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
NPN tranzistoriaus, kurio β = 200, darbo taškas nustatomas bazės rezistoriumi RB = 680 kΩ iš maitinimo šaltinio VCC = 15 V. Kolektoriaus rezistorius RC = 470 Ω, emiteris įžemintas. Imkite VBE = 0,7 V ir tarkite, kad tranzistorius veikia aktyviojoje srityje. Raskite kolektoriaus srovę IC mA.
VCC = 15 VRB = 680 kΩRC = 470 Ωβ = 200VBE = 0,7 V
IC = mA
2.Diodai ir tranzistoriaiSunkus
3,3 V Zenerio stabilizatorius turi tiekti iki 30 mA apkrovai. Įėjimo įtampa gali nukristi iki 9 V, o Zenerio diodui stabilizuoti reikia bent 1 mA. Raskite didžiausią nuosekliąją varžą Rmax, su kuria jis dar stabilizuoja.
Operacinis stiprintuvas idealus ir maitinamas ±15 V. Raskite išėjimo įtampą Vout.
Vin = −1 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
4.Operacinių stiprintuvų grandinėsSunkus
Integratorius naudoja idealų operacinį stiprintuvą, maitinamą ±15 V; jo išėjimas įsisotina ties ±14 V. Kondensatorius neįkrautas, kai momentu t = 0 paduodamas pastovus įėjimas Vin = 2 V. Raskite išėjimo įtampą Vout momentu t = 2 ms.
Vin = 2 VR = 10 kΩC = 0,47 µFVsat = ±14 Vt = 2 ms
Vout = V
5.RC ir RL pereinamieji procesaiVidutinis
Kol jungiklis neužsidarė momentu t = 0, rite srovė neteka. Raskite ritėje sukauptą energiją W(∞), kai grandinė nusistovi, mJ.
Vs = 5 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 = 5 ms.
Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 33 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
7.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiVidutinis
Raskite ekvivalentinę varžą Req, kurią mato šaltinis V1.
V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
8.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiSunkus
Raskite ekvivalentinę varžą Req, kurią mato šaltinis V1.
Idealus žeminantysis keitiklis 24 V paverčia 16,8 V, dažnis 100 kHz, L = 68 µH. Raskite induktyvumo pulsacijos srovę tarp viršūnių ΔIL.
Vin = 24 VVo = 16,8 Vf = 100 kHzL = 68 µH
ΔIL = A
10.DC-DC keitikliaiSunkus
Idealus žeminantysis-aukštinantysis keitiklis 15 V paverčia −35 V, apkrova 2 Ω, dažnis 25 kHz. Išėjimo kondensatorius yra 10 µF. Raskite išėjimo įtampos pulsaciją tarp viršūnių ΔVo mV.
Vin = 15 VVo = −35 Vf = 25 kHzC = 10 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 1000 Ω, Vs = 12 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 5 Ω. Taikydami mažo pokyčio artinį, raskite išėjimą Vab mV.
Vs = 12 VR = 1000 ΩΔR = 5 Ω
Vab = mV
12.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas (vienas aktyvus jutiklis, GF = 2) žadinamas 10 V. Didžiausia matuojama deformacija yra 750 µε, ir ji analoginio-skaitmeninio keitiklio įėjime turi duoti 3,3 V. Raskite stiprintuvo stiprinimą G.
Vs = 10 VGF = 2εmax = 750 µεVFS = 3,3 V
G =
13.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriaiVidutinis
Supaprastinkite F = AB + ABC′ + A′BC′ iki minimalios sandaugų sumos formos. Kiek literalų L turi supaprastinta išraiška?
F = AB + ABC′ + A′BC′
L =
14.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriaiSunkus
Mod-60 skaitiklis turi išskaičiuoti 60 skirtingų būsenų. Kiek mažiausiai trigerių n jam reikia?
N = 60
n =
3Tirpalai
1.Diodai ir tranzistoriai
Atsakymas: IC = 4,206 mA
Dvipolio tranzistoriaus darbo taškas: aktyviojoje srityje VBE = 0,7 V, IC = β·IB ir IE = (β + 1)·IB. IB raskite iš bazės kontūro pagal KĮD, tada IC, tada VCE iš kolektoriaus–emiterio kontūro. Įtampos daliklis bazėje pakeičiamas jo Tevenino ekvivalentu VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; emiterio rezistorius bazės kontūre atrodo (β + 1) karto didesnis.
Patikrinimas: VCE = 13,02 V gerokai viršija 0,2 V, todėl tranzistorius iš tikrųjų veikia aktyviojoje srityje.
2.Diodai ir tranzistoriai
Atsakymas: Rmax = 183,9 Ω
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 srovė
IR = 30 + 1 = 31 mA
Didžiausia varža
Rmax = 5,7/0,031 = 183,9 Ω
Atsakymas
Rmax = 183,9 Ω
3.Operacinių stiprintuvų grandinės
Atsakymas: Vout = −5,7 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.
