《线性电子线路》 课程简介

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1 第一章线性系统的复频域 分析方法 郭圆月 14 年 9 月 18 日

2 1.1 复频域分析 本章主要内容 时间域 - 复频域的变换 1.1. 系统函数和极点 零点 1. 系统响应 1..1 频率响应 1.. 伯德图方法 1..3 阶跃响应

3 1.1 复频域分析 什么是系统? 由有源器件和无源元件组成的各种线性 时不变电子电路 ; 时域分析方法 : 激励与响应 ; 线性常系数微分方程 ; 激励 xt 响应 yt d n y t d n1 y t b b b y t n n n1 1 dt dt n d m x 1 t m d xt a a a xt, a, b 常数 m m m 1 m 1 m n dt dt

4 1.1.1 时域分析的不足之处 求解高阶线性常微分方程, 相当麻烦 ; 时域解不能清晰地 反映出系统的内在特征 解决之道 : 变换域分析 拉氏变换 时域 t: 复频域 S=s+jw 复频域 : 拉氏变换将时域信号变换到新的处理域. 4

5 1) 常用拉氏变换的基本性质 1. 微分 : dx t dt L sx s k d x t dt k L k s X s d L dt s. 积分 : t x t dt L X s s t dt L 1 s 3. 时移 : xt L X s e s 4. 频移 : L t X s e x t 5

6 f(t) δ(t) ε(t) t 表 1 常用函数的拉普拉斯变换 F(s) 1 1 s 1 s e at 1 s 1 e at s( s a) a a f(t) F(s) at te ( s a) sin wt 6 s 1 w w cos wt e at cos wt t K e cos( wt ) s s w w ( s a) w j j K e K e s jw s jw

7 1.1. 系统函数的概念 n n1 m m1 d y t d y t d x t d x t bn bn 1 b 1 y t a n n m a m m 1 a m 1 x t dt dt dt dt 拉氏变换 n n1 m m1 b ns bn 1s b Y s ams am 1s a X s 系统函数 : H s m i as i Y s i, ai, b n j实常数 X s j bs j j 系统函数只与其结构参数有关, 反映系统内在特征的物理量 ; S 的有理分式,m n, 系统的稳定 若 n m lim H s, s Rf s 7

8 1) 线电系统的四种传递函数 Vi Ii s s HV HI s s Hr s Hg s Vo Io s s 电压传递函数电流传递函数阻抗传递函数导纳传递函数 H H H H g r V I s s s s V I V V I o V I I i o i o i s s s s s s o i s s 8

9 系统函数 : ) 系统函数的零点与极点 ( s z )( s z )...( s z ) H s K K 1 m i1 n 1 n s p s p... s p 系统零点 : 传递函数分子多项式等于 的根 ; m j1 s z s p i j H s Y s Y( s) X s s z s z 零点 z i 系统极点 : 传递函数分母多项式等于 的根 ; H s Y s X ( s) X s s p s p 极点 p j 9

10 3) 零极点分布图 定义 : 零点用 o 极点用 x 在复平面上绘制出来 jw 所有零 极点为实数或共轭复数对 z p R f z * * z3 p p3 z 3 p 1 z 1 s 稳定系统, 极点 p 分布在虚轴左 p 3 侧 s 平面内, 而零点没此约束 三零点三极点系统 1

11 5)R L C 元件的复频域模型 it 时间域 复频域 vt R v t R i t V s Z s I s RI s R vt it C v t 1 C i t dt 1 1 V s I s Z C s sc sc vt it L di t v t L dt V s L S I s Z s L S L 复电阻 复容抗 复感抗??? 11

12 6) 复频域形式的欧姆定律 * R L C 元件串联电路为 由伏安关系可得到电路方程 欧姆定律的复频域形式 : 复频域阻抗 : 复频域导纳 : 1

13 知识回顾 1: 线性系统与线性常微分方程 系统分析数学模型 : 实际连续时间系统, 据物理原理或机理建立 起来的数学描述形式基本上都是满足微分方程 : k k d y( t) d f ( t) bk( t), ak( t), k,1, n k k dt dt 线性系统数学模型 : + - (*) 为一个线性函数, 满足常系数微分方程 n n1 d y( t) d y( t) bn b 1 1 () n n + b y t n dt dt m m1 d f ( t) d f ( t) am am 1 a 1 f ( t) ( m n) m + m dt dt f() t yt () + - 二阶线性常系数微分方程 d y ( t ) ( ) ( ) ( ) ( ) dy t y t f t dt C1R1 C1R CR dt R1R C1C R1R C1C

