Tiltą laikykite dviem įtampos dalikliais ant to paties šaltinio.
Pusiausvyrai nustatykite R₁/R₂ = R₃/R₄ ir išspręskite nežinomą rezistorių.
Nesubalansuotam tiltui iš daliklių raskite Va ir Vb ir atimkite; kai prietaisas apkrauna išėjimą, naudokite Tevenino ekvivalentą.
Tenzojutikliams deformaciją paverskite ΔR/R = GF·ε ir naudokite Vs·GF·ε/4, /2 arba ×1 ketvirtiniam, pusiniam ar pilnam tiltui.
Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Pagrindiniai elementai
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Būlio taisyklės
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgano dėsniai
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Karno žemėlapio tvarka
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ langelių grupė
netenka k kintamųjų
4 į 1 multiplekseris
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Trigeriai
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Skaitikliai
n bitų: 2ⁿ būsenų; mod-N: mažiausias n, kad 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Nuosekliojo veikimo (ripple) skaitiklis
fmax = 1/(n·tpd)
Žiediniai ir Johnsono skaitikliai
n ir 2n būsenų
Metodas
Grandinei dirbkite nuo įėjimų iki išėjimo po vieną elementą ir užrašykite reikšmę ant kiekvieno laido arba užrašykite išraišką ir užpildykite teisingumo lentelę.
Supaprastindami įrašykite vienetus (o nesvarbias reikšmes kaip X) į Karno žemėlapį su Grejaus kodo eilutėmis ir stulpeliais: 00, 01, 11, 10.
Vienetus padenkite kuo mažiau ir kuo didesnių 1, 2, 4, 8 ar 16 langelių grupių, apsisukančių per kraštus; kiekviena grupė yra vienas sandaugos narys iš kintamųjų, kurie joje nesikeičia. POS formai grupuokite nulius.
Trigeriams ir skaitikliams skaitykite įėjimus kiekvienu aktyviu taktiniu frontu, užrašykite būseną po kiekvieno fronto ir atminkite, kad n bitų skaitiklis apsisuka po 2ⁿ būsenų.
2Uždaviniai
1.Diodai ir tranzistoriaiVidutinis
3 geltona LED (kiekvieno tiesioginė įtampa 2,1 V) sujungti nuosekliai su rezistoriumi ir prijungti prie 24 V šaltinio. Raskite varžą R, nustatančią 5 mA srovę.
Vs = 24 VVF = 2,1 Vn = 3I = 5 mA
R = Ω
2.Diodai ir tranzistoriaiSunkus
5,6 V Zenerio stabilizatoriaus nuosekliojo rezistoriaus varža 330 Ω. Įėjimo įtampa gali pakilti iki 22 V, o apkrova gali būti atjungta. Raskite didžiausią galią PZ,max, kurią turi išsklaidyti Zenerio diodas.
Vin,max = 22 VVZ = 5,6 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
3.Operacinių stiprintuvų grandinėsVidutinis
Parinkite grįžtamojo ryšio rezistorių Rf, kad šio neinvertuojančiojo stiprintuvo įtampos stiprinimas būtų 15.
R1 = 10 kΩAv = 15
Rf = kΩ
4.Operacinių stiprintuvų grandinėsSunkus
Sumuojantysis stiprintuvas naudoja idealų operacinį stiprintuvą, maitinamą ±15 V. Raskite išėjimo įtampą Vout.
Kol jungiklis neužsidarė momentu t = 0, rite srovė neteka. Raskite ritėje sukauptą energiją W(∞), kai grandinė nusistovi, mJ.
Vs = 12 VR = 5 ΩL = 10 mH
W(∞) = mJ
6.RC ir RL pereinamieji procesaiSunkus
Jungiklis, lygiagretus R2, ilgai buvo uždarytas, todėl ritės srovė nusistovėjusi. Momentu t = 0 jungiklis atsidaro. Raskite ritės srovę i momentu t = 1 ms.
Vs = 24 VR1 = 47 ΩR2 = 20 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
7.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiVidutinis
Raskite ekvivalentinę varžą Req, kurią mato šaltinis V1.
V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
8.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiSunkus
Raskite šaltinio tiekiamą srovę IR1, tekančią per R1.
