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文檔簡介
振蕩電路分析及應(yīng)用第1頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.1正弦波振蕩電路
2.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識
1.自激振蕩現(xiàn)象
擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時會發(fā)出刺耳的嘯叫聲,其形成的過程如圖示。
第2頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五A.F.放大電路2S1+--Uid.Ui.+--Uf.+--Uo.反饋電路2.自激振蕩形成的條件
可以借助圖示的方框圖來分析正弦波振蕩形成的條件。第3頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
由此可見,自激振蕩形成的基本條件是反饋信號與輸入信號大小相等、相位相同,即,而可得:這包含著兩層含義:
(1)反饋信號與輸入信號幅值相等,表示即(2)反饋信號與輸入信號相位相同,表示輸入信號經(jīng)過放大電路產(chǎn)生的相移φA和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移φF之和為0,2π,4π,…,2nπ,即:φA+φF=2nπ(n=0,1,2,3,…)
稱為相位平衡條件。第4頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五Uo.Ot自激振蕩的起振波形ba起振c穩(wěn)幅第5頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五3.正弦波振蕩的形成過程
放大電路在接通電源的瞬間,隨著電源電壓由零開始的突然增大,電路受到擾動,在放大器的輸入端產(chǎn)生一個微弱的擾動電壓ui,經(jīng)放大器放大、正反饋,再放大、再反饋……,如此反復(fù)循環(huán),輸出信號的幅度很快增加。這個擾動電壓包括從低頻到甚高頻的各種頻率的諧波成分。
為了能得到我們所需要頻率的正弦波信號,必須增加選頻網(wǎng)絡(luò),只有在選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率上的信號能通過,其他頻率的信號被抑制,在輸出端就會得到如圖ab段所示的起振波形。第6頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
那么,振蕩電路在起振以后,振蕩幅度會不會無休止地增長下去了呢?這就需要增加穩(wěn)幅環(huán)節(jié),當(dāng)振蕩電路的輸出達(dá)到一定幅度后,穩(wěn)幅環(huán)節(jié)就會使輸出減小,維持一個相對穩(wěn)定的穩(wěn)幅振蕩,如圖bc段所示。也就是說,在振蕩建立的初期,必須使反饋信號大于原輸入信號,反饋信號一次比一次大,才能使振蕩幅度逐漸增大;當(dāng)振蕩建立后,還必須使反饋信號等于原輸入信號,才能使建立的振蕩得以維持下去。由上述分析可知,起振條件:
穩(wěn)幅后的幅度平衡條件為:第7頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五4.振蕩電路的組成要形成振蕩,電路中必須包含以下組成部分:①放大器;②正反饋網(wǎng)絡(luò);③選頻網(wǎng)絡(luò);④穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。
根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)組成元件的不同,正弦波振蕩電路通常分為:
RC振蕩電路(振蕩頻率較低,幾百KHZ以下)
LC振蕩電路(振蕩頻率較高,幾百KHZ以上)
石英晶體振蕩電路(振蕩頻率極其穩(wěn)定)。第8頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.1.2RC正弦波振蕩電路
RC正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,用來產(chǎn)生幾兆赫茲以下的低頻信號,常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和移相式振蕩電路。1.RC橋式振蕩電路1)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性+Z2-.U1R2C2+-.U2Z1R1C1第9頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸系數(shù)F:第10頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五其模值:
相角:
取:C1=C2=C,R1=R2=R,則上式可簡化為第11頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
令
即
將f0
的表達(dá)式代入模值和相角的表達(dá)式,并將角頻率ω變換為由頻率f表示,則第12頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
根據(jù)上式可作出RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻率特性F310f0fjFf0-90Of0+90O
當(dāng)f=f0時,電壓傳輸系數(shù)最大,其值為:F=1/3,相角為零,即φF=0。此時,輸出電壓與輸入電壓同相位。