14 知识回顾 1: 时域与频域 时域波形 : 方波 锯齿波 正弦波 真实性与时间的先后顺序参数 : 周期 幅度 上升时间等形象与直观 频域分析 : 时域任何波形可由正弦波的组合完全且惟一地描述 ; (1) 任何两个频率的正弦波都是正交的 - 正交基 ; () 精确的数学定义 (3) 正弦波及其微分值处处存在, 没有上下边界 非真实的数学构造 简练与深刻 14

15 T 1 知识回顾 : 傅氏变换与拉式变换 1. 周期时域信号傅里叶变换公式 : E O f (t) T 1 频谱 t x( t) a a cosw t a cos w t... 1 b sinw t b sin w t... 1 n n n1 1 t T jn t X ( n ) w w x( t) e dt T t 15 三角形式 a ( a cos nw t b sin nw t) 欧拉公式 复指数形式 jnwt jnwt x( t) X ( nw ) e X ne n n

16 例已知周期信号 画出其频谱图 将 x(t) 整理为标准形式 t t t t t x 3 sin 1 sin ) 4 5 cos( cos 1 ) ( w w w w ) cos(3 1 ) 4 5 cos( ) 4 cos( 1 ) cos(3 1 ) 4 5 cos( ) 4 cos( 1 ) ( w w w w w w t t t t t t t x 知识回顾 : 傅氏变换与拉式变换

17 知识回顾 : 傅氏变换与拉式变换 c n π 4 n π 4 w w w w w w w w - π (a) (b) (a) 振幅图 ; (b) 相位图

18 知识回顾 : 傅氏变换与拉式变换. 连续时间非周期信号傅里叶变换公式 : X ( jw) x( t) e jw t dt F x( t) 傅里叶逆变换 1 jwt f ( t) F( w) e dw 结论 : 时域和频域是信号的基本性质, 分析信号可以用不同的方式和不同的角度 不同角度称为域 18

19 知识回顾 : 傅氏变换与拉式变换 3. 复频域分析方法对某些增长信号引入收敛因子 则有 : F 1 令 s w s [ f jw F( s) e st t e st F s 为正实数 ] e s jwt f ( t) e dt st d t f t e st 拉氏变换 设函数 f(t) 在 t 时有定义, 则 f(t) 的拉普拉斯变换定义为 其中 s=s +jw 为复参量, 称为复频率 dt F( s) L { f ( t)} 在复频域的扩展变换!

20 课后习题 1 (1) 求下图所示周期信号的三角形式的傅里叶级数表示式 f() t A O T T t

21 课后习题 () 求下图所示信号的傅里叶变换, 并作出幅度谱示意图

22 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 支路 : 电路中能通过同一个电流的每个分支 节点 : 两条以上支路的联接点 回路 : 电路中任何一个闭合路径 网孔 : 在回路内部不含有支路的回路 支路电流 : 流经支路的电流 支路电压 : 支路两端的电压

23 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 3

24 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 4

25 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 5

26 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 6

27 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 7

28 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 8

29 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 9

30 课后习题 3 3

31 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 31

32 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 3

33 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 33

34 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 34

35 知识回顾 3: 基尔霍夫定律 35

36 7) 基尔霍夫定律的复频域形式 1. 基尔霍夫节点电流定律 KCL: 两边取拉氏变换 i(t) I(s) 结论 : 电路中任一节点各支路电流象函数的代数和为零. 基尔霍夫回路电压定律 KVL: u(t) 两边取拉氏变换 U(s) 结论 : 电路中任一闭合回路各支路电压象函数的代数和为零. 36

37 8) 复杂线性电路的系统函数? 已知输入为 i t, 输出为 v t, 求系统函数 Hs. + i (t) v ( ) v ( ) 1 t 1 t - R 1 C 1 g m C R + v ( t) - 37

38 9) 零极点分布及其特点 + i (t) v 1 ( t) v ( ) 1 t - A R 1 C 1 g m C B R + v ( t) - 第一步分析题意, 标明电路的输入输出端口, 所需电压电流的定义方向, 并变换到复频域 i t L I s v t V s L 1 1 L v t V s 阻抗传递函数 H s 38 V s I s?