Šviesos diodų (LED) ir diodų grandinės: tiesiogine kryptimi įjungtas LED krinta maždaug jo tiesiogine įtampa VF (apie 2 V raudonam, 3 V mėlynam ar baltam), nepriklausomai nuo srovės. Srovę nustato nuoseklusis rezistorius: R = (Vs − n·VF)/I, kai nuosekliai sujungta n LED. Tikslesniu diodo modeliu V = V₀ + I·rd darbo taškas yra ten, kur diodo tiesė kertasi su apkrovos tiese I = (Vs − V)/R, todėl I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Įtampa ant rezistoriaus
VR = 24 − 3·2,1 = 17,7 V
Varža
R = 17,7/0,005 = 3540 Ω
Atsakymas
R = 3540 Ω
Rezistoriuje išsiskiria 88,5 mW.
2.Diodai ir tranzistoriai
Atsakymas: PZ,max = 278,3 mW
Zenerio stabilizatorius: atvirkštine kryptimi įjungtas Zenerio diodas išlaiko įtampą VZ, kol jo srovė viršija mažiausią IZ,min. Nuoseklusis rezistorius R priima skirtumą tarp įėjimo ir išėjimo: IR = (Vin − VZ)/R. Ši srovė dalijasi tarp apkrovos, IL = VZ/RL, ir Zenerio diodo: IZ = IR − IL. Projektuokite blogiausiems atvejams: esant mažiausiai įėjimo įtampai ir didžiausiai apkrovai vis tiek turi likti IZ,min, o didžiausia įėjimo įtampa be apkrovos duoda didžiausią Zenerio diodo galią PZ = VZ·IZ.
Blogiausio atvejo Zenerio diodo srovė
IZ = 16,4/330 = 49,7 mA
Zenerio diodo galia
PZ = 5,6·49,7 = 278,3 mW
Atsakymas
PZ,max = 278,3 mW
3.Operacinių stiprintuvų grandinės
Atsakymas: Rf = 140 kΩ
Idealaus operacinio stiprintuvo taisyklės: esant neigiamajam grįžtamajam ryšiui, stiprintuvas nustato išėjimą taip, kad abiejų įėjimų įtampa būtų vienoda (V₋ = V₊), ir į nė vieną įėjimą srovė neteka. KSD invertuojančiajame įėjime su šiais dviem faktais duoda išėjimą.
Neinvertuojančiojo stiprintuvo stiprinimas
V₋ = V₊ = Vin, o srovė per R₁ teka ir per Rf, todėl Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (15 − 1)·10 = 140 kΩ
Atsakymas
Rf = 140 kΩ
4.Operacinių stiprintuvų grandinės
Atsakymas: Vout = −0,3059 V
Idealaus operacinio stiprintuvo taisyklės: esant neigiamajam grįžtamajam ryšiui, stiprintuvas nustato išėjimą taip, kad abiejų įėjimų įtampa būtų vienoda (V₋ = V₊), ir į nė vieną įėjimą srovė neteka. KSD invertuojančiajame įėjime su šiais dviem faktais duoda išėjimą.
Įėjimo srovės
V₋ = 0, todėl ant kiekvieno įėjimo rezistoriaus yra visa jo įėjimo įtampa.
I1 = V1/R1 = 0,4/100 = 0,004 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/4,7 = 0,1489 mA
If = I1 + I2 = 0,1529 mA
Išėjimo įtampa
Vout = −Rf·If = −2·0,1529 = −0,3059 V
Atsakymas
Vout = −0,3059 V
5.RC ir RL pereinamieji procesai
Atsakymas: W(∞) = 28,8 mJ
Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.
Laiko konstanta ir galutinė srovė
Ilgai po jungiklio užsidarymo ritė elgiasi kaip trumpasis jungimas, todėl galutinę srovę lemia tik R.
τ = L/R = 10 mH / 5 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 12/5 = 2,4 A
Sukaupta energija
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·10·2,4² = 28,8 mJ
Atsakymas
W(∞) = 28,8 mJ
6.RC ir RL pereinamieji procesai
Atsakymas: i = 0,3782 A
Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.
Pradinė vertė, galutinė vertė, laiko konstanta
Iki t = 0 uždarytas jungiklis apeina R₂; po to kontūre yra ir R₁, ir R₂.
i(0) = 24/47 = 0,5106 A
i(∞) = 24/(47 + 20) = 0,3582 A
τ = L/R = 33/67 = 0,4925 ms
i(t) = 0,3582 + (0,5106 − 0,3582)·e−t/τ
Srovė duotuoju momentu
i(1) = 0,3582 + (0,1524)·e−1/0,4925 = 0,3782 A
Atsakymas
i = 0,3782 A
7.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai
Atsakymas: Req = 7,231 Ω
Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai: nuosekliai per kiekvieną rezistorių teka ta pati srovė ir R = R₁ + R₂ + …. Lygiagrečiai ant kiekvieno rezistoriaus ta pati įtampa ir 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Kopėčių tinklas supaprastinamas po vieną porą, kol lieka viena ekvivalentinė varža.
