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段译
一
Anelectricalcircuitornetworkiscomposedof……
电路或电网络由以某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。
如果网络不包含能源,如电池或发电机,那么就被称作无源网络。
换句话说,如果
存在一个或多个能源,那么组合的结果为有源网络。
在研究电网络的特性时,我们
感兴趣的是确定电路中的电压和电流。
因为网络由无源电路元件组成,所以必须首
先定义这些元件的电特性.
Inthecaseofaresistor,thevoltage-currentrelationshipisgivenbyOhm’slaw,whichstatesthatthevoltageacrosstheresistorisequaltothecurrentthroughtheresistormultipliedbythevalueoftheresistance.
就电阻来说,电压-电流的关系由欧姆定律给出,欧姆定律指出:
电阻两端
的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。
。
纯电感电压由法拉第定律定义,法拉第定律指出:
电感两端的电压正比于
流过电感的电流随时间的变化率
Activeelectricaldevicesinvolvetheconversionofenergytoelectricalform
有源电气元件涉及将其它能量转换为电能,例如,电池中的电能来自其储
存的化学能,发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。
Activeelectricalelementsoccurintwobasicforms:
有源电气元件存在两种基本形式:
电压源和电流源。
其理想状态为:
电压
源两端的电压恒定,与从电压源中流出的电流无关。
因为负载变化时电压基本恒定,
所以上述电池和发电机被认为是电压源。
另一方面,电流源产生电流,电流的大小
与电源连接的负载无关。
虽然电流源在实际中不常见,但其概念的确在表示借助于
等值电路的放大器件.
Acommonmethodofanalyzinganelectricalnetworkismesh……
分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。
应用于此方法的基本
定律是基尔霍夫第一定律,基尔霍夫第一定律指出:
一个闭合回路中的电压代数和
为0,换句话说,任一闭合回路中的电压升等于电压降。
网孔分析指的是:
假设有
一个电流——即所谓的回路电流——流过电路中的每一个回路,求每一个回路电压
降的代数和,并令其为零。
Itmaybethattheinductorvoltageratherthanthecurrentisthevariableofinterestinthecircuit.
或许在电路中,人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。
二
Oneproblemwithelectronicdevicescorrespondingtothegeneralizedamplifiersisthatthegains,
运算放大器像广义放大器这样的电子器件存在的一个问题就是它们的增益AU或AI
取决于双端口系统(m、b、RI、Ro等)的内部特性。
器件之间参数的分散性和温度漂
移给设计工作增加了难度。
设计运算放大器或Op-Amp的目的就是使它尽可能的减少
对其内部参数的依赖性、最大程度地简化设计工作。
运算放大器是一个集成电路,
在它内部有许多电阻、晶体管等元件。
就此而言,我们不再描述这些元件的内部工
作原理。
AtotallygeneralanalysisoftheOp-ampisbeyondthescopeofsometext
运算放大器的全面综合分析超越了某些教科书的范围。
在这里我们将详细研究
一个例子,然后给出两个运算放大器定律并说明在许多实用电路中怎样使用这两个
定律来进行分析。
这两个定律可允许一个人在没有详细了解运算放大器物理特性的
情况下设计各种电路。
因此,运算放大器对于在不同技术领域中需要使用简单放大
器而不是在晶体管级做设计的研究人员来说是非常有用的。
在电路和电子学教科书
中,也说明了如何用运算放大器建立简单的滤波电路。
作为构建运算放大器集成电
路的积木—晶体管,将在下篇课文中进行讨论。
AsimilarmathematicalanalysiscanbemadeonanyOp-ampcircuit,butthisiscumbersomeandtherearesomeveryusefulshortcutsthat……
对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析,但是这比较麻烦,并且存在一
些非常有用的捷径,其涉及目前我们提出的运算放大器两个定律应用。
1)第一个定律指出:
在一般运算放大器电路中,可以假设输入端间的电压为
零,也就是说,
2)第二个定律指出:
在一般运算放大器电路中,两个输入电流可被假定为零:
三
Thetwo-valuedvariableswhichwehavebeendiscussingaeoftencalledlogical……
逻辑变量我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量,而象或和与这样的操作被称
为逻辑操作。
Weshallnowbreflydisscuss现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联,并在此过程中,阐
明用标示“真”和“假”来识别一个变量的可能值的特殊用途。
Bywayofexample,supposethatyouandtwopilotsarealoftinanairplane.
