标题：电路基础与仿真实验
版权信息
书 名: 电路基础与仿真实验
作　者：童建华
出版社：人民邮电出版社
出版时间： 2008
ISBN: 9787115176653
开本： 16
定价: 26.00 元
内容简介
全书按照理论联系实际，注重“讲、学、做”统一的原则编写，书中各章内容配有相应的计算机仿真实验，书后还提供了10多个实际操作实验。在学习过程中，将电路的理论知识与仿真实验和操作实验结合起来，可使学生加深对电路基本概念、基本定律和电路分析方法的理解，增强学生应用计算机分析电路的能力以及实践操作能力，为学生学好后续电类专业课程打下坚实的基础。《电路基础与仿真实验》内容深入浅出、通俗易懂，全书叙述重点突出、概念清楚，可作为高职高专院校电子信息类和电子、电气类各专业的教材，也可供相关电类工程技术人员参考使用。
目录
第1章电路的基本概念和定律1
1.1电路和电路图1
1.1.1电路1
电流流过的回路叫做电路，又称导电回路。最简单的电路，是由电源、负载、导线、开关等元器件组成。电路导通叫做通路。只有通路，电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。如果电路中电源正负极间没有负载而是直接接通叫做短路，这种情况是决不允许的。另有一种短路是指某个元件的两端直接接通，此时电流从直接接通处流经而不会经过该元件，这种情况叫做该元件短路。开路（或断路）是允许的，而第一种短路决不允许，因为电源的短路会导致电源、用电器、电流表被烧坏。
电路（英语：Electrical circuit）或称电子回路，是由电器设备和元器件, 按一定方式连接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。如电源、电阻、电容、电感、二极管、三极管、晶体管、IC和电键等，构成的网络、硬件。负电荷可以在其中流动。
1.1.2电路图2
1.2电路的基本物理量3
1.2.1电流3
电流，是指电荷的定向移动。电源的电动势形成了电压，继而产生了电场力，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成了电流。电流的大小称为电流强度（简称电流，符号为I），是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1「安培」（A）。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。 除了A，常用的单位有毫安（mA）、微安(μA) 。1A=1000mA=1000000μA电学上规定：正电荷流动的方向为电流方向。电流微观表达式I=nesv,n为单位时间内通过导体横截面的电荷数，e为电子的电荷量，s为导体横截面积，v为电荷速度。定义单位时间内通过导体横截面的电荷量，叫电流，通常用I代表电流，表达式I=Q/t，单位是安培（这个单位是为了纪念法国物理学家安培在电学研究中的巨大贡献而命名的），简称“安”，符号“A”。
英国物理学家法拉第在1831年做了切割磁力线实验，在闭合回路中就有电流产生。这一现像证明电和磁之间可以相互转换。
电流是物理学中的七个基本量纲之一（另外6个为：长度m、时间s、质量kg、热力学温度K、发光强度cd、物质的量mol)。电流分直流和交流两种，电流的方向不随时间的变化的叫做直流，电流的大小和方向随时间变化的叫交流。
电流是指一群电荷的流动[1]。电流的大小称为电流强度，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过一库仑的电量称为一「安培」（Ampere）。安培是国际单位制中的一种基本单位[1]。电流表是专门测量电流的仪器。
大自然有很多种承载电荷的载子，例如，导电体内可移动的电子、电解液内的离子、电浆内的电子和离子、强子内的夸克[2]。这些载子的移动，形成了电流。单位国际单位制中电流的基本单位是安培。　1安培定义为：在真空中相距为1米的两根无限长平行直导线，通以相等的恒定电流，当每米导线上所受作用力为2×10^(-7)N时，各导线上的电流为1安培。
初级学习中1安培的定义：1秒内通过导体横截面的电荷量为1库仑，即：1安培=1库仑/秒
换算方法：
1kA=1000A
1A=1000mA
1mA=1000μA
1μA=1000nA
1nA=1000pA
一些常见的电流：电子手表1.5μA至2μA，白炽灯泡200mA，手机100mA，空调5A至10A，高压电200A，闪电20000A至200000A
定义公式：I=Q/t Q为通过导体横截面的电荷量，单位是库仑。t为电荷通过导体的时间，单位是秒。获得条件电路中保持有恒定的电动势（电力场）。
电路连接好，闭合开关，处处相通的电路叫做通路（也称为闭合电路）。
开关未合闭，或电线断裂、接头松脱致使线路在某处断开的电路，叫做开路（也称为断路）。
导线不经过用电器直接跟电源两极连接的电路，叫做短路(通路)。
1.2.2电压4
电压，也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位 正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所作的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特(V)，常用的单位还有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念与水位高低所造成的“水压”相似。需要指出的是，“电压”一词一般只用于电路当中，“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。
