电路分析导论(第10版)的特色
罗先觉
(西安交通大学电气工程学院 教授)
由Robert L. Boylestad 编写的电路分析导论(Introductory Circuit Analysis)(第10版)2003年由著名的Prentice-Hall出版。该书的第1至第9版分别于1968、1972、1977、1982、1987、1990、1994、1997、2000年出版,前5版平均相隔5年出版,后5版平均相隔3年出版。作为再版9次的电气信息类专业的本科教材,该书形成了独有的特色。与其他英美电路教材相比,该书更贴近工程应用,注重实践,适合培养高等专科或高等职业学校的学生。
一、 全书贯穿常用计算机工具的使用
电路分析导论(第10版)从第4章开始,采用计算机软件工具辅助分析电路。在第4章,介绍了PSpice、Electronics Workbench(EWB)两种常用分析、仿真电路的计算机工具。从第13章(正弦交流波形),介绍C++如何用于电路分析。
PSpice和EWB在第4章引入后,几乎每章末都给出了这两种分析仿真软件(有时给出两种软件,有时给出其中一种软件)的使用例子。例如在第9章(网络定理)中,采用PSpcie证明叠加定理、戴维宁定理和最大功率传输。
由于采用了上述方法,使学生在学习电路理论的同时,学会和熟悉了常用计算机软件。这不但使电路分析变得更容易,使学生加深了对电路理论的理解。而且使学生掌握了有利的分析工具,可以比较容易地解决更复杂的电路问题。特别是对于学生设计电路或实验现象分析有很大的帮助,类似于虚拟实验。
二、 重视密切联系工程实际
教学内容与工程实际及实际生活密切联系是本书的最大特点。
首先,本书在各小节与相应的教学内容相适应,配有合适的照片和精确的绘图,以帮助学生直观地认识电路元件和电路部件的外观和内部构造。这有助于学生全面地、深刻地理解电路模型,也有助于使学生逐步建立工程的概念。将抽象的简化的电路模型与实际电路联系起来,避免了从书本到书本的缺点。即使学生没有直接接触实际电路元件,也可以从本书了解到很多电路元件的外观、规格和内部构造。表1给出了各章部分介绍实际电路元件的情况
表1?各章部分介绍实际电路元件和部件的内容列表
章 节 |
介绍的电路元件和电路部件 |
具体内容 |
第2章 |
直流电压源 |
几种不同形式的电池外观图和内部构造图、直流发电机简图。
直流稳压电源外观图。 |
第3章 |
电阻器 |
电线的横截面的构造、固定电阻的外观、可调电阻器外观。 |
第6章 |
个人计算机 |
计算机主板外观图 |
第10章 |
电容器 |
几种不同形式的电容器外观图和内部构造图、多层薄膜电容器和可调电容器的外观图,照相机闪光灯的构造图和电路图 |
第11章 |
线圈和磁带 |
线圈的构造图、磁带的工作原理图、硬盘的存储原理、 |
第12章 |
电感器 |
几种不同形式的电感器外观图和内部构造图 |
第13章 |
频率计、安培表双踪示波器 |
外观图 |
第16章 |
布线图 |
家庭电气系统的电气原理接线图 |
第16章 |
断路器 |
接地故障断路器的外观图、内部构造图和电气原理图。 |
从表1可以看出,上述内容插在正文之中介绍,使学生开阔视野,多次接触身边的电路元件和电气设备,增强了学生学习的趣味性。
三、 教学内容安排
该书教学内容安排与国外大多数教材安排有所不同,其特点是内容及其详细,表2列出各章内容。
表2?电路分析导论(第10版)各章内容安排
各章名称 |
各章内容 |
第1章:引言 |
电气学科发展简史、测量单位、单位系统。 |
第2章:电流和电压 |
电流和电压、直流电压源、导体和绝缘体、半导体、安培表和伏特表 |
