线性电路的复频域分析

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1、第第1414章章 线性动态电路的线性动态电路的 复频域分析复频域分析第第1515章章 电路方程的矩阵形式电路方程的矩阵形式第第1616章章 二端口二端口( (双口）网络双口）网络第第1717章章 非线性电路非线性电路第第1818章章 均匀传输线均匀传输线第十四章第十四章 线性动态电路的线性动态电路的 复频域分析复频域分析14-1拉普拉斯变换的定义拉普拉斯变换的定义14-2拉普拉斯变换的基本性质拉普拉斯变换的基本性质14-3拉普拉斯反变换的部分分式展开拉普拉斯反变换的部分分式展开14-4运算电路运算电路14-5用拉普拉斯变换法分析线性电路用拉普拉斯变换法分析线性电路14-6网络函数的定义网络函数

2、的定义14-7网络函数的极点和零点网络函数的极点和零点14-8极点、零点与冲激响应极点、零点与冲激响应14-9极点、零点与频率响应极点、零点与频率响应数学问题数学问题: 拉普拉斯变换拉普拉斯变换电路问题电路问题: 用数学工具分析电路用数学工具分析电路l重点重点 (1) (1) 拉普拉斯变换的基本原理和性质拉普拉斯变换的基本原理和性质 (2) (2) 掌握用拉普拉斯变换分析线性电掌握用拉普拉斯变换分析线性电 路的方法和步骤路的方法和步骤 (3) (3) 网络函数的概念网络函数的概念(4) (4) 网络函数的极点和零点网络函数的极点和零点返 回 拉氏变换法是一种数学积分变换，其核心是拉氏变换法是一

3、种数学积分变换，其核心是把时间函数把时间函数f(t)与复变函数与复变函数F(s)联系起来，把时域联系起来，把时域问题通过数学变换为复频域问题，把时域的问题通过数学变换为复频域问题，把时域的微分微分方程变换为频域的方程变换为频域的代数代数方程以便求解。方程以便求解。 应用拉氏变换进行电路分析称为电路的应用拉氏变换进行电路分析称为电路的复频复频域分析法域分析法，又称，又称运算法运算法。14-1 拉普拉斯变换的定义拉普拉斯变换的定义1. 拉氏变换法拉氏变换法下 页上 页返 回分析动态电路的问题分析动态电路的问题(六、七章的继续）六、七章的继续）一些常用的变换一些常用的变换对数变换对数变换乘法运算变换

4、乘法运算变换为加法运算为加法运算相量法相量法时域的正弦运算时域的正弦运算变换为复数运算变换为复数运算拉氏变换拉氏变换F(s)( (频域象函数频域象函数) )对应对应f(t)( (时域原函数时域原函数) )下 页上 页返 回2. 拉氏变换的定义拉氏变换的定义定义定义 0 , )区间函数区间函数 f(t)的拉普拉斯变换式的拉普拉斯变换式正变换正变换反变换反变换s 复频率复频率下 页上 页返 回简写简写积分下限从积分下限从0 开始，称为开始，称为0 拉氏变换拉氏变换 。积分下限从积分下限从0 + 开始，称为开始，称为0 + 拉氏变换拉氏变换 。 积分域积分域注意今后讨论的均为今后讨论的均为0 拉氏变

5、换。拉氏变换。0 ,0区间区间 f(t) =(t)时此项时此项 0象函数象函数F(s) 存在的条件：存在的条件：下 页上 页返 回如果存在有限常数如果存在有限常数M和和 c 使函数使函数 f(t) 满足：满足： 则则f(t)的拉氏变换式的拉氏变换式F(s)总存在，因为总可总存在，因为总可以找到一个合适的以找到一个合适的s 值使上式积分为有限值。值使上式积分为有限值。下 页上 页象函数象函数F(s) 用大写字母表示用大写字母表示, ,如如I(s)、U(s)。原函数原函数f(t) 用小写字母表示用小写字母表示，如，如 i(t)、 u(t)。返 回3.3.典型函数的拉氏变换典型函数的拉氏变换 (1)

6、单位阶跃函数的象函数单位阶跃函数的象函数下 页上 页返 回(3)指数函数的象函数指数函数的象函数(2)单位冲激函数的象函数单位冲激函数的象函数下 页上 页返 回14-2 拉普拉斯变换的基本性质拉普拉斯变换的基本性质1.1.线性性质线性性质下 页上 页证证返 回则则例例2-1解解例例2-2解解 根据拉氏变换的线性性质，求函数与常数根据拉氏变换的线性性质，求函数与常数相乘及几个函数相加减的象函数时，可以先求各相乘及几个函数相加减的象函数时，可以先求各函数的象函数再进行相乘及加减计算。函数的象函数再进行相乘及加减计算。下 页上 页结论返 回数。数。数。数。2. 2. 微分性质微分性质下 页上 页证证

