電子回路 I:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、14 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

ダイオードとトランジスタ

ダイオード(定電圧降下モデル)
VD = 0.7 V when conducting
活性領域
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定バイアス
IB = (VCC − 0.7)/RB
分圧バイアス
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分圧回路のテブナン等価回路
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
コレクタ側の閉路
VCE = VCC − ICRC − IERE
飽和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

オペアンプ回路

反転増幅器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
非反転増幅器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加算増幅器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想オペアンプ
V+ = V−, Iin = 0

RC・RL 過渡現象

時定数
τ = RC | τ = L/R
応答
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流でのコンデンサ
開放;vC は急変しない
直流でのインダクタ
短絡;iL は急変しない
定常値
t ≈ 5τ

解き方

  1. 切り替え直後の初期値を求めます:コンデンサの電圧とインダクタの電流は急に変化できません。
  2. 切り替えから十分時間がたったあとの最終値を求めます:コンデンサは開放、インダクタは短絡として扱えます。
  3. 時定数を求めます:τ = RC または τ = L/R。抵抗はコンデンサまたはインダクタから見た抵抗を使います。
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ を使います。

抵抗の直列・並列

抵抗の直列接続
Req = R1 + R2 + …
抵抗の並列接続
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
2 つの並列接続
Req = R1R2 / (R1 + R2)
オームの法則
V = I·R
電力
P = V·I = I²R = V²/R

解き方

  1. 端子からいちばん遠い回路網の端から始めます。
  2. 直列の抵抗は足し合わせ、並列の抵抗は 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … でまとめます。
  3. 1 ステップごとに回路を描き直します。
  4. 端子間に抵抗が 1 つだけ残るまで繰り返します。

DC-DC コンバータ

降圧形
Vo = D·Vin
昇圧形
Vo = Vin/(1 − D)
反転形昇降圧
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
理想的な電力の釣り合い
VinIin = VoIo
インダクタのリプル
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
インダクタ電流の平均値
降圧形 Io;昇圧形と昇降圧形 Io/(1 − D)
出力リプル
降圧形 ΔIL/(8fC);昇圧形と昇降圧形 Io·D/(fC)
CCM の境界
降圧形 (1 − D)R/(2f);昇圧形 D(1 − D)²R/(2f);昇降圧形 (1 − D)²R/(2f)

解き方

  1. 電圧比から、コンバータの種類(降圧、昇圧、昇降圧)とデューティ比 D を判断します。
  2. インダクタのボルト秒平衡を使いましょう:1 周期にわたるインダクタの平均電圧は 0 です。
  3. スイッチがオンの間のインダクタ電圧を求め、次に ΔIL = VL·D/(L·f) を求めます。
  4. 出力リプルでは、コンデンサに出入りする電荷を求めます。CCM の境界では、インダクタ電流の平均値を ΔIL/2 とおきます。

ホイートストンブリッジとひずみゲージ

分圧器の電圧
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
排泄量
Vab = Va − Vb
出納
R1/R2 = R3/R4
スライドワイヤブリッジ
R/Rx = l/(100 − l)
テブナン抵抗
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
ゲージ率
ΔR/R = GF·ε
ブリッジの出力
1/4 ブリッジ Vs·GF·ε/4、1/2 ブリッジ Vs·GF·ε/2、フルブリッジ Vs·GF·ε
微小変化、1 辺のみ
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
応力
σ = E·ε

解き方

  1. ブリッジを、同じ電源につながれた 2 つの分圧器として扱います。
  2. 平衡では、R₁/R₂ = R₃/R₄ とおいて、未知の抵抗について解きます。
  3. 不平衡ブリッジでは、分圧器から Va と Vb を求めて差をとります。計器が出力に負荷をかけるときは、テブナン等価回路を使います。
  4. ひずみゲージでは、ひずみを ΔR/R = GF·ε に直し、1/4、1/2、フルブリッジに応じて Vs·GF·ε/4、/2、×1 を使います。

デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップ

基本ゲート
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
ブールの規則
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
ド・モルガンの法則
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
カルノー図の並び順
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ 個のセルのグループ
k 個の変数が消える
4 対 1 マルチプレクサ
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
フリップフロップ
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
カウンタ
n ビット:2ⁿ 状態; mod-N:2ⁿ ≥ N を満たす最小の n; fout = fclk/N
リップルカウンタ
fmax = 1/(n·tpd)
リングカウンタとジョンソンカウンタ
n 状態と 2n 状態