第3章:电阻器 |
电阻器、温度效应、超导体、电阻器类型、电导、欧姆表。 |
第4章:欧姆定律、功率和能量 |
欧姆定律、功率、瓦特表、效率、能量、开关。 |
第5章:串联电路 |
电压源串联、基尔霍夫电压定律、电压分配规则、电压源内部电阻、测量技术 |
第6章:并联电路 |
并联元件、总电导和电阻、基尔霍夫电流定律、电流分配规则、开路和短路、伏特表的负载效应。 |
第7章:串并联网络 |
串并联网络、梯形网络、分压电源、分压加载、安培表、伏特表及欧姆表的设计。 |
第8章:分析方法(直流) |
电流源、电源变换、支路电流分析、网孔分析、节点分析、Y-Δ变换 |
第9章:网络定理 |
叠加定理、戴维宁定理、诺顿定理、最大功率传输定理、Millman定理、替代定理、互易定理 |
第10章:电容器 |
电场、电容器、介质强度、漏电流、电容器类型、含电容电路暂态分析(充电阶段和放电阶段)、初值、瞬时值、电容储能 |
第11章:磁路 |
磁场、磁通密度、磁导率、磁阻、磁路欧姆定律、磁力、安培环路定律、气隙、串并联磁路。 |
第12章:电感器 |
法拉第电磁感应定律、楞次定律、自感、电感器的类型、感应电压、RL电路暂态、电感器储能、电感器的串联和并联、直流输入下的RLC电路。 |
第13章:正弦交流波形 |
正弦交流电压、Sine波形、正弦电压电流的一般表达式、相位关系、平均值、有效值、交流电表和测量。 |
第14章:基本元件和相量 |
求导运算、基本R、L、C元件对正弦电压电流的响应、基本元件的频率响应、平均功率和功率因数、复数、直角坐标形式、极坐标形式、复数的运算、相量。 |
第15章:串联和并联交流电路 |
阻抗和相量图、串联结构、电压分配规则、RC电路的频率响应、导纳和电纳、并联交流网络、电流分配规则、并联RL网络的频率响应、等效电路、相位测量。 |
第16章:串并联交流电路 |
梯形网络 |
第17章:分析方法和选择题目 |
独立源和受控源、电源变换、网孔分析、节点分析、电桥、Y-Δ变换和Δ-Y变换。
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第18章:网络定理 |
叠加定理、戴维宁定理、诺顿定理、最大功率传输定理、替代、互易和Millman定理。 |
第19章:交流功率 |
电阻电路、视在功率、感性电路和无功功率、容性电路、功率三角形、总的P、Q、S,功率因数校正、瓦特表和功率因数表、有效电阻。 |
第20章:谐振 |
串联谐振电路、品质因数、选择性、并联谐振电路、并联谐振电路的选择曲线。 |
第21章:变压器 |
互感、铁心变压器、反射阻抗和功率、阻抗匹配和隔离、等效电路、耦合线圈的串联、空心变压器、变压器类型、抽头式和多负载变压器、具有磁耦合线圈的网络。 |
第22章:多相电路 |
三相发电机、Y形联结的发电机、相序、Y-Y联结、Y-Δ联结、Δ联结的发电机、相序、Δ-Δ联结和Δ-Y联结三相系统、功率、三瓦特法、二瓦特法、不对称三相四线Y联结负载、不对称三相三线Y联结负载、 |
第23章:分贝、滤波器和波特图 |
分贝、滤波器、RC低通滤波器、RC高通滤波器、带通滤波器、阻带滤波器、双调谐滤波器、波特图、具有有限衰减的低通滤波器、具有有限衰减的高通滤波器。 |
第24章:脉冲波形和RC响应 |
理想与实际、脉冲重复和占空系数、平均值、暂态RC网络、对矩形波输入的RC响应。 |
第25章:非正弦电路 |
傅氏级数、对非正弦输入的电路响应、非正弦波形的加减 |
第26章:系统分析导论 |
阻抗参数、电压增益、电流增益和功率增益、级联系统、阻抗参数、导纳参数、混合参数、输入和输出阻抗。 |
