Teoretyczne podstawy techniki analogowej

Włodzimierz Wolski
Teoretyczne podstawy techniki analogowej
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki, podręcznik do przedmiotów" Technika Analogowa i Teoria Obwodów i Sygnałów
Wydanie II poprawione

SPIS TREŚCI

PRZEDMOWA (9)
Technika analogowa, bez wątpienia pasjonująca dziedzina elektroniki, jest wykładana w wielu skryptach, podręcznikach i opracowaniach monograficznych, poświęconych teorii obwodów. Kilka z nich jest wymienionych w wykazie literatury. Niestety, z punktu widzenia naszych Studentów, wszystkie mają podstawową wadę: nie są dostosowane do kursów techniki analogowej, prowadzonych dla Studentów Wydziału Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. Studenci odczuwają brak podręcznika, w którym technika analogowa byłaby reprezentowana w ujęciu odpowiadającym realizowanemu programowi, i w którym, przede wszystkim, byłyby zawarte wszystkie partie wykładanego materiału.
Podręcznik zawiera wszystkie działy techniki analogowej, wykładane na kierunkach Elektronika i Telekomunikacja, Informatyka, Automatyka i Robotyka oraz na studiach zaocznych, wieczorowych i filialnych.
Prezentowany w podręczniku wykład jest oparty na konspektach, corocznie modyfikowanych, opracowywanych do wykładów techniki analogowej i teorii obwodów, prowadzonych od wielu lat przez autora oraz na skryptach Teoria obwodów cz. I i II oraz Wybrane zagadnienia z teorii obwodów, opracowanych wspólnie z śp. Marcelim Uruskim. Autor ma nadzieję, że skrypt będzie ze wszech miar pomocny Studentom Wydziału Elektroniki oraz Wydziału Mikroelektroniki i Fotoniki, a także że krąg jego odbiorców będzie znacznie szerszy.
W podręczniku nie ma dodatków matematycznych, które mogłyby być przewodnikiem, poradnikiem matematycznym, przypominającym konieczne partie matematyki. Warto więc sięgnąć do dodatków w Teorii obwodów cz. II. Dodatki te jednak nie mogą być podstawą do nauczenia się niezbędnych partii matematyki. Trzeba sięgnąć po podręczniki matematyczne, wymienione w wykazie literatury.
W podręczniku rozwiązano wiele przykładów. Przykłady są zwykle bardzo proste. Zamysłem autora była bowiem ilustracja omawianych zagadnień, a nie prezentacja matematycznych metod rozwiązywania zadań. Nie ma zadań przeznaczonych do samodzielnego rozwiązywania. Trzeba więc sięgnąć do zbiorów zadań, wymienionych w wykazie literatury. W trakcie opracowania jest zbiór zadań, w którym zadania do samodzielnego rozwiązania będą powiązane z prezentowanym podręcznikiem.
Czuję się w miłym obowiązku podziękować Panu Prof. Michałowi Białce, którego niezmiernie skrupulatna recenzja umożliwiła usunięcie z pierwotnego tekstu wielu większych i mniejszych niedociągnięć, przyczyniając się do poprawy jakości podręcznika.
Serdecznie dziękuję moim Studentom oraz Kolegom z Zakładu Teorii Obwodów ITTA Politechniki Wrocławskiej za wskazanie błędów i niedociągnięć, przyczyniających się do poprawy jakości podręcznika w drugim wydaniu. Szczególnie dziękuję Kolegom dr. Andrzejowi Jarząbkowi i dr. Lesławowi Dereniowi.