7、若若足够大足够大返 回则则例例2-3解解下 页上 页利用导数性质求下列函数的象函数。利用导数性质求下列函数的象函数。返 回推广：推广：解解下 页上 页返 回下 页上 页3.3.积分性质积分性质证证应用微分性质应用微分性质0返 回则则下 页上 页例例2-4解解返 回数。数。4.延迟性质延迟性质 延迟因子延迟因子下 页上 页证证返 回则则1)1)时域延时时域延时例例 5t1 02已知电压已知电压u(t)的波形如图，的波形如图，试画出下列电压的波形。试画出下列电压的波形。t1 u(t)022t1 011t 1 01 t1021下 页上 页返 回例例2-5例例2-6求矩形脉冲的象函数。求矩形脉冲的象函

8、数。解解根据延迟性质根据延迟性质求三角波的象函数。求三角波的象函数。解解下 页上 页TTf(t)O1Ttf(t)O返 回求周期函数的拉氏变换。求周期函数的拉氏变换。 设设f1(t)为一个周期的函数为一个周期的函数例例2-7解解下 页上 页.tf(t)1T/2 TO返 回因为因为下 页上 页对于本题脉冲序列对于本题脉冲序列返 回2)2)频域延时频域延时14-3 拉普拉斯反变换的部分分式展开拉普拉斯反变换的部分分式展开 用拉氏变换求解线性电路的时域响应时，需要把用拉氏变换求解线性电路的时域响应时，需要把求得的响应的拉氏变换式反变换为时间函数。求得的响应的拉氏变换式反变换为时间函数。由象函数求原函数

9、的方法：由象函数求原函数的方法：(1)利用公式利用公式(2)对简单形式的对简单形式的F(s)可以可以查拉氏变换表得原函数查拉氏变换表得原函数下 页上 页(3)把把F(s)分解为简单项的组合分解为简单项的组合部分分式部分分式展开法展开法返 回利用部分分式可将利用部分分式可将F(s)分解为分解为下 页上 页象函数的一般形式象函数的一般形式待定常数待定常数讨论返 回(1)若若D(s)=0有有n个单根分别为个单根分别为p1、 、 pn待定常数的确定：待定常数的确定：方法方法1 1下 页上 页方法方法2 2求极限的方法求极限的方法令令s = p1返 回下 页上 页例例3-1解法解法1返 回数。数。解法解

10、法2下 页上 页原函数的一般形式原函数的一般形式返 回下 页上 页K1、K2也是一对共轭复数。也是一对共轭复数。注意返 回下 页上 页返 回例例3-2解解下 页上 页返 回。下 页上 页返 回例例3-3解解下 页上 页返 回数数f(t)。 n =m 时将时将F(s)化成真分式和多项式之和。化成真分式和多项式之和。 由由F(s)求求f(t) 的步骤：的步骤： 求真分式分母的根，求真分式分母的根，将真分式展开成部分分式。将真分式展开成部分分式。 求各部分分式的系数。求各部分分式的系数。 对每个部分分式和多项式逐项求拉氏反变换。对每个部分分式和多项式逐项求拉氏反变换。下 页上 页小结返 回例例3-4

11、解解下 页上 页返 回。14-4 运算电路运算电路基尔霍夫定律的时域表示：基尔霍夫定律的时域表示：1.1.基尔霍夫定律的运算形式基尔霍夫定律的运算形式下 页上 页根据拉氏变换的线性性质得根据拉氏变换的线性性质得KCL、KVL的运算形式的运算形式对任一结点对任一结点对任一回路对任一回路返 回u=Ri2.2.电路元件的运算形式电路元件的运算形式 电阻电阻R的运算形式的运算形式取拉氏变换取拉氏变换电阻的运算电路电阻的运算电路下 页上 页uR(t)i(t)R+-时域形式：时域形式：R+-返 回 电感电感L的运算形式的运算形式取拉氏变换取拉氏变换,由微分性质得由微分性质得L的的运算运算电路电路下 页上