由李瀚荪主编的电路分析基础(第4版)是国内使用广泛的一部电路教材,表3给出了电路分析基础(第4版)各章内容
表3?电路分析基础(第4版)各章内容安排
各章名称 |
各章内容 |
第一篇 总论和电阻电路的分析 |
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第1章:集总参数电路中电压、电流的约束关系 |
电路模型、电流和电压及功率、基尔霍夫定律、电阻元件(欧姆定律)、独立电压源和电流源、受控源、分压公式和分流公式、KCL和KVL方程的独立性、支路分析。 |
第2章:网孔分析和节点分析 |
网孔分析法、互易定理、节点分析法、含有运算放大器的电阻电路、电路的对偶性。 |
第3章:叠加方法与网络函数 |
线性电路的比例性和网络函数、叠加原理、叠加方法与功率计算。 |
第4章:分解方法及单口网络 |
分解的基本步骤、单口网络的电压电流关系、单口网络的置换-置换定理、单口网络的等效电路、戴维宁定理、诺顿定理、最大功率传输定理、T形网络和Π型网络的等效变换。 |
第二篇 动态电路的时域分析 |
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第5章:电容元件与电感元件 |
电容元件及VCR、电感元件及VCR、状态变量。 |
第6章:一阶电路 |
分解方法在动态电路分析中的运用、零状态响应、阶跃响应和冲激响应、零输入响应、线性动态电路的叠加原理、三要素法、瞬态和稳态、正弦激励的过渡过程和稳态 |
第7章:二阶电路 |
LC电路中的正弦振荡、RLC串联电路的零输入响应、RLC串联电路的全响应、GCL并联电路的分析 |
第三篇 动态电路的相量分析法和s域分析法 |
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第8章:阻抗和导纳 |
复数、振幅相量、相量的线性性质和基尔霍夫定律的相量形式、三种基本电路元件VCR的相量形式、阻抗和导纳、相量模型的引入、正弦混联电路的分析、相量模型的网孔分析和节点分析、相量模型的等效、有效值及有效值相量、相量图。 |
第9章:正弦稳态功率和能量、三相电路 |
电阻的平均功率、电感和电容的平均储能、单口网络的平均功率、单口网络的无功功率、复功率基辅功率守恒、正弦稳态最大功率传递定理、三相电路。 |
第10章:频率响应、多频正弦稳态电路 |
正弦稳态网络函数、正弦稳态的叠加、平均功率的叠加、RLC电路的谐振 |
第11章:耦合电感的理想变压器 |
耦合电感的VCR、空心变压器电路的分析、耦合电感的去耦等效电路、理想变压器的VCR、理想变压器的阻抗变换性质、理想变压器的实现、铁心变压器的模型。 |
第12章:拉普拉斯变换在电路分析中的应用 |
拉普拉斯变换的定义及其基本性质、拉普拉斯反变换、零状态分析、网络函数与冲激响应、线性时不变电路的叠加公式。 |
电路分析导论(第10版)与电路分析基础(第4版)相比较,有如下特点:
1、 内容详细、节奏慢:
电路分析导论(第10版)各章内容上安排极为详细,不吝篇幅。
例如,在第3章电阻器,涉及温度效应、超导体、电阻器类型、电导、欧姆表等内容。而我国教材对于温度效应、电阻器的类型只简单提一下。
在第5章和第6章,介绍了电压分配和电流分配公式,而在第15章(串联和并联交流电路),则再次介绍了电压分配和电流分配公式。
在第9章(网络定理),介绍了叠加定理、戴维宁定理、诺顿定理、最大功率传输定理、Millman定理、替代定理、互易定理。而在第18章(网络定理),因为介绍到正弦稳态分析,再次介绍了叠加定理、戴维宁定理、诺顿定理、最大功率传输定理、替代、互易和Millman定理。我国的教材往往在介绍到正弦稳态分析时,通常将电路定理通过例题介绍,不单独列出小节。
