《电路》课程教学资源（教案）第十四章 网络函数

第十四章网络函数一、教学基本要求1、理解网络函数的的定义和极点、零点的概念；2、掌握网络函数的零点、极点与冲激响应的关系3、掌握网络函数的零点、极点与频率响应的关系；4、了解卷积定理，能利用卷积定理求电路的响应。二、教学重点与难点教学重点：1.网络函数的的定义和极点、零点的概念；2.网络函数的零点、极点与冲激响应的关系；3.网络函数的零点、极点与频率响应的关系。教学难点：1.零点、极点与冲激响应的关系2.零点、极点与频率响应的关系三、本章与其它章节的联系：本章以第13章为基础，是叠加定理（第4章）的一种表现。冲激响应可参见第6章和第7章。频率响应可参见第9章。四、学时安排总学时：4学时教学内容1.网络函数的定义和极点、零点的概念；网络函数的零点、极点与冲激响应2的关系22.网络函数的零点、极点与频率响应的关系；卷积定理五、教学内容$14.1网络函数的定义1．网络函数的定义电路在单一的独立激励下，其零状态响应r（t）的象函数R(s)与激励e（t）的象函数E(s)之比定义为该电路的网络函数H(s)，即：H(s)= R()E(s)2．网络函数的类型

第十四章 网络函数 一、教学基本要求 1、理解网络函数的的定义和极点、零点的概念； 2、掌握网络函数的零点、极点与冲激响应的关系； 3、掌握网络函数的零点、极点与频率响应的关系； 4、了解卷积定理，能利用卷积定理求电路的响应。 二、教学重点与难点 教学重点：1. 网络函数的的定义和极点、零点的概念； 2. 网络函数的零点、极点与冲激响应的关系； 3. 网络函数的零点、极点与频率响应的关系。 教学难点：1. 零点、极点与冲激响应的关系 2. 零点、极点与频率响应的关系 三、本章与其它章节的联系： 本章以第 13 章为基础，是叠加定理（第 4 章）的一种表现。冲激响应可 参见第 6 章和第 7 章。频率响应可参见第 9 章。 四、学时安排 总学时：4 教 学 内 容 学 时 1．网络函数的定义和极点、零点的概念；网络函数的零点、极点与冲激响应 的关系 2 2．网络函数的零点、极点与频率响应的关系；卷积定理 2 五、教学内容 §14.1 网络函数的定义 1. 网络函数的定义 电路在单一的独立激励下，其零状态响应 r(t) 的象函数 R(s)与激励 e(t) 的象函数 E(s)之比定义为该电路的网络函数 H(s)，即： 2 ．网络函数的类型

设图14.1中，U;(s)为激励电压、4(s)为激励电流；U(s)为响应电压、(s)为响应电流。根据激励E(s)可以是独立的电压源或独立的电流源，响应R(s)可以是电路中任意两点之间的电压或任意一支路的电流，故网络函数可以有以下几种类型：I(s)2(s)U2(s)Ui(s)图14.1驱动点阻抗：H(s)-U(s)/4(s)；驱动点导纳：H()-(s)/U(S);转移阻抗：H(s)=U(s)(s)；转移导纳：H(s)-1(s)/U(s);电流转移函数：H(s)=1,(s)//(s)；电压转移函数：H(s)=U,(s)/U(s)。注意：(1）根据网络函数的定义，若E(s)=l，即e(t)=8（t)，则R(s)=H(s），即网络函数就是该响应的象函数。所以，网络函数的原函数h（t）为电路的单位冲激响应，因此如果已知电路某一处的单位冲激响应h（t），就可通过拉氏变换得到该响应的网络函数。（2）网络函数仅与网络的结构和电路参数有关，与激励的函数形式无关，因此如果已知某一响应的网络函数H(s），它在某一激励E(s）下的响应R(s)就可表示为R(s)=H(s) E(s)例14-1图示电路中，已知"()=8()时，{()=h(0)=e-cost。求u()=Be-t时，3()=?