解き方

  1. 回路では、入力から出力へ向かってゲートを 1 つずつ進み、各配線に値を書き込むか、式を書いて真理値表を埋めましょう。
  2. 簡単化するには、1(とドントケアは X として)を、行と列がグレイコード 00, 01, 11, 10 のカルノー図に書き込みましょう。
  3. 1 を、1, 2, 4, 8, 16 個のセルからなる、できるだけ少なくできるだけ大きなグループで、端をまたぎながら覆いましょう。各グループは、一定のままの変数からなる 1 つの積項です。POS 形には 0 をグループ化します。
  4. フリップフロップとカウンタでは、各有効クロックエッジで入力を読み取り、エッジごとの状態を書き出し、n ビットのカウンタは 2ⁿ 個の状態で折り返すことを忘れないようにしましょう。

2演習問題

1.ダイオードとトランジスタふつう
RC​ = 1 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 680 ΩVCC​ = 12 VR1​ = 39 kΩR2​ = 8.2 kΩ

β = 150 の NPN トランジスタが、VCC = 12 V から分圧バイアスされている:VCC とベースの間に R₁ = 39 kΩ、ベースと接地の間に R₂ = 8.2 kΩ。コレクタ抵抗は RC = 1 kΩ、エミッタ抵抗は RE = 680 Ω である。VBE = 0.7 V とし、分圧回路のテブナン等価回路を用いよ(ベース電流は無視しない)。 コレクタ電流 IC を mA で求めよ。

VCC = 12 VR1 = 39 kΩR2 = 8.2 kΩRC = 1 kΩRE = 680 Ωβ = 150
IC = mA
2.ダイオードとトランジスタむずかしい
RC​ = 100 Ωβ = 100VCC​ = 9 V5 VRB​ = ?

β = 100 の NPN トランジスタが、VCC = 9 V とコレクタの間に接続された 100 Ω の負荷抵抗をスイッチングする。エミッタは接地されている。ベースは 5 V のロジック出力からベース抵抗 RB を通して駆動される。VBE = 0.7 V、VCE(sat) = 0.2 V とする。 トランジスタをちょうど飽和させることのできる最大のベース抵抗 RB を kΩ で求めよ。

VCC = 9 VRC = 100 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
3.オペアンプ回路ふつう
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

この非反転増幅器の電圧利得を 6 にする帰還抵抗 Rf を選べ。

R1 = 100 kΩAv = 6
Rf = kΩ
4.オペアンプ回路むずかしい
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0.5 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 0.2 VR2​ = 47 kΩIf​

加算増幅器は ±15 V 電源の理想オペアンプを使う。 帰還抵抗を出力向きに流れる電流 If を求めよ。

V1 = −0.5 VV2 = 0.2 VR1 = 4.7 kΩR2 = 47 kΩRf = 47 kΩ
If = mA
5.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​24 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

t = 0 でスイッチが閉じる前、コイルに電流は流れていない。 スイッチを閉じてからどれだけ後に、電流が最終値の 80% に達するか。t を求めよ。

Vs = 24 VR = 33 ΩL = 10 mH
t = ms
6.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​5 Vt = 0R = 2.2 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

t = 0 でスイッチが閉じる直前、コンデンサは図の極性で 10 V に充電されている。 vC が 6.5 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 5 VR = 2.2 kΩC = 10 µFvC(0) = 10 V
t = ms
7.抵抗の直列・並列ふつう
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​12 ΩB

電源が供給し R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
8.抵抗の直列・並列むずかしい
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​8 Ω

R2 を流れる電流 IR2 を求めよ。

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
9.DC-DC コンバータふつう
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

理想的な反転形昇降圧コンバータが、20 kHz、L = 220 µH で 12 V を −8 V に変換します。インダクタのピーク間リプル電流 ΔIL を求めなさい。

Vin​ = 12 VVo​ = −8 Vf = 20 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
10.DC-DC コンバータむずかしい
tiL​Imax​IL​DTT2T

理想的な 昇圧形 コンバータが、50 kHz で 36 V を 120 V に変換し、負荷は 20 Ω です。連続導通となる最小のインダクタンス Lcrit を求めなさい。

Vin​ = 36 VVo​ = 120 Vf = 50 kHzR = 20 Ω
Lcrit = µH
11.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−9 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 1000 Ω のブリッジで、Vs = 9 V です。センサ R₂ が ΔR = 10 Ω だけ増加します。微小変化の近似を使って、出力 Vab を mV で求めなさい。

