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1、计算机电路计算机电路课程类别：专业基础课/必修课学时：48（理论）学分：3考核方式：考试（闭卷）主讲教师：向腊联系方式：15115162060(电话）2322534（QQ）n 平时成绩：30%n 考试：70%n 有下列情形之一者将取消其理论课考试资格：作业缺交1/4及以上者；未经许可无故缺勤达10学时及以上者（迟到、早退2次算缺勤1学时）；平时成绩在18分以下者（满分30）。考核方法考核方法计计 算算 机机 电电 路路 基基 础础怀化学院物理与信息工程系怀化学院物理与信息工程系怀化学院物理与信息工程系怀化学院物理与信息工程系第一章 电路分析基础主讲：向主讲：向 腊腊学习目标学习目标1、掌握电流
2、的参考方向，电压的参考极性；关联参考、掌握电流的参考方向，电压的参考极性；关联参考方向等概念。方向等概念。2、掌握常用电路元件电阻、电容、电感的伏安关系。、掌握常用电路元件电阻、电容、电感的伏安关系。3、掌握电压源和电流源的性能和表示方法。、掌握电压源和电流源的性能和表示方法。4、掌握列写、掌握列写KCL、KVL的方法。的方法。5、掌握用等效变换、串并联和分压、分流公式计算简、掌握用等效变换、串并联和分压、分流公式计算简单直流电路的方法。单直流电路的方法。6、熟悉叠加定理和戴维南定理、诺顿定理的使用。、熟悉叠加定理和戴维南定理、诺顿定理的使用。1.1 1.1 电路、电流、电压、电功率电路、电流
3、、电压、电功率电路、电流、电压、电功率电路、电流、电压、电功率 1.1.11.1.11.1.11.1.1电路和电路和电路和电路和电路模型电路模型电路模型电路模型 1.1.21.1.21.1.21.1.2电流和电流的参考方向电流和电流的参考方向电流和电流的参考方向电流和电流的参考方向 退出退出退出退出 1.1.31.1.31.1.31.1.3电压和电位电压和电位电压和电位电压和电位 1.1.41.1.41.1.41.1.4电压和电流的关联参考方向电压和电流的关联参考方向电压和电流的关联参考方向电压和电流的关联参考方向 1.1.51.1.51.1.51.1.5功率与电能功率与电能功率与电能功率与电
4、能 1.1.61.1.61.1.61.1.6常用元件介绍常用元件介绍常用元件介绍常用元件介绍 电路电路Circuit：是是电流电流Current所通过的路径所通过的路径电源电源Electric Source：工作时可以向电路提供电能的部件。工作时可以向电路提供电能的部件。负载负载Load：工作时吸收电能并将电能转化为其他形工作时吸收电能并将电能转化为其他形 式的能量。式的能量。负载分为：电阻负载分为：电阻(Resistance)、电容电容(Capacitance)电感电感(Inductance)等等 为了对实际电路进行分析，可忽略负载的次要因素，为了对实际电路进行分析，可忽略负载的次要因素，将
5、其近似看作理想电路元件，简称为元件（将其近似看作理想电路元件，简称为元件（Element）。元件通过端子与外电路相连，按端子的数目可将元件元件通过端子与外电路相连，按端子的数目可将元件分为：二端元件、三端元件、四端元件等。分为：二端元件、三端元件、四端元件等。实际情况中，电路由电源（信号源）、负载和中实际情况中，电路由电源（信号源）、负载和中间环结组成。间环结组成。扩音系统扩音系统 中间环结：传输、分配、控制电能的部分：如变压器、输电线、中间环结：传输、分配、控制电能的部分：如变压器、输电线、放大等。放大等。电路可以分为：电路可以分为：1.1.用于信号的传递和处理；用于信号的传递和处理；2.2