當(dāng)f≠f0時,F<1/3,且φF≠0,此時輸出電壓的相位滯后或超前于輸入電壓。
由以上分析可知:
RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)只在f=f0=1/(2πRC)
時,輸出幅度最大,而且輸出電壓與輸入電壓同相,即相位移為零。所以,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。第13頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2)RC橋式振蕩電路
集成運放A:放大網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)++--R1RfV2V1R2RCCRuoA∞
RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò):正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋增益Avf≥3第14頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
圖中,集成運放組成一個同相放大器,輸出電壓uo作為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓,而將RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓作為放大器的輸入電壓。當(dāng)f=f0時,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相位移為零,放大器是同相放大器,電路的總相位移是零,滿足相位平衡條件,而對于其他頻率的信號,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相位移不為零,不滿足相位平衡條件。由于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在f=f0
時的傳輸系數(shù)F=1/3,因此要求放大器的總電壓增益Au應(yīng)大于3,這對于集成運放組成的同相放大器來說是很容易滿足的。第15頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
只要適當(dāng)選擇Rf與R1的比值,就能實現(xiàn)Au>3的要求。其中,V1、V2和R2是實現(xiàn)自動穩(wěn)幅的限幅電路。
由R1、Rf、V1、V2及R2構(gòu)成負(fù)反饋支路,它與集成運放形成了同相輸入比例運算放大器第16頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.RC移相式振蕩電路
反饋網(wǎng)絡(luò)由三節(jié)RC移相電路構(gòu)成。++--RRCCCRRf+--Uo.∞第17頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
由于集成運算放大器的相移為180°,為滿足振蕩的相位平衡條件,要求反饋網(wǎng)絡(luò)對某一頻率的信號再移相180°,RC構(gòu)成超前相移網(wǎng)絡(luò)。正如所知,一節(jié)RC電路的最大相移為90°,不能滿足振蕩的相位條件;二節(jié)RC電路的最大相移可以達(dá)到180°,但當(dāng)相移等于180°時,輸出電壓已接近于零,故不能滿足起振的幅度條件。為此,采用三節(jié)RC超前相移網(wǎng)絡(luò),三節(jié)相移網(wǎng)絡(luò)對不同頻率的信號所產(chǎn)生的相移是不同的,但其中總有某一個頻率的信號,通過此相移網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移剛好為180°,滿足相位平衡條件而產(chǎn)生振蕩,該頻率即為振蕩頻率f0。第18頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
RC移相式振蕩電路具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點。其缺點是選頻性能較差,頻率調(diào)節(jié)不方便,由于輸出幅度不夠穩(wěn)定,輸出波形較差,一般只用于振蕩頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場合。振幅起振條件為
振蕩頻率f0第19頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.1.3LC正弦波振蕩電路
LC正弦波振蕩電路常用來產(chǎn)生高頻正弦波信號,常見形式有變壓器反饋式LC振蕩電路、電感反饋式(電感三點式)LC振蕩電路、電容反饋式電容三點式LC振蕩電路,用來產(chǎn)生幾兆赫茲以上的高頻信號。它們的選頻網(wǎng)絡(luò)一般都采用LC并聯(lián)諧振電路。第20頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五1.變壓器反饋式LC振蕩電路1)電路組成(+)(--)(+)(+)(+)L1CRLL3L2V+CeReRb2C1Rb1T+UCCV、Rb1、Rb2、Re、Ce、C1組成共射放大電路L2反饋線圈引入正反饋L1C選頻網(wǎng)絡(luò)變壓器同名端第21頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2)振蕩條件(1)相位平衡條件