设图 14.1 中， 为激励电压、 为激励电流； 为响应电压、 为响应电流。 根据激励 可以是独立的电压源或独立的电流源，响应 可以是电路中任意两点之间的电压或任意一支路的电流，故网络函数可以有以下 几种类型： 图 14.1 驱动点阻抗： ； 驱动点导纳： ； 转移阻抗： ； 转移导纳： ； 电流转移函数： ； 电压转移函数： 。 注意： （1）根据网络函数的定义，若 E(s)=1 ，即 e(t)=δ(t)，则 R(s)=H(s) ， 即网络函数就是该响应的象函数。所以，网络函数的原函数 h(t) 为电路的单位 冲激响应，因此如果已知电路某一处的单位冲激响应 h(t) ，就可通过拉氏变换 得到该响应的网络函数。 （2）网络函数仅与网络的结构和电路参数有关，与激励的函数形式无关， 因此如果已知某一响应的网络函数 H(s) ，它在某一激励 E(s) 下的响应 R(s) 就可表示为 R(s)=H(s)E(s) 例 14－1 图示电路中，已知 时， 。求 时

Ii(s)2(s)+U2(s)Ui(s)例14-1图解：网络函数H(s)=Z[()]s+2= (s + 2)* +1EU,(s) =当u(t)=Ee-ts+2时，所以EI(s) = H(s)U(s) =(s+2)* +1i(t) = L[l(s)] = Ee-" sin t例14-2图示电路激励i(t)=8（t)，求冲击响应h(t），即电容电压u(t）。isRC例14-2图（a）解：电路的运算图如图（b）所示，有：1,(s)1/sC+Uds)R例14-2图（b）

例 14-1 图 解： 网络函数 = 当 时， 所以 例 14－2 图示电路激励 i(t)=δ(t) ，求冲击响应 h(t) ，即电容电压 uC(t) 。 例 14-2 图（a） 解： 电路的运算图如图（b）所示，有： 例 14-2 图（b）

111Uc(s)Uc(s)11CH(s)=sC+s+1Ig(s)RRC1Re(t)h(t)= u.(t) = L-[H(s)] S+1/RCC注意：H(s）仅取决于网络的参数与结构，与输入E(s)无关，因此网络函数反映了网络中响应的基本特性。例 14-3 图(a)所示电路激励为,(t)=s(t)，响应为ur、ua求阶跃响应St(t)、s,(t)20I(s)（t)I(s)Y102H2s(s)et1店(s)S4/s1/4F例14-2 图(a)例14-2图(b)解：电路的运算图如图（b）所示，有：1U,(s)4s + 4H,(s)=412 + 5s +6Ig(s)+1+2+2ss4sU,(s)2sU. (s)H,(s)二Ig(s)2+2ss*+5s+64s + 4U;(s) = H,(s)I(s)s(s2 + 5s +6)4sU,(s)= H,(s)I(s)=$(s2+5s+6)8g-32+2e-2-8S(t)= 333S,(t)= 4e-^- 4e-

注意：H(s) 仅取决于网络的参数与结构，与输入 E(s)无关，因此网络函 数反映了网络中响应的基本特性。 例 14－3 图（a）所示 电路激励为 ，响应为 求阶跃响应 。 例 14-2 图（a） 例 14-2 图(b) 解： 电路的运算图如图（b）所示，有：

网络函数的极点和零点$14.2网络函数的H(s）的分母和分子都是s的多项式，故一般形式为N(s)_ bus"+bu--s*-+ +..+b.H(s)=D(s) a,s"+ an-s"- +...+ ag(s-z,)(s-z,)(s-z,)... (s-z,)...(s -zm)=H.H(s-p)(s-p2)...(s-p,)...(s-pa).II(s-p,)5-1其中，H是一个常数，zi(i=l,2,"，m）是N(s)=0的根，p(j=l,2，"，n）是 D(s)=0 的根。当s=z时，H(s)=0，故z（i=l,2,，m）称为网络函数的零点；当s=p时，H(s)=co，故p（j=l,2,，n）称为网络函数的极点。在复平面（也称为S平面）中，H(s）的零点用“O”表示，极点用“×”表示，构成网络函数的零、极点分布图如图14.2所示。jow图14.22s2-12s+16H(s)= $3+4s*+6s+3例14-4已知网络函数绘出其极零点图。解: N(s)=2s*-12s+16=2(s-2)(s-4)即H(s)的零点为：Z1=2 Z=4D()=8+48+6s+3-{$+1)s++s+号-.21222即H(s)的极点为：V33±iP =-1,P2.3 =22零极点图如例14-4图所示