如果电压的大小及方向都不随时间变化，则称之为稳恒电压或恒定电压，简称为直流电压，用大写字母U表示。如果电压的大小及方向随时间变化，则称为变动电压。对电路分析来说，一种最为重要的变动电压是正弦交流电压(简称交流电压)，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化。交流电压的瞬时值要用小写字母u或u(t)表示。在电路中提供电压的装置是电源。单位电压在国际单位制中的主单位是伏特（V），简称伏，用符号V表示。1伏特等于对每1库仑的电荷做了1焦耳的功，即1 V = 1 J/C。强电压常用千伏(KV)为单位，弱小电压的单位可以用毫伏(mV)微伏(μv)。
它们之间的换算关系是：
1kV=1000V
1V=1000mV
1mV=1000μv
电压是推动电荷定向移动形成电流的原因。电流之所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电势和低电势之间的差别。这种差别叫电势差，也叫电压。换句话说。在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。通常用字母V代表电压。
电源是给用电器两端提供电压的装置。电压的大小可以用电压表（符号：V）测量。
串联电路电压规律：串联电路两端总电压等于各部分电路两端电压和。
公式：ΣU=U1+U2
并联电路电压规律：并联电路各支路两端电压相等，且等于电源电压。
公式：ΣU=U1=U2
欧姆定律：U=IR（I为电流，R是电阻）但是这个公式只适用于纯电阻电路
1.2.3电功率6
物理学名词，电流在单位时间内做的功叫做电功率。是用来表示消耗电能的快慢的物理量，用P表示，它的单位是瓦特（Watt），简称瓦，符号是W。
作为表示电流做功快慢的物理量，一个用电器功率的大小数值上等于它在1秒内所消耗的电能。如果在"t"（SI单位为s）这么长的时间内消耗的电能“W”（SI单位为J），那么这个用电器的电功率就是P=W/t（定义式）电功率等于导体两端电压与通过导体电流的乘积。
（P=U·I）。对于纯电阻电路，计算电功率还可以用公式P=I^2 R和P=U^2 /R。
每个用电器都有一个正常工作的电压值叫额定电压，用电器在额定电压
下正常工作的功率叫做额定功率，用电器在实际电压下工作的功率叫做实际功率。
1瓦特（1W）=1焦/秒(1J/s)=1伏·安(V·A)
① W—电能—焦耳（J） ② 1kw·h=3.6×10^6J
t—时间—秒(s) t=1小时（h）=3600秒(s)
P—用电器的功率—瓦特（W） P=1kw=1000w
(两套单位，根据不同需要，选择合适的单位进行计算)
W—能量表示符号。
W—瓦，功率单位　电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能。两端电压为U、通过电流为I的任意二端元件(可推广到一般二端网络)的功率大小为P = UI功率的国际单位制单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们与W的换算关系是：1W= 1000 mW；1kw=1000W
吸收或发出：一个电路最终的目的是电源将一定的电功率传送给负载，负载将电能转换成工作所需要的一定形式的能量。即电路中存在发出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件(耗能元件)。习惯上，通常把耗能元件吸收的功率写成正数，把供能元件发出的功率写成负数，而储能元件(如理想电容、电感元件)既不吸收功率也不发出功率，即其功率P = 0。通常所说的功率P又叫做有功功率或平均功率。
1.3欧姆定律与电阻元件6
1.3.1欧姆定律6
在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，这就是欧姆定律，基本公式是I=U/R。欧姆定律由乔治·西蒙·欧姆提出，为了纪念他对电磁学的贡献，物理学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号Ω表示。性质由欧姆定律I=U/R的推导式R=U/I或U=IR不能说导体的电阻与其两端的电压成正比，与通过其的电流成反比，因为导体的电阻是它本身的一种属性，取决于导体的长度、横截面积、材料和温度、湿度（初二阶段不涉及湿度），即使它两端没有电压，没有电流通过，它的阻值也是一个定值。（这个定值在一般情况下，可以看做是不变的，但是对于光敏电阻和热敏电阻来说，电阻值是不定的。对于有些导体来讲，在很低的温度时存在超导的现象，这些都会影响电阻的阻值。）
导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。（表达式：I=U:R)　　单位电阻的单位欧姆简称欧（Ω）。1Ω定义为：当导体两端电势差为1伏特（ν），通过的电流是1安培（Α）时，它的电阻为1欧（Ω）。
计算公式
R=U/I I=U/R U=IR
1.3.2电阻元件7
1.4基尔霍夫定律8
基尔霍夫电路定律是集总电路的基本定律,它包括电流定律和电压定律.