举例说明,假设你和两个飞行员在一架空中航行的飞机中,你在客舱中,而
飞行员A和B在驾驶员座舱中。
在某一时刻,A来到了你所在的客舱中,你并不担
心这种变化。
然而,假设当你和A在客舱时,你抬头发现B也已经来到了你所在的
客舱中。
基于你的逻辑推理能力,你将会推断飞机无人驾驶;并且,大概你已听到
了警报,以致使驾驶员之一将迅速对此紧急情况作出响应。
Alternatively,supposethattherehadbeenattachedtoeachpilot’sseatanelectronicdevicethatprovidedan…
换句话说,假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置,当座位上有人时,其
输出电压为V1,当座位上无人时,其输出电压为V2。
现在我们用“真”来代表电压
V2,从而使电压V1表示“假”。
让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出
端的电路,此电路的特性是:
只要两个输入,即一个输入同时和另一个输入相与,
结果为V2时,输出电压才是V2。
否则,输出是V1。
最后,让我们把输入和飞行员
A和B座位下的装置联结起来,并安装一个与输出Z相连的警铃,当输出是V2
(“真”)时响应,否则不响应。
这样,我们已创建了一个执行与操作的电路,这个
电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。
Justasotheralgebrasdealwithvariableswhichhaveanumericalsignificance,
和其它处理有数字意
义的变量一样,布尔代数处理的是命题,而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量
的命题之间的关系是一种有效的工具。
Thefundamental,mostimportantcharacteristicofaflip-flopisthatithasa“memory”
触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆”功能。
也就是说,设置S和R
目前的逻辑电平为0和0,根据输出的状态,即可确定S和R在其获得当前电平之
前的逻辑电平。
Inconnectionwiththediscussiontofollowitisconvenienttointroducesomeusefulterminology
为方便衔接下面的讨论内容,介绍一些常见的术语,这有助于了解逻辑系统设
计师中惯用的观点。
InNANDandNORgates(aswellasanANDandORgates),
在与非和或非门(以及与和或门)中,当用其来达到我们的设计意图时,我们
能够任意选择一个输入端,并把其看成是使能-失效输入,因此可考虑或非或或门。
如果被选的一个输入为逻辑1,那么门电路的输出与所有的其它输入无关。
这个被
选的输入可控制门电路,其它所有输入相对于这个门电路是失效的(术语“抑制”
的同义词为“失效”)。
相反,如果被选输入为逻辑0,那么它不能控制门电路,门
电路能够响应其它输入。
在与非或与门中,当被选输入为逻辑0时,此输入控制并
截止门电路,因为一个输入为逻辑0,那么门电路的输出不能响应其它输入。
注意
一方面是或非门和或门间的区别,另一方面是与非门和与门间的区别。
在第一种情
况下,当控制输入转为逻辑1时,其可获得门电路的控制;在第二种情况下,当控
制输入转为逻辑0时,其可获得门电路的控制。
Thereisagenerallyprevailingattitudeindigitalsystemstoviewlogicoasabasic
在数字系统中,普遍的观点是把逻辑0看成一个基本的、无干扰的、稳定的、
静止的状态,把逻辑1看成激励的、活跃的、有效的状态,就是说,这种状态是发
生在某种操作动作之后。
因此,当作用已产生时,其倾向将是定义最后的状态作为
对某逻辑变量已转为1的响应。
当“无操作发生”时,逻辑变量为逻辑0。
类似地,
如果作用将通过逻辑变量的变化产生,那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变
量,即当逻辑变量转为逻辑1时达到此效果。
在我们对触发器的讨论中,将看到持
有此种观点的例子
四
Powersemiconductordevicesconstitutetheheartofmodernpowerelectronic
功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。
它们以通-断开关矩阵的方式被用
于电力电子转换器中。
开关式功率变换的效率更高。
Powerdiodesprovideuncontrolledrectificationofpowerandare
二极管电力二极管提供不可控的整流电源,这些电源有很广的应用,
如:
电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。
它们也被用于
变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。
典型的功率二极管具有P-I-N结构,即它几乎是纯半导体层(本征层),位于P-N
结的中部以阻断反向电压。
图1-4A-1给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。
在正
向偏置条件下,二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示,这样可画出
一条斜率为正的伏安特性曲线。
典型的正向导通压降为1.0伏。
导通压降会引起导
通损耗,必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。
在反向偏置条
件下,由于少数载流子的存在,有很小的泄漏电流流过,泄漏电流随电压逐渐增加。
如果反向电压超过了临界值,叫做击穿电压,二极管雪崩击穿,雪崩击穿指的是当
反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。
21
Theworldcontrolisusuallytakentomeanregulate,direct,orcommand.
