231)6.5.1 网络函数(2