基尔霍夫电流定律(KCL)指出:在集总电路中,任何时刻,对任一节点,所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零.
代数和是根据流入还是流出节点判断的.流出为+,流入为-.对节点,I1+I2+...+In=0.
基尔霍夫电压定律(KVL)指出:在集总电路中,任何时刻,对任一回路,所有支路电压的代数和恒等于零.
上式计算是要指定一个回路绕行方向,支路电压参考方向与回路绕行方向一致,取+.反之,取-.
U1+U2+...+Un=0
1.4.1基尔霍夫电流定律9
1.4.2基尔霍夫电压定律9
1.5独立电源10
1.5.1独立电压源10
如果一个二端元件的电流无论为何值，其电压保持常量US或按给定的时间函数uS(t)变化，则此二端元件称为独立电压源，简称为电压源。另外，独立电压源是从实际电源抽象出来的一种模型。
如果一个二端元件的电流无论为何值，其电压保持常量US或按给定的时间函数uS(t)变化，则此二端元件称为独立电压源，简称为电压源。电压源的符号如图(a)所示，图中“+” ，“-”号表示电压源电压的参考极性。
电压保持常量的电压源，称为恒定电压源或直流电压源。电压随时间变化的电压源，称为时变电压源。电压随时间周期性变化且平均值为零的时变电压源，称为交流电压源。
电压源的电压与电流采用关联参考方向时，其吸收功率为p=ui
当p>0，即电压源工作在i-u平面的一、三象限时，电压源实际吸收功率。
当p<0，即电压源工作在i-u平面的二、四象限时，电压源实际发出功率。
也就是说，随着电压源工作状态的不同，它既可发出功率，也可吸收功率。
独立电压源的特点是其端电压由其特性确定，与电压源在电路中的位置无关。
独立电压源的电流则与其连接的外电路有关。由其电压和外电路共同确定
1.5.2电流源12
至茂电子电流源AHY-12系列电流源给定的电流，此线路通电流为定值，与你的负载阻值没有关系。
电流源的内阻相对负载阻抗很大，负载阻抗波动不会改变电流大小。在电流源回路中串联电阻无意义，因为它不会改变负载的电流，也不会改变负载上的电压。在原理图上这类电阻应简化掉。负载阻抗只有并联在电流源上才有意义，与内阻是分流关系。
由于内阻等多方面的原因，理想电流源在真实世界是不存在的，但这样一个模型对于电路分析是十分有价值的。实际上，如果一个电流源在电压变化时，电流的波动不明显，我们通常就假定它是一个理想电流源。
1.5.3负载获得最大功率的条件13
1.6受控电源13
1.6.1受控电源13
1.6.2受控电源的类型13
本章小结14
习题15
仿真实验1直流电路的电位、电压测量16
仿真实验2基尔霍夫定律的验证19
仿真实验3功率的测量实验20
第2章直流电路的分析22
2.1电阻的串并联等效变换22
2.1.1电阻的串联电路22
2.1.2电阻的并联电路23
2.1.3电阻的混联电路25
2.2电阻Y-△网络的等效变换26
2.2.1电阻的Y形连接和△形连接26
2.2.2电阻的Y形网络和△形网络的等效变换27
2.3电压源与电流源的等效变换28
2.3.1实际电源的模型与等效变换28
2.3.2有源支路的简化29
2.4支路电流分析法31
2.4.1分析线性电路的一般方法31
2.4.2支路电流分析法31
2.4.3支路电流法的解题步骤33
2.5网孔电流分析法33
2.5.1网孔电流33
2.5.2网孔电流分析法33
2.5.3网孔电流分析法的解题步骤35
2.5.4含有理想电流源电路的网孔方程35
*2.5.5回路电流分析法36
2.6节点电压分析法36
2.6.1节点电压37
2.6.2节点电压分析法37
2.6.3节点电压分析法的解题步骤38
2.6.4含有理想电压源电路的节点方程39
*2.6.5弥尔曼定理40
2.7叠加定理与替代定理40
2.7.1叠加定理41
*2.7.2齐性定理42