Junkite rezistorius nuo tolimiausio galo
Pradėkite nuo galo, esančio toliausiai nuo šaltinio, ir eikite link jo. Rezistoriai, kuriais teka ta pati srovė, sujungti nuosekliai; rezistoriai tarp tų pačių dviejų mazgų – lygiagrečiai.
R3 + R4 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 6·7/(6+7) = 3,231 Ω
Req = R1 + 3,231 = 4 + 3,231 = 7,231 Ω
Atsakymas
Req = 7,231 Ω
8.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai
Atsakymas: IR1 = 0,1549 A
Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai: nuosekliai per kiekvieną rezistorių teka ta pati srovė ir R = R₁ + R₂ + …. Lygiagrečiai ant kiekvieno rezistoriaus ta pati įtampa ir 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Kopėčių tinklas supaprastinamas po vieną porą, kol lieka viena ekvivalentinė varža.
Junkite rezistorius nuo tolimiausio galo
Pradėkite nuo galo, esančio toliausiai nuo šaltinio, ir eikite link jo. Rezistoriai, kuriais teka ta pati srovė, sujungti nuosekliai; rezistoriai tarp tų pačių dviejų mazgų – lygiagrečiai.
R5 + R6 = 3 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 15,5 Ω
R2 ∥ 15,5 = 8,732 Ω
Req = R1 + 8,732 = 30 + 8,732 = 38,73 Ω
Šaltinio srovė
Šaltinis mato tik Req, todėl Omo dėsnis duoda jo tiekiamą srovę. Ši srovė teka per R₁.
IR1 = V1/Req = 6/38,73 = 0,1549 A
Atsakymas
IR1 = 0,1549 A
9.DC-DC keitikliai
Atsakymas: ΔIL = 0,3636 A
DC-DC keitikliai: jungiklis S įjungiamas kiekvieno periodo T = 1/f dalį D. Nusistovėjusiame režime vidutinė induktyvumo įtampa lygi nuliui (voltsekundžių pusiausvyra), o tai ištisinio laidumo režime duoda idealius keitimo santykius: žeminantysis Vo = D·Vin, aukštinantysis Vo = Vin/(1 − D), invertuojantysis žeminantysis-aukštinantysis |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealus keitiklis išlaiko galią: Vin·Iin = Vo·Io. Kol S įjungtas, induktyvumo srovė padidėja ΔIL = VL·D·T/L, kur VL = Vin − Vo žeminančiajam ir Vin aukštinančiajam bei žeminančiajam-aukštinančiajam keitikliui. Išėjimo pulsacija yra ΔVo = ΔIL/(8fC) žeminančiajam ir Io·D/(fC) aukštinančiajam bei žeminančiajam-aukštinančiajam. Induktyvumo srovė vos pasiekia nulį (CCM riba), kai vidutinė induktyvumo srovė lygi ΔIL/2.
Pildymo koeficientas
D = 12/24 = 0,5
Induktyvumo įtampa įjungimo metu
Kol S įjungtas, induktyvumas yra tarp Vin ir Vo.
VL = 24 − 12 = 12 V
Pulsacijos srovė
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,5/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0,3636 A
Atsakymas
ΔIL = 0,3636 A
10.DC-DC keitikliai
Atsakymas: ΔVo = 85,11 mV
DC-DC keitikliai: jungiklis S įjungiamas kiekvieno periodo T = 1/f dalį D. Nusistovėjusiame režime vidutinė induktyvumo įtampa lygi nuliui (voltsekundžių pusiausvyra), o tai ištisinio laidumo režime duoda idealius keitimo santykius: žeminantysis Vo = D·Vin, aukštinantysis Vo = Vin/(1 − D), invertuojantysis žeminantysis-aukštinantysis |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealus keitiklis išlaiko galią: Vin·Iin = Vo·Io. Kol S įjungtas, induktyvumo srovė padidėja ΔIL = VL·D·T/L, kur VL = Vin − Vo žeminančiajam ir Vin aukštinančiajam bei žeminančiajam-aukštinančiajam keitikliui. Išėjimo pulsacija yra ΔVo = ΔIL/(8fC) žeminančiajam ir Io·D/(fC) aukštinančiajam bei žeminančiajam-aukštinančiajam. Induktyvumo srovė vos pasiekia nulį (CCM riba), kai vidutinė induktyvumo srovė lygi ΔIL/2.
