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第六章 双口网络 具有多个端钮与外电路连接的网络,称为多端网络。若在任一时刻,从多端网络某一端钮流入的电流等于从另一端钮流出的电流,这样一对端钮,称为一个端口。二端网络的两个端钮就满足上述端口条件,故称二端网络为单口网络。假若四端网络的两对端钮均满足端口条件,称这类四端网络为双口网络,简称双口。
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§6-1 双口网络的电压电流关系 单口网络[图6-1(a)]只有一个端口电压和一个端口电流。不含独立电源的线性电阻单口网络,其端口特性可用联系u-i关系的一个方程u=Roi或i=Gou来描述。双口网络[图6-1(b)]则有两个端口电压u1、u2和两个端口电流i1、i2。 图6-1
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本章只讨论不含独立电源的线性电阻双口网络,现分别介绍它的六种表达式。
图6-1 双口网络的端口特性可用联系u1、u2和i1、i2关系的两个方程来描述,共有六种不同组合的表达形式。三端网络可以作为图6-1(c)所示的接地双口网络处理。 本章只讨论不含独立电源的线性电阻双口网络,现分别介绍它的六种表达式。
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线性电阻双口网络的流控表达式(即以电流为自变量的表达式)为:
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线性电阻双口网络的流控表达式的矩阵形式为
其中 称为双口网络的电阻矩阵,或R参数矩阵。
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线性电阻双口网络的压控表达式为 :
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线性电阻双口网络的压控表达式的矩阵形式为
其中 称为双口网络的电导矩阵,或G参数矩阵
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线性电阻双口网络的混合1表达式为:
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线性电阻双口网络的混合1表达式的矩阵形式为
其中 称为双口网络的混合参数1矩阵,或H参数矩阵。
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线性电阻双口网络的混合 2表达式为:
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线性电阻双口网络的混合2表达式的矩阵形式为
其中 称为双口网络的混合参数2矩阵,或H 参数矩阵。
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线性电阻双口网络的传输1表达式为:
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线性电阻双口网络的传输1表达式的矩阵形式为
其中 称为双口网络的传输参数1矩阵,或T参数矩阵。 注: 有些教科书将t11,t12,t21,t22记为 A、B、C、D
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线性电阻双口网络的传输 2表达式为:
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线性电阻双口网络的传输2表达式的矩阵形式为
其中 称为双口的传输参数 2矩阵,或T 参数矩阵。
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线性电阻双口网络的六种表达式。 流控表达式 压控表达式 混合1表达式 混合 2表达式 传输1表达式 传输 2表达式
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电阻双口网络的六种参数矩阵中,R和G互为逆矩阵, H和H互为逆矩阵,T 和 T 互为逆矩阵。
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四种受控源和理想变压器等双口电阻元件,都可用双口网络参数表示,如下所示:
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根据教学需要,用鼠标点击名称的方法放映相关录像。
名 称 时间 1 双口电阻参数测量 2:57 2 双口电导参数测量 2:54 3 双口混合参数测量 3:13 4 双口混合2参数测量 3:02 5 双口传输参数测量 2:58 6 双口传输2参数测量 3:00 7 互易定理实验 3:22
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郁金香
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§6-2 双口网络参数的计算 不含独立源电阻单口网络的特性由电阻Ro或电导Go来表征,计算Ro 或Go的一般方法是在端口外加电源求端口电压电流关系。与此相似,不含独立源电阻双口网络的特性由双口参数矩阵来表征,计算双口网络参数的基本方法也是在端口外加电源,用网络分析的任一种方法求端口电压电流关系式,然后得到网络参数。 本节介绍常用的R、G、H和T四种矩阵的计算方法。