39 V 9) 零极点分布及其特点 s + i (t) v 1 ( t) v ( ) 1 t - A R 1 C 1 第二步 : 节点电流法,A B 两节点电流方程 g m sc V () s sc V s V s I s R 1 v ( t) 1 sc V s V1 s V s gmv1 s R H s V s 问题 : 几个零点 极点? 系统稳定吗? 39 C B 1 m I s s R1R C1C s R1C 1 R1 R R1R gm C 1 R R R sc g + -

40 知识回顾 : 复频域变换与系统传递函数 电路系统分析数学模型 : 实际连续时间系统, 据物理原理或机理建立起来的数学描述形式基本上都是满足微分方程 : k k d y( t) d f ( t) bk( t), ak( t), k,1, n k k dt dt 线性系统数学模型 : (*) 为一个线性函数, 满足常系数微分方程 子线路系统 n n-1 d y(t) d y(t) b n + b n b n n-1 y(t) dt dt m m-1 d f(t) d f(t) = a m + a m a m m-1 f(t) dt dt

41 知识回顾 : 复频域变换与系统传递函数 输入激励 输出响应 n n-1 m m-1 d y(t) d y(t) d f(t) d f(t) 时域模型 b n + b n-1 + +b y(t) = a m + a m-1 + +a n n-1 m m-1 f(t) dt dt dt dt 频域模型 系统函数 系统结构 线路系统 拉氏变换 n n-1 m m-1 b ns + bn-1s + +b Y s = ams + am-1s + +a F s H s = K 1 连接方式 ; (s - z )(s - z )...(s - z ) s - p s - p... s - p 电感 电容个数 ; 3 有源器件个数 ; m 1 m i=1 n 1 n 零 极点 分布 = K j=1 s - z s - p i j 系统特性 : 稳定性 高 低通特性 零点 极点 频率响应

42 1. 系统响应 常用的激励函数有哪些? 正弦函数 sinωt, 阶跃函数, 冲激函数 系统复频域响应 : 由系统函数和激励共同决定 ; Y s H s X s 系统的时域响应 根据系统函数 H(s), 通过拉氏反变换, 将系统在特定激励 X(S) 下的输出响应 Y(S) 反变换到时域中来 1 1 y t L Y s L H s X s

43 1..1 频率响应 ** 定义 : 系统对正弦激励信号的稳态响应 w w sin w t X ( S) w ( w )( w ) 部分分式展开 拉氏反变换 L s s j s j m s z w w Y ( S) H( S) = K ( s jw )( s jw ) ( s jw )( s jw ) n K j K K = + s p s jw s - jw n j - w w + j1 j pt j t j t y t K e K e K e i i1 n s pj j1 j1 j 问题 :K K 由什么决定? t, 趋于 ; 自由响应 强迫响应 43

44 n 稳态频率响应 : K j K K Y(S)= + s p s jw s - jw j1 j K K ( s+j w ) Y ( s) K ( s+j ) + - n j w j1 s p j s jw K ( s+j w ) Y( s) H( s) X( s) ( s+j w ) s=-jw s=-jw w H(-j w ) H( s) ( s+j w ) = ( s jw )( s jw ) j s=-jw K ( s-j w ) Y ( s) H( s) X( s) ( s-j w ) s=jw s=jw H( j w ) j

45 n H(-j w ) H(j w ) y t K je K e K e e e j j - w j - w w =+ w + w i1 (1) 频率响应 H(jω) j t j t j t j t j t H(j w ) e H(j w ) e - j ( w ) j ( w ) - jwt jwt = e e H (j w ) sin( w t ) j j w w j H j H j e w 幅频响应 相频响应 频率响应 : 相同频率正弦信号, 幅度增大 H(jω ), 相移 Φ; 频率响应函数 H jw H s s j w 45

46 系统的复频域分析 频率响应 举例 1:RC 电路的频率响应 H s 幅频 : H 相频 : w s Vo 1 1 Vi s 1 src s 1 1 RC w H j H s s jw jwrc jw 1 wrc arctan wrc 1 RC 46 Vi S 平面 s R C jw s Vo s 零点 极点? 零点 极点分布图