Vs = 9 VR = 1000 ΩΔR = 10 Ω
Vab = mV
12.ホイートストンブリッジとひずみゲージむずかしい
+−V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−

ゲージ率 2.1 の 120 Ω のひずみゲージを鋼棒に接着します。荷重がかかると抵抗が 0.2016 Ω 増加します。ひずみ ε をマイクロストレイン (µε) で求めなさい。

R = 120 ΩGF = 2.1ΔR = 0.2016 Ω
ε = µε
13.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップふつう
ABCD000111100001111000010302141507160121130151141809111110

カルノー図を使って F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 6, 8, 10, 11, 13, 14) の最小の和積形(POS)を求めてください。和項(因数)N はいくつありますか?

F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 6, 8, 10, 11, 13, 14)
N =
14.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップむずかしい
CLKT123456

正エッジトリガの T フリップフロップが Q = 0 から始まり、図の入力を受け取ります。Q が 1 から 0 に戻る最初のクロックエッジをクリックしてください。

Q₀ = 0T
  1. 1クロックエッジ 1
  2. 2クロックエッジ 2
  3. 3クロックエッジ 3
  4. 4クロックエッジ 4
  5. 5クロックエッジ 5
  6. 6クロックエッジ 6

3溶液

1.ダイオードとトランジスタ

答え: IC = 1.898 mA

BJT の動作点:活性領域では VBE = 0.7 V、IC = β·IB、IE = (β + 1)·IB です。ベース側の閉路に KVL を適用して IB を求め、次に IC、さらにコレクタ–エミッタ側の閉路から VCE を求めます。ベースの分圧回路はテブナン等価回路 VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂)、RTH = R₁∥R₂ に置き換えます。エミッタ抵抗はベース側の閉路では (β + 1) 倍の大きさに見えます。

分圧回路のテブナン等価回路

VTH = 12·8.2/(39 + 8.2) = 2.085 V
RTH = 39·8.2/(39 + 8.2) = 6.775 kΩ

ベース電流

ベース側の閉路の KVL。エミッタ電流は (β + 1)·IB です。

IB = (2.085 − 0.7)/(6.775 + 151·0.68) = 12.65 µA

コレクタ電流

IC = 150·12.65 µA = 1.898 mA
IE = 151·12.65 µA = 1.91 mA

答え

IC = 1.898 mA
2.ダイオードとトランジスタ

答え: RB = 4.886 kΩ

スイッチとしての BJT:負荷を完全にオンにするには、トランジスタを飽和させます。飽和では VCE = VCE(sat) となり、コレクタ電流は負荷で決まります:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。飽和させるには少なくとも IB = IC(sat)/β が必要です。ベース電流がこれより小さければ、トランジスタは活性領域のままで IC = β·IB です。

飽和時のコレクタ電流

IC(sat) = (9 − 0.2)/100 = 88 mA

最小ベース電流

IB(min) = IC(sat)/β = 88/100 = 880 µA

ベース抵抗

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.88 mA = 4.886 kΩ

答え

RB = 4.886 kΩ

これより小さいベース抵抗でもトランジスタは飽和します。実際には数分の 1 の値を選びます。

3.オペアンプ回路

答え: Rf = 500 kΩ

理想オペアンプの規則:負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。

非反転増幅器の利得

V₋ = V₊ = Vin で、R₁ の電流は Rf も流れるので Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (6 − 1)·100 = 500 kΩ

答え

Rf = 500 kΩ
4.オペアンプ回路

答え: If = −0.1021 mA

理想オペアンプの規則:負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。

入力電流

V₋ = 0 なので、各入力抵抗には入力電圧がそのままかかります。

I1 = V1/R1 = −0.5/4.7 = −0.1064 mA
I2 = V2/R2 = 0.2/47 = 0.004255 mA
If = I1 + I2 = −0.1021 mA

答え

If = −0.1021 mA
5.RC・RL 過渡現象

答え: t = 0.4877 ms

1 次の過渡現象:コンデンサまたはコイルを 1 つ含む回路では、すべての電圧・電流が初期値から最終値へ指数関数的に変化します:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ、τ = RC または τ = L/R。約 5τ で回路は定常状態になります。

時定数と最終電流

スイッチを閉じて十分時間がたつと、コイルは短絡と同じに振る舞うので、最終電流は R だけで決まります。

τ = L/R = 10 mH / 33 Ω = 0.303 ms
i(∞) = Vs/R = 24/33 = 0.7273 A

時間について解く

0.8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.8)
t = −0.303·ln(0.2) = 0.4877 ms