12、页时域形式：时域形式：返 回i(t)+ u(t) -L+ -sLU(s)I(s)+-sL+ U(s)I(s ) - 电容电容C的运算形式的运算形式C的的运算运算电路电路下 页上 页时域形式：时域形式：取拉氏变换取拉氏变换,由积分性质得由积分性质得返 回i(t)+ u(t) -C+ -1/sCU(s)I(s)-+1/sCCu(0-)+ U(s)I(s ) - 耦合电感的运算形式耦合电感的运算形式下 页上 页时域形式：时域形式：取拉氏变换取拉氏变换,由微分性质得由微分性质得互感运算阻抗互感运算阻抗返 回i1*L1L2+_u1+_u2i2M耦合电感耦合电感的运算电路的运算电路下 页上 页返 回+-+

13、sL2+sM+ +sL1- +规律：当电流自同名端流入时，互感引规律：当电流自同名端流入时，互感引起的附加电源方向，同名端处是负极起的附加电源方向，同名端处是负极 受控源的运算形式受控源的运算形式受控源的运算电路受控源的运算电路下 页上 页时域形式：时域形式：取拉氏变换取拉氏变换返 回b i1+_u2i2_u1i1+R+_+R3. RLC串联电路的运算形式串联电路的运算形式下 页上 页时域电路时域电路 拉氏变换拉氏变换运算电路运算电路运算阻抗运算阻抗返 回u (t)RC-+iLU (s)R1/sC-+sLI (s)下 页上 页运算形式的运算形式的欧姆定律欧姆定律拉氏变换拉氏变换返 回u (t)

14、RC-+iL+-U (s)R1/sC-+sLI (s)+-Li(0-)下 页上 页返 回+-U (s)R1/sC-+sLI (s)+-Li(0-) 电压、电流用象函数形式。电压、电流用象函数形式。 元件用运算阻抗或运算导纳表示。元件用运算阻抗或运算导纳表示。 电容电压和电感电流初始值用附加电源表示。电容电压和电感电流初始值用附加电源表示。下 页上 页电路的运算形式电路的运算形式小结例例4-1给出图示电路的运算电路模型。给出图示电路的运算电路模型。解解t=0 时开关打开时开关打开uC(0-)=25V iL(0-)=5A时域电路时域电路返 回1F100.5H50V+-uC+-iL51020注意附加

15、电源注意附加电源下 页上 页t 0 运算电路运算电路返 回1F100.5H50V+-uC+-iL51020200.5s-+-1/s25/s2.5V5IL(s)UC(s)+-14-5 应用拉普拉斯变换法应用拉普拉斯变换法 分析线性电路分析线性电路由换路前的电路计算由换路前的电路计算uC(0-) , iL(0-) 。画运算电路模型，注意运算阻抗的表示和附画运算电路模型，注意运算阻抗的表示和附加电源的作用。加电源的作用。应用前面各章介绍的各种计算方法求象函数。应用前面各章介绍的各种计算方法求象函数。反变换求原函数。反变换求原函数。下 页上 页1. 1. 运算法的计算步骤运算法的计算步骤返 回例例12

16、00V200V30300.1H0.1H1010- -uC+ +1000F1000FiL+ +- -(2) (2) 画运算电路画运算电路解解(1) (1) 计算初值计算初值200/sV200/sV30300.1s0.1s0.5 V0.5 V10101000/s1000/s100/s V100/s VI IL L(s)(s)I I2 2(s)(s)+ +- -+ + +- - -200/sV200/sV30300.1s0.1s0.5 V0.5 V10101000/s1000/s100/s V100/s VI IL L(s)(s)I I2 2(s)(s)+ +- -+ + +- - -(4)(4)反

17、变换求原函数反变换求原函数200/sV200/sV30300.1s0.1s0.5 V0.5 V10101000/s1000/s100/s V100/s VI IL L(s)(s)I I2 2(s)(s)+ +- -+ + +- - -UL(s)注意注意自阅自阅(2) 画运算电路画运算电路解解(1) 计算初值计算初值下 页上 页电路原处于稳态，电路原处于稳态，t =0 时开关闭合，试用运算时开关闭合，试用运算法求电流法求电流 i(t)。返 回1V1H11Fi+-11/ss11/sI(s)+-1+-uC(0-)/s(3) 应用回路电流法应用回路电流法下 页上 页返 回1/ss11/sI(s)+-1

18、+-uC(0-)/s下 页上 页(4)反变换求原函数反变换求原函数返 回个个下 页上 页例例5-2, 求求uC(t)、iC(t)。图示电路图示电路RC+uCis解解画运算电路画运算电路1/sC+UC(s)R返 回下 页上 页返 回1/sC+UC(s)R练习：如图电路，练习：如图电路，R R=1=1 ，C C1 1=1F=1F，C C2 2=2F=2F，u uC C1 1(0(0 )=6V)=6V，u uC C2 2(0(0 )=0)=0，t t=0=0时时K K闭合，求开关动作后的闭合，求开关动作后的uC1，uC2，i。解解：运算电路如图运算电路如图(b)：t = 0时打开开关时打开开关 ,