47 举例 1 :RC 电路的频响 H jw 1 1 幅频响应曲线 w o 45 o w 1 p 相频响应曲线 RC w w 1 p RC w 9 o U o U 滞后 U, 当 f 时 ; o i, U o滞后 U i9 单极点低通系统 : 允许低频信号通过, 高频输入信号大幅衰减 转折频率 : wp p 1 RC 45 o p w 47

48 举例 :CR 电路的复频域分析 系统传递函数 Vo s R src Hs = V 1 i s R 1 src sc 频率响应 C Vi s R Vo s w H j H s s jw jwrc 1 jwrc S 平面 jw wrc 幅频 : H 相频 : w jw 1 wrc 9 o arctan wrc 48 1 RC 零点 极点? s 零点 极点分布图

49 举例 : 系统频率响应 H jw 幅频响应曲线 w 相频响应曲线 o 45 o U o U 超前 U, 当 f 时 ; o, U i o 超前 U i 9 w 1 p RC w w 1 p RC w 单极点高通系统 : 允许高频信号通过, 低频输入信号大幅衰减 转折频率 : 49

50 () 频率响应三个主要参数 H H H jw w 3 db : 上截止频率 : wh 下截止频率 : wl 通带 频率响应参数 通带增益 : H 3dB 截止频率 : w 3dB H H jw3 db ~ 3dB 通带带宽 : B w w h l 阻带 B 阻带 w l w h w 3dB 截止频率与转折频率的区别 5

51 () 频率响应参数 例 : 单极点 RC 低通系统的频率响应参数 H jw 1 1 H 1 wh wp B wh 1 RC w 1 p RC w 51

52 () 频率响应参数 H 例 : 单极点 RC 高通系统的频率响应参数 jw 1 1 H 1 w w l p B ~ wl 1 RC w 1 p RC w 5

53 1.. 伯德图方法 郭圆月 14 年 9 月 18 日

54 (1) 对数坐标系 H jw 幅频特性 w() o 相频图 w o w 频率跨度大, 给绘图带来困难, 如何扩大频率的视野? 伯德图 : 以对数为标尺 用折线绘制的幅频 相频特性曲线 lg H jw ( db) 幅频波特图坐标系 w() o 相频波特图坐标系 ( db) lgw o lgw 问题 :ω= 时, 坐标在哪里? 54

55 (1) 伯德图方法步骤 第一步 : 归一化处理, 分析系统的零极点和常数项 相频响应 : i i1 ' H s K K Ys () X() s m n j1 s z m s 1 i1 zi s pj n s 1 j1 p j 幅率响应 : m n ' jw lg H jw lg K lg 1 lg 1 z i1 i j1 w w w o m n arctan arctan o 18 i1 z i j1 p j jw p j 在对数域, 系统所有零极点的幅频及相频贡献满足线性叠加关系 ; 55

56 (1) 伯德图方法步骤 第二步 : 绘制出常数项 实极点, 实零点, 复共轭极点和 复共轭零点等各单项的幅频和相频伯德图 ; 第三步 : 将各个单项线性叠加在一起, 即可完整获得系统 的幅频和相频伯德图 ; 56

57 () 常数项 K -- 幅频 相频响应 lg H 幅频波特图 w 相频波特图 K ' lg K ' o K ' lgw lgw 18 o lg H jw lg K ' 57

58 (3) 负实极点 p j -- 幅频响应 w p p j 转折频率 ω p, lg 1 w w w p db w p w w w wp, lg 1 lg w p wp db 58

59 (3) 负实极点 --- 幅频伯德图 折线化处理 : 第一直线段 : 到 ω p 的水平直线 ; 第二直线段 : 起始于 ω p, 斜率为 -db/ dec 的直线 ; 一个转折点 : 极点值 ω p db dec 折线化存在误差, 最大误差位置在转折频率处, 且存在 3dB 误差 ; w lg 1 3dB w w w p p 59

60 (3) 负实极点 -- 相频响应 w p p j w w arctan arctan w p j w p 折线近似 w w.1 w, arctan o p w p w w w, arctan 45 o p w p w w 1 w, arctan 9 o p wp o w 45 lg.1 wp w.1 wp,1w p 6

61 (3) 负实极点 --- 相频伯德图 w o 45 o 9 o 相频波特图.1w p w p 45 o dec 1w p lgw 第一条直线段 : 横轴上从频率 到.1ω p 的水平直线 ; 第二条直线段 : 从频率点.1ω p 至 1ω p, 斜率 -45 度 /dec 的直线 ; 两个转折点 :.1ω p 1 ω p 第三条直线段 : 始于频率点 1ω p 的水平直线, 纵坐标 -9 度 转折点的误差 61