*2.7.3替代定理43
2.8戴维南定理与诺顿定理44
2.8.1二端网络44
2.8.2戴维南定理44
*2.8.3诺顿定理46
诺顿定理与戴维南定理互为对偶的定理。定理指出，一个含有独立电源线性二端网络N(图1a), 就其外部状态而言,可以用一个独立电流源isc和一个松弛二端网络N0的并联组合来等效(图1b)。其中，isc是网络N的短路电流，松弛网络N0是将网络 N中的全部独立电源和所有动态元件上的初始条件置零后得到的网络。上述并联组合称为诺顿等效网络。在复频域中等效网络由电流源Isc和算子阻抗Yi(s)并联而成（图2）。Isc(s)是短路电流的拉普拉斯变换，Yi(s)是松弛网络N0的入端（策动点）导纳。另外，还能导出网络N用于正弦稳态分析和直流分板的等效网络。
求等效电路的关键是求出网络N的短路电流和网络N0的入端（策动点）导纳。它们均可通过电子计算机求得。
isc称为短路电流。Ro称为诺顿电阻，也称为输入电阻或输出电阻。电流源isc和电阻Ro的并联单口，称为单口网络的诺顿等效电路。在端口电压电流采用关联参考方向时，单口的VCR方程可表示为i=u/Ro+ isc
2.9含受控源电路的分析47
2.9.1受控电源的控制特性47
2.9.2含有受控电源电路的分析方法48
本章小结50
习题52
仿真实验1实际电压源与实际电流源的等效变换55
仿真实验2直流电路节点电压与支路电流分析57
仿真实验3叠加定理的验证59
仿真实验4戴维南定理的验证60
第3章正弦交流电路的基本概念62
3.1正弦交流电的电流和电压62
3.2正弦量的三要素62
3.2.1振幅值与有效值62
3.2.2正弦量的相位、角频率与周期63
3.2.3正弦量的相位差64
3.3正弦交流电阻电路65
3.3.1电阻元件上电压与电流的关系65
3.3.2电阻元件的功率65
3.4正弦交流电感电路66
3.4.1电感元件66
3.4.2正弦交流电感电路67
3.5正弦交流电容电路68
3.5.1电容元件68
3.5.2正弦交流电容电路70
本章小结71
习题72
仿真实验正弦交流信号的测量72
第4章正弦交流电路的分析75
4.1相量法75
4.1.1复数概述75
4.1.2正弦量的复数表示法77
4.1.3复数形式的欧姆定律与基尔霍夫定律78
4.2阻抗和导纳80
4.2.1阻抗80
4.2.2导纳81
4.3RLC串联电路82
4.3.1RL串联电路82
4.3.2RC串联电路82
4.3.3RLC串联电路82
4.4RLC并联电路83
4.4.1RL并联电路83
4.4.2RC并联电路84
4.4.3RLC并联电路84
4.5正弦交流电路的相量图求解法85
4.5.1用相量图分析正弦交流电路的主要依据85
4.5.2用相量图求解正弦交流电路的方法85
4.6复杂正弦交流电路86
4.6.1阻抗与导纳的等效互换87
4.6.2阻抗串并联电路的计算88
*4.6.3复杂电路的计算89
4.7正弦电路中的功率90
4.7.1瞬时功率90
4.7.2有功功率90
4.7.3无功功率91
4.7.4视在功率91
4.7.5复功率91
4.7.6功率因数的提高92
4.8串联谐振电路93
4.8.1谐振现象与谐振条件93
4.8.2串联谐振时电路的特点94
4.8.3串联谐振电路的品质因数94
4.9并联谐振电路95
4.9.1谐振条件95
4.9.2并联谐振时电路的特点96
4.9.3并联谐振电路的品质因数96
4.9.4电感线圈与电容器并联谐振电路98
本章小结98
习题100
仿真实验1正弦交流串联电路实验102
仿真实验2正弦交流并联电路实验105
仿真实验3功率与功率因数的提高实验106
仿真实验4RLC串联谐振和并联谐振电路实验109
第5章互感耦合电路113
5.1互感113
5.1.1互感电压113
5.1.2互感系数与耦合系数114
