1.正弦信号的基本概念.ppt

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第4章 正弦稳态电路分析 4.1 正弦信号的基本概念 4.2 正弦信号的相量表示 4.3 基本元件VAR和基尔霍夫定律的相量形式 4.4 相量模型 4.5 相量法分析 4.6 正弦稳态电路的功率 4.7 谐振电路 4.8 三相电路 4.1 正弦信号的基本概念 4.1.1 正弦信号的三要素 正弦信号的大小与方向都是随时间作周期性变化的,信号在任一时刻的值,称为瞬时值。在指定的参考方向下,正弦电流、电压的瞬时值可表示为 i(t)=Imsin(ωt+θi) (4―1) u(t)=Umsin (ωt+θu) (4―2) 现以i(t)为例,说明正弦信号的三要素。 式(4―1)中,Im是正弦信号在整个变化过程中可能达到的最大幅值,称为振幅或最大值。(ωt+θi)是正弦信号的相位,t=0时的相位θi称为初相位,简称初相,单位是弧度(rad)或度(°)。通常规定初相在|θi|≤π范围内取值。一个正弦信号,若与时间轴原点间隔最近的正向(信号值由负到正)过零点位于原点左侧时,θi>0;否则,θi≤0。ω=d(ωt+θi)/dt称为角速度或角频率,单位是弧度/秒(rad/s),它表示正弦信号变化的快慢程度。 式(4―1)表明,若知道了正弦信号的振幅、角频率和初相,就能完全确定它随时间变化的全过程,所以常称振幅、角频率和初相为正弦信号的三要素。 由于正弦信号变化一周,其相位变化2π弧度,因此,角频率ω也可表示为 式中T为正弦信号的周期,单位是秒(s)。f为频率,单位是赫兹(Hz)。当频率很高时,常用千赫兹(kHz)或兆赫兹(MHz)作单位,其转换关系是 1MHz=103kHz=106Hz 正弦电流i(t)的波形图如图4.1所示。图4.1(a)中横坐标变量是时间t;图4.1(b)中横坐标变量是ωt。 4.1.2 相位差 正弦信号经过微分、积分运算或几个同频率正弦信号相加、相减运算后的结果仍是同频率的正弦信号。因而在相同频率的正弦信号激励下,线性非时变电路的稳态响应都是同频率的正弦信号。 两个同频率正弦信号在任一时刻的相位之差称为相位差。假设同频率的正弦电流和电压为 i(t)=Imsin(ωt+θi) u(t)=Umsin(ωt+θu) 则其相位差 ? θ=(ωt+θi)-(ωt+θu)=θi-θu 如果θ=θi-θu>0,如图4.2(a)所示,则表示随着t的增加,电流i要比电压u先到达最大值或最小值。这种关系称i超前于u或u滞后于i,其超前或滞后的角度都是θ;如果θ<0,如图4.2(b)所示,则结论恰好与上面情况相反。 如果θ<0,如图4.2(b)所示,则结论恰好与上面情况相反。 如果θ=0,则称i与u同相。如图4.2(c)所示,表示i与u同时达到最小值、零值与最大值。 如果θ=±π,则称i与u反相。此时,如图4.1(d)所示,当i达到最大值时,u却为最小值,反之亦然。 例1 已知正弦电流i1、i2和正弦电压u3分别为 ? i1(t)=5sin(ωt+30°)A i2(t)=-10sin(ωt+45°)A U3(t)=15cos(ωt+60°)V 试比较i1与i2、i1与u3间的相位关系。 解 比较两个正弦信号的相位关系时,除要求它们的频率或角频率相同外,还应注意信号的函数类型为正弦函数,以及瞬时表达式前面负号对相位的影响。由于 ? i2(t)=-10sin(ωt+45°)=10sin (ωt-135°) u3(t)=15cos(ωt+60°)=15sin (ωt+150°) 所以,i1与i2间的相位差为 ? θ12=30°-(-135°)=165° i1与u3间的相位差为

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