62 z (4) 实数零点幅频响应 i z z i i w z zi jw w w lg 1 lg 1 lg 1 z j z j wz 线 w 似 w wz,lg 1 db wz w w w wz,lg 1 lg wz wz db 幅频波特图 6

63 (4) 实数零点 z 相频响应 i w w arctan z, z z i i w z i 附加相位贡献取决于 Zi 正负 w o.1w z zi wz 1w z lgw 45 o 9 o 45 o dec 相频波特图 相频波特图 63

64 (4) 实数零点 z i H( jw) S jw we s jw j9 lg H( jw) lg jw lgw o lg H zi w zi db dec 9 o 1 幅频波特图 lgw o w 相频波特图 lgw 64

65 上节回顾 : 系统传递函数与频率响应 线性电路 系统传递函数 零点 极点分布图 C Vi s R Vo s Vo s R src Hs = V 1 s i s R 1- sc 1 (- ) RC 零点极点 频率响应函数 w H j H s s jw jwrc 1 jwrc 零 极点的贡献 wrc 幅频 : H 相频 : w 简单 折线近似方式? jw 1 wrc 9 o arctan wrc 伯德图 lg H 1 幅频波特图 db dec lgw 过于复杂

66 (5) 复共轭极点对 -- 幅频响应 共轭极点对 : 另一种描述参数 : 转折角频率 :wn a b a 阻尼系数 : cos w n 则 : p, p w jw 1 1 n n 66

67 (5) 复共轭极点对 -- 幅频响应 *** w jw w w j lg 1 1 lg 1 * p p wn wn, lg 1 w w w w n db wn wn w w w w wn, lg 1 4lg 折线近似 j * p p wn w jw w w wn wn wn 问题 : 为什么斜率是 -4dB/dec 67 db 两个极点的贡献 ; j w 渐近线与阻尼系数 ξ 无关 n

68 (5) 复共轭极点 -- 误差分析 w w lg 1 wn wn w wn o 6 db, 时 o lg 6dB lg 3 db, 45 时 =, 6 o db 时 o 8 db, 78 时 α=45 o 时,ξ=.7;3dB 特征频率恰为转折频率 ω n

69 (5) 复共轭极点对 -- 相频响应 j * p p wn w jw w w w o, w.1wn w n o w arctan 9, w w n w w o 9 o 18 o o w 9 lg.1 w n 1 o w 18, w 1wn w.1 wn,1wn n.1w n w n 9 o dec j w n 1w n lgw 两个极点的贡献 ; 渐近线与阻尼系数 ξ 无关

70 (6) 复共轭零点对 -- 幅频响应 相频波特图 lg H 幅频波特图,1 w 18 o z Re 9 o dec i 4dB dec w n lgw o 9 o.1w n wn 1w n lgw w z Re i o w.1w n wn 1w n 9 o 18 o 9 o dec lgw

71 已知 H s (7) 实例分析 1 ss s1 s, 画波特图 第一步 : 归一化 标准化表示 H s s s 1 s 1 s1- - s s s 1 s 零 极点? ' 常数项 : K, 即 6dB 两个实零点 :,- 两个负实极点 :-1,- 71

72 (7) 实例分析 第二步 : 画出各单项参数幅频伯德图, 标明转折点及折线斜率 ; 第三步 : 线性叠加出完整的幅频伯德图 ; 线性叠加 幅频波特图 7

73 (7) 实例分析 相频波特图 线性叠加 73

74 (7) 实例分析 试确定系统的通带特性, 求通带增益和截止频率 系统通带特性 : 高通系统 : H, w l 波特图近似方法 1: H lg lg w 1 lg lg lg 46dB 1 s 1 1 s s 极限方法 : lim Hs lim 46dB s S s s 74

75 下限截止频率 : 求 w : l 波特图近似方法 1: 1 (7) 实例分析 w wp wl w p rad / s 3 db截止频率定义方法 : H jw ( ) l 1 jw( jw) H( jwl) = wl rad / s ( jw1)( jw) 分析 :.17 误差的根源在哪里? 其它零 极点的影响 75

