第2章一阶动态电路的暂态分析
一阶动态电路分析
一阶动态电路分析在一阶动态电路分析中，通常需要考虑以下几个步骤：1.确定电路拓扑结构：首先需要确定电路中的元件和它们的连接方式，以建立电路的拓扑结构。
2.建立电路微分方程：根据电路中的元件和连接方式，可以通过基尔霍夫定律、欧姆定律等来建立电路的微分方程。
对于电容和电感元件，可以利用其电压和电流的关系（即电压-电流特性）得到微分方程。
- 对于电容元件，根据电容的定义（Q=C*dV/dt），可以得到微分方程：C*dV/dt = I，其中C为电容值，V为电容的电压，t为时间，I为电流。
- 对于电感元件，根据电感的定义（V=L*di/dt），可以得到微分方程：L*di/dt = V，其中L为电感值，i为电感的电流，t为时间，V为电压。
3.求解微分方程：根据所建立的微分方程，可以通过分离变量、积分等方法对方程进行求解。
求解过程中需要考虑初始条件，即在其中一时刻电容的电压或电感的电流的初始值。
4.分析电路响应：根据微分方程的解，可以得到电路中电容的电压或电感的电流随时间的变化曲线。
根据这些曲线可以分析电路的稳定状态、暂态响应和频率响应。
在分析电路响应时，可以根据不同的输入信号类型进行分类，常见的输入信号包括：-直流输入：当输入信号为直流信号时，可以将微分方程简化为代数方程进行求解。
此时电路响应主要包括稳态响应和过渡过程。
-正弦输入：当输入信号为正弦信号时，可以利用拉普拉斯变换将微分方程转换为代数方程。
通过求解代数方程和对频率的分析，可以得到电路的频率响应。
-脉冲输入：当输入信号为脉冲信号时，可以将微分方程进行离散化，转化为差分方程进行求解。
此时电路响应主要包括脉冲响应和响应序列的叠加。
总结来说，一阶动态电路分析是通过建立微分方程，求解微分方程，分析电路响应的一种方法。
通过这种方法，可以了解电路的稳定状态、暂态响应和频率响应等特性。
同时，对于不同类型的输入信号，还可以通过不同的数学工具和方法进行求解和分析。
这种分析方法可以广泛应用于电子电路、控制系统等领域的研究和应用中。
查丽斌电路与模拟电子技术基础习题及实验指导第四版选择题填空题答案
第1章 直流电路一、填 空 题1.4.1 与之联接的外电路；1.4.2 1-n ，)1(--n b ；1.4.3 不变；1.4.4 21W ，负载；1.4.5 Ω1.65A ， ；1.4.6 1A 3A ， ； 1.4.7 3213212)(3)23(R R R R R R R +++=； 1.4.8 1A ；1.4.9 Ω4.0，A 5.12；1.4.10 电压控制电压源、电压控制电流源、电流控制电压源、电流控制电流源；1.4.11 3A ；1.4.12 3A ；1.4.13 Ω2；1.4.14 15V ，Ω5.4；1.4.15 V 6S =U 。
二、单 项 选 择 题1.4.16 C ； 1.4.17 B ； 1.4.18 D ； 1.4.19 A ；1.4.20 A ； 1.4.21 C ； 1.4.22 B ； 1.4.23 D 。
第2章一阶动态电路的暂态分析一、填 空 题2.4.1 短路，开路；2.4.2 零输入响应；2.4.3 短路，开路；2.4.4 电容电压，电感电流；2.4.5 越慢；2.4.6 换路瞬间；2.4.7 三角波；2.4.8 s 05.0，k Ω25； 2.4.9 C R R R R 3232+； 2.4.10 mA 1,V 2。
二、单 项 选 择 题2.4.11 B ； 2.4.12 D ； 2.4.13 B ；2.4.14 D ； 2.4.15 B ； 2.4.16 C 。
第3章 正弦稳态电路的分析一、填 空 题3.4.1 ︒300.02s A 10， ， ； 3.4.2 V )13.532sin(25)(︒+=t t u ；3.4.3 容性， A 44；3.4.4 10V ，2V3.4.5 相同；3.4.6 V 30，20V ；3.4.7 A 44，W 7744；3.4.8 A 5；3.4.9 减小、不变、提高；3.4.10 F 7.87μ；3.4.11 20kVA ，12kvar -；3.4.12 带通，带阻3.4.13不变、增加、减少；3.4.14电阻性，电容性； 3.4.15 LC π21，阻抗，电流；3.4.16 1rad/s ，4；3.4.17 Ω10；3.4.18 P L U U =，P L 3I I =，︒-30； 3.4.19 P L 3U U =，P L I I =，超前。