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一、由电压电流关系得到双口网络参数 已知不含独立源线性电阻双口网络的结构和元件参数,可以在端口外加电源,用网络分析的任何一种方法计算端口电压电流关系式,然后得到网络参数,下面举例说明。 例6-1求图6-2(a)所示双口网络的电压电流关系式和相应的网络参数矩阵。 图6-2
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解: 在端口外加两个电流源得到图6-2(b)所示电路,以电流i1和i2作为网孔电流,列出网孔方程,得到双口网络的流控表达式
由此得到电阻参数矩阵
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求电阻参数矩阵R的逆矩阵,得到电导矩阵 由电导参数矩阵G,得到双口网络的压控表达式 由式(6-17)和式(6-16)求得混合参数1表达式
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由此得到混合参数1的H参数矩阵 由式(6-18)和式(6-16)求得双口网络的传输参数1表达式 由此得到传输参数1的T参数矩阵 由双口网络电压电流关系计算网络参数的特点是同时求得四个网络参数。
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二、用叠加定理计算双口网络参数 已知不含独立源线性电阻双口网络的结构和元件参数,可以在端口上外加两个独立电源,用叠加定理,由一个独立电源单独作用的电路中求得相应的网络参数,其优点是可以从一个比较简单的电路求得某一个网络参数和显示出某个参数的物理意义。
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方程自变量是i1和i2,在端口外加电流为i1和i2的两个电流源,如图6-3(a)所示,用叠加定理计算端口电压u1和u2。
1.电阻参数矩阵的计算 电阻双口的流控表达式为: 方程自变量是i1和i2,在端口外加电流为i1和i2的两个电流源,如图6-3(a)所示,用叠加定理计算端口电压u1和u2。 图6-3
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电流源i1单独作用(i2=0)时,电路如图6-3(b)所示,相应的电压电流关系为
由此得到: 其中,r11是输出端口开路时输入端的驱动点电阻,r21是输出端口开路时的正向转移电阻。
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电流源i2单独作用(i1=0)时,电路如图6-3(c)所示,相应的电压电流关系为
由此得到: 其中,r 22是输入端口开路时输出端的驱动点电阻,r12是输入端口开路时的反向转移电阻。
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其中r11、r22是开路驱动点电阻。r21、r12是开路转移电阻。由于每一个电阻参数均在一端开路时求得,故称电阻参数为开路电阻参数。
图6-3 其中r11、r22是开路驱动点电阻。r21、r12是开路转移电阻。由于每一个电阻参数均在一端开路时求得,故称电阻参数为开路电阻参数。
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解:设想在电阻双口上外加电流源i1和i2 ,由电流源i1单独作用的电路[图6-4(b)]求得
例6-2求图6-4所示双口网络的电阻参数矩阵。 图6-4 解:设想在电阻双口上外加电流源i1和i2 ,由电流源i1单独作用的电路[图6-4(b)]求得
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由电流源i2单独作用的电路[图6-4(c)]求得
得到电阻矩阵为
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方程自变量为u1和u2,在端口上外加电压为u1和u2的两个电压源,如图(a)所示。 用叠加定理计算端口电流i1和i2。
2.电导参数矩阵的计算 电阻双口的压控表达式为: 方程自变量为u1和u2,在端口上外加电压为u1和u2的两个电压源,如图(a)所示。 用叠加定理计算端口电流i1和i2。 图6-5
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从电压源u1单独作用(u2=0)的电路[图6-5(b)]可求得
其中,g11是输出端口短路时输入端的驱动点电导,g 21是输出端口短路时的正向转移电导。
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从电压源u2单独作用(u1=0)的电路[图6-5(c)]可求得
其中,g 22是输入端口短路时输出端的驱动点电导,g12是输入端口短路时的反向转移电导。由于每一个电导参数均是在某一端口短路时求得,故称电导参数为短路电导参数。
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例6-3求图6-6(a)所示双口网络的电导参数矩阵。
解:外加电压源u1,将双口输出端短路[图(b)]由此求得
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解:外加电压源u2,将双口输入端短路[图(c)]由此求得
图6-6 解:外加电压源u2,将双口输入端短路[图(c)]由此求得 得到电导参数矩阵
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方程自变量为i1和u2,在端口1上外加电流源i1 ,在端口1上外加电压源u2 ,如图6-7(a)所示。 用叠加定理计算u1和i2。