OZNACZENIA PODSTAWOWYCH OPERACJI MATEMATYCZNYCH (10)

PODSTAWOWE POJĘCIA TECHNIKI ANALOGOWEJ I TEORII OBWODÓW (11)
1. Przedmiot techniki analogowej (11)
  1. Sygnał, opis sygnału, działania na sygnałach (12)
2. Pole elektromagnetyczne, warunek kwazistacjonarności (21)
3. Podstawowe zjawiska w rzeczywistych systemach elektrycznych, model systemu elektrycznego (25)
  1. Straty energii - rezystancja (26)
  2. Zmiany pola magnetycznego - induktor (30)
  3. Zmiany pola magnetycznego - induktory sprzężone polem magnetycznym (34)
  4. Zmiany pola elektrycznego - kondensator (36)
  5. Przemiana energii - źródła napięciowe i prądowe (40)
4. Modelowanie systemu elektrycznego (42)
  1. Przykłady konstruowania modeli urządzeń rzeczywistych (42)
5. Obwody elektryczne traktowane jako układy (49)
  1. Dwójnik, element wielozaciskowy, czwórnik (49)
  2. Transformator idealny (50)
  3. Żyrator (51)
  4. Obwód i układ, operator układu (51)
  5. Podstawowe właściwości układów (52)
  6. Obwody i układy SLS, e, i_z, obwody i układy SLSS (54)
6. Elementy teorii grafów liniowych (55)
  1. Określenia podstawowe (55)
  2. Macierze strukturalne grafu (57)
POSTULATY TEORII OBWODÓW (59)
1. Prawa Kirchhoffa i prawa Ohma (59)
  1. Umowne kierunki prądów i napięć (59)
  2. Prawa Kirchhoffa (60)
  3. Związki między prądem i napięciem; uogólnione prawa Ohma (64)
2. Transformacja oczkowa i węzłowa, moc, energia, bilans mocy (66)
3. Analiza obwodu elektrycznego SLS, e, i_z (70)
  1. Problem rozwiązalności obwodu (70)
  2. Układanie równań z wykorzystaniem pojęcia prądów oczkowych i napięć węzłowych (71)
ANALIZA OBWODÓW W STANIE USTALONYM PRZY POBUDZENIU SINUSOIDALNYM; METODA SYMBOLICZNA (75)
1. Pojęcie stanu ustalonego, składowe reakcji (75)
  1. Stan ustalony w obwodzie z pobudzeniem stałym (75)
  2. Stan ustalony przy pobudzeniu sinusoidalnym (78)
  3. Istota metody symbolicznej (79)
2. Postulaty teorii obwodów w ujęciu symbolicznym (83)
  1. Prawa Kirchhoffa (83)
  2. Związki między napięciem i prądem - uogólnione prawa Ohma (84)
  3. Połączenia elementów (89)
3. Obwody rezonansowe (90)
  1. Szeregowy obwód rezonansowy 990)
  2. Równoległy obwód rezonansowy (98)
4. Metody analizy obwodów SLS, e, i_z (101)
  1. Metoda prądów oczkowych analizy obwodów RLC, E, I_z (102)
  2. Metoda napięć węzłowych (104)
  3. Uwzględnienie źródeł sterowanych w metodzie prądów oczkowych i metodzie napięć węzłowych (1060
  4. Rozwiązalność obwodu metodą prądów oczkowych i napięć węzłowych (108)
5. Twierdzenia pomocnicze teorii obwodów (108)
  1. Twierdzenie o superpozycji (1080
  2. Twierdzenie Thevenina (111)
  3. Twierdzenie Nortona (114)
  4. Równoważność źródeł autonomicznych (116)
  5. Obliczanie impedancji wejściowej układów SLS (116)
  6. Moc w metodzie symbolicznej. Zasada maksymalnej mocy czynnej (118)
  7. Zasada wzajemności (123)
  8. Przesuwanie źródeł, zasady Vaschy (125)
6. Elementy teorii czwórników (125)
  1. Pojęcie czwórnika, opis macierzowy czwórnika (125)
  2. Właściwości czwórników: odwracalność, symetria, pasywność (130)
  3. Podstawowe czwórniki SLS (131)
  4. Czwórniki równoważne (135)
  5. Połączenia czwórników (137)
  6. Parametry robocze czwórnika (143)
7. Elementy teorii układów wielozaciskowych (145)