6、.用于电能的传输和转换。用于电能的传输和转换。电路的三个基本物理量电流电流电压电压功率功率注意理解并掌握：注意理解并掌握：是是电荷有规则的定向流动形成的电荷有规则的定向流动形成的电场力把单位正电电场力把单位正电荷从一点移到另一荷从一点移到另一点所做的功点所做的功单位时间内单位时间内元件吸收或元件吸收或发出的电能发出的电能电流强度等于单位时间内通过导体某横截面的电量。电流强度等于单位时间内通过导体某横截面的电量。大小和方向都不随时间变化的电流称为大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流恒定电流。或称直流电流或称直流电流(Direct Current),用用I 表示。表示。习惯上把正电荷流动的方
7、向作为电流的实际方向。习惯上把正电荷流动的方向作为电流的实际方向。可以任意选定一个方向作为电流的参考方向，当可以任意选定一个方向作为电流的参考方向，当电流的实际方向与参考方向相同时，电流的值为正；电流的实际方向与参考方向相同时，电流的值为正；当相反时，电流的值为负。当相反时，电流的值为负。在选定的电流参考方向下，根据电流的正负，可在选定的电流参考方向下，根据电流的正负，可确定电流的实际方向。确定电流的实际方向。电流电流：大小及参考方向大小及参考方向参考方向（箭头）参考方向（箭头）：可任意：可任意假设；假设；真实方向（电流表测值）：真实方向（电流表测值）：不受不受参考方向参考方向影响。影响。电场
8、内两点间的电压也称为两点间的电位差。电场内两点间的电压也称为两点间的电位差。电位电位Electric Potential 如果正电荷从如果正电荷从a点移动到点移动到b点是失去能量，则点是失去能量，则a点为点为高电位。高电位。电压的实际方向规定为由高电位端指向低电位端。电压的实际方向规定为由高电位端指向低电位端。电压也可以选择参考方向，从而也可以确定电压的电压也可以选择参考方向，从而也可以确定电压的真实方向。真实方向。一个元件或一段电路中电流和电压的参考方向一一个元件或一段电路中电流和电压的参考方向一致，称之为致，称之为关联参考方向关联参考方向，否则为非关联参考方向。，否则为非关联参考方向。大小
9、和方向不随时间变化的电压称为恒定电压，大小和方向不随时间变化的电压称为恒定电压，或者称为直流电压或者称为直流电压(Direct Voltage)，用，用U表示。表示。电压：电压：大小及参考极性大小及参考极性u=12V+_真实真实=参考参考真实真实 参考参考+u=-12V真实极性：真实极性：（电压表测（电压表测量值）不受量值）不受参考极性参考极性影影响。响。电压计算例电压计算例电位电位的概念和计算的概念和计算Node:电位（结电位（结点电压值）点电压值）u1,u2 电位电位:结点与参考点之间的电压结点与参考点之间的电压.关联参考方向关联参考方向(a),（c)关联关联;(b),(d)非非关联关联电
10、功率是指单位时间内元件所吸收或发出的电能，电功率是指单位时间内元件所吸收或发出的电能，在电路中，电功率常简称为在电路中，电功率常简称为功率功率。设在时间设在时间dtdt内电路转换的电能为内电路转换的电能为dWdW，则有则有在国际单位制中，功率的单位是瓦在国际单位制中，功率的单位是瓦 特特(W)(W)。常用的功率单位还有千瓦常用的功率单位还有千瓦(kW)(kW)、毫瓦毫瓦(mWmW)电能的单位为焦电能的单位为焦 耳耳(J)(J)，他表示功率为他表示功率为lWlW的设备在的设备在1s1s时间内时间内转换的电能。转换的电能。工程上常采用千瓦小时工程上常采用千瓦小时(kWh)(kWh)作为电能的单位，
11、俗称作为电能的单位，俗称1 1度电，度电，他等于功率为他等于功率为1 1千瓦的设备在千瓦的设备在1 1小时内所转换的电能。小时内所转换的电能。功率的概念及计算功率的概念及计算P=+UI=（+3）*(-2)=-6W(产生产生6瓦）瓦）关联关联P=-UI=-（-3）*(+2)=6W(吸收吸收6瓦）瓦）功率的概念及计算功率的概念及计算非非关联关联P=+UI=（+3）*(+2)=6W(吸收吸收6瓦）瓦）功率的概念及计算功率的概念及计算关联关联P=-UI=-（+3）*(-2)=6W(吸收吸收6瓦）瓦）功率的概念及计算功率的概念及计算非非关联关联电阻电阻反映电能消耗的电路参数叫电阻。反映电能消耗的电路参数