3.混合参数矩阵的计算 电阻双口的混合 l表达式为: 方程自变量为i1和u2,在端口1上外加电流源i1 ,在端口1上外加电压源u2 ,如图6-7(a)所示。 用叠加定理计算u1和i2。 图6-7
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由电流源i1单独作用(u2 =0) 的电路[图6-7(b)]求得
其中,h11是输出端口短路时输入端的驱动点电阻,h21是输出端短路时的正向转移电流比,
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由电压源u2单独作用(i1 =0) 的电路[图6-7(c)]求得
其中,h22是输入端口开路时输出端的驱动点电导,h12是输入端口开路时的反向转移电压比。各参数分别具有电阻或电导量纲或无量纲,故称为混合参数。
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解:外加电流源i1和电压源u2,由电流源i1 单独作用的电路[图(b)]求得:
例6-4求图6-8所示双口网络的混合参数1矩阵。 图6-8 解:外加电流源i1和电压源u2,由电流源i1 单独作用的电路[图(b)]求得: 由电压源u2单独作用的电路[图(c)]求得: 得到混合参数1矩阵
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4.传输参数矩阵的计算 电阻双口的传输1表达式为: 方程的自变量是u2和i2。令输出端开路(i2=0),可求得: 令输出端短路(u2=0)可求得: 其中,t11是输出端口开路的反向转移电压比,t21是输出端口开路的反向转移电导,t12是输出端口短路的反向转移电阻,t22是输出端口短路的反向转移电流比。
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例6-5求图6-9(a)所示双口网络的传输参数1矩阵。
解:由双口输出端开路(i2=0)的电 路[图(b)]求得: 由双口输出端短路(u2=0)的电路[图(c)]求得: 得到传输参数1矩阵
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二、已知双口网络某一种参数,求其余参数 若已知双口某一种参数,利用各种双口参数间的关系,可以求得其余几种双口参数。表6-1列出计算双口网络参数以及由一种网络参数计算其它网络参数的公式,供读者参考使用。
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例6-6求图6-10所示双口网络的R、G、H、T参数矩阵。
解 先求得双口的开路电阻参数矩阵为
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查表6-1,由R参数矩阵变换到G参数矩阵的公式,由此求得短路电导参数矩阵
查表6-1,按照R参数矩阵变换到H参数矩阵的公式
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查表6-1,按照R参数矩阵变换到T参数矩阵的公式
也可以先计算G或H或T参数矩阵,再求其它参数矩阵。 最后还要指出,并非任何双口网络都存在六种表达式和相应的参数矩阵。例如理想变压器就不存在电阻参数和电导参数,这是因为在理想变压器端口上外加两个电流源或两个电压源时,与理想变压器的 VCR方程发生矛盾,该电路没有唯一解。
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最后还要指出,并非任何双口网络都存在六种表达式和相应的参数矩阵。例如理想变压器就不存在电阻参数和电导参数,这是因为在理想变压器端口上外加两个电流源或两个电压源时,与理想变压器的 VCR方程发生矛盾,该电路没有唯一解。 一般来说,若双口网络外加两个电流源有唯一解,则存在流控表达式和R参数矩阵;若双口网络外加两个电压源具有唯一解,则存在压控表达式和G参数矩阵;若双口网络外加电流源和电压源时有唯一解,则存在混合 l表达式和H参数矩阵。
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双口网络参数的计算十分繁杂,可以利用计算机程序来完成。例如将图6-10所示双口网络中元件连接关系和元件参数告诉计算机,DCAP程序就能计算出六种网络参数,如下所示:
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L6-6 Circuit Data 元件 支路 开始 终止 控制 元 件 元 件 类型 编号 结点 结点 支路 数 值 数 值 R CC R R 独立结点数 = 支路数 = 4 ----- 双口网络的 R G H1 H2 T1 T2 矩阵 ----- 结点编号 双口网络的各种参数 电源向量 1 <--> R11= R12= 0 <--> R21= R22= 1 <--> G11= G12= 0 <--> G21= G22= 1 <--> H11= H12= 0 <--> H21= H22= 1 <--> h11= h12= 0 <--> h21= h22= 1 <--> T11= T12= 0 <--> T21= T22= 1 <--> t11= t12= 0 <--> t21= t22= ***** 直流电路分析程序 ( DCAP 2.11 ) 成电 七系--胡翔骏 *****
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根据教学需要,用鼠标点击名称的方法放映相关录像。
名 称 时间 1 双口电阻参数测量 2:57 2 双口电导参数测量 2:54 3 双口混合参数测量 3:13 4 双口混合2参数测量 3:02 5 双口传输参数测量 2:58 6 双口传输2参数测量 3:00 7 互易定理实验 3:22