  1. Opis układu wielozaciskowego za pomocą macierzy admitancyjnej (145)
  2. Przekształcenia układu wielozaciskowego (148)
  3. Łączenie układów wielozaciskowych (151)
  4. Transmitancje układu wielozaciskowego (153)
8. Elementy teorii linii długich (156)
  1. Równania linii długiej (157)
  2. Rozwiązania równań linii długiej (159)
  3. Interpretacja fizyczna rozwiązań równań linii długich (161)
  4. Dopasowanie falowe linii długiej (165)
  5. Impedancja wejściowa linii długiej (168)
  6. Fala stojąca w linii długiej (168)
  7. Linia szczelinowa (172)
  8. Przekazywanie mocy przez linię długą (175)
  9. Zniekształcenia sygnałów w liniach długich (177)
  10. Reprezentacja macierzowa linii długich (180)
  11. Parametry rozproszenia dwójników i czwórników (185)
ANALIZA OBWODÓW PRZY DOWOLNYCH POBUDZENIACH; PRZEKSZTAŁCENIE LAPLACE'A (195)
1. Przekształcenie Laplace'a (195)
  1. Przekształcenie Laplace'a dystrybucji. Warunki istnienia ζ-transformaty (196)
  2. Podstawowe własności transformaty Laplace'a (199)
  3. Transformata Laplace'a funkcji okresowej (203)
2. Przekształcenie odwrotne Laplace'a (204)
  1. Metoda residuów obliczania transformaty odwrotnej Laplace'a (205)
  2. Metoda rozkładu na ułamki proste (206)
  3. Metoda Goldstome'a rozkładu na ułamki proste (208)
  4. Transformata odwrotna funkcji meromorficznej (209)
3. Zastosowanie przekształcenia Laplace'a do analizy obwodów (210)
  1. Prawa Kirchhoffa w ujęciu operatorowym (210)
  2. Prawa Ohma w ujęciu operatorowym (211)
  3. Twierdzenia pomocnicze teorii obwodów (215)
  4. Metody analizy obwodów SLS, s, i_z (217)
  5. Czwórniki i układy wielozaciskowe (218)
  6. Pojęcie funkcji układu (222)
4. Stabilność układów (223)
  1. Charakterystyki czasowe układów (224)
  2. Związek między pobudzeniem i reakcją w dziedzinie czasu (225)
  3. Twierdzenia o stabilności układów (227)
  4. Algebraiczne kryteria stabilności (230)
  5. Reakcja układu stabilnego w sensie BIBO na pobudzenie okresowe w stanie ustalonym (234)
ANALIZA OBWODÓW W STANIE USTALONYM PRZY POBUDZENIACH OKRESOWYCH; SZEREGI FOURIERA (237)
1. Szereg Fouriera funkcji okresowej (237)
  1. Odwrotna transformata Laplace'a funkcji okresowej - szereg Fouriera (237)
  2. Dyskretne widmo amplitudowe i fazowe sygnału okresowego (239)
  3. Właściwości zbioru współczynników szeregu ?Fouriera (242)
2. Przenoszenie sygnałów okresowych przez układy liniowe (244)
  1. Reakcja układu liniowego na pobudzenie okresowe (244)
  2. Związek z metodą symboliczną (247)
  3. Widmo mocy przebiegu okresowego (248)
  4. Wartość skuteczna przebiegu okresowego (249)
  5. Moce w obwodzie o okresowych wielkościach elektrycznych (250)
WIDMOWA ANALIZA OBWODÓW: CIĄGŁE PRZEKSZTAŁCENIE FOURIERA (253)
1. Przekształcenie Fouriera (253)
  1. Ciągłe widmo amplitudowe i fazowe sygnału (253)
  2. Związek transformaty Fouriera i transformaty Laplace'a (256)
  3. Dystrybucyjna transformata Fouriera (257)
  4. Podstawowe właściwości przekształcenia Fouriera (258)
2. Przenoszenie sygnałów przez układy SLS (259)
  1. Funkcja widmowa układu SLS (259)
  2. Układ niezniekształcający (262)
  3. Układy kształtujące (265)
  4. Widmo energii sygnału. Częstotliwości graficzne widma (267)
3. Charakterystyki częstotliwościowe układów (269)
  1. Logarytmiczne charakterystyki częstotliwościowe (270)
