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[电路/定理]

酱油启示录——77,一点思考...

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楼主
最近发了几个“酱油”帖(本来就是定位于打酱油,自然不会过于认真),给出一些东西“测试”一下,观其反应如何,结果是基本不出所料。

先把一些东西粗略地梳理一下:

一)引入线性

其实,就理论研究的成熟度和实际操作使用来看,线性几乎占了绝大部分。这应该是非常好理解而且必须弄懂的事情,现实表明其不然。

二)引入《电路》模型

学电的不懂《电路》,那不是奇了怪了吗。但是,那却是现实。

三)引入《工程数学》

纯数学或类似数理方法什么的东西可能不太适合这里的“环境”,但起码的《工程数学》的基础得有点吧,现实表明还真缺乏。



下面就随我来看个究竟:


1)引入线性

“为了简化表述,先仅限于线性范畴。既然提及“线性”,那就必须给出其严格的定义,在电路中,只要器件的所有参数都与其电路变量(譬如电压和电流)的幅度(即大小)无关,则就是线性的。显然,此地所涉及的参数为电阻值(含负阻)、电容量、电感量以及受控源的增益或跨导或跨阻。此外,还假设没有噪声(通常把噪声作为外源考虑)。”

这已经是非常直白的东西,无需再作过多的解释。


2)引入电路模型

“由基尔霍夫定律以及阻容感的本构关系和线性受控源的特性,关于振荡器可以列出一组线性齐次微分方程。对方程作拉普拉斯变换,则可以得到一组相应的齐次S域代数方程,如下表示

    A X = 0

接下来就是解此方程了。具体解先不议,仅考虑其解空间的结构。首先 X=0 显然是其一个解,此外可以看到,若X1、X2、...、Xn为方程的n个解则其线性组合k1 X1 + k2 X2 +...+ kn Xn必然也是方程的解。由此可见,方程的解空间是个线性子空间,其可以是零维的(即只有X=0)或大于等于一维的线性空间。如果解空间是一维以上的,显然具体解就取决于初始条件了。意味着,若X是方程的解,则 n X(n=1,2,...)同样也是其解。譬如,某个时点上振荡器的输出为1V(这个值是由初始条件决定的),若改变初始值至10倍则相应时点上的输出将是10V(注意,这不是瞬态量)。”


这里除了引入电路模型外,关于“线性”还作了相应的补充解释。若这都不理解,怪谁呢?《电路》和《线性代数》都是大学一年级的课程。


3)引入《工程数学》

“进一步分析方程

    A X = 0

若是方程组(譬如状态方程组),则将其整合成单一变量的高阶方程。这样,就可以得到一个特征多项式与之对应。要得到X的非零解,其特征多项式必须为零,而由此就可以确定解X的某些特性了,譬如频率。这就是振荡器“选频”的机理——含S的特征多项式,而此多项式必须以“电抗”(容感)作为其物理基础。

注意到线性方程解中还可能含有实指数项,即存在着指数衰减或增长的因子,再结合上述关于初始值线性地决定解的大小的结论,可见线性对解的大小(或幅度)完全没有“稳定”作用。稳定不是源于线性。”


线性常微分方程的求解是《工程数学》的基本内容,这都不会的话我都不知道那什么来形容了。这里不仅引入了方程还对其解形式给出了提示(譬如复指数)。


4)随机噪声

虽然噪声只是作为振荡的初始激发而提到的一个概念,但也点出了其对振荡稳定性的影响。不过,在此主要还是考虑其“第一推动力”的作用(包括扰动)。而这点至今还有人弄不明白,非得要弄个“妖”来才安心。

5)综上,给出了一个特例。并引入了一个“环路条件

“还是给个实例分析,就是电容三点式振荡器。用两种方法对比,可以看到其等效性。

其中,C1为BE间电容,C2为CE间电容,L为BC间电感,rbe为BE动态电阻,β为电流放大倍数,忽略ro。采用线性分析。

一)直接计算环路增益T

    T = - β Zc1 Zc2/((Zc2 + Zl + Zc1||rbe)(Zc1 + rbe))

