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电路 第十三章 非正弦周期电流电路和信号的频谱 §13-1 - §13-4 第十三章 非正弦周期电流电路和信号的频谱 主要内容 ※周期函数分解为傅里叶级数和信号的频谱 ※周期量的有效值、平均值 13-1 非正弦周期信号 生产实践和科学实验中,通常会遇到按非正弦规律变动的电源和信号。 例:※通信工程传输各种信号,如收音机、电视机收到的信号电压或电流,都是非正弦波。 ※自动控制、电子计算机等用到的脉冲信号也是非正弦波。 电路存在非线性元件,即使正弦电源作用,将产生非正弦周期的电流、电压。 半波整流电路的输出信号 本章主要内容简介 非正弦电流、电压又可分为周期和非周期两种。 本章主要讨论非正弦周期电源或信号作用下,线性电路稳态分析方法,简要介绍信号频谱初步概念。 首先用数学傅里叶级数(傅氏级数)展开方法,将非正弦周期激励电压、电流或信号分解为一系列不同频率的正弦量之和,再根据线性电路叠加定理,分别计算每一频率正弦量单独作用在电路产生同频正弦电流和电压分量;最后,把所得分量按时域形式叠加,可得非正弦周期激励下的稳态电流和电压。称谐波分析法。 实质是把非正弦周期电流电路计算化为一系列正弦电流电路计算。 13-2 周期函数分解为傅里叶级数 非正弦周期电流、电压、信号等都可用周期函数表示,即 f(t)=f(t+nT) 式中T为周期函数f(t)的周期,n=0,1,2,…。 给定周期函数满足狄里赫利条件:(1)周期函数极值点有限个;(2)间断点数目有限个;(3)一个周期内绝对可积,即: 就能展开成一个收敛傅里叶级数,即 ak项偶函数,bk项奇函数 还可合并成另一种形式 上述两种形式系数关系: 周期函数分解-2 傅里叶级数是一个无穷三角级数。式13-2第1项A0/2称周期函数f(t)恒定分量(或直流分量);第2项A1mcos(ω1t+ψ1)称1次谐波(或基波分量),周期或频率与原周期函数f(t)相同,其他各项统称高次谐波,即2次、3次、4次、…谐波。 将一个周期函数展开或分解为一系列谐波之和的傅里叶级数称谐波分析。 式13-1系数 按下列公式计算: 上述计算公式中k=0,1,2,…。 频谱(图) 为表示一个周期函数分解为傅氏级数后包含那些频率分量及各分量所占“比重”,用长度与各次谐波振幅大小相对应线段,按频率高低顺序依次排列,图13-1,称f(t)的频谱(图)。 只表示各谐波分量振幅,称幅度频谱。 把各次谐波初相用相应线段依次排列可得相位频谱。 如无特别说明,频谱专指幅度频谱。由于各谐波角频率是ω1整数倍,频谱离散,又称线频谱。 称频谱函数。 例 13-1-1 求图13-2a周期性矩形信号f(t)傅里叶级数展开式及其频谱。 解 f(t)在第一个周期内表达式 根据式13-3求所需系数: 当k为偶数时,结果为0。当k为奇数时: 即: 得: 例 13-1-2 图13-2b虚线取展开式中前3项,5次谐波时合成曲线。 图13-2c取到11次谐波合成曲线。 比较图形可见,谐波项数取得越多,合成曲线越接近于原来波形。 例 13-1-3 f(t)频谱: 表13-1几个典型周期函数傅里叶级数展开式 利用函数对称性简化系数ak、bk 电工技术中周期函数具某种对称性,利用对称性可使系数ak、bk确定简化。 图13-3偶函数纵轴对称,即 f(t)=f(-t), 故 bk=0 图13-4奇函数原点对称,即 f(t)=-f(-t),故 ak=0 图13-5奇谐波函数镜对称,即 f(t)=-f(t+T/2) 故 a2k=b2k=0 波形移动半周期后与横轴对称(图13-5虚线)。 计时起点的选择 式13-2系数Akm与计时起点无关,φk有关,因构成非正弦周期函数各谐波振幅及各次谐波相对位置一定,不会因计时起点变动而变动;计时起点只能使各次谐波初相改变。 ak和bk与初相φk有关,随计时起点变动而变。 函数奇、偶性质与计时起点有关,图13-3b图13-4b计时起点不同,函数奇、偶性不同。但函数是否为奇谐波函数与计时起点无关。 适当选择计时起点会使函数分解简化。 傅里叶级数的误差问题 傅里叶级数是无穷级数,非正弦周期函数分解,理论上必须取无穷多项准确代表原函数。实际运算只能截取有限项,产生误差。 截多少项视要求而定。涉及级数收敛快慢;或是相继项系数比值大小。如级数收敛很快,只取前几项就够,5次以上谐波可略。 函数波形越光滑和越接近正弦,展开级数收敛越快。 矩形波级数收敛较慢。如取 或t=T/4,则 取无穷多项,有f(T/4)=Em准确值。但取到11次谐波,结果约0.95Em;取到13次约为1.0
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