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郁金香
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§6-3 互易双口和互易定理 一、互易定理 仅含线性时不变二端电阻和理想变压器的双口网络,称为互易双口。
§6-3 互易双口和互易定理 一、互易定理 仅含线性时不变二端电阻和理想变压器的双口网络,称为互易双口。 互易定理:对于互易双口,存在以下关系。
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由式(6-19)可以断言:图6-11(a)的电压u2=R21iS与图5-11(b)的电压u1=R12iS 相同。也就是说,在互易网络中电流源与电压表互换位置,电压表读数不变。
图6-11 电流源与电压表互换
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由式(6-20)可以断言:图6-12(a)的电流i2=G21uS与图6-12(b)的电流i1=G12uS相同。也就是说互易网络中电压源与电流表互换位置,电流表读数不变。
图6-12 电压源与电流表互换
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解:根据互易定理,图6-13(a)和(b)中电流i相同。 从图6-13(b)中易于求得:
例6-7 用互易定理求图6-13(a)中电流i。 图6-13 互易定理的应用 解:根据互易定理,图6-13(a)和(b)中电流i相同。 从图6-13(b)中易于求得:
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二、互易双口的等效电路 由互易定理知道,互易双口只有三个独立参数,这就可以用图6-14所示由三个电阻构成的Τ形或Π形网络等效。
图6-14 互易双口的等效电路
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与双口流控表达式(6-1)对比,令其对应系数相等可以得到:
图6-14 互易双口的等效电路 图 (a)电路的网孔方程为: 与双口流控表达式(6-1)对比,令其对应系数相等可以得到:
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图6-14 互易双口的等效电路 由此求得Τ形网络的等效条件为
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用类似方法,可求得Π形网络[图6-14(b)]的等效条件为:
图6-14 互易双口的等效电路 用类似方法,可求得Π形网络[图6-14(b)]的等效条件为: 已知互易双口的R参数或G参数,可用Τ形或Π形等效电路代替双口,以便简化电路分析。
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例6-8 已知图6-15(a)电路中互易双口的R参数为: R11=5, R22=7, R12=3, R21=3,试求i1和u2。
图6-15 例6-8
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解:用Τ形等效电路代替互易双口,得到图6-15(b)电路,由此求得
图6-15 例6-8 解:用Τ形等效电路代替互易双口,得到图6-15(b)电路,由此求得
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例6-9 求图6-16(a)所示双口网络的Π形等效电路。
图6-16 例6-9 解:先求出图6-16(a)双口网络的R参数矩阵
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图6-16 例6-9 用矩阵求逆方法得到电导参数矩阵 由式(6-24)求得: 得到Π形等效电路如图6-16(b)所示。此题也可以用星形与三角形联接的等效变换公式求解。
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根据教学需要,用鼠标点击名称的方法放映相关录像。
名 称 时间 1 双口电阻参数测量 2:57 2 双口电导参数测量 2:54 3 双口混合参数测量 3:13 4 双口混合2参数测量 3:02 5 双口传输参数测量 2:58 6 双口传输2参数测量 3:00 7 互易定理实验 3:22
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§6-4 含双口网络的电路分析 在电子工程、通信和测量设备中,常用双口网络来选择、变换、放大和传输各种电信号。通常在双口的输入端接信号,输出端接负载,如图6-17(a)所示。 图6-17
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通常关心的是输入端和输出端的电压和电流。为了便于计算输入端的电压和电流,可以将端接负载的双口等效为一个电阻Ri,得到图(b)所示的等效电路。
图6-17 通常关心的是输入端和输出端的电压和电流。为了便于计算输入端的电压和电流,可以将端接负载的双口等效为一个电阻Ri,得到图(b)所示的等效电路。 为方便计算输出端的电压和电流,可以将端接信号源的双口等效为戴维宁等效电路,得到图(c)所示等效电路。
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可以得到图6-18(b)所示的等效电路,由于受控源的方向与电流的参考方向有关,在等效电路上应该标明两个电流的参考方向。