其中,Zc1、Zc2、Zl分别为C1、C2、L的阻抗。

按环路条件 T = 1 得方程

    β Zc1 Zc2/(Zc1 + rbe) + Zc2 + Zl + Zc1||rbe = 0

二)“负阻”等效

断开电感,从此端口看进去的阻抗的计算步骤为

    Z0 = Zc2 + Zc1||rbe
    T0 = β Zc1 Zc2/((Zc2 + Zc1||rbe)(Zc1 + rbe))
    T∞ = 0

    Z = Z0(1 + T0)/(1 + T∞)
       = (Zc2 + Zc1||rbe)(1 + β Zc1 Zc2/((Zc2 + Zc1||rbe)(Zc1 + rbe)))
       = Zc2 + Zc1||rbe + β Zc1 Zc2/(Zc1 + rbe)

分离I~U,得环路增益T = - Z / Zl,同样按照环路条件T = 1的方程

    Zc2 + Zc1||rbe + βZc1 Zc2/(Zc1 + rbe) + Zl = 0

显然这是一致的。

将器件阻抗表达式代入得特征方程

    L C1 C2 rbe S^3 + L C2 S^2 + (C1 + C2)rbe S + β + 1 = 0

可以由此求一般解,不过这里仅考虑稳态条件。令S=j ω代入,得方程组

    -L C2 ω^2 + β + 1 = 0

    -L C1 C2 ω^2 + C1 + C2 = 0

简化得到

    ω^2 = (C1 + C2) / (C1 C2 L)

    C2/C1 = β

这就是稳态条件。”


“环路条件”是系统非平凡解制约条件的直接翻版,由此直接得到了系统的特征方程,而由特征方程就可得系统的通解。这是《电路》+《数学》,没有什么特别深奥的东西。看不懂或不理解的原因前面已经说得很清楚了。这里想附加说明的是,这是个简化电容三点式振荡器模型的线性分析,而且给出了两个解法的对比。如果有人对此有异议,可以直接列基尔霍夫方程求解验证。若有不同者,尽可质疑。


5)关于“T(S)=1”

为此还特意发了一帖,可见其重要性。在此,仅作一个简要的说明,若有异议在那个帖内尽可提出。

“T(S) = 1”到底是什么意思?前面说了,它是闭环系统非平凡解的制约条件,由此得到特征方程,进而是特征根、通解...

关于它的应用,看那个例子吧。



最后申明:本人在此坛仅打酱油,附带娱乐一把而已....

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沙发
路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-23 11:23 | 只看该作者
关于“平凡”与“非平凡”:

说一个人特平凡,估计那意思是此人基本可以被无视掉的。反过来说,也就是此人对社会不会有太突出的贡献或影响。社会——A,那人——X,这关系就成了

    A X = 0

那“0”表示没有入侵者。

通常,X=0者是可被无视的,A只对X≠0者才有意义。这就是“数学社会学”。

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板凳
路过打酱油。。|  楼主 | 2014-2-23 22:34 | 只看该作者
任何理论都必须有其最基础的根基,如果是基于同一个根基上的理论其所有结论都应该是相同或等价的。

在此,再重点把“线性振荡器”的理论基础强调一下:

一)线性时不变

那就是所有电路的器件参数与电路变量无关,且时不变。即都是常数

二)《电路》原理

其实,那就是基尔霍夫定律。需要强调的是,若器件参数与电路变量无关且时不变,那么由基尔霍夫定律所确定的数学方程是个线性常系数常微分方程

三)振荡器模型

振荡器本身就是个信号源,其内不应该再存在有任何人为设定的独立信号源(噪声和扰动除外)。即振荡器不应该有外部激励,也不应该是嵌套的。那么振荡器模型内就只能由电阻(含负阻)、电容、电感、受控源构成。


由上面三条,可以得出一个结论,那就是描述振荡器的数学方程是个齐次线性常系数的常微分方程。相应的S域代数方程为

    A X = 0

而其特征方程为

    |A| = 0

其等价形式为

    T(S) = 1

T(S) 为环路传递函数。

关于此类方程的解可以参考相关书籍。容易发现其基本就是复指数形式。

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