电路的暂态分析
电路的暂态分析(总18页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第8章电路的暂态分析含有动态元件L和C的线性电路，当电路发生换路时，由于动态元件上的能量不能发生跃变，电路从原来的一种相对稳态过渡到另一种相对稳态需要一定的时间，在这段时间内电路中所发生的物理过程称为暂态，揭示暂态过程中响应的规律称为暂态分析。
本章的学习重点：暂态、稳态、换路等基本概念；换路定律及其一阶电路响应初始值的求解；零输入响应、零状态响应及全响应的分析过程；一阶电路的三要素法；阶跃响应。
换路定律1、学习指导（1）基本概念从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态需要一定的时间，在这一定的时间内所发生的物理过程称为暂态；在含有动态元件的电路中，当电路参数发生变化或开关动作等能引起的电路响应发生变化的现象称为换路；代表物体所处状态的可变化量称为状态变量，如i L和u C就是状态变量，状态变量的大小显示了储能元件上能量储存的状态。
（2）基本定律换路定律是暂态分析中的一条重要基本规律，其内容为：在电路发生换路后的一瞬间，电感元件上通过的电流i L和电容元件的极间电压u C，都应保持换路前一瞬间的原有值不变。
此规律揭示了能量不能跃变的事实。
（3）换路定律及其响应初始值的求解一阶电路响应初始值的求解步骤一般如下。
①根据换路前一瞬间的电路及换路定律求出动态元件上响应的初始值。
②根据动态元件初始值的情况画出t=0＋时刻的等效电路图：当i L(0＋)=0时，电感元件在图中相当于开路；若i L(0＋)≠0时，电感元件在图中相当于数值等于i L(0＋)的恒流源；当u C(0＋)=0时，电容元件在图中相当于短路；若u C(0＋)≠0，则电容元件在图中相当于数值等于105106u C (0＋)的恒压源。
根据t = 0＋时的等效电路图，求出各待求响应的初始值。
2、学习检验结果解析（1）何谓暂态何谓稳态您能说出多少实际生活中存在的过渡过程现象解析：在含有动态元件电容的电路中，电容未充电，原始储能为零时是一种稳态，电容充电完毕，储能等于某一数值时也是一种稳态。
一阶动态电路暂态过程的研究
实验四 一阶动态电路暂态过程的研究一. 实验目的1.研究一阶RC 电路的零输入响应、零状态响应和全响应的变化规律和特点。
2、研究一阶电路在阶跃激励和方波激励情况下, 响应的基本规律和特点。
测定一阶电路的时间常数 ,了解电路参数对时间常数的影响。
3.掌握积分电路和微分电路的基本概念。
4.研究一阶动态电路阶跃响应和冲激响应的关系。
5.学习用示波器观察和分析电路的响应。
二. 实验原理1.含有动态元件的电路, 其电路方程为微分方程。
用一阶微分方程描述的电路, 为一阶电路。
图6－1所示为一阶RC 电路。
首先将开关S 置于1使电路处于稳定状态。
在t=0时刻由1扳向2, 电路对激励Us 的响应为零状态响应, 有RCt S S C eU U t u --=)(这一暂态过程为电容充电的过程, 充电曲线如图6－2a 所示。
电路的零状态响应与激励成正比。
U U u c (t) 图6-1 图6-2（a ）充电曲线 图6-2（b ）放电曲线若开关S 首先置于2使电路处于稳定状态, 在t=0时刻由2扳向1, 电路为零输入响应, 有RCt S C eU t u -=)(这一暂态过程为电容放电过程, 放电曲线如图6－2b 所示。
电路的零输入响应与初始状态成正比。
动态电路的零状态响应与零输入响应之和称之为全响应,全响应与激励不存在简单的线性关系。
2.一阶RC 动态电路在一定的条件下, 可以近似构成微分电路或积分电路。
