Учебное пособие 794

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра радиотехники

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

ИМЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

квыполнению контрольной и курсовой работы по дисциплине "Основы теории цепей" для студентов специальности

210302 "Радиотехника" заочной ускоренной формы обучения

Воронеж 2007

Составители канд. техн. наук А.В. Останков, канд. техн. наук В.П. Литвиненко

УДК 537.372.4; 621.372.01

Рабочая программа и методические указания к выполнению контрольной и курсовой работы по дисциплине "Основы теории цепей" для студентов специальности 210302 "Радиотехника" заочной ускоренной формы обучения/ ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет; сост. А.В. Останков, В.П. Литвиненко. Воронеж, 2007. 53 с.

Методические указания содержат основные разделы рабочей программы, материалы к контрольной и курсовой работе по дисциплине "Основы теории цепей". Предназначены для студентов заочной ускоренной формы обучения специальности "Радиотехника".

Методические указания подготовлены в электронном виде в формате pdf и содержатся в файле "OTC-ZO-1.pdf".

Табл. 7. Ил. 19.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

Ответственныйзавыпуск зав. кафедрой профессорГ.В. Макаров

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2007

1

1.2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины "Основы теории цепей" студенты должны

• знать:

− основные методы анализа линейных цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами, нелинейных резистивных цепей;

− основные свойства типовых радиотехнических цепей при стандартных внешних воздействиях;

• уметь:

−описывать реальные цепи схемами замещения разной степени строгости;

−применять на практике классические и современные методы анализа и синтеза линейных электрических цепей;

−аналитически, численно и экспериментально исследовать радиотехнические цепи и процессы, протекающие в этих цепях.

1.3. Объем дисциплины и виды учебной работы

2

1.4. Содержание дисциплины

1.4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

1.4.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Введение

Краткая история развития электротехники, радиотехники и радиоэлектроники. Основные задачи и объекты исследования этих отраслей науки и техники; их роль в научно-техни- ческом прогрессе и жизни общества.

3

Предмет и задачи дисциплины "Основы теории цепей", её место в подготовке инженеров по специальности "Радиотехника".

Понятие о методах теории цепей и теории электромагнитного поля. Пределы применимости методов теории цепей. Краткая история постановки и развития дисциплины. Особенности современного состояния теории цепей.

Раздел 2. Основные понятия и законы электрических и магнитных цепей

Физические основы теории цепей: понятие электрического тока, напряжения, электродвижущей силы, мощности и энергии. Основные и производные единицы измерения электрических величин. Условно положительные направления тока

инапряжения. Связь мгновенной мощности и энергии с током

инапряжением.

Понятие об электрической цепи. Понятие о пассивных и активных элементах и участках цепей: источники (генераторы) и потребители (нагрузка) электрической энергии. Понятие двухполюсника. Понятие о схемах электрических цепей: структурные, принципиальные схемы и схемы замещения (математические модели) электрических цепей.

Идеализированные пассивные элементы электрических цепей и их схемы замещения. Определения сопротивления, проводимости, ёмкости и индуктивности; единицы измерения. Основные физические закономерности, положенные в основу моделей идеализированных элементов: закон Ома, закон электромагнитной индукции Фарадея. Компонентные уравнения как зависимости между током и напряжением в идеализированных элементах; мгновенная мощность и энергия. Реальные пассивные элементы и их схемы замещения.

Идеализированные активные элементы. Идеальный источник тока и напряжения; их вольтамперные характеристики.

4

Схемы замещения реальных источников. Эквивалентные источник тока и источник напряжения. Независимые (неуправляемые) и зависимые (управляемые) источники.

Основные понятия топологии цепей: ветвь, узел и контур схемы электрической цепи. Последовательное, параллельное и смешанное соединение двухполюсников. Законы Кирхгофа (топологические уравнения) для мгновенных значений токов в узле и напряжений на элементах контура. Физическое содержание законов Кирхгофа. Понятие об уравнениях электрического равновесия (как математической модели) электрической цепи. Система уравнений электрического равновесия цепи как совокупность топологических и компонентных уравнений. Использование элементов теории графов для определения числа независимых топологических уравнений. Сведение системы уравнений электрического равновесия цепи к одному уравнению. Дифференциальное уравнение цепи.

Классификация цепей по типам математических моделей, описывающих их элементы: линейные, нелинейные и параметрические цепи; цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Классификация цепей по энергетическим свойствам, числу внешних выводов (полюсов) и по топологическим особенностям. Общая формулировка задач анализа и синтеза электрических цепей.

Раздел 3. Линейные цепи пригармоническом воздействии

Понятие о периодических процессах; их период и частота. Гармоническое колебание и его основные параметры: мгновенное значение, текущая и начальная фазы, амплитуда, циклическая и угловая частота. Среднее и среднеквадратическое (действующее) значение периодического процесса. Векторное представление гармонического колебания.