§14.2 网络函数的极点和零点 网络函数的 H(s) 的分母和分子都是 s 的多项式，故一般形式为 其中，H0 是一个常数，zi(i=1,2,., m ) 是 N(s)=0 的根， pj(j =1,2,., n ) 是 D(s)=0 的根。 当 s =zi时， H(s)=0 ，故 zi( i =1,2,., m ) 称为网络函数的零点； 当 s =pj时， H(s)=∞ ，故 pj( j=1,2,., n ) 称为网络函数的极点。 在复平面（也称为 s 平面）中， H(s) 的零点用“ ○ ”表示，极点用 “ × ”表示，构成网络函数的零、极点分布图如图 14.2 所示。 图 14.2 例 14－4 已知网络函数 ， 绘出其极零点图。 解： 即 的零点为： 即 的极点为： 零极点图如例 14-4 图所示

ja例14一4图零点、极点与冲激响应$14.3H(s）和E(s)一般为有理分式，因此可写为N(s) P(s)R(s)= H(s)E(s) =D(s) Q(s)式中N(s)P(s)E(s) = H(s) =D(s),Q(s),而 N(s)、D(s)、P(s)、Q(s)都是 s 的多项式。用部分分式法求响应的原函数时，D(s)(s)=0的根将包含D(s)=0和Q(s)=0 的根。令分母D(s)=0，解出根pi，（i=l，"，n），同时，令分母Q(s)=0，解出根Pi，（j=l，，m）。那么，R(s)=2,4 +2B)台s-Pis-pj则响应的时域形式为：w4EBerZAe"r()= L-[R(s)]=台-1NZAe"中包含D(s)=○的根，属于自由分量或瞬态分量；响应其中响应-ZBe"?3-1中包含Q(s)=0的根（即网络函数的极点），属于强制分量。因此，自由分量是由网络函数决定的，强制分量是由强制电源决定的。可见，D(s)=0O的根对决定R(s）的变化规律起决定性的作用。由于单位冲

例 14 — 4 图 §14.3 零点、极点与冲激响应 H(s) 和 E(s) 一般为有理分式，因此可写为 式中 ， ，而 、 、 、 都是 s 的多 项式。用部分分式法求响应的原函数时， 的根将包含 和 的根。 令分母 D(s)=0，解出根 pi,( i=1,., n )， 同时，令分母 Q(s)=0，解出根 pj,(j=1,., m ) 。那么， 则响应的时域形式为： + 其中响应 中包含 的根，属于自由分量或瞬态分量；响应 中包含 的根（即网络函数的极点），属于强制分量。因此， 自由分量是由网络函数决定的，强制分量是由强制电源决定的。 可见，D(s)=0 的根对决定 R(s) 的变化规律起决定性的作用。由于单位冲

激响应h(t）的特性就是时域响应中自由分量的特性，所以分析网络函数的极点与冲激响应的关系就可预见时域响应的特点。若网络函数为真分式且分母具有单根，则网络的冲激响应为：h() =L[H(s)]=(Z_4_]=Z4e"is-P上式说明：（1）若H(s)的极点Pi都位于负实轴上，为负实根时，e为衰减指数函数，则h()将随t的增大而衰减，称这种电路是稳定的；若有一个极点P为正实根时，e”为增长的指数函数，则h()将随t的增长而增长；而且IP：|越大，衰减或增长的速度越快，称这种电路是不稳定的。（2）当极点Pi为共轭复数时，由于h()是以指数曲线为包络线的正弦函数，其实部的正或负确定增长或衰减的正弦项。（3）当Pt为虚根时，则将是纯正弦项。图14.3画出了网络函数的极点分别为负实数、正实数、虚数以及共轭复数时，对应的时域响应的波形。注意：Pi仅由网络的结构及元件值确定，因而将Pi称为该网络变量的自然频率或固有频率。A图14.3

激响应 h(t) 的特性就是时域响应中自由分量的特性，所以分析网络函数的极点 与冲激响应的关系就可预见时域响应的特点。若网络函数为真分式且分母具有单 根，则网络的冲激响应为： 上式说明： （1） 若 的极点 都位于负实轴上，为负实根时， 为衰减指数 函数，则 将随 t 的增大而衰减，称这种电路是稳定的；若有一个极点 为 正实根时， 为增长的指数函数，则 将随 t 的增长而增长；而且 越 大，衰减或增长的速度越快，称这种电路是不稳定的。 （2） 当极点 为共轭复数时，由于 是以指数曲线为包络线的正弦 函数，其实部的正或负确定增长或衰减的正弦项。 （3） 当 为虚根时，则将是纯正弦项。 图 14.3 画出了网络函数的极点分别为负实数、正实数、虚数以及共轭复数 时，对应的时域响应的波形。 注意： 仅由网络的结构及元件值确定，因而将 称为该网络变量的自 然频率或固有频率。 图 14.3