当时间常数 (=RC)远远小于方波周期T 时, 图6－3(a)所示为微分电路。
输出电压u0(t)与方波激励uS(t)的微分近似成比例, 输入输出波形如6－3(b)所示。
从中可见, 利用微分电路可以实现从方波到尖脉冲波形的转变。
+ u O_uC图6－3（a ） 图6－3（b ）当时间常数 (=RC)远远大于方波周期T 时, 图6－4(a)所示为积分电路, 输出电压uO(t)与方波激励uS 的积分近似成比例。
输入、输出波形如图6－4(b)所示。
杭州电子科技大学电路与模拟电子技术基础(第4版)习题解答完整版
第1章直流电路习题解答1.1 求图1.1中各元件的功率，并指出每个元件起电源作用还是负载作用。
图1.1 习题1.1电路图解 W 5.45.131=×=P （吸收）；W 5.15.032=×=P （吸收） W 15353−=×−=P （产生）；W 5154=×=P （吸收）； W 4225=×=P （吸收）;元件1、2、4和5起负载作用，元件3起电源作用。
1.2 求图1.2中的电流I 、电压U 及电压源和电流源的功率。
图1.2 习题1.2电路图解 A 2=I ；V 13335=+−=I I U电流源功率：W 2621−=⋅−=U P （产生），即电流源产生功率6W 2。
电压源功率：W 632−=⋅−=I P （产生），即电压源产生功率W 6。
1.3 求图1.3电路中的电流1I 、2I 及3I 。
图1.3 习题1.3电路图解 A 1231=−=I ;A 1322−=−=I由1R 、2R 和3R 构成的闭合面求得：A 1223=+=I I 1.4 试求图1.4所示电路的ab U 。
图1.4 习题1.4电路图解 V 8.13966518ab −=×+++×−=U 1.5 求图1.5中的I 及S U 。
图1.5 习题1.5电路图解 A 7152)32(232=×+−×+−=IV 221021425)32(22S =+−=×+−×+=I U1.6 试求图1.6中的I 、X I 、U 及X U 。
图1.6 习题1.6电路图解 A 213=−=I ；A 31X −=−−=I I ; V 155X −=⋅=I UV 253245X X −=×−−⋅=I U1.7 电路如图1.7所示：（1）求图(a)中的ab 端等效电阻；（2）求图(b)中电阻R 。
图1.7 习题1.7电路图解 (1) Ω=+=+++×+×+×+=1046418666661866666ab R (2) Ω=−−=712432383R1.8 电路如图1.8所示：（1）求图(a)中的电压S U 和U ；（2）求图(b)中V 2=U 时的电压S U 。
一阶线性电路暂态分析的三要素法
t
当t= 时，iL=36.8%I0 。
U i (1 e ) R
t
零状态响应曲线
i U R 0.632U/R
时间常数 =L/R 0
i I 0e 零输入响应曲线 i
I0 0.368I0 i
t
i
t
0
时间常数 =L/R
t
当t=时，uC=63.2%U。
当t= 时，uC=36.8%U0 。
全响应 = 零输入响应 + 零状态响应
uC U 0
t e RC
U
t (1 e RC
)
(t 0)
【结论1】 全响应 = 零输入响应 + 零状态响应
零输入响应 零状态响应
全响应
uC U 0
t e RC
t U ( 1 e RC
t U )e RC
) (t 0)
y(t ) y(0 )e
t
二、零输入响应
放电过程 2 t 0 R S + uR– 换路前电路已处于稳态 1 + + uC U iC – uC (0 ) U
1. RC 电路零输入响应
c
uC , 电容C 经电阻R 放电 (0 ) U t =0时开关S 1
列 KVL方程：
－
C
uL
—
uC(0+)=0 iL (0+) =0
电容元件短路。 电感元件开路
t=0-
则：画出t=0+时的等效电路
第一章 电路及其分析方法 由t=0+的等效电阻电路 求出各独立初始值 +
—
R1
第2章一阶动态电路的过渡过程分析
例
iS
iR
iC
iL
1k
2k
uR 2k
10mA t 0 S
uC
uL