在第22章(多相电路),三相发电机、Y形联结的发电机、相序、Y-Y联结、Y-Δ联结、Δ联结的发电机、相序、Δ-Δ联结和Δ-Y联结三相系统、功率、三瓦特法、二瓦特法、不对称三相四线Y联结负载、不对称三相三线Y联结负载。显然,我国大多数教材并不分这样细,通常将三相电路的内容分4-5小节介绍。
详细分小节介绍内容有利于学生总结阅读,但过于细分也有繁琐之嫌。从这点来讲,电路分析导论(第10版)过于繁琐,不如我国教材简明扼要。
但该教材由于介绍详细周到,且节奏很慢,适合于大专和高职学生学习。
2、 密切联系工程实际和实际电路
电路分析导论(第10版)密切联系工程实际,这从各章小节名称就可以看出来,这是电路分析导论(第10版)的一大特色,也是国外教材的优点。
例如,第21章(变压器),分别介绍了互感、铁心变压器、反射阻抗和功率、阻抗匹配和隔离、等效电路、耦合线圈的串联、空心变压器、变压器类型、抽头式和多负载变压器、具有磁耦合线圈的网络等内容。我国教材虽然也在教材中引出一些工程实例,但通常是在正文中插入一段工程实际算例或介绍,没有单独列出,而且工程实例的数量远远小于电路分析导论(第10版)。例如,我国教材电路分析基础(第4版)在第11章(耦合电感的理想变压器),介绍耦合电感的VCR、空心变压器电路的分析、耦合电感的去耦等效电路、理想变压器的VCR、理想变压器的阻抗变换性质、理想变压器的实现、铁心变压器的模型等内容。可以看出,作者给予理想变压器很大的关注。这与电路分析导论(第10版)有很大不同。这说明,我国作者与国外作者编写教材的观点是有很大差别的。
在电路分析导论(第10版),工程应用的举例很多,而且图文并茂,使读者觉得电路理论与实际生活很密切,增加了学习的乐趣。本书的特点是几乎每一章都有密切联系该章内容的应用,能给初学者以启示。例如,在第4章,作者以微波炉为例,介绍功率、频率等概念。而在第6章,介绍小轿车的照明控制系统。
3、 注重计算机应用
本书从第4章开始,就注意对于PSpice的应用。从第5章开始,介绍电子学工具(EWB)的使用。而且,在其后的各章,都介绍对应于本章内容PSpice和EWB的应用,使用的范围很宽。
4、 排版和格式
国外大多是教材的正文并不将页面排满,而是在页面的外侧留出三分之一的空间,作为提示或用作写读书笔记之用。这样的排版方式虽然浪费了空间,增加了书的成本,但的确有利于学习。
其次,电路分析导论(第10版)印刷精美,书中绘图精细、色彩丰富。书中不但根据教学内容所配照片清晰、表现力强,而且,对于很多实际电路,给出了电气原理接线图或结构图。这些,都提高了教材的质量,极大地对教学内容的学习起到了辅助作用,有利于增强学生的兴趣和对内容的理解。
另外,书中将重要的概念和定理都用方框阔起来,提示读者注意。重要的定义式或公式也用方框框起来,有利于读者快速查询。
四、 结论
从以上分析,我们可以看到,我国教材有自己的特色,有些方面有自己的优势。但整体来讲,存在较大的差距。主要是对于如何将教材写得适合教学规律,尚存在不足。许多地方写得比较粗糙,未将问题讲透。但电路分析导论(第10版)对于我国目前的大多数本科高校来讲,显得内容过于全面,篇幅太长,有效的学时难以完成本书的内容。
然而,正是电路分析导论(第10版)详细的表述,特别适合于自学者学习,也特别适合于高等专科和高等职业的学生学习,因为本书密切联系工程实际和实际生活,使学生能随时联系自己身边的例子,学习起来更有兴趣。而且,计算机应用贯穿全书,是学习本书的学生具有用计算机分析电路能力强的特点。