Гармонические токи и напряжения в сопротивлении R, емкости C и индуктивности L. Закон Ома для амплитуд коле-

5

баний. Понятие реактивного сопротивления и проводимости емкости и индуктивности. Фазовые соотношения (сдвиг фаз) между напряжением и током в R, L и С. Мгновенная мощность

иэнергия в R, L и С. Временные и векторные диаграммы токов

инапряжений в R, L и С. Гармонические колебания в последовательном и параллельном соединениях R, L и С; расчет соединений на основе векторных диаграмм. Треугольники напряжений и сопротивлений, токов и проводимостей. Понятие полного сопротивления (проводимости) цепи при гармоническом воздействии.

Представление гармонических колебаний в комплексной плоскости. Комплексное текущее значение и комплексная амплитуда гармонического колебания. Закон Ома в комплексной форме для сопротивления, емкости и индуктивности. Понятие комплексного сопротивления (проводимости); смысл его модуля и аргумента. Комплексная схема замещения линейного двухполюсного элемента. Законы Кирхгофа в комплексной форме. Комплексное сопротивление (проводимость) цепи при смешанном соединении элементов. Характер сопротивления цепи. Алгоритм расчета линейных цепей методом комплексных амплитуд и его применение на практике.

Энергетические соотношения в простейших цепях при гармоническом воздействии. Мгновенная, средняя за период колебаний (активная), реактивная, полная и комплексная мощности. Единицы измерения. Коэффициент мощности. Баланс мощностей. Согласование источника энергии с нагрузкой по критериям максимума передаваемой средней мощности и максимума коэффициента полезного действия.

Индуктивно-связанные цепи при гармоническом воздействии. Понятие о взаимной индуктивности. Компонентные уравнения связанных индуктивностей. Согласное и встречное включения. Понятие об одноименных зажимах. Применение метода комплексных амплитуд для анализа индуктивно-свя- занных цепей. Схема замещения связанных индуктивностей.

6

Последовательное и параллельное включение связанных индуктивностей. Линейный трансформатор. Понятие об идеальном трансформаторе.

Раздел 4. Методы анализа сложных линейных цепей

Понятие сложной электрической цепи. Метод, основанный на стандартной процедуре формирования уравнений электрического равновесия цепи; недостатки и преимущества. Методы токов ветвей и напряжений ветвей. Метод контурных токов: понятия контурного тока, собственного сопротивления контура, взаимного сопротивления контуров; методика формирования системы уравнений относительно контурных токов; ее размерность. Метод узловых потенциалов (напряжений): понятия базового узла, узловой проводимости, взаимной проводимости узлов; методика формирования системы уравнений относительно узловых потенциалов; ее размерность.

Понятие об эквивалентных участках цепи. Эквивалентные преобразования цепей с последовательным, параллельным и смешанным соединением элементов. Преобразование "треугольника" сопротивлений в "звезду" и обратное преобразование. Основные теоремы теории цепей и их применение для решения задач анализа: принцип наложения, теорема взаимности, теоремы об эквивалентных источниках. Метод расчета сложной цепи на основе принципа наложения. Анализ цепи с использованием теоремы об эквивалентном источнике напряжения. Ограничения методов и их преимущества.

Раздел 5. Частотные характеристики линейных электрических цепей

Понятие о комплексных частотных характеристиках (КЧХ) линейных цепей. Классификация КЧХ, их размерность и формы представления. Комплексный коэффициент передачи цепи по напряжению и току. Понятие об амплитудно-частот-

7

ной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристиках линейных электрических цепей; их физический смысл. Методика экспериментального измерения и алгоритм расчета АЧХ и ФЧХ цепи. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ). Способы графического представления КЧХ. Понятие о годографе Найквиста.

КЧХ элементарных реактивных двухполюсников. Электрические фильтры. Комплексный коэффициент передачи по напряжению, АЧХ и ФЧХ RC-цепи со съемом напряжения с сопротивления и емкости. Понятие о фильтрах низких частот, верхних частот, полосовых и режекторных фильтрах. Полоса пропускания фильтра (цепи) по уровню 0.707 или 3 дБ; ее граничные частоты. АЧХ и ФЧХ простейших RL-фильтров, моста Вина. Понятие об избирательности цепи. Избирательность и полоса пропускания. Понятие об идеальной избирательной цепи. Коэффициент прямоугольности АЧХ.

Резонансные явления в электрических цепях. Одиночный колебательный контур. Классификация одиночных колебательных контуров по способу включения источника энергии: последовательный и параллельный контур. Понятие и критерии резонанса; условия его проявления. Резонанс токов и резонанс напряжений. Резонансная частота, характеристическое и резонансное сопротивления, добротность, обобщенная расстройка, уравнение резонансной кривой одиночного колебательного контура. Энергетические соотношения в одиночном контуре на резонансной частоте. Входные и передаточные частотные характеристики одиночных колебательных контуров различных типов. Полоса пропускания и избирательность контура. Коэффициент прямоугольности АЧХ одиночного контура. Влияние внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки на резонансные свойства одиночных колебательных контуров. Контуры с неполным включением: коэффициент включения, резонансное сопротивление.

8