一、双口网络的等效电路 根据双口网络的流控表达式 可以得到图6-18(b)所示的等效电路,由于受控源的方向与电流的参考方向有关,在等效电路上应该标明两个电流的参考方向。 图6-18
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二、双口网络端接负载时的输入电阻 图6-19 计算图6-19(a)所示双口网络端接负载电阻RL时的输入电阻Ri,可以用图6-18(b)所示等效电路代替双口网络,得到图6-19(b)所示电路。
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选择电流i1和i2作为网孔电流,列出网孔方程,并求得电流i1
图6-19 选择电流i1和i2作为网孔电流,列出网孔方程,并求得电流i1 由此求得输入电阻的公式
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计算双口网络输出端开路时(i2=0),输出端的开路电压uoc。选择电流i1和i2作为网孔电流,列出网孔方程
三、双口网络端接信号源的戴维宁等效电路 计算6-20(a)所示双口网络输入端接电源时,输出端的戴维宁等效电路,可以用图6-18(b)所示等效电路代替双口网络,得到图6-20(b)所示电路。 图6-20 计算双口网络输出端开路时(i2=0),输出端的开路电压uoc。选择电流i1和i2作为网孔电流,列出网孔方程
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求解方程得到开路电压 将电压源用短路代替,用求输入电阻相似的方法,得到输出电阻 由此可以得到双口网络输出端的戴维宁等效电路。
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例6-10 已知图6-21(a)所示电路中电阻双口的R参数为: r11=6, r12=4, r21=5和r22=8,试求:
1) i1、i2、u1、u2、Ai和Au。 2)负载RL可获得的最大功率Pmax。 图6-21
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解:1)先求双口端接RL=12负载的输入电阻
图6-21 解:1)先求双口端接RL=12负载的输入电阻 得到图(b)所示输入端等效电路,由此求得:
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图6-21 再求双口网络输出端的等效电路,得到: 如图6-21(c)所示。
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图6-21 由图(c)电路求得: 2)当RL=Ro=6时,负载获得最大功率
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根据教学需要,用鼠标点击名称的方法放映相关录像。
名 称 时间 1 双口电阻参数测量 2:57 2 双口电导参数测量 2:54 3 双口混合参数测量 3:13 4 双口混合2参数测量 3:02 5 双口传输参数测量 2:58 6 双口传输2参数测量 3:00 7 互易定理实验 3:22
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§6-5 含独立源双口网络的等效电路 前面讨论了不包含独立源线性电阻双口网络参数的计算。当双口网络包含独立源时,如图6-22(a)所示,这些独立电源在端口会产生开路电压和短路电流。
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图6-22(a)所示双口网络的流控表达式为 相应的等效电路如图6-22(b)所示。 图6-22
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图6-22 图6-22(a)所示双口网络的压控表达式为 相应的等效电路如图6-22(c)所示。
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例6-11 求图6-23所示含独立电源双口网络的流控表达式和压控表达式
解:1 将电流源开路,电压源短路,按照上一节介绍的方法求得开路电阻参数矩阵
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计算双口网络两个端口的开路电压 写出含源双口网络矩阵形式的流控表达式
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2 将电流源开路,电压源短路,按照上一节介绍的方法求得短路电导参数矩阵
图6-23 2 将电流源开路,电压源短路,按照上一节介绍的方法求得短路电导参数矩阵
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计算双口网络两个端口的短路电流 写出含源双口网络矩阵形式的压控表达式
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根据教学需要,用鼠标点击名称的方法放映相关录像。
名 称 时间 1 双口电阻参数测量 2:57 2 双口电导参数测量 2:54 3 双口混合参数测量 3:13 4 双口混合2参数测量 3:02 5 双口传输参数测量 2:58 6 双口传输2参数测量 3:00 7 互易定理实验 3:22
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§6-6 电路实验和计算机分析电路实例 一、计算机辅助电路分析