Pildymo koeficientas
D = 1 − 24/40 = 0,4
Apkrovos srovė
Io = 40/20 = 2 A
Išėjimo pulsacija
ΔVo = 2·0,4/(200·10³·47·10⁻⁶) = 85,11 mV
Atsakymas
ΔVo = 85,11 mV
11.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 14,4 Ω
Vitstouno tiltas: du įtampos dalikliai maitinami iš to paties šaltinio Vs. Kairysis daliklis R1–R2 duoda Va = Vs·R2/(R1 + R2), o dešinysis daliklis R3–R4 duoda Vb = Vs·R4/(R3 + R4); išėjimas yra Vab = Va − Vb. Tiltas yra subalansuotas (Vab = 0, prietaisu srovė neteka), kai R1/R2 = R3/R4, t. y. R1·R4 = R2·R3. Žiūrint nuo išėjimo, tiltas yra Tevenino šaltinis, kurio Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Mazgo įtampa
Va = 7,5 + 0,4245 = 7,925 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 120·7,925/(15 − 7,925) = 134,4 Ω
ΔR = 134,4 − 120 = 14,4 Ω
Atsakymas
ΔR = 14,4 Ω
12.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 315 MPa
Tenzojutikliai: jutiklio varža kinta kartu su deformacija: ΔR/R = GF·ε, kur tenzojautrumo koeficientas GF metalinei folijai yra apie 2. Tilte, kurio visos svirtys lygios R, vienas aktyvus jutiklis (ketvirtinis tiltas) duoda Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Du aktyvūs jutikliai su priešingomis deformacijomis gretimose svirtyse (pustiltis) duoda Vs·GF·ε/2, o keturi (pilnas tiltas) – Vs·GF·ε. Įtempis gaunamas iš Huko dėsnio, σ = E·ε. Apkrovos jutikliai savo jautrį nurodo mV/V: išėjimas esant pilnai apkrovai vienam žadinimo voltui.
Deformacija
ε = 4·0,001969/(2,5·2,1) = 0,0015
Įtempis
σ = 210·10³ MPa·0,0015 = 315 MPa
Atsakymas
σ = 315 MPa
13.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Atsakymas: N = 2
Karno žemėlapiai: langeliai išdėstyti Grejaus kodu (00, 01, 11, 10), todėl gretimi langeliai, įskaitant esančius per kraštus, skiriasi tiksliai vienu kintamuoju. Sugrupuokite vienetus į 1, 2, 4, 8 arba 16 langelių stačiakampius, kuo didesnius ir kuo mažiau, kol bus padengtas kiekvienas vienetas. Kiekviena grupė yra vienas sandaugos narys: kintamieji, kurie joje nesikeičia. 2ᵏ langelių grupė netenka k kintamųjų. Nesvarbias reikšmes (X) galima naudoti grupėms didinti, bet jų dengti nebūtina. Grupuojant nulius, gaunama minimali POS forma.
Sugrupuokite vienetus
Kiekviena grupė yra 2ᵏ langelių stačiakampis; kraštiniai langeliai yra priešingo krašto langelių kaimynai.
BC
AC
Minimali SOP forma
F = BC + AC
N = 2
Atsakymas
N = 2
14.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Atsakymas: L = 11
Karno žemėlapiai: langeliai išdėstyti Grejaus kodu (00, 01, 11, 10), todėl gretimi langeliai, įskaitant esančius per kraštus, skiriasi tiksliai vienu kintamuoju. Sugrupuokite vienetus į 1, 2, 4, 8 arba 16 langelių stačiakampius, kuo didesnius ir kuo mažiau, kol bus padengtas kiekvienas vienetas. Kiekviena grupė yra vienas sandaugos narys: kintamieji, kurie joje nesikeičia. 2ᵏ langelių grupė netenka k kintamųjų. Nesvarbias reikšmes (X) galima naudoti grupėms didinti, bet jų dengti nebūtina. Grupuojant nulius, gaunama minimali POS forma.
Pagrindiniai implikantai
Didžiausios grupės, kurias galima sudaryti iš vienetų ir X.
BCD, A′D, AC′D′, ABD′, A′B′C, ABC
Minimalus dengimas
F = BCD + A′D + AC′D′ + A′B′C
L = 11
Atsakymas
L = 11
Egzistuoja kitas to paties dydžio grupavimas; jis turi tiek pat narių ir literalų.