Invertuojantysis įėjimas seka įėjimą
V₋ = V₊ = −1 V
I = V₋/R1 = −1/1 = −1 mA
Išėjimo įtampa
Srovė per R₁ teka ir per Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1 + (−1)·4,7 = −5,7 V
Atsakymas
Vout = −5,7 V
4.Operacinių stiprintuvų grandinės
Atsakymas: Vout = −0,8511 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 srovė ir kitimo sparta
kΩ kart µF duoda milisekundes.
RC = 10 kΩ · 0,47 µF = 4,7 ms
kitimo sparta = −Vin/(RC) = −2/4,7 = −0,4255 V/ms
Išėjimas duotuoju momentu
Idealioji vertė yra ±Vsat ribose, todėl integratorius dar neapribojo išėjimo.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2·2/4,7 = −0,8511 V
Atsakymas
Vout = −0,8511 V
5.RC ir RL pereinamieji procesai
Atsakymas: W(∞) = 5 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 = 5/5 = 1 A
Sukaupta energija
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·10·1² = 5 mJ
Atsakymas
W(∞) = 5 mJ
6.RC ir RL pereinamieji procesai
Atsakymas: i = 0,2224 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) = 12/33 = 0,3636 A
i(∞) = 12/(33 + 33) = 0,1818 A
τ = L/R = 220/66 = 3,333 ms
i(t) = 0,1818 + (0,3636 − 0,1818)·e−t/τ
Srovė duotuoju momentu
i(5) = 0,1818 + (0,1818)·e−5/3,333 = 0,2224 A
Atsakymas
i = 0,2224 A
7.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai
Atsakymas: Req = 4,765 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 + 12 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Req = R1 + 1,765 = 3 + 1,765 = 4,765 Ω
Atsakymas
Req = 4,765 Ω
8.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai
Atsakymas: Req = 6,745 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.
R5 + R6 = 10 + 4 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 7,241 Ω
R3 + 7,241 = 32,24 Ω
R2 ∥ 32,24 = 2,745 Ω
Req = R1 + 2,745 = 4 + 2,745 = 6,745 Ω
Atsakymas
Req = 6,745 Ω
9.DC-DC keitikliai
Atsakymas: ΔIL = 0,7412 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 = 16,8/24 = 0,7
Induktyvumo įtampa įjungimo metu
Kol S įjungtas, induktyvumas yra tarp Vin ir Vo.
VL = 24 − 16,8 = 7,2 V
Pulsacijos srovė
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,2·0,7/(68·10⁻⁶·100·10³) = 0,7412 A
Atsakymas
ΔIL = 0,7412 A
10.DC-DC keitikliai
Atsakymas: ΔVo = 49000 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 = 35/(15 + 35) = 0,7
Apkrovos srovė
Io = 35/2 = 17,5 A
Išėjimo pulsacija
ΔVo = 17,5·0,7/(25·10³·10·10⁻⁶) = 49000 mV
Atsakymas
ΔVo = 49000 mV
11.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 15 mV
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.
Santykinis pokytis
ΔR/R = 5/1000 = 0,005
Tiesinis išėjimas
Vab ≈ 12·0,005/4 = 15 mV
Atsakymas
Vab = 15 mV
Tiksli reikšmė yra 14,96 mV; artinys geras, kol ΔR/R mažas.
12.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: G = 880
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.
Tilto išėjimas esant pilnai skalei
Vo = 3,75 mV
Stiprinimas
G = 3,3/0,00375 = 880
Atsakymas
G = 880
13.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Atsakymas: L = 4
Būlio algebra: išraiškas supaprastinančios taisyklės yra X + X′ = 1 ir X·X′ = 0, X + X = X, sugėrimas X + X·Y = X, jungimo taisyklė X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y ir konsensuso teorema XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. De Morgano dėsniai (X·Y)′ paverčia X′ + Y′, o (X + Y)′ – X′·Y′. Karno žemėlapis šias taisykles taiko grafiškai: kiekviena dviejų gretimų langelių grupė yra vienas XY + XY′ = X taikymas.
Išraiškos mintermos
AB → m(6, 7)
ABC′ → m(6)
A′BC′ → m(2)
Sugrupuokite ir nuskaitykite
F = BC′ + AB
Suskaičiuokite literalus
L = 4
Atsakymas
L = 4
14.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Atsakymas: n = 6
Trigeriai ir skaitikliai: trigeris keičiasi tik aktyviu taktinio signalo frontu. D nukopijuoja savo įėjimą (Q⁺ = D); T perjungia, kai T = 1; JK išlaiko esant 00, nustato į 0 esant 01, nustato į 1 esant 10 ir perjungia esant 11. n bitų dvejetainis skaitiklis turi 2ⁿ būsenų ir skaičiuoja moduliu 2ⁿ; mod-N skaitiklis skaičiuoja 0, 1, …, N − 1 ir grįžta į 0, jam reikia mažiausiai n trigerių, kad 2ⁿ ≥ N. Kiekviena nuosekliojo (ripple) skaitiklio pakopa perpus sumažina dažnį, todėl paskutinis mod-N skaitiklio išėjimas veikia fclk/N dažniu. n trigerių Johnsono skaitiklis turi 2n būsenų, žiedinis – n.