电路分析基础课程研究型教学

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1、 1电路分析基础课程研究型教学 电路分析基础课程研究型教学 学生用辅导材料(节选)学生用辅导材料(节选) 北京交通大学 电工电子教学基地 电路教学组 2009.6 2电路分析基础课程研究型教学电路分析基础课程研究型教学 学生用辅导材料学生用辅导材料 目目 录录 一. 为什么要进行专题研讨 二. 专题研讨报告的写作要求 三. 专题研讨参考题目 1 运用动态电路分析原理研究 RC 消除噪声电路 2 DC-DC 电压转换电路原理研究 3 互感和谐振电路应用RFID 原理研究 3一 为什么要进行专题研讨为什么要进行专题研讨 电路分析课程作为专业基础课程，不仅有完整的理论体系，也有很强的工程应用背 景。

2、在电子工程、控制工程和通信工程的许多实际问题中，电路分析的理论和方法都起 着重要作用。事实上，电路分析课程中的许多知识点设定、例题和习题均来自于工程实 践。了解电路分析方法如何应用在实际问题的解决过程中，有助于同学们理解电路课程 的知识体系，加深对于所学理论和方法的理解。 电路课程也是一门实践性很强的课程。在电路理论和方法的研究与应用中，对电路 问题的建模，对电路模型的理论分析，针对工程问题的综合与设计，以及电路实验和计 算机仿真方法都是相互联系、不可分割的。受到课程学时和安排的限制，电路基础课程 的课堂教学一般只能介绍其中最基础的分析方法；布置的习题作业大多针对刚刚讲过的 知识点。综合性和设

3、计型的作业比较少。通过专题研讨题目，同学们可以接触到一些综 合性、设计型的题目，将理论分析、软件仿真和实验方法结合起来，了解工程问题解决 的过程。 电子信息领域又是一个发展迅速、不断创新的领域。电路理论的应用背景、研究的 侧重点和分析手段也有变化和更新。作为精简的电路分析基础课程，一方面要回归电路 分析最基本概念和方法，另一方面也需要将现代电子技术的最新发展介绍给同学们。这 就需要通过同学自己的努力，突破教材内容的限制，通过参考资料的搜集和阅读，了解 新知识、新领域和新方法。 最后，像对待其它任何课程一样，同学们可以将电路分析课程的学习课程作为锻炼 自己学习能力和研究、解决问题能力的过程。项目

4、问题作业由同学们自主完成，借此熟 悉解决实际问题（或简化的准实际问题）的过程；一些问题没有唯一的方法和解答，同 学们可以根据自己的理解、发挥自己的创造性去解决；超出课上知识的内容，需要通过 查阅参考书、搜集互联网上的资源来了解；需要计算机仿真作为验证理论分析和方案的 手段。完成这些环节的过程。 二 专题研讨报告的写作要求专题研讨报告的写作要求 项目问题的完成按小组进行，每组选择一个题目，完成一份报告。报告的内容和格 式要求如下。 （1）报告标题 （2）作者姓名，班级，学号 （3）对于题目的简要描述 （4）方案和电路原理的描述；理论分析和计算，包括步骤、结果、讨论 （5）仿真实验方案设计，仿真电

5、路，仿真结果。需要包括关键步骤的图形，数据和 波形。 （6）发挥和扩展 （7）总结： ? 为什么选择这个题目？ ? 归纳一下，那些知识来自于教材？那些知识来自于教材之外的？ ? 哪些内容参考了其它参考资料（包括书籍和电子文档）？将那些在报告中 直接引用的材料，以参考文献的方式列在报告的最后（编号、作者，文章 或书籍标题，出版社或期刊号，时间） ，引用网络上的资源要给出作者和网 址。 ? 有哪些没有预料到或没有解决的问题？ ? 总结一下收获和体会。 ? 关于此项内容，你有什么意见和建议？ 三 专题研讨参考题目（节选）专题研讨参考题目（节选） 1. DC-DC 电压转换电路原理研究电压转换电路原理