§6-6 电路实验和计算机分析电路实例 一、计算机辅助电路分析 双口网络参数的计算是十分繁杂的事情,可以利用计算机程序来计算。下面举例说明用DCAP程序可以计算包含独立源双口网络的参数和等效电路。
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例6-11 求图6-23(a)所示含独立电源双口网络的四种网络参数和电源向量。
解: 运行DCAP程序, 正确读入图(b)所示电路数据, 选用计算双口网络参数的菜单, 可以得到以下结果。
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L6-11 circuit data 元件 支路 开始 终止 控制 元 件 元 件 类型 编号 结点 结点 支路 数 值 数 值 R I R VR 独立结点数 = 支路数 = 4 ***** 双口的 各种矩阵 和 电源向量 ***** 结点编号 双口网络的各种参数 电源向量 1 <--> R11= R12= Uoc1= 0 <--> R21= R22= Uoc2= 1 <--> G11= G12= Isc1= 0 <--> G21= G22= Isc2= 1 <--> H11= H12= Uoc1= 0 <--> H21= H22= Isc2= 1 <--> h11= h12= Isc1= 0 <--> h21= h22= Uoc2=
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DCAP程序可以将用六种参数表示的电阻双口网络作为一个双口元件使用,因此可以分析包含线性电阻双口网络的电路,下面举例说明。
关系为 求电路中各支路电压电流和吸收功率。 图6-24
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图6-24 解: 已知双口网络的电压电流关系式,可以得到它的电导参数, 在图(b)所示的数据文件中, 用字母TY开始的两行数据表示这种双口网络, 其参数分别为g11=2S,g12= -1S和g21=1S,g22=1S。 运行DCAP程序所得到的计算结果如下所示。
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L6-12 circuit data 元件 支路 开始 终止 控制 元 件 元 件 类型 编号 结点 结点 支路 数 值 数 值 CC R TY I R R 独立结点数 = 支路数 = 7 ----- 电 压 , 电 流 和 功 率 ----- 结 点 电 压 V 1= V 2= V 3= V 4= 编号 类型 数值 支路电压 支路电流 支路吸收功率 1 CC U 1= I 1= P 1= 2 R U 2= I 2= P 2= 3 TY U 3= I 3= P 3= U 4= I 4= P 4= 5 I U 5= I 5= P 5= 6 R U 6= I 6= P 6= 7 R U 7= I 7= P 7= 各支路吸收功率之和 P =
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二、电路实验设计 一个实际双口网络的参数可以通过实验来测量,下面以图6-25网络为例说明用实验方法测量四种双口网络参数的方法。具体实验方法和过程在《双口电阻参数测量》,《双口电导参数测量》,《双口混合参数测量》和《双口传输参数测量》实验录像中说明。 图6-25所示电阻双口网络用计算机程序DCAP可以求得以下网络参数。
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tu6-25 Circuit Data 元件 支路 开始 终止 控制 元 件 元 件 类型 编号 结点 结点 支路 数 值 数 值 R R R R R R 独立结点数 = 支路数 = 6 ----- 双口网络的 R G H1 H2 T1 T2 矩阵 ----- 结点编号 双口网络的各种参数 电源向量 1 <--> R11= R12= 0 <--> R21= R22= 1 <--> G11= E-04 G12= E-04 0 <--> G21= E-04 G22= E-04 1 <--> H11= H12= 0 <--> H21= H22= E-04 1 <--> h11= E-04 h12= 0 <--> h21= h22= 1 <--> T11= T12= E+04 0 <--> T21= E-04 T22= 1 <--> t11= t12= E+04 0 <--> t21= E-04 t22=
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根据教学需要,用鼠标点击名称的方法放映相关录像。
名 称 时间 1 双口电阻参数测量 2:57 2 双口电导参数测量 2:54 3 双口混合参数测量 3:13 4 双口混合2参数测量 3:02 5 双口传输参数测量 2:58 6 双口传输2参数测量 3:00 7 互易定理实验 3:22
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摘 要 1.双口网络有两个端口电压和两个端口电流。线性电阻双口网络的电压电流关系由两个线性代数方程来描述。 2.已知电阻双口网络,可以用网络分析的任何一种方法计算端口电压和电流的关系式,然后得到双口网络参数。对于线性电阻双口网络,可以外加两个独立电源,用叠加定理计算出双口网络参数矩阵。并非任何双口网络都同时存在六种网络参数。 3.由线性时不变二端电阻和理想变压器构成的互易双口网络,可用三个二端电阻构成的Τ形和Π形电路来等效。
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郁金香
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