電路振蕩時,f=f0,LC回路的諧振阻抗是純電阻性,由變壓器L1及L2同名端可知,反饋信號與輸出電壓極性相反,即φF=180°。于是φA+φF=360°,保證了電路的正反饋,滿足振蕩的相位平衡條件。
對頻率f≠f0的信號,LC回路的阻抗不是純阻抗,而是感性或容性阻抗。此時,LC回路對信號會產(chǎn)生附加相移,造成φF≠180°,那φA+φF≠360°,不能滿足相位平衡條件,電路也不可能產(chǎn)生振蕩。由此可見,LC振蕩電路只有在f=f0這個頻率上,才有可能振蕩。第22頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五(2)幅值條件
為了滿足幅度條件AF≥1,對晶體管的β值有一定要求。一般只要β值較大,就能滿足振幅平衡條件。反饋線圈匝數(shù)越多,耦合越強(qiáng),電路越容易起振。
3)電路優(yōu)缺點
(1)易起振,輸出電壓較大。由于采用變壓器耦合,易滿足阻抗匹配的要求。
(2)調(diào)頻方便。一般在LC回路中采用接入可變電容器的方法來實現(xiàn),調(diào)頻范圍較寬,工作頻率通常在幾兆赫左右。
(3)輸出波形不理想。由于反饋電壓取自電感兩端,它對高次諧波的阻抗大,反饋也強(qiáng),因此在輸出波形中含有較多高次諧波成分。第23頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.電感反饋式LC振蕩電路又稱:哈特萊振蕩電路電感三點式電路1)電路組成(+)(-)(+)(-)(+)(-)(+)①②③ReCeVC2Rc+UCCRb1Rb2C1CL2L1(+)L2反饋線圈(-)(+)第24頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
反饋電壓是取自電感L2兩端,加到晶體管b、e間的。所以改變線圈抽頭的位置,即改變L2的大小,就可調(diào)節(jié)反饋電壓的大小。當(dāng)滿足的條件時,電路便可起振。2)振蕩條件分析(1)相位條件
設(shè)基極瞬時極性為正,由于放大器的倒相作用,集電極電位為負(fù),與基極相位相反,則電感的③端為負(fù),②端為公共端,①端為正。反饋電壓由①端引至三極管的基極,故為正反饋,滿足相位平衡條件。(2)幅度條件第25頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
上式中,L1+L2+2M為LC回路的總電感,M為L1與L2
間的互感耦合系數(shù)。
4)電路優(yōu)缺點
(1)由于L1和L2之間耦合很緊,故電路易起振,輸出幅度大。
(2)調(diào)頻方便,電容C若采用可變電容器,就能獲得較大的頻率調(diào)節(jié)范圍。
(3)由于反饋電壓取自電感L2兩端,它對高次諧波的阻抗大,反饋也強(qiáng),因此在輸出波形中含有較多高次諧波成分,輸出波形不理想。3)振蕩頻率
第26頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五3.電容反饋式振蕩電路又稱:考畢茲振蕩電路電容三點式電路(+)①②③ReCeVRc+UCCRb1Rb2CbC2C1L(+)(--)(+)(--)(+)(--)(--)(+)C2反饋電容第27頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五1)相位條件與電感反饋式振蕩電路相位條件相同,滿足相位平衡條件。2)幅度條件
反饋電壓取自電容C2兩端,所以適當(dāng)?shù)剡x擇C1、C2的數(shù)值,并使放大器有足夠的放大量,電路便可起振。3)振蕩頻率其中:諧振回路的總電容第28頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五4)電路優(yōu)缺點
優(yōu)點:
易起振:振蕩頻率可高達(dá)100MHz以上。
輸出波形較好:C2
對高次諧波的阻抗小,反饋電壓中的諧波成分少。缺點:
調(diào)節(jié)頻率不方便:C1、C2的大小既與振蕩頻率有關(guān),也與反饋量有關(guān)。改變C1
(或C2
)時會影響反饋系數(shù),從而影響反饋電壓的大小,造成電路工作性能不穩(wěn)定。第29頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五②③①ReCeRc+UCCRb1Rb2CbC2C1LC3*4.串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋式LC振蕩電路又稱:克拉潑振蕩電路決定振蕩頻率第30頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五CΣ表示回路總電容
當(dāng):C3?C1且:C3?C2時,CΣ≈C3*4.串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋式LC振蕩電路振蕩頻率第31頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.1.4晶體振蕩電路1.石英晶體的諧振特性與等效電路
石英晶體諧振器是晶振電路的核心元件,是從一塊石英晶體上按確定的方位角切下的薄片,這種晶片可以是正方形、矩形或圓形、音叉形的,然后將晶片的兩個對應(yīng)表面上涂敷銀層,并裝上一對金屬板,接出引線,封裝于金屬殼內(nèi)。底座絕緣體管腳晶片引線金屬殼第32頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