C
L
则t
iS
=01+ 5时m刻i LA,
iuRC
0i,CiCi R10im S A i,Lu
uL
R 5mA
t
uR005Vm,A
10V 0 10umLA0101V 0V uC 10V,
0 10V
t 0 5mA10V 10mA 0 15mA 0
研究暂态过程，是要认识和掌握这种现象的规 律。
一般可以说，数学分析和实验分析是分析暂 态电路的两种方法。本章内容介绍最基本的数学 分析方法，其理论依据是欧姆定律及克希荷夫定 律。
实验分析方法，将在实验课程中应用示波器 等仪器观测暂态过程中各量随时间变化的规律。
重点讨论的问题是：（1）暂态过程随时间变 化的规律；（2）影响暂态过程快慢程度的时间常 数。
C 和L 称为对偶元件。
对偶元素： u i 、 q 、C L等 若把 u i 、 q 、C L等对偶元素 互换,可由电容元
件的关系式得到电感元件的相应关系式
第三节 换路定律
• 换路——指电路因接通、断开、短路以及电压或 电路参数的改变。
不论电路的状态如何发生改变，电路中所具有的 能量是不能突变的。如电感的磁能及电容的电能 分别为 WLL2L i /2和 WC CuC2 /2 都不能突变。 换路定则 设t=0为换路瞬间，则 t=0– 和t=0+ 分别是换路前后的极限时刻。从 t=0– 到 t=0+ 瞬间，电感元件中的电流和电容元件两端的电压 不能突变。可表示为
2.5.1、电感元件(简称电感)的定义：
第2章__一阶动态电路的暂态分析[1]
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第2章 一阶动态电路的暂态分析
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 电容元件与电感元件 换路定则及其初始条件 一阶电路的零输入响应 一阶电路的零状态响应 一阶电路的全响应 三要素法求一阶电路响应
第2章 电路的暂态分析
本章要求
1. 了解电感元件与电容元件的特征; 2. 理解电路的暂态和稳态、零输入响应、零状 态响应、全响应的概念，以及时间常数的物 理意义; 3. 掌握换路定则及初始值的求法; 4. 掌握一阶线性电路分析的三要素法。
i
+
u _ 电容元件 C
u
电容元件储能
dq ( t ) d [Cu( t )] i( t ) dt dt
du iC dt
将上式两边同乘上 u，并积分，则得： t u 1 2 0 ui dt 0 Cudu 2 Cu
1 t u (t ) u (to ) i ( )d C t0
U
uC
+ uC C –
U
暂态
–
iC (b)
o 稳态
t
图(b) 合S前: iC 0 , uC 0
合S后： uC 由零逐渐增加到U
所以电容电路存在暂态过程(C储能元件)
产生暂态过程的必要条件： (1) 电路中含有储能元件 (内因) (2) 电路发生换路 (外因) 换路: 电路状态的改变。如： 若 uc 发生突变， duC 电路接通、切断、 短路、电压改变或参数改变 则 iC dt 产生暂态过程的原因： 一般电路不可能！ 由于物体所具有的能量不能跃变而造成 在换路瞬间储能元件的能量也不能跃变
4 4
i1
R1 + uC 4 _
+ uL _
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uC )
(2 C
duC dt
uC )
2
2
9
e
t 0.8
3(1
e
t
0.8 )
4
3
3
e
t 0.8
(A),
t0
4
uC (
) 1 2 3 2 6 6(V) 1 2 12
0.3 (2 1 2) 0.8(s)
1 2
t
uC (t) uC ( )(1 e )
1t
6(1 e 0.8 )(V),
• 图中，开关闭合前电容C无储能，所以电 容初始状态，时开关闭合，故其响应为 零状态响应。
RC电路的零状态响应曲线
2.4.2RL电路零状态响应
RL电路零状态响应曲线
【例】 如图所示为零状态电路，t＝0时开 关闭合，求开关闭合后的uc及i。
解
uC (0 ) uC (0 ) 0