76 已知 H s (7) 实例 6 1 s 4 s 1s 1 s 1, 画出幅频响应 波特图, 确定通带特性, 求出频率响应参数 归一化处理, 分析单项参数 H() s 6 s 1 1 s 1 s s s 1 s 1 s 1 1 s 常数项 :6dB 一个零点 :- 三个极点 :-1, wn 1 rad / s j 76

77 (7) 实例 带通系统 :H,, wl wh 线性叠加 1 求 H: lg H 6 lg 4(dB) H 1 求 wl方法 1: 1 wl 1 rad / s 6 1 s 方法 : s 1 1 H s 1 4 s 1 s1 s 1 H H( jwl) wl 9.59 rad / s 77

78 求 w : h (7) 实例 o 1 6,.5 wh wn, if wh 1 rad / s s 6 s H s s 1 s 1 s1 4 H H( jwh) wh rad / s 3dB 上限截止频率 ω h 与转折频率 ω n 并不相同! 78

79 例 3: 根据伯德图求系统函数 已知某放大器传递函数的幅频响应波特图, 试写出其传递函数表达式 lg A jw lgw 79

80 (7) 实例 3 解 : 分析可知, 该系统 含 1 个二阶零点 :; 5 3 个负实极点 :-1,-1,-1 s As K s s s K ' s s s s

81 (7) 实例 3 求 K ' : H w ' lg K 4lg lg ' ' =lg K 8 4dB K 1 1 或求 K: 取 1 s 1 5 s A s K K 5 5 s 1s 1 s 1 ss1 s K 4dB K=1 As 1 s 7 5 s 1s 1 s 1 81

82 答疑 1 系统传递函数和零点 极点的分布对应有负数, 但在频率响应 函数及其伯德图为什么没有考虑负数频率部分 H s = K m i=1 n j=1 s - z s - p i j z z 3 p p 3 p 1 jw z 1 R f s 零点 极点的正负反映了系统 稳定性 系统传递特性, 由系 统结构决定, 与输入频率无关 频率响应的伯德图 频率响应是输入不同频率信号的输 出信号特性, 自然频率只取正值, 转折点的频率只是取值为零点 极 点的绝对值, 与其正负无关 8

83 答疑 1. 分别画出单项零点 zi= 与 zi=-1 的幅频波特伯德图, 并说明 两者的区别? lg H zi 幅频伯德图 db dec 1 lgw 区别 : (1)zi=, 过 1 的一条直线,-, 精确符合, 没有任何误差 ; ()zi=-1, 过 1 两条折线, 近似符合, 折点 3dB 误差!

84 阶跃响应 Y(s) H s 1 s u t 1..3 阶跃响应 L X s 1 s y t L H s s 1 1 L K m 1 i1 n j1 s s z i p j 1 s = L n 1 j j1 s K p j K s n j1 K e j pt j K u() t 瞬态时域波形响 应如何? 84

85 () 单极点低通系统的阶跃响应 **** 系统函数 : H s wh H s w h Vi s R C Vo s wh 1 y t L H s = L H s s wh s 1 K K1 L s wh s K K H H 1 wh 1 t y t H e 瞬态响应 yt H.9H.5H.1H t 85 d t1 t t R t 3 t

86 yt H () 阶跃响应的参数 -1 1 h t y t H e w 上升时间 t R : 幅值从.1H 上升至.9H 所需的时间 ;.9H 延迟时间 t d : 幅值从 上升至.5H.5H 所需的时间 ;.1H t1 t t d t 3 t..69 tr t t t t t w 3 1 d wh h t R w, t ; t h R d 问题与思考 特点? 与电路的频响参数什么关系 86

87 (3) 单极点高通系统的阶跃响应 s H s= H s w y t L H s s 1 1 l 1 1 L H s wl ut u t C R L X s yt 1 s y t H e w l t yt H 瞬态响应 87 t p t

88 (3) 高通系统的阶跃响应参数 - yt 斜降 : 即 tp 位置的衰减量与 H 的比值 : H H H e p tp tp H H w t l p t p t 1 e l p wt, t 1 w w, l w t l p p l p 特点 -1: 高通系统高频特性好 ( ), 上升沿不需要时间 ; 特点 -: 缓变斜降特性取决于低频特性 ω l: ω l, 响应随时间逐渐下降, 稳态时趋于 ; ω l =, 维持 H! 还有什 么特性? 88