12、叫电阻。电阻元件有线性电阻元件和非线性电阻元件。电阻元件有线性电阻元件和非线性电阻元件。线性电阻的特点是元件的电阻值为一常数，与通过线性电阻的特点是元件的电阻值为一常数，与通过它的电流或其两端电压的大小无关。它的电流或其两端电压的大小无关。非线性电阻的电阻值不是常数，而与通过它的电流非线性电阻的电阻值不是常数，而与通过它的电流或作用其两端的电压大小有关。或作用其两端的电压大小有关。电阻的倒数是电导电阻的倒数是电导(Conductance)，电导的单位是西电导的单位是西门子门子或或电容电容能够储存电场能量的电路参数叫电容。能够储存电场能量的电路参数叫电容。电容器在工程上应用非常广泛，种类规格也很
13、多，电容器在工程上应用非常广泛，种类规格也很多，常用的有电解电容器、瓷片电容器等。常用的有电解电容器、瓷片电容器等。在在电电路路中中，如如果果流流过过一一个个电电容容的的电电流流为为i(t)i(t)，在在其其电电容容上上建建立立的的电电压压为为u uc c(t(t)，那那么么，它它们们就就有有如如下下的的伏伏安安关关系系 如果如果i0i0，电容充电，电压增高；如果电容充电，电压增高；如果i0i0，电容放电，电容放电，电压减小。设电压减小。设t t0 0时，时，ucuc0 0，还可得到另一个公式。还可得到另一个公式。按照欧姆定律的概念，可求出电容的容抗为：按照欧姆定律的概念，可求出电容的容抗为：
14、电感电感实际的电感器是用导线绕制而成的线圈。实际的电感器是用导线绕制而成的线圈。电感器也有很多种类种类规格也很多。电感器也有很多种类种类规格也很多。电电感感线线圈圈在在通通过过交交流流电电流流iL时时，线线圈圈周周围围就就会会建建立立磁磁场场，而而在在线线圈圈两两端端会会出出现现感感应应电电压压uL。流流过过线线圈圈的的电电流流iL与与线线圈两端的感应电压圈两端的感应电压uL之间存在如下关系之间存在如下关系 上上式式就就是是电电感感的的伏伏安安关关系系表表达达式式。当当i iL L(0)=(0)=0 0时时，上上式式也可写成：也可写成：按照欧姆定律的概念，可求出电感的感抗为：按照欧姆定律的概念
15、，可求出电感的感抗为：1.2 1.2 电压源、电流源及其等效变换电压源、电流源及其等效变换电压源、电流源及其等效变换电压源、电流源及其等效变换 1.2.11.2.11.2.11.2.1电压源电压源电压源电压源 1.2.21.2.21.2.21.2.2电流源电流源电流源电流源 退出退出退出退出 1.2.31.2.31.2.31.2.3电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换 1.2.11.2.11.2.11.2.1电压源电压源电压源电压源理想电压源：理想电压源：在工作的时候，无论接在它输出端的负在工作的时候，无论接在它输出端的负载如何变化，
16、其输出端电压保持不变。而它输出的电载如何变化，其输出端电压保持不变。而它输出的电流则与之所连接的外电路即负载有关。流则与之所连接的外电路即负载有关。实际电压源实际电压源：（内阻不为零）（内阻不为零）电压源模型：用理想电压源与电阻的串联来表示实际电源的电压源模型：用理想电压源与电阻的串联来表示实际电源的 电路模型。电路模型。USRSUUSUIUSRS电压源模型电压源模型伏安特性伏安特性US 是是理想电压源的输出电压，数值等于实际电源的电动势。理想电压源的输出电压，数值等于实际电源的电动势。RS 是电源的内电阻。所以有：是电源的内电阻。所以有：U=US RS II1.2.21.2.21.2.21.