5.1.3互感线圈的同名端114
5.1.4互感的等效受控电源电路116
5.2互感电路的计算116
5.2.1互感串联电路116
5.2.2互感并联电路117
5.2.3互感消去法118
5.3变压器电路120
*5.3.1空心变压器120
5.3.2理想变压器121
本章小结123
习题124
仿真实验1互感耦合电路的测量实验125
仿真实验2理想变压器的测量实验128
第6章三相正弦交流电路130
6.1三相电源130
6.1.1三相电源的产生130
6.1.2三相电源的Y、△形连接131
6.2三相负载132
6.2.1三相负载的Y形连接132
6.2.2三相负载的△形连接134
6.3对称三相电路的计算135
*6.4不对称三相电路的计算136
6.5三相电路的功率139
6.5.1三相电路的有功功率139
6.5.2三相电路的无功功率139
6.5.3三相电路的视在功率139
6.5.4三相负载的功率因数140
本章小结141
习题141
仿真实验1三相交流电路负载星形连接实验142
仿真实验2三相交流电路负载三角形连接实验143
第7章非正弦周期电路145
7.1非正弦周期信号的基本概念145
7.1.1非正弦周期信号145
7.1.2非正弦周期信号的产生145
7.2非正弦周期信号的谐波分析146
7.2.1非正弦周期信号的傅里叶分解146
7.2.2几种对称的周期函数信号149
7.3有效值、平均值和平均功率151
7.3.1有效值151
7.3.2平均值152
7.3.3平均功率153
7.4非正弦周期电路的计算154
*7.5滤波器157
7.5.1低通滤波器157
7.5.2高通滤波器158
7.5.3带通滤波器159
7.5.4带阻滤波器159
本章小结159
习题160
仿真实验非正弦周期信号傅里叶分析仿真实验162
第8章线性动态电路的分析166
8.1换路定律166
8.1.1过渡过程的概念166
8.1.2换路定律167
8.1.3电压、电流初始值的计算168
8.2RC电路的动态分析169
8.2.1RC电路的全响应169
8.2.2RC电路的零输入响应170
8.2.3RC电路的零状态响应171
8.2.4微分电路和积分电路171
8.3RL电路的动态分析173
8.3.1RL电路的全响应173
8.3.2RL电路的零输入响应174
8.3.3RL电路的零状态响应174
8.4一阶动态电路的三要素法176
8.5RLC串联电路的动态分析178
8.6动态电路的运算法180
8.6.1拉普拉斯正变换与反变换180
8.6.2线性电路的复频域模型180
8.6.3动态电路的运算法182
本章小结182
习题183
仿真实验1一阶RC电路充放电特性测量185
仿真实验2微分电路和积分电路仿真实验187
仿真实验3LC阻尼振荡电路仿真实验189
第9章二端口网络192
9.1二端口网络192
9.2二端口网络的方程和参数193
9.2.1导纳参数方程193
9.2.2阻抗参数方程194
9.2.3传输参数方程195
9.2.4混合参数方程196
9.3无源二端口网络的等效电路197
9.3.1T形等效电路198
9.3.2π形等效电路198
本章小结200
习题200
仿真实验二端口网络参数的测量201
第10章非线性电阻电路203
10.1非线性电阻元件203
10.1.1非线性电阻的分类203
10.1.2非线性电阻的电阻值204
10.2非线性电阻电路的图解法204
10.2.1非线性电阻的串联204
10.2.2非线性电阻的并联205
10.2.3简单非线性电路的图解分析法206
10.3非线性电路的解析法207
本章小结208
习题208
*第11章电路实验指导209
11.1电路基础实验教学要求209
11.2实验211
附录ZH-12型通用电学实验台功能介绍233
参考文献235
……