控制一词的含义一般是调节、指导或者命令。
控制系统大量存在于我们周围。
在最抽象
的意义上说,每个物理对象都是一个控制系统。
Controlsystemsdesignedbyhumansareusedto
控制系统被人们用来扩展自己的能力,补偿生理上的限制,或把自己从常规、单调的工
作中解脱出来,或者用来节省开支。
例如在现代航空器中,功率助推装置可以把飞行员的力
量放大,从而克服巨大的空气阻力推动飞行控制翼面。
Thereactiontimeofahumanpilotistooslowtoenable
飞行员的反应速度太慢,如果不附加
阻尼偏航系统,飞行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式来驾驶飞机。
自动飞行控制系统
把飞行员从保持正确航向、高度和姿态的连续操作任务中解脱出来。
没有了这些常规操作,
飞行员可以执行其他的任务,如领航或通讯,这样就减少了所需的机组人员,降低了飞行费
用。
Inmanycases,thedesignofcontrolsystemis
在很多情况下,控制系统的设计是基于某种理论,而不是靠直觉或试凑法。
控制系统能
够用来处理系统对命令、调节或扰动的动态响应。
控制理论的应用基本上有两个方面:
动态
响应分析和控制系统设计。
系统分析关注的是命令、扰动和系统参数的变化对被控对象响应
的决定作用。
如某动态响应是满足需要的,就不需要第二步了。
如果系统不能满足要求,而
且不能改变被控对象,就需要进行系统设计,来选择使动态性能达到要求的控制元件。
Controltheoryitselfhastwocategories:
控制理论本身分成两个部分:
经典和现代。
经典控制理论始于二次大战以传递函数的概
念为特征,分析和设计主要在拉普拉斯域和频域内进行。
现代控制理论是随着高速数字计算
机的出现而发展起来的。
它以状态变量的概念为特征,重点在于矩阵代数,分析和设计主要
在时域。
每种方法都有其优点和缺点,也各有其倡导者和反对者。
Ascomparedtomodernapproach,theclassicalapproachhasthetutorial与现代控制理论相比,经典方法具有指导性的优点,它把重点很少放在数学技术上,而
把更多重点放在物理理解上。
而且在许多设计情况中,经典方法既简单也完全足够用。
在那
些更复杂的情况中,经典方法虽不能满足,但它的解可以对应用现代方法起辅助作用,而且
可以对设计进行更完整和准确的检查。
由于这些原因,后续的章节将详细地介绍经典控制理
论。
Conrolsystemsareclassicalintermsthatdescribeeitherthe
控制系统可根据系统本身或其参量进行分类:
开环和闭环系统(如图2-1A-1):
开环控制系统是控制行为与输出无关的系统。
而闭环系统,其被控对象的输入在某种程度上
依赖于实际的输出。
Sincetheoutputisfedbackinafunctionalform
因为输出以由反馈元件决定的一种函数形式反馈回来,然后被输入减去。
闭环系统通常是指负反馈系统或简称为反馈系统。
Continiousanddiscretesystemthatall
连续和离散系统:
所有变量都是时间的连续函数的系统称做连续变量或模拟系统,描述
的方程是微分方程。
离散变量或数字系统有一个或多个只是在特殊时刻可知的变量,如图
2-1A-2b,描述方程是差分方程。
如果时间间隔是可控的,系统被称做数据采样系统。
离散
变量随机地产生,例如:
为只能接受离散数据的数字计算机提供一个输入。
显然,当采样间
隔减小时,离散变量就接近一个连续变量。
不连续的变量,如图2-1A-2c所示,出现在开关或乓-乓控制系统中。
这将分别在后续的章节中讨论。
Linearandnonlinearsystems
线性和非线性系统:
如果系统所有元件都是线性的,系统就是线性的。
如果任何一个是非线性的,系统就是非线性的。
Time-invariantandtime-variantsystems
时变和时不变系统:
一个时不变系统或静态系统,其参数不随时间变化。
当提供一个输入时,时不变系统的输出不依赖于时间。
描述系统的微分方程的系数为常数。
如果有一个或多个参数随时间变化,则系统是时变或非静态系统提供输入的时间必须已知,微分方程的系数是随时间而变化的。
Lumpedparameteranddistributedparametersystems
集中参数和分散参数系统:
集中参数系统是其物理性质被假设集中在一块或多块,从而
与任何空间分布无关的系统。
在作用上,物体被假设为刚性的,被作为质点处理;弹簧是没
有质量的,电线是没有电阻的,或者对系统质量或电阻进行适当的补偿;温度在各部分是一
致的,等等。
在分布参数系统中,要考虑到物理特性的连续空间分布。
物体是有弹性的,弹
簧是有分布质量的,电线具有分布电阻,温度在物体各处是不同的。
集中参数系统由常微分
方程描述,而分布参数系统由偏微分方程描述。
Deterministicandstochasticsystems
确定系统和随机系统:
一个系统或变量,如果其未来的性能在合理的限度内是可预测和
重复的,则这个系统或变量就是确定的。
否则,系统或变量就是随机的。
对随机系统或有随
机输入的确定系统的分析是基于概率论基础上的。
Single-variableandmultivariablesystems