例14一5已知网络函数有两个极点分别在S=0和S=-1处，二个单零点在S=1lim h(t)=10处，且有，求H(s)和 h(t)。解：由已知的零、极点可知：k(s-1)H(s)=s(s +1)所以k(s-1)h(t)= L-[H(s)]= Lk+2ke-s(s +1)由于lim h(t)=100解得：k=-10所以H(s) = -10(s-1)s(s +1)零点、极点与频率响应$14.4令网络函数H(s)中复频率s等于j@，分析H(jの）随の变化的情况，就可预见相应的网络函数在正弦稳态情况下随の变化的特性。对于某个固定的，H(jo）通常为一个复数，可表示为Ha)=[H(ja)k=[HUa)], (ja)[H(j)|为网络函数在频率の处的模值，[H(ja)随频率の变化的关系式中，为幅度频率响应，简称幅频特性；@=arg[H(ja)】随频率变化的关系为相位频率响应，简称相频特性。由于：(jα-z.)H(ja)=H.-(ja-p,)/)

例 14－5 已知网络函数有两个极点分别在 s=0 和 s=-1 处，一个单零点在 s=1 处，且有 ，求 H(s) 和 h(t)。 解： 由已知的零、极点可知： 所以 由于 ， 解得： k =-10 所以 §14.4 零点、极点与频率响应 令网络函数 H(s) 中复频率 s 等于 jω ，分析 H(jω) 随 ω 变化的情况， 就可预见相应的网络函数在正弦稳态情况下随 ω 变化的特性。 对于某个固定的，H (jω ) 通常为一个复数，可表示为 / 式中， 为网络函数在频率 ω 处的模值， 随频率 ω 变化的关系 为幅度频率响应，简称幅频特性； 随频率 ω 变化的关系为相位频率响应，简称相频特性。 由于：

所以幅频特性为：Ik -z)lH(j-Ho-IIki @- p,)l相频特性为：arg[H(ja)]-arg(jα-z,)-2arg(ja-p,)1-1/-1若已知网络函数的极点和零点，则按上式便可计算对应的频率响应，同时还可通过S平面上零极点位置定性描绘出频率响应。例14-6定性分析图（a）所示RC串联电路以电压uc为输出时电路的频率响应。Rus例14-6图（a）解：网络函数1U,(s) RCH(s) -U(s)15 +RC极点为1S=RC令s→jo，则1H.RCH(jw)=1jw-prjw+RC或写为：H.H(jo)=MelH(s)的极点分布见图(b)所示。由图(b)可得图（c)所示的幅频特性和(d)所示的相频特性

所以幅频特性为： 相频特性为： 若已知网络函数的极点和零点，则按上式便可计算对应的频率响应，同时还 可通过 s 平面上零极点位置定性描绘出频率响应。 例 14－6 定性分析图（a）所示 RC 串联电路以电压 uC 为输出时电路的频率响 应。 例 14-6 图（a） 解： 网络函数 ， 极点为 令 s → jω ，则 或写为： H(s)的极点分布见图(b)所示。 由 图 (b) 可 得 图 (c) 所 示 的 幅 频 特 性 和 (d) 所 示 的 相 频 特 性

+10+H(0)]1IMM10+RC1o11MM10CiRCi0MC1MMI0RC0gTRC(b)(c)(d)卷积$14.51．拉氏变换的卷积定理(1)卷积积分f(t) *f,(t)= (t)* f(t)-f(5)f(t -5)ds=If(t-5)f(5)ds（2）卷积定理若[(t)=F(s)L[(t)]= F,(s)L[(t) * J,(t)]= F (s)F,(s)则2.应用卷积定理求电路响应设E(s)表示外施激励，H(s)表示网络函数，响应R(s)为R(s)= H(s)? E(s)求R(s）的拉氏反变换，得到网络零状态响应的时域形式r(t)= L[R(s)] = Z-[H(s)E(s)] =h(t)*e(0)-I' e(5)h(t-5)d--I h(5)e(t- )d这里e(）是外施激励的时域形式，h()）是网络的冲激响应。例14-7已知图示电路u,=0.6e-，冲击响应h(t)=5e"，求u。(t)一线性无源福uD电阻网络例14-7图解法1：50.6K+K,U.(s) =$+1$+2s+1$+2Ki =3 , Kz =-3

(b) (c) (d) §14.5 卷 积 1．拉氏变换的卷积定理 (1)卷积积分 (2）卷积定理 若 则 2. 应用卷积定理求电路响应 设 E(s) 表示外施激励，H(s) 表示网络函数，响应 R(s) 为 R(s)= H(s)? E(s) 求 R(s) 的拉氏反变换，得到网络零状态响应的时域形式 这里 e(t) 是外施激励的时域形式， h(t) 是网络的冲激响应。 例 14－7 已知图示电路 ，冲击响应 。 例 14-7 图 解法 1： K1 =3 , K2 =-3