17、2.2电流源电流源电流源电流源理想电流源：理想电流源：在工作的时候，无论接在它输出端的负在工作的时候，无论接在它输出端的负载如何变化，其输出电流保持不变，而它两端的电压载如何变化，其输出电流保持不变，而它两端的电压则与之所连接的外电路即负载有关则与之所连接的外电路即负载有关电流源模型电流源模型：用理想的电流源与电导的并联来表示实际电源：用理想的电流源与电导的并联来表示实际电源 的电路模型。的电路模型。ISGSUIISUIISGS电流源模型电流源模型伏安特性伏安特性IS 是是理想电流源的输出电流。理想电流源的输出电流。GS 为为电源的内电导。电源的内电导。此模型的输出电流此模型的输出电流I和端电
18、压和端电压U有关，所以有：有关，所以有：I=IS GSU1.2.31.2.31.2.31.2.3电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换等效变换：等效变换：对外电路而言，用新的电路结构替代电路对外电路而言，用新的电路结构替代电路中的某一部分结构时，必须不影响电路中其他未被变中的某一部分结构时，必须不影响电路中其他未被变换部分的电压和电流。换部分的电压和电流。理想电流源可以并联理想电流源可以并联理想电压源可以串联理想电压源可以串联如果两个模型有相同的伏安特性，则可以进行互换如果两个模型有相同的伏安特性，则可以进行互换电压源与电流源进行等效变
19、换时应注意以下几点。电压源与电流源进行等效变换时应注意以下几点。(1)(1)电压源与电流源的等效变换关系只对外电路而言，内电压源与电流源的等效变换关系只对外电路而言，内部是不等效的。部是不等效的。(2)(2)电压源与电流源进行等效变换时，两种电路模型的极电压源与电流源进行等效变换时，两种电路模型的极性必须一致。性必须一致。(3)(3)理想电压源与理想电流源不能等效变换。理想电压源与理想电流源不能等效变换。任何等效变换只是对外部等效，至于内部情况我们任何等效变换只是对外部等效，至于内部情况我们并不关心。并不关心。可以将电源两种模型的等效互换加以推广，即一个可以将电源两种模型的等效互换加以推广，即
20、一个理想电压源与电阻串联的组合电路可以和一个理想电理想电压源与电阻串联的组合电路可以和一个理想电流源与电阻并联的组合电路进行等效互换，并不要求流源与电阻并联的组合电路进行等效互换，并不要求这个电阻一定是电源的内电阻。这个电阻一定是电源的内电阻。例题：例题：P8例例1.1、1.2、1.31.31.3电路基本分析方法电路基本分析方法 1.3.21.3.2电阻的串联及并联电阻的串联及并联 1.3.31.3.3支路电流法支路电流法退出退出退出退出 1.3.11.3.1基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1.3.51.3.5叠加定理叠加定理 1.3.41.3.4结点电压法结点电压法 1.3.61.3.6等效电源定
21、理等效电源定理电流（电流（KCL)1.3.11.3.1基尔霍夫定律基尔霍夫定律电压（电压（KVL)几个重要的术语：几个重要的术语：支路：没有分支的电路称为支路。支路：没有分支的电路称为支路。结点：结点：3 3条或条或3 3条以上支路的交点称为结点。条以上支路的交点称为结点。回路：电路中任意一个闭合路径。回路：电路中任意一个闭合路径。网孔：回路平面上不含支路的回路。网孔：回路平面上不含支路的回路。基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律：描述了一个回路中各支路电压间相互约束的关系。描述了一个回路中各支路电压间相互约束的关系。定律表明：定律表明：沿任一闭合回路绕行一周，各支路电沿任一闭合回路绕行一周，各支