為什么石英晶體能作為一個諧振回路,而且具有極高的頻率穩(wěn)定度呢?這要從石英晶體的固有特性來進(jìn)行分析。物理學(xué)的研究表明,當(dāng)石英晶體受到交變電場作用時,即在兩極板上加以交流電壓,石英晶體便會產(chǎn)生機(jī)械振動。反過來,若對石英晶體施加周期性機(jī)械力,使其發(fā)生振動,則又會在晶體表面出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場和電荷,即在極板上有交變電壓。當(dāng)外加電場的頻率等于晶體的固有頻率時,便會產(chǎn)生“機(jī)—電共振”,振幅明顯加大,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。
第33頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
壓電諧振的固有頻率與石英晶體的外形尺寸及切割方式有關(guān)。從電路上分析,石英晶體可以等效為一個LC電路,把它接到振蕩器上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。C0LCR等效電路電路符號第34頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五X0fSfPf容性容性感性石英晶體諧振器的電抗-頻率特性
它具有兩個諧振頻率,一個是L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時的串聯(lián)諧振頻率fs,另一個是L、C、R支路與C0支路發(fā)生并聯(lián)諧振時的并聯(lián)諧振頻率fpC0LCR第35頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五⑴并聯(lián)型石英晶體振蕩電路ReC2Rc+UCCRb1Rb2CbC1V
當(dāng)f0在fS~fP的窄小的頻率范圍內(nèi)時,晶體在電路中起一個電感作用,它與C1、
C2組成電容反饋式振蕩電路。改變C1、
C2
的值可以在很小的范圍內(nèi)微調(diào)f0
。
2.石英晶體振蕩電路
石英晶體振蕩器可以歸結(jié)為兩類,一類稱為并聯(lián)型,另一類稱為串聯(lián)型。前者的振蕩頻率接近于fP,后者的振蕩頻率接近于fS第36頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五⑵串聯(lián)型石英晶體振蕩電路
Re1Rc1+UCCRb1Rb2CbV1(+)(+)Re2(+)C2V2RP晶體作為反饋元件,工作于串聯(lián)諧振頻率fS時,阻抗最小,呈現(xiàn)純電阻特性,正反饋最強(qiáng),相位為零,滿足振蕩條件第37頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.2非正弦信號發(fā)生器2.2.1矩形波發(fā)生器
也稱為方波振蕩器。它是在滯回比較器的基礎(chǔ)上,增加一條RC充、放電負(fù)反饋支路Rf、C構(gòu)成的。++--R3R1R2R5R4RfV+--CuCiCiCuo∞第38頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五++--R3R1R2R5R4RfV+--CuCiCiCuo∞1.工作原理
電容C上的電壓加在集成運放的反相端,集成運放工作在非線性區(qū),輸出只有兩個值:+Uz和-Uz。第39頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
值時,因運放輸入端u->u+,電路翻轉(zhuǎn),輸出電壓由+Uz值翻至-Uz,同相端電壓變?yōu)?/p>
設(shè)在剛接通電源時,電容C上的電壓為零,輸出為正飽和電壓+Uz,同相端的電壓為
電容C在輸出電壓+Uz的作用下開始充電,充電電流iC經(jīng)過電阻Rf,當(dāng)充電電壓uC升至uC00ttuO第40頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五uC00ttuO電容C開始放電,uC開始下降,放電電流iC圖中虛線所示。當(dāng)電容電壓uC降至值時,由于u-<u+,于是輸出電壓又翻轉(zhuǎn)到uo=+Uz值。如此周而復(fù)始,在集成運放的輸出端便得到了如右圖所示的輸出電壓的波形。第41頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
則振蕩頻率為改變RC值就可以調(diào)節(jié)矩形波的頻率。2.振蕩頻率及其調(diào)節(jié)
電路輸出的矩形波電壓的周期T取決于充、放電的RC時間常數(shù)??梢宰C明其周期為第42頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五++--A1++--R2R1R5R3uo1VR4A2uoC∞∞2.2.2三角波發(fā)生器
A1構(gòu)成滯回電壓比較器,其反相端接地,A1同相端的電壓由uO和uO1共同決定第43頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五當(dāng)u+>0時,uo1=+Uz當(dāng)u+
<0時,uo1=-Uz第44頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
在電源剛接通時,假設(shè)電容器初始電壓為零,集成運放A1輸出電壓為正飽和電壓值+Uz,積分器輸入為+Uz,電容C開始充電,輸出電壓uo開始減小,u+值也隨之減小,當(dāng)uo減小到-R2R1Uz時,u+由正值變?yōu)榱?滯回比較器A1翻轉(zhuǎn),集成運放A1的輸出uo1=-Uz。當(dāng)Uo1=-Uz時,積分器輸入負(fù)電壓,輸出電壓uo開始增大,u+值也隨之增大,當(dāng)uo增加到R2R1Uz
時,u+由負(fù)值變?yōu)榱?滯回比較器A1翻轉(zhuǎn),集成運放A1的輸出