19、,求电感电流和电压。求电感电流和电压。例例5-3下 页上 页解解计算初值计算初值画运算电路画运算电路返 回+-i10.3H0.1H10V23i210/s0.3s1.5V 0.1sI1(s)+-+-23下 页上 页注意返 回10/s0.3s1.5V 0.1sI1(s)+-+-23+ UL1(s) -下 页上 页返 回10/s0.3s1.5V 0.1sI1(s)+-+-233.75ti152O下 页上 页uL1-6.56t-0.375(t)O0.375(t)uL2t-2.19O返 回下 页上 页返 回0下 页上 页注意由于拉氏变换中用由于拉氏变换中用0- 初始条件，初始条件，跃变情况自动包跃变情况

20、自动包含在响应中，含在响应中，故不需先求故不需先求 t =0+时的跃变值。时的跃变值。两个电感电压中的冲击部分大小相同而方向两个电感电压中的冲击部分大小相同而方向相反，故整个回路中无冲击电压。相反，故整个回路中无冲击电压。 满足磁链守恒。满足磁链守恒。返 回14-6 网络函数的定义网络函数的定义1. 网络函数网络函数H(s)的定义的定义 线性时不变网络在单一电源激励下，其零状线性时不变网络在单一电源激励下，其零状态响应的象函数与激励的象函数之比定义为该电态响应的象函数与激励的象函数之比定义为该电路的网络函数路的网络函数H(s)。下 页上 页返 回 零状态响应零状态响应 激励函数激励函数由于激励

21、由于激励E(s)可以是电压源或电流源，响应可以是电压源或电流源，响应R(s)可以是电压或电流，故可以是电压或电流，故 s 域网络函数可以是驱域网络函数可以是驱动点阻抗动点阻抗(导纳导纳)、转移阻抗、转移阻抗(导纳导纳)、电压转移函、电压转移函数或电流转移函数。数或电流转移函数。下 页上 页注意若若E(s)=1，响应响应R(s)=H(s)，即即网络函数是该响网络函数是该响应的象函数。网络函数的原函数是电路的冲激应的象函数。网络函数的原函数是电路的冲激响应响应 h(t)。2.2.网络函数的应用网络函数的应用由网络函数求取任意激励的零状态响应由网络函数求取任意激励的零状态响应返 回14-8解释解释例

22、例6-1下 页上 页解解画运算电路画运算电路返 回图示电路，图示电路， 响应为响应为求阶跃响应求阶跃响应1/4F2H2iS(t)u1+-u21I1(s)4/s2sIs(s)U1(s)U2(s s)2+-1下 页上 页返 回I1(s)4/s2sIs(s)U1(s)U2(s s)2+-1分母为特征方程的根，用微分方程说明分母为特征方程的根，用微分方程说明例例6-2下 页上 页解解画运算电路画运算电路电路激励为电路激励为，求冲激响应，求冲激响应GC+uCiSsC+UC(s)G返 回下 页上 页3. 应用卷积定理求电路响应应用卷积定理求电路响应结论 可以通过求网络函数可以通过求网络函数H(s)与任意激

23、励的与任意激励的象函数象函数E(s)之积的拉氏反变换求得该网络在任何之积的拉氏反变换求得该网络在任何激励下的零状态响应激励下的零状态响应 。 返 回信号分析与处理信号分析与处理课中介绍课中介绍K1=3 , K2= -3例例6-3解解下 页上 页图示电路图示电路 ，冲激响应，冲激响应，求，求uC(t)。线性无源线性无源电阻网络电阻网络+-uSCuC+-返 回14-7 网络函数的极点和零点网络函数的极点和零点1. 1. 极点和零点极点和零点下 页上 页当当 s =zi 时时，H(s)=0， 称称 zi 为零点；为零点； zi 为重根，为重根，称为重零点。称为重零点。当当 s =pj 时时，H(s)

24、 ， 称称 pj 为极点；为极点；pj 为重根，为重根，称为重极点。称为重极点。返 回2. 2. 复平面（或复平面（或s 平面）平面） 在复平面上把在复平面上把 H(s) 的极点用的极点用“ ”表示表示 ，零，零点用点用“ o ”表示。表示。零、极点分布图零、极点分布图下 页上 页zi ， Pj 为复数。为复数。j oO返 回例例7-1绘出其极零点图。绘出其极零点图。解解下 页上 页返 回H(s)的极点为：的极点为：下 页上 页24 -1j oOo返 回14-8 极点、零点与冲激响应极点、零点与冲激响应零零状状态态e(t)r(t)激励激励 响应响应下 页上 页1. 1. 网络函数与冲激响应网络