6、研究 在各种电子设备中，经常需要将输入的直流电压转换到电路所需要的直流电压，同 时，将不稳定的直流电压变成稳定的电压，这种电路称为 DC-DC 电源电路。电路通常用 电子开关器件和起储能和平滑作用的电感和电容构成。用动态电路分析方法可以解释这 种电路的工作原理。 图 1-1 是降压转换器的原理电路，图 1-2 是升压转换器的原理电路。电路中两个开关 周期交替闭合，由电压vsw控制（图 1-3） 。在一个周期开始的 0- t1期间，s1 闭合，s2 断 开如图 1-1(a)和图 1-2(a)；在t1-T期间，s1 断开s2 闭合, 如图 1-1(b)和图 1-2(b)。 inVR0v(b)(a)

7、1s100L=20mHC 50uFLi2sinVR0v1s100L=20mHC 50uFLi2s图 1-1 降压转换器 4inVR0v(b)(a)1s2s100L=20mHC 50uFLiinVR0v1s100L=20mHC 50uFLi2s图 1-2 升压转换器 tswv 5T1t1t0图 1-3 开关动作的控制电压 （1）当开关周期动作重复多次后，电路中电压电流变成周期性波形。用动态分析方 法求出电感电流一个周期的波形。计算时可假定输出电压计算时可假定输出电压 v0 近似为常数近似为常数。 （2）求出两个电路中输出电压与输入电压的关系。 图 1-3 电压波形中， 脉冲宽度t1与 周期T的比

8、值d =t1/ T称为脉冲波形的占空比。 证明改变占空比d可以调整输出电压的高低。 （3）在 EWB 中，用电压控制开关构建 DC-DC 电路的仿真电路。用 20kHz 的脉冲 波形控制开关的切换，验证理论分析结果。 （4）扩展：将电路中的开关 s2 用二极管代替，在图 1-1 中，正极在下方；在图 1-2 中，正极在左侧。假设二极管加正向电压时导通，电阻为 0；加反向电压时断开，电阻无 穷大。重复上面的理论分析，并进行 EWB 仿真。 2. 互感和谐振电路应用互感和谐振电路应用RFID 原理研究原理研究 用非接触方法进行身份识别的技术称为射频识别技术（RFID-Radio Frequency

9、 Identification） ，广泛用于电子门禁、身份识别、货物识别、动物识别、电子车票等场合。 RFID 系统由计算机、读写器和应答器以及耦合器组成。应答器存放被识别物体的有关信 息，放置在要识别的移动物体上。耦合器可以是天线或线圈。近距离的射频识别系统采 用耦合线圈。 图 2-1 所示为为互感耦合 RFID 系统电路接口的等效电路。 互感的初级部分连接信息 读写器，它发出高频信号，在初级电感 L1（发送线圈）上产生感应电压。次级电路是应 答器的接收等效电路，L2 是应答器的接收线圈。当应答器靠近读写器时，线圈之间发生 互感，应答器从接收线圈上获得微弱能量（这部分电路没有画出）控制电子开

10、关 S 动作5发出特定的 ID 信息。 vCL1L2R1R2 C2C1MSvs图 2-1 电路初级和次级均谐振于 vs 的频率=125kHz。当开关 S 闭合时，次级回路失谐，影 响到初级回路也失谐。初级回路谐振时，电容 C1 上有高电压；失谐时，电容电压 vc 显 著下降。当开关 S 受到控制信号电压的变化而闭合或断开时，vc 幅度跟着变化。因此， 次级负载变化引起初级电容电压幅度被调制，称为负载调制，由此实现信号从次级到初 级的传递。读写器检测电容 C1 上电压幅度变化得到应答器的 ID 信息。读写器检测电容 C1 上电压幅度变化得到应答器的 ID 信息。 (1) 给定电路参数L1=L2=

11、1.35mH, C1=C2=1.2nF, 耦合系数k=0.3, R1=40, R2=5k， vs 幅度为 5V，频率为 125kHz 的正弦波，用相量法分析当 S 断开和闭合时，电容 C1 上 的电压 vc。 (2) 用 EWB 的频率扫描分析，测量频率从 10kHz 到 1MHz 变化时，C1 和 C2 上电压 幅度的变化情况。 (3) 用EWB进行仿真。S采用电压控制开关，控制电压vm为 1kHz方波，观察C1 上电 压波形。 (4) 扩展：设计一种电路，检测出Vc幅度变化，得到与控制电压vm 相同的波形。 （提 示：可采用二极管整流电路） 。 6DC-DC 电压转换电路原理研究 电压转换