答え

t = 0.4877 ms
6.RC・RL 過渡現象

答え: t = 26.49 ms

1 次の過渡現象:コンデンサまたはコイルを 1 つ含む回路では、すべての電圧・電流が初期値から最終値へ指数関数的に変化します:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ、τ = RC または τ = L/R。約 5τ で回路は定常状態になります。

初期値、最終値、時定数

コンデンサの電圧は急変できないので、蓄えた値から始まり、電源電圧へ向かいます。

vC(0) = 10 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 5 + (10 − 5)·e−t/τ

時間について解く

6.5 = 5 + (5)·e−t/τ → e−t/τ = (6.5 − 5)/(10 − 5) = 0.3
t = τ·ln((10 − 5)/(6.5 − 5)) = 22·ln(3.333) = 26.49 ms

答え

t = 26.49 ms
7.抵抗の直列・並列

答え: IR1 = 0.9118 A

直列と並列の抵抗:直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​12 ΩB

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R3 + R4 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7.742 Ω
Req = R1 + 7.742 = 12 + 7.742 = 19.74 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは Req だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

IR1 = V1/Req = 18/19.74 = 0.9118 A

答え

IR1 = 0.9118 A
8.抵抗の直列・並列

答え: IR2 = 1.255 A

直列と並列の抵抗:直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。

R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​8 Ω

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R5 + R6 = 6 + 8 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5.091 Ω
R3 + 5.091 = 25.09 Ω
R2 ∥ 25.09 = 6.066 Ω
Req = R1 + 6.066 = 3 + 6.066 = 9.066 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは Req だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

IR1 = V1/Req = 15/9.066 = 1.655 A

R₂ を流れる電流

R₁ の電圧降下を引くと節点 A の電圧、つまり R₂ の両端電圧が得られます。

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1.655·3 = 10.04 V
IR2 = VA/R2 = 10.04/8 = 1.255 A

答え

IR2 = 1.255 A
9.DC-DC コンバータ

答え: ΔIL = 1.091 A

DC-DC コンバータ:スイッチ S は、各周期 T = 1/f のうち割合 D だけオンになります。定常状態ではインダクタの平均電圧は 0 になり(ボルト秒平衡)、連続導通モードでの理想的な変換比が得られます:降圧形 Vo = D·Vin、昇圧形 Vo = Vin/(1 − D)、反転形昇降圧 |Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想的なコンバータでは電力が保存されます:Vin·Iin = Vo·Io。S がオンの間、インダクタ電流は ΔIL = VL·D·T/L だけ増加します。VL は、降圧形では Vin − Vo、昇圧形と昇降圧形では Vin です。出力リプルは、降圧形では ΔVo = ΔIL/(8fC)、昇圧形と昇降圧形では Io·D/(fC) です。インダクタ電流がちょうど 0 に触れる(CCM の境界)のは、インダクタの平均電流が ΔIL/2 に等しいときです。

デューティ比

D = 8/(12 + 8) = 0.4

オン時間中のインダクタ電圧

S がオンの間、インダクタは Vin に直接つながれます。

VL = 12 V

リプル電流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0.4/(220·10⁻⁶·20·10³) = 1.091 A

答え

ΔIL = 1.091 A
10.DC-DC コンバータ

答え: Lcrit = 12.6 µH

DC-DC コンバータ:スイッチ S は、各周期 T = 1/f のうち割合 D だけオンになります。定常状態ではインダクタの平均電圧は 0 になり(ボルト秒平衡)、連続導通モードでの理想的な変換比が得られます:降圧形 Vo = D·Vin、昇圧形 Vo = Vin/(1 − D)、反転形昇降圧 |Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想的なコンバータでは電力が保存されます:Vin·Iin = Vo·Io。S がオンの間、インダクタ電流は ΔIL = VL·D·T/L だけ増加します。VL は、降圧形では Vin − Vo、昇圧形と昇降圧形では Vin です。出力リプルは、降圧形では ΔVo = ΔIL/(8fC)、昇圧形と昇降圧形では Io·D/(fC) です。インダクタ電流がちょうど 0 に触れる(CCM の境界)のは、インダクタの平均電流が ΔIL/2 に等しいときです。