22、路电压的代数恒等于零。压的代数恒等于零。列写关系式：列写关系式：先要任意选定回路的绕行方向，当先要任意选定回路的绕行方向，当回路内每段电压的参考方向与回路的绕行方向一回路内每段电压的参考方向与回路的绕行方向一致时为正，相反时为负。致时为正，相反时为负。电路中任意两点之间的电压：等于以这两点作为电路中任意两点之间的电压：等于以这两点作为端点的任意路径上各个电压之和。端点的任意路径上各个电压之和。基尔霍夫电压定律实际上也是表明：电路中两点基尔霍夫电压定律实际上也是表明：电路中两点间的电压与路径无关这一电路性质。间的电压与路径无关这一电路性质。KCL:流出结点流出结点a流入结点流入结点a列写列写KV
23、L:自己独立列写：u2=;u y=.例题：书11页例1.5简单的电阻电路：简单的电阻电路：电阻的串联：电阻的串联：可以应用分压公式。可以应用分压公式。电阻的并联：电阻的并联：也可利用分流公式。也可利用分流公式。电阻并联时利用电阻的倒数电电阻并联时利用电阻的倒数电 导比较方便。导比较方便。1.3.21.3.2电阻的串联及并联电阻的串联及并联简单电阻电路的计算：简单电阻电路的计算：18页例页例1.9分压公式：分压公式：分流公式：分流公式：1.3.31.3.3支路电流法支路电流法电路有电路有m条电路，以条电路，以m条支路电流作为未知量，应用条支路电流作为未知量，应用基尔霍夫定律列出基尔霍夫定律列出m
24、个独立的方程式，联立求解方程个独立的方程式，联立求解方程式即可解出各支路电流。这就是支路电流法。式即可解出各支路电流。这就是支路电流法。结点有结点有4个：个：a、b、c、d。最多可最多可以列写的结点电流方程为以列写的结点电流方程为 4-1=3个。个。设：流出为正，则：设：流出为正，则：结点结点a：I1I2 I4 0结点结点b：I2 I3 I5 0结点结点c：I1I3 I6 0U1I1R1R3R2R4R5R6U4U5abcI5I4I6I2I3dQuestion：1.这几个方程是否是独立的？这几个方程是否是独立的？2.仅有的仅有的n-1个方程是否可以解出个方程是否可以解出m个未知数？个未知数？3.
25、缺少的方程怎么办缺少的方程怎么办?Conclusion：支路电流法的一般解题步骤：支路电流法的一般解题步骤：1.确定电路的支路数，选定参考方向，设待求支路电流的确定电路的支路数，选定参考方向，设待求支路电流的数为数为m。2.选定所有的独立结点选定所有的独立结点(n-1)，应用应用kcl列写列写n-1 个方程。个方程。3.选择独立回路并指定每个回路的绕行方向，应用选择独立回路并指定每个回路的绕行方向，应用kvl列写列写m-(n-1)个方程个方程。4.联立求解方程，得出联立求解方程，得出m个结果。个结果。5.应用欧姆定律求出各支路的电压。应用欧姆定律求出各支路的电压。例题：书例题：书19页例页例1
26、.10、1.11例题例题：（1919页题页题1.101.10）已知已知US136V，US2108V，IS318A，R1R22，R48，试求各支路电流试求各支路电流Il，I2，I4以及电流源发出以及电流源发出的功率的功率P3。R1共共3个未知数。所以个未知数。所以1、列一个、列一个KCL方程；方程；2、列、列2个个KVL方程；方程；3、联立求解、联立求解3个方程即可。个方程即可。解之得：解之得：I Il l22(A)22(A)I I2 214(A)14(A)I I4 410(A)10(A)3个个方程如下：方程如下：IlI2IS3I40I1R1US1US2I2R20 I2R2US2I4R40 1.