25、函数与冲激响应零零状状态态(t)h(t) 1 R(s)冲激响应冲激响应H(s) 和冲激响应构成一对拉氏变换对。和冲激响应构成一对拉氏变换对。结论返 回当当 时时H0=-10例例8-1 已知网络函数有两个极点为已知网络函数有两个极点为s =0、s =-1，一个单，一个单零点为零点为s=1，且有，且有 ，求，求H(s) 和和h(t)。解解由已知的零、极点得由已知的零、极点得下 页上 页返 回下 页上 页2. . 极点、零点与冲激响应极点、零点与冲激响应 若网络函数为真分式且分母具有单根，则网若网络函数为真分式且分母具有单根，则网络的冲激响应为络的冲激响应为讨论当当pi为负实根时，为负实根时，h(t

26、)为衰减的指数函数；为衰减的指数函数；当当pi为正实根时，为正实根时，h(t)为增长的指数函数。为增长的指数函数。 极点位置不同，响应性质不同，极点反极点位置不同，响应性质不同，极点反映网络响应动态过程中自由分量的变化规律。映网络响应动态过程中自由分量的变化规律。注意返 回下 页上 页jO 不稳定电路不稳定电路 稳定电路稳定电路返 回下 页上 页jO当当pi为共轭复数时，为共轭复数时，h(t)为衰减或为衰减或增长的正弦函数。增长的正弦函数。 不稳定电路不稳定电路 稳定电路稳定电路返 回下 页上 页jO当当pi为为虚根虚根时，时，h(t)为为纯正弦函数纯正弦函数，当当Pi为零时，为零时，h(t)

27、为实数。为实数。 注意 一个实际的线性电路是稳定电路，其网络函一个实际的线性电路是稳定电路，其网络函数的极点一定位于左半平面。根据极点分布情况和数的极点一定位于左半平面。根据极点分布情况和激励变化规律可以预见时域响应的全部特点。激励变化规律可以预见时域响应的全部特点。返 回 网络函数极点的位置决定了系统的稳定性网络函数极点的位置决定了系统的稳定性: : 全部极点在左半平面系统稳定，只要有一个极点在全部极点在左半平面系统稳定，只要有一个极点在右半平面系统不稳定，极点右半平面系统不稳定，极点( (单极点）在虚轴上是临界稳定单极点）在虚轴上是临界稳定 零点有何影响？零点有何影响？ 极点和零点共同决定

28、冲激响应的的幅值和相位极点和零点共同决定冲激响应的的幅值和相位14-9 极点、零点与频率响应极点、零点与频率响应 令网络函数令网络函数H(s)中复频率中复频率s =j，分析，分析H(j)随随变化的特性，根据网络函数零、极点的分布可以确变化的特性，根据网络函数零、极点的分布可以确定正弦输入时的频率响应。定正弦输入时的频率响应。 对于某一固定的角频率对于某一固定的角频率下 页上 页返 回幅频特性幅频特性相频特性相频特性下 页上 页例例9-1定性分析定性分析RC串联电路以电压串联电路以电压uC为输出时电路为输出时电路的频率响应。的频率响应。RC+_+uC_uS解解返 回一个极点一个极点下 页上 页R

29、C+_+uC_uS用线段用线段M1表示表示j -1/RCM11M2j1j2O返 回幅频特性幅频特性相频特性相频特性下 页上 页|H(j)|1低通特性低通特性O123|(j)|-/2O123返 回若以电压若以电压uR为输出时电路的频率响应为为输出时电路的频率响应为上 页RC+_+uR_uS|H(j)|1/RC10.707Oj-1/RCM1N111 oO返 回复习矩阵为下章准备复习矩阵为下章准备已知系统函数 试求系统的稳态响应。输入分别为：由系统的稳态响应分别为输入取相量，得：某线性时不变系统，在非零状态条件不变的情况下，三某线性时不变系统，在非零状态条件不变的情况下，三种不同的激励信号作用于系统。种不同的激励信号作用于系统。为图中所示的矩形脉冲时，求此时系统的输出为图中所示的矩形脉冲时，求此时系统的输出扩充知识扩充知识则则阶跃响应阶跃响应X复习矩阵