uo1=+Uz。第45頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.2.3鋸齒波發(fā)生器
頻率可調(diào)的三角波發(fā)生器第46頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五鋸齒波發(fā)生器第47頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
鋸齒波發(fā)生器的工作原理與三角波發(fā)生電路基本相同,只是電阻R3上并聯(lián)由二極管V1和電阻R5組成的支路,使積分器的正、反向積分的速度明顯不同,當(dāng)uo1=-Uz時,V1反偏截止,正向積分的時間常數(shù)為R3C;當(dāng)uo1=+Uz時,V1正偏導(dǎo)通,負(fù)向積分常數(shù)為(R3∥R5)C,若?。遥担迹遥?則負(fù)向積分時間小于正向積分時間,形成鋸齒波。第48頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.3集成函數(shù)發(fā)生器8038簡介
集成函數(shù)發(fā)生器8038是一種多用途的波形發(fā)生器,可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波,其頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),使用方便,性能可靠。
1.8038的工作原理由手冊和有關(guān)資料可看出,8038由兩個恒流源、兩個電壓比較器和觸發(fā)器等組成。第49頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五8038的內(nèi)部原理電路框圖第50頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
圖中,電壓比較器A、B的門限電壓分別為兩個電源電壓之和(UCC+UEE)的2/3和1/3,電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié),其中I2必須大于I1。當(dāng)觸發(fā)器的輸出端為低電平時,它控制開關(guān)S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電,使電容兩端電壓隨時間線性上升,當(dāng)uC上升到uC=2(UCC+UEE)/3時,比較器A的輸出電壓發(fā)生跳變,使觸發(fā)器輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?這時,控制開關(guān)S使電流源I2接通。由于I2>I1,因此外接電容C放電,uC隨時間線性下降。第51頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
當(dāng)uC下降到uC≤(UCC+UEE)/3時,比較器B輸出發(fā)生跳變,使觸發(fā)器輸出端又由高電平變?yōu)榈碗娖?I2再次斷開,I1再次向C充電,uC又隨時間線性上升。如此周而復(fù)始,產(chǎn)生振蕩。外接電容C交替地從一個電流源充電后向另一個電流源放電,就會在電容C的兩端產(chǎn)生三角波并輸出到腳3。該三角波經(jīng)電壓跟隨器緩沖后,一路經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳2輸出,另一路通過比較器和觸發(fā)器,并經(jīng)過反向器緩沖,由腳9輸出方波。第52頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五8038的外部引腳排列圖第53頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五
2.8038的典型應(yīng)用利用8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器,其振蕩頻率由電位器RP1滑動觸點的位置、
C的容量、RA和RB的阻值決定,C1為高頻旁路電容,用以消除8腳的寄生交流電壓,RP2為方波占空比和正弦波失真度調(diào)節(jié)電位器,當(dāng)RP2位于中間時,可輸出方波。
第54頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五8038的典型應(yīng)用第55頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五*2.4壓控振蕩器
1.電路組成壓控振蕩器電路的輸入控制電壓為直流電壓。A1為差動積分電路,積分電壓由控制電壓UI提供,積分方向由場效應(yīng)管V來改變;A2為滯回比較器,它的輸出控制著場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止。第56頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五第57頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五2.工作原理設(shè)滯回比較器A2的輸出電壓為負(fù)飽和電壓-Uom,此值一方面使比較器的同相端電壓為下門限電壓,即另一方面通過隔離二極管V2將比較大的負(fù)電壓加在了場效應(yīng)管的柵極,使場效應(yīng)管進(jìn)入夾斷區(qū)而截止,此時,積分電路可等效為下圖。第58頁,共65頁,2023年,2月20日,星期五積分電流
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