12、电路原理研究 实 实 验 验 报 报 告 告 实验课程：电路分析研究性实验 实验课程：电路分析研究性实验 实验名称：实验名称：DC-DC 电压转换电路原理研究 电压转换电路原理研究 班级：电子 0702 班班级：电子 0702 班 姓名：刘莎 苏林林姓名：刘莎 苏林林 学号：07214041 07263040学号：07214041 07263040 任课老师：杜普选 任课老师：杜普选 DC-DC 电压转换电路原理研究实验报告电压转换电路原理研究实验报告 背景介绍：背景介绍： 在各种电子设备中， 经常需要将输入的直流电压转换到电路所需要的直流电 压，同时，将不稳定的直流电压变成稳定的直流电压，这

13、种电路称为 DC-DC 电 源电路。电路通常用电子开关器件和起储能和平滑作用的电感和电容构成。 实验方案和原理：实验方案和原理： 图 1-1 是降压转换器的原理电路，图 1-2 是升压转换器的原理电路。电路中 两个开关周期交替闭合，由电压vsw控制（图 1-3） 。在一个周期开始的 0-期间， s1 闭合，s2 断开如图 1-1(a)和图 1-2(a)；在-T期间，s1 断开s2 闭合, 如图 1-1(b) 和图 1-2(b)。 inVR0v(b)(a)1s100L=20mHC 50uFLi2sinVR0v1s100L=20mHC 50uFLi2s图 1-1 降压转换器 inVR0v(b)(a

14、)1s2s100L=20mHC 50uFLiinVR0v1s100L=20mHC 50uFLi2s图 1-2 升压转换器 tswv 5T1t1t0图 1-3 开关动作的控制电压 电路分析基础理论对于降压转换器，由于电感中的电流不能突变，电容上的电压也不能突变 0t1 时刻，s1 闭合，s2 断开， VsLCLCvc dtdvc RCdtdvc1122 =+0122 =+LCvc dtdvc RCdtdvc0112=+LCsRCs 带入数据得： 01020062=+ss 0 解得方程有两个不相等得实根js10001001+= ininVdVTtV=1 0js10001002= 最终电路方程可解为

15、： rbtvwtBwtAev+=)sincos(0可得： 又解得 :1000=wfw14. 3*2=Hzf159 在实验中我们取 ，因为开关的变换频率远小于电压的变换频率，所以在电路中可以假设 S2 开关右端得电压变换近似看成下图所示变换： Hzf1000=tswv 5T1t1t0可以得到电感两端得电流变化过程为： t1 T 0I 1I由电感电压和电流之间得关系有：=dtvLill1设上图中电流开始点电流为， 0It1 时刻电流为 1I则电流方程为 ctIil+=0电路由 KVL 有： oslvvv+= 最后可推导出 ： inindVVTtV=1 0同理降压转换电路中有输出电压 与输入电流 及

16、占空比之间得关系有： ininVdVTtV=11/1110DC-DC 降压转换器降压转换器 仿真电路图及波形：仿真电路图及波形： 刚开始的时候电路不稳定，得到的波形为刚开始的时候电路不稳定，得到的波形为 稳定后的波形为：稳定后的波形为： 仿真结果中，当占空比为0050时，输入电压为 5v 时，得到的输出电压为：1.2194v,改变占空比为：0070时，输入 5v,输出 1.4289。 DC-DC 升压转换器升压转换器 F 仿真电路图及波形：仿真电路图及波形： 刚开始不稳定时候的波形图为：刚开始不稳定时候的波形图为： 稳定后的波形为：稳定后的波形为： 仿真结果中，当占空比为0060时，输入电压为 5v 得到的输出电压为:5.4233,改变占空比为：0081，输入电压为：5v,输出电压为：7.7356v. 扩展：扩展： 将电路中的开关 s2 用二极管代替，在图 1 中，正极在下方；在图 2 中，正极在左侧。假设二极管加正向电压时导通，电阻为 0；