  2. Charakterystyki asymptotyczne układu (271)
  3. Związki między charakterystykami częstotliwościowymi układu. Zależności Kroniga - kramersa (275)
  4. Związki między charakterystyką amplitudową i fazową układu (281)
4. Warunki realizowalności układów (281)
  1. Podstawowy warunek fizycznej realizowalności układu (281)
  2. Kryterium Paley'a-Wienera (283)
5. Sprzężenie zwrotne, kryterium stabilności Nyquista (287)
  1. Schematy blokowe (287)
  2. Różnica zwrotna, stosunek zwrotny (291)
  3. Przyrost argumentu wielomianu - zasada argumentu Cauchy'ego (294)
  4. Kryterium Michajłowa stabilności w sensie BIBO układu SLS (297)
  5. Kryterium Nyquista stabilności w sensie BIBO układu SLS (298)
6. Sygnały zmodulowane (304)
  1. Modulacja sinusoidalnej fali nośnej (305)
  2. Modulacja amplitudy (305)
  3. Modulacja częstotliwości (308)
  4. Modulacja amplitudy ciągu impulsów - PAM (310)
  5. Modulacja położenia impulsów - PPM (312)
ANALIZA UKŁADÓW IMPULSOWYCH; PRZEKSZTAŁCENIE Z (313)
1. Układy ciągłe i układy dyskretne (313)
  1. Impulsator idealny, impulsator rzeczywisty (317)
  2. Twierdzenie Shannona (317)
  3. Odtwarzanie sygnału ciągłego na podstawie widma sygnału spróbkowanego (319)
2. Przekształcenie Z i jego podstawowe właściwości (321)
  1. Definicja przekształcenia Z (321)
  2. Właściwości przekształcenia Z (324)
  3. związek transformaty Z i transformaty Laplace'a (326)
  4. Odwrotne przekształcenie Z (327)
3. Zastosowanie przekształcenia Z do analizy układów impulsowych (330)
  1. Równania i dyskretne funkcje układów impulsowych otwartych (330)
  2. Równania i dyskretne funkcje układów impulsowych zamkniętych (340)
  3. Stabilność układów impulsowych (346)
ANALIZA OBWODÓW METODĄ ZMIENNYCH STANY (351)
1. Stan obwodu, równania stanu (351)
  1. Pojęcie równań stanu (352)
  2. Wybór zmiennych stanu. Stopień kompleksowości obwodu RLS, e, i_z (354)
2. Układanie równań stanu dla obwodu RLC, e, i_z (356)
3. Rozwiązanie równań stanu (358)
4. Stabilność układów opisanych równaniami stanu (363)
ANALIZA OBWODÓW NIELINIOWYCH (365)
1. Element nieliniowy, charakterystyka, parametry (365)
  1. Charakterystyka problemu analizy obwodów nieliniowych (365)
  2. Nieliniowe elementy skupione (366)
2. Podstawowe elementy nieliniowe (366)
  1. Rezystor (366)
  2. Kondensator i induktor (368)
  3. Elementy dwójnikowe innych typów (368)
  4. Źródła autonomiczne (369)
  5. Tranzystor jako element trójzaciskowy (369)
  6. Źródła sterowane jako nieliniowe elementy trójzaciskowe (371)
  7. Elementy wielozaciskowe (371)
  8. Elementy inercyjne i bezinercyjne (372)
3. Pobudzenia stałe w nieliniowych obwodach rezystancyjnych (372)
  1. Punkt pracy elementu nieliniowego (372)
  2. Połączenia rezystorów nieliniowych (373)
  3. Metody analityczne rozwiązywania nieliniowych obwodów rezystancyjnych prądu stałego (376)
  4. Weryfikacja rozwiązań równań opisujących obwody nieliniowe (378)
  5. Obwód nieliniowy dla przyrostów, linearyzacja obwodu (382)
4. Nieliniowe obwody rezystancyjne przy pobudzeniach zmiennych (383)
  1. Rezystor nieliniowy pobudzany przebiegiem sinusoidalnym (384)
  2. Rezystor nieliniowy pobudzany sumą przebiegów sinusoidalnych (386)

LITERATURA (389)

Materiał udostępnił Grzegorz Makarewicz, 'gsmok'