27、3.41.3.4结点电压法结点电压法 以结点电压作为未知量，将各支路电流用结点电压以结点电压作为未知量，将各支路电流用结点电压表示，利用表示，利用kcl列出独立的电流方程求解的方法。列出独立的电流方程求解的方法。适用于结点少而支路多的情况。适用于结点少而支路多的情况。I1UsR3R2R4I4I2IsabcI3R1选择选择c作为参考结点，选定的作为参考结点，选定的参考方向如图：参考方向如图：用结点电位表示出各支路电用结点电位表示出各支路电流为：流为：结点结点C的电流方程：的电流方程：I1I2 I4 0结点结点b的电流方程：的电流方程：I3I4 Is 0把把I1、I2、I3、I4表达式代入上面的式
28、子，所得出表达式代入上面的式子，所得出的就是结点电压方程。的就是结点电压方程。例题：例题：20页例页例1.12等效电源定理：戴维南定理等效电源定理：戴维南定理 诺顿定理诺顿定理1.3.51.3.5叠加定理叠加定理Conclusion：1.叠加定理的表述：叠加定理的表述：在线性电路中若存在有多个电源作用时，电路中在线性电路中若存在有多个电源作用时，电路中任意一个支路的电流或电压等于电路中每个电源分别任意一个支路的电流或电压等于电路中每个电源分别单独作用时在该支路产生的电流或电压的代数和。单独作用时在该支路产生的电流或电压的代数和。2.应用时注意的问题：应用时注意的问题：1)电路中的某个电源单独作
29、用是指：其他电源为零电路中的某个电源单独作用是指：其他电源为零值。即把其他电压源短路，电流源开路。值。即把其他电压源短路，电流源开路。2)叠加原理只适用于线性电路。功率的计算不能用叠加原理只适用于线性电路。功率的计算不能用叠加定理。叠加定理。例题：书例题：书21页例页例1.131、如图、如图(a)，3V单独作用时：单独作用时：例：叠加定理应用例：叠加定理应用-求右图电路中的求右图电路中的U。解：解：1、求、求3V单独作用单独作用 2、求、求2A单独作用单独作用 3、然后线性相加、然后线性相加2、当、当2A单独作用时，如图（单独作用时，如图（b）所所示，示，可用分流公式求可用分流公式求U”最后进
30、行最后进行叠加叠加：等效电源定理：戴维南定理等效电源定理：戴维南定理 诺顿定理诺顿定理1.3.61.3.6等效电源定理等效电源定理二端网络二端网络:凡是具有两个端子的电路，不管其复杂度如何，均称为二端网凡是具有两个端子的电路，不管其复杂度如何，均称为二端网络。络。两个两个 等效电路内部功率消耗不同等效电路内部功率消耗不同等效电源定理等效电源定理：任何一个线性有源二端网络，对于其外部电路来说，总可以任何一个线性有源二端网络，对于其外部电路来说，总可以用一个等效电源模型来代替。用一个等效电源模型来代替。因为电源模型分为电压源和电流源两种，所以相应地等效电因为电源模型分为电压源和电流源两种，所以相应
31、地等效电源定理也有两个，一个称为戴维南定理，另一个称为诺顿定理。源定理也有两个，一个称为戴维南定理，另一个称为诺顿定理。等效电源定理是对外电路而言的，内部是不等效的等效电源定理是对外电路而言的，内部是不等效的例题例题Uoc=-2*10+3=-17V(4欧电阻上无压降）欧电阻上无压降）（电流源单独作用（电流源单独作用+电压源单独作用）电压源单独作用）戴维南定律：戴维南定律：任何一个线性有源二端网络的对外作用，总任何一个线性有源二端网络的对外作用，总可以用一个电压源与一个电阻相串联的电路来替代。电压可以用一个电压源与一个电阻相串联的电路来替代。电压源的电压等于有源线性网络的开路电压，电阻等于该网络
32、源的电压等于有源线性网络的开路电压，电阻等于该网络内部电源均为内部电源均为0 0时的等效电阻。时的等效电阻。R0=10+4=14欧欧最后，由最后，由戴维南等效电路计算：戴维南等效电路计算：U=-17*6/(14+3+6)=-4.4V例题：书例题：书22页例页例1.14、1.15诺顿定理：诺顿定理：一个线性有源二端网络的对外作用可以用一个一个线性有源二端网络的对外作用可以用一个电流源与电导并联的电路等效替代。电流源的电流等于有电流源与电导并联的电路等效替代。电流源的电流等于有源网络的短路电流，电导等于该网络内部电源均为源网络的短路电流，电导等于该网络内部电源均为0时的时的等效电导。等效电导。诺顿定理和戴维南定理是可以互换的。诺顿定理和戴维南定理是可以互换的。例题：例题：计计算算图图中的中的电电流流I I。等效变换例题:求I31、电压变电流；、电压变电流；2、并联电流求和；注意方向！、并联电流求和；注意方向！最后等效电路：分流求最后等效电路：分流求I3I3先求出右图中先求出右图中a a、b b左侧电路的诺顿等效，如左图中左侧电路的诺顿等效，如左图中a a、b b 左侧电路所示。其中左侧电路所示。其中再求右图中再求右图中a a、b b右侧电路的等效电阻右侧电路的等效电阻R R最后画出总的等效电路如右图所示。电流最后画出总的等效电路如右图所示。电流I I为为