单变量和多变量系统:
单变量系统被定义为对于一个参考或命令输入只有一个输出的系
统,经常被称为单输入单输出(SISO)系统。
多变量(MIMO)系统含有任意多个输入和输出。
22
Thestabilityofacontinuousordiscrete-timesystemisdetermined
byitsresponsetoinputordisturbance.Intuitively,astablesystemis
onethatremainsatrest(orinequilibrium)unlessexcitedbyanexternal
sourceandreturnstorestifallexcitationsareremoved.Theoutputwill
passthroughatransientphaseandsettledowntoasteady-stateresponse
thatwillbeofthesameformas,orboundedby,theinput.Ifweapply
thesameinputtoanunstablesystem,theoutputwillneversettledown
toasteady-statephase;itwillincreaseinanunboundedmanner,usually
exponentiallyorwithoscillationofincreasingamplitude.
连续或离散系统的稳定性由其对输入或者干扰的响应决定。
直观地说,如果
一个系统是稳定的,则其停留在稳态(或者平衡点),除非是受到外部激励,且
当外部激励去除后,输出又回到稳态点。
输出经过瞬态阶段后将回到与输入有相
同形式的稳态或者是在输入的附近。
如果我们将同样的输入作用于不稳定的系
统,其输出将不会回到稳态,而是以无界的方式增长,通常其幅值是指数增长或
者振荡增长。
Stabilitycanbepreciselydefinedintermsoftheimpulseresponse
y(t)δofacontinuoussystem,Kronrckerdeltaresponsey(k)δofa
discrete-timesystem,asfollows:
Acontinuous(discrete-time)systemis
stableifitsimpulseresponsey(t)δ(Kroneckerresponsey(k)δ)approacheszeroastimeapproachesinfinity.
系统的稳定性可以用连续系统的脉冲响应y(t)δ或者离散系统的Kronrcker
Δ响应y(k)δ来定义:
一个连续(离散)系统是稳定的,如果其脉冲响应y(t)δ
(KronrckerΔ响应y(k)δ)当时间趋于无穷大时趋于零。
Anacceptablesystemmustatminimumsatisfythethreebasiccriteria
ofstability,accuracy,andasatisfactorytransientresponse.These
threecriteriaareimpliedinthestatementthatanacceptablesystemmust
haveasatisfactorytimeresponsetospecifiedinputsanddisturbances.
SoalthoughweworkintheLaplaceandfrequencydomainsforconvenience,wemustbeabletorelatethesetwodomains,atleastqualitatively,tothetimedomain.
一个可接受的系统必须至少满足:
稳定性、精度和满意的瞬态响应这三个指
标。
在陈述:
“一个可接受的系统对指定输入和扰动必须有满意的时域响应”已
经包含了这三个指标的含义。
因此尽管我们为了方便工作在拉氏域或者频率域,
我们必须与时间域(至少是定性的)相联系。
25
Whendifferentialequationsareencountered,theyarelinearizedand
subjectedtowhateverconstraintsarenecessarytoestablishuseful
input-outputrelationships.
当使用微分方程时,要对其进行线性化并受限于一定的约束条件才能建立有
用的输入-输出关系。
Arecognitionoftheapplicabilityofwell-knownmethodsinotherfieldsofknowledge.
认识到其他领域的一些有名的方法的适用性。
Thetransitionfromsimpleapproximatemodels,whichareeasytoworkwith,tomorerealisticmodelsproducestwoeffrcts.
从易于处理的简单近似模型到实际一些的模型的转换存在两方面的问题。
Withanadvancingtechnologicalsociety,thereisatrendtowardsmore
ambitiousgoals.Thisalsomeansdealingwithcomplexsystemwithalar
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