89 1 SC 1 1 R SL SC 1SRC S LC = H s (4) 二阶低通系统的阶跃响应 二阶低通系统 : s w n wnsw n i v t R L C vo t 其中, w n 1 R L, ; LC C 极点 : p p w w 1, n n 1 1, p, p 两实极点, 阶跃响应与单极点低通电路类似 1 若 1, p, p一对复共轭极点, 共轭极点对低通网络 1 w y t L H s K K e cos nt wdt arctan K s 阻尼自然频率 : wd wn

90 (4) 二阶低通系统阶跃响应参数 -3 K K K n 1 wd j d n 1 1 w 1 1 w w arctan K1 arctan 1 yt K e w n t w d 1 阻尼振荡 w w 1 d n t 幅值衰减的正弦振荡, 振荡频率为 w d, 其包络线为 e w n t 超量上冲 Δ:,α>6 度, 第一峰值明显大于稳态值 ; 1 9

91 (4) 二阶低通系统的阶跃响应 yt 1,1 K 1 t 阻尼系数越小, 起始幅度越大, 阶跃响应上升越快, 即上升时间越短 91

92 (4) 阶跃响应与频率响应对比 阶跃响应和频率响应是反映同一系统在不同激励下系统特性 : 阶跃响应考察系统的时域波形特征, 频率响应考察系统的频率特性 ; 对同一系统而言, 阶跃响应参数与频率响应参数之间有一定的关联性, 即阶跃响应可一定程度反映系统的频率特性 ; 阶跃响应关注的是系统的暂态响应, 而频率响应关注的是系统的稳态响应, 故一般通过分析系统的频率响应来获得系统的频率特性 9

93 举例 1s 4 题目 : 一电路系统函数为 H( s) u ( ) o t ( s1)( s), 求阶跃响应 解 : 1 1s 4 s s( s 1)( s ) 设 U ( s) H( s) o 计算各待定系数为 U o () s 1s 4 1s 4 1 s s 1 A1 A B B1 s s 1 ( s ) s A lim s 1 A lim ( s 1) 14 s( s 1)( s ) s( s 1)( s ) 1s 4 d 1s 4 B lim ( s ) B 1 lim ( s ) 13 s s( s 1)( s ) s ds s( s 1)( s ) 因此, 阶跃响应为 u t L U s L s s 1 ( s ) s 1 1 o( ) { o( )} { } t t 1 14 e (t 13) e ( t ) 93

94 本章小结 复频域拉式变换 94

95 复频域分析 本章小结 熟悉拉氏变换的定义, 理解在变换域进行系统分析的作用和意义, 掌握常用信号的拉氏变换对 熟悉系统函数的定义, 理解系统函数的内涵, 熟悉电路传递函数的四种基本类型 熟悉系统零极点基本概念和求解方法, 掌握稳定系统的零极点分布特点 牢记系统函数的零极点表达形式, 牢记基本 RLC 器件的复频域阻抗参数, 能够对线性电路进行复频域分析 95

96 频率响应 本章小结 熟悉频率响应 幅频响应和相频响应的概念, 掌握通过系统函数求解频率响应的方法 熟悉频率响应参数的基本定义和求解方法, 熟悉低通 带通和高通系统的通带特征及其对应的频响参数 理解转折频率与 3dB 截止频率的区别与联系 熟悉复共轭极点及其转折频率, 会计算阻尼系数, 熟悉转折频率点上不同阻尼系数对应的幅频增益的差异 96

97 本章小结 伯德图 理解用伯德图作工程近似分析的意义, 熟悉伯德图坐标系 牢记系统极点所对应的转折频率处由近似引起的幅频误差 牢记系统函数的归一化零极点表达形式, 掌握各单项的幅 频及相频响应伯德图绘制方法 能够熟练画出传递函数对应的幅频 相频响应伯德图, 或 根据伯德图求解系统函数 频率响应参数 97

98 H( jw) 9 月 11 日作业 1 1. 求的原函数 f(t) 98

99 H( jw) 9 月 11 日作业. 下图所示为 RC 串并网络, 已知 R 1 =16kΩ,R =4kΩ, C 1 =1.5μF,C =.1μF, 求 : (1) 该网络的电压传递函数 ; () 该网络的频率响应函数以及幅频响应和相频响应 ; 99

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