i
(2 iC
及u的初始值。
由于换路前动态元件均未储能，所以 t 0 时 uC (0 ) 0 ，
解
iL (0 ) 0 。 由 换 路 定 则 可 知 uC (0 ) uC (0 ) 0 ， iL (0 ) iL (0 ) 0 ，相当于电容短路、电感开路，则换路后t 0
iC (0 ) 1(A)
时的等效电路如图(b)所示。求得
电容元件符号
2.1.2 电感元件及其性质
一根导线当通有电流时，周围会产生磁 场，若将导线绕成线圈，可增加线圈内 部的磁场，由此形成的元件称为电感线 圈或电感器。
N L
i
如果忽略电感器内阻及匝与 匝之间的分布电容，则为理 想电感器，又称电感元件， 简称电感。
【例】如图所示电路，已知 i1 (2 et ) (A), t 0
RC电路的零输入响应曲线
2.3.2RL电路的零输入响应
RL电路零输入响应曲线
【例】 如图所示电路原已稳定， t 0 时，开关 S 打开，
试求零输入响应 uC t 及 iC t 。
解
uC
(0
)
3
6
6
18
9
9 18
18
6(V)
uC (0 ) uC (0 ) 6(V)
RO
(3 18)(6 9) 3 18 6 9
35 4
()
t
t
uC (t) uC (0 )e 6e 3.5 (V)
ROC 3.5(s)
iC
C duC dt
24
e零状态响应
• 零状态响应是指动态元件初始储能为零， 仅由外施激励所引起的响应。
• 1．RC电路零状态响应 • 2．RL电路零状态响应
2.4.1RC电路零状态响应
解 初始值 uC (0 ) uC (0 ) 10(V)
利用三要素法公式得
稳态值
uc(∞)＝5×1+10＝15（V） 时间常数 0.2 5 1(s)
uC (t) uC (
) [uC (0 ) uC (
t
)]e
15 5et (V)
i(t) uC 10 1 et (A) 5
它只适用于换路瞬间，且电容电流、电感电压均为有限值。
2.2.2 初始条件确定
• 电路中电压、电流初始值计算过程如下： • （1）首先求出换路前一瞬间的
uC (0 ) 和 iL (0 ) 。 • （2）由换路定则可以得出电压的初始值 uC(0 ) 和电流的初始值 iL (0 )。
【例】 如图所示(a)电路，开关S在t=0时打开， 开关打开前电感电容均未储能。求uc、ic、ul、il
uL (0 ) u(0 ) 5iC (0 ) 5(V)
2.3 一阶电路零输入响应
• 零输入响应是指动态电路在没有外施激 励时，仅由动态元件的初始储能所引起 的响应。
• 1．RC电路的零输入响应
• 2．RL电路的零输入响应
2.3.1RC电路的零输入响应
如图 (a)所示电路，换路前开关 S 合在位置“1”上，电源对 电容充电，t=0 时将开关从位置“1”合到位置“2”，如图 (b)所 示，此时无激励源作用，输入信号为零，由于 t>0 时，无信号源 作用，因而称为零输入响应。
第2章 一阶动态电路的暂态分析
2.1 电容元件与电感元件
• 2.1.1 电容元件及其性质 • 2.1.2 电感元件及其性质
由于电容元件和电感元件能够储存 能量，所以称为储能元件
2.1.1 电容元件及其性质
• 电容元件是由具有一定间隙，中间充有绝缘 介质的两块金属板构成。
它的图形符号如图所示:
Cq u
。求 t 0 时的电流。
解 电感的VAR
uL
L di1 dt
et
(V)
KVL u 2i1 uL 4 et (V)
电容的VAR
i2
C du dt
0.2et
(A)
KCL i i1 i2 2 0.8et (A)
2.2 换路定则及其初始条件
2.2.1 换路定则
• 换路定则
uC (0 ) uC (0 ) iL (0 ) iL (0 )
t 0
2.5 一阶电路完全响应
• 完全响应是指由非零初始状态和外施激 励共同作用所产生的响应
RC电路完全响应
2.6 三要素法求一阶电路响应
三要素
初始值 稳态值
求初始值 求稳态值
时间常数
求时间常数
利用三要素法求解电路响应的步骤： 求一阶电路响应
【例】 如图所示电路在t=0时闭合， 求t>0时的uc及i。