デューティ比

D = 1 − 36/120 = 0.7

境界条件

インダクタ電流の平均値をリプル電流の半分とおき、L について解きます。

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

臨界インダクタンス

Lcrit = 0.7(1 − 0.7)²·20/(250·10³) = 12.6 µH

答え

Lcrit = 12.6 µH
11.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 22.5 mV

ホイートストンブリッジ:2 つの分圧器が 1 つの電源 Vs を共有します。左の分圧器 R1–R2 は Va = Vs·R2/(R1 + R2) を、右の分圧器 R3–R4 は Vb = Vs·R4/(R3 + R4) を与え、出力は Vab = Va − Vb です。R1/R2 = R3/R4、すなわち R1·R4 = R2·R3 のとき、ブリッジは平衡しています(Vab = 0 で、検流計に電流が流れません)。出力端子から見ると、ブリッジは Rth = R1∥R2 + R3∥R4 のテブナン電源です。

相対変化

ΔR/R = 10/1000 = 0.01

線形化した出力

Vab ≈ 9·0.01/4 = 22.5 mV

答え

Vab = 22.5 mV

厳密な値は 22.39 mV です。ΔR/R が小さいうちは、近似はよく合います。

12.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: ε = 800 µε

ひずみゲージ:ゲージはひずみに応じて抵抗が変わります:ΔR/R = GF·ε。ゲージ率 GF は金属箔で約 2 です。すべての辺が R に等しいブリッジで、アクティブゲージが 1 枚(1/4 ブリッジ)のとき Vo ≈ Vs·GF·ε/4 です。隣り合う辺に逆向きのひずみを受ける 2 枚のアクティブゲージ(1/2 ブリッジ)では Vs·GF·ε/2、4 枚(フルブリッジ)では Vs·GF·ε になります。応力はフックの法則 σ = E·ε から求まります。ロードセルは感度を mV/V で表します:励起電圧 1 V あたりの定格荷重での出力です。

抵抗の相対変化

ΔR/R = 0.2016/120 = 0.00168

ひずみ

ε = 0.00168/2.1 = 0.0008 = 800 µε

答え

ε = 800 µε
13.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップ

答え: N = 4

カルノー図:セルはグレイコード(00, 01, 11, 10)の順に並んでいるので、端をまたぐものも含め、隣り合うセルはちょうど 1 つの変数だけが異なります。1 を、1, 2, 4, 8, 16 個のセルからなる長方形で、できるだけ大きく、できるだけ少ない数でグループ化し、すべての 1 を覆います。各グループは 1 つの積項で、グループの中で一定のままの変数からなります。2ᵏ 個のセルのグループでは k 個の変数が消えます。ドントケア(X)はグループを大きくするために使えますが、覆う必要はありません。代わりに 0 をグループ化すると、最小の POS 形が得られます。

ABCD000111100001111000010302141507160121130151141809111110

0 をグループ化する

各グループは 2ᵏ 個のセルからなる長方形です。端のセルは、反対側の端のセルと隣り合っています。

(B + C + D′)
(B′ + C′ + D′)
(A + B)
(A′ + B′ + C + D)

最小の POS 形

F = (B + C + D′)(B′ + C′ + D′)(A + B)(A′ + B′ + C + D)
N = 4

答え

N = 4
14.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップ

答え: クロックエッジ 3

フリップフロップとカウンタ:フリップフロップは、有効なクロックエッジでだけ変化します。D は入力をコピーし(Q⁺ = D)、T は T = 1 のときトグルし、JK は 00 で保持、01 でリセット、10 でセット、11 でトグルします。n ビットの 2 進カウンタには 2ⁿ 個の状態があり、2ⁿ を法として数えます。mod-N カウンタは 0, 1, …, N − 1 と数えて 0 に戻り、2ⁿ ≥ N を満たす最小の n 個のフリップフロップが必要です。リップルカウンタの各段は周波数を半分にするので、mod-N カウンタの最後の出力は fclk/N で動作します。n 個のフリップフロップのジョンソンカウンタには 2n 個の状態があり、リングカウンタには n 個あります。

エッジごとの Q

T フリップフロップは、T = 1 の立ち上がりエッジごとにトグルし、T = 0 では保持します。

1: T = 1 → Q = 1
2: T = 0 → Q = 1
3: T = 1 → Q = 0
4: T = 0 → Q = 0
5: T = 0 → Q = 0
6: T = 0 → Q = 0

1 から 0 への最初の変化

クロックエッジ 3

答え

クロックエッジ 3

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