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
2 mėlyni LED (kiekvieno tiesioginė įtampa 3,2 V) sujungti nuosekliai su rezistoriumi ir prijungti prie 12 V šaltinio. Raskite varžą R, nustatančią 10 mA srovę.
Vs = 12 VVF = 3,2 Vn = 2I = 10 mA
R = Ω
2.Diodai ir tranzistoriaiSunkus
3,3 V Zenerio stabilizatoriaus nuosekliojo rezistoriaus varža 270 Ω. Įėjimo įtampa gali pakilti iki 28 V, o apkrova gali būti atjungta. Raskite didžiausią galią PZ,max, kurią turi išsklaidyti Zenerio diodas.
Vin,max = 28 VVZ = 3,3 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
3.Operacinių stiprintuvų grandinėsVidutinis
Diferencinis stiprintuvas naudoja idealų operacinį stiprintuvą, maitinamą ±15 V, kai R3 = R1 ir R4 = R2. Raskite išėjimo įtampą Vout.
V1 = −0,2 VV2 = 1,9 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 1 kΩ
Vout = V
4.Operacinių stiprintuvų grandinėsSunkus
Dvi idealių operacinių stiprintuvų pakopos sujungtos nuosekliai: invertuojantis stiprintuvas (R1, Rf1), po jo neinvertuojantis stiprintuvas (R2 į įžeminimą, Rf2 grįžtamajame ryšyje). Abi maitinamos ±15 V. Įėjimas Vin = −0,5 V. Raskite išėjimo įtampą Vout.
Kol jungiklis neužsidarė momentu t = 0, rite srovė neteka. Po kiek laiko nuo jungiklio užsidarymo srovė pasiekia 80% galutinės vertės? Raskite t.
Vs = 5 VR = 22 ΩL = 22 mH
t = ms
6.RC ir RL pereinamieji procesaiSunkus
Jungiklis, lygiagretus R2, ilgai buvo atidarytas, todėl ritės srovė nusistovėjusi. Momentu t = 0 jungiklis užsidaro ir trumpai sujungia R2. Po kiek laiko nuo t = 0 ritės srovė pasiekia 0,181 A? Raskite t.
Vs = 10 VR1 = 47 ΩR2 = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
7.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiVidutinis
Raskite šaltinio tiekiamą srovę IR1, tekančią per R1.
V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
8.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiSunkus
Raskite ekvivalentinę varžą Req, kurią mato šaltinis V1.
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 350 Ω, maitinimas 2 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 56,6 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 2 VR = 350 ΩVab = 56,6 mV
ΔR = Ω
12.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas su vienu aktyviu jutikliu (GF = 2) žadinamas 2,5 V. Veikiant apkrovai išėjimas rodo 1,25 mV. Raskite deformaciją ε µε.
Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 1,25 mV
ε = µε
13.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriaiVidutinis
Supaprastinkite F = AB′C + BC + AC′ + ABC iki minimalios sandaugų sumos formos. Kiek literalų L turi supaprastinta išraiška?
F = AB′C + BC + AC′ + ABC
L =
14.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriaiSunkus
Kylančiuoju frontu valdomas D trigeris pradeda nuo Q = 0 ir gauna parodytus įėjimus. Spustelėkite pirmąjį taktinį frontą, kuriuo Q iš 1 grįžta į 0.
Q₀ = 0D
1taktinis frontas 1
2taktinis frontas 2
3taktinis frontas 3
4taktinis frontas 4
5taktinis frontas 5
6taktinis frontas 6
3Tirpalai
1.Diodai ir tranzistoriai
Atsakymas: R = 560 Ω
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 = 12 − 2·3,2 = 5,6 V
Varža
R = 5,6/0,01 = 560 Ω
Atsakymas
R = 560 Ω
Rezistoriuje išsiskiria 56 mW.
2.Diodai ir tranzistoriai
Atsakymas: PZ,max = 301,9 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 = 24,7/270 = 91,48 mA
Zenerio diodo galia
PZ = 3,3·91,48 = 301,9 mW
Atsakymas
PZ,max = 301,9 mW
3.Operacinių stiprintuvų grandinės
Atsakymas: Vout = 1,05 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.
Įtampa įėjimuose
Per R₃ ir R₄ teka ta pati srovė, todėl jie sudaro įtampos daliklį; grįžtamasis ryšys užtikrina V₋ = 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.
Kiekvienos pakopos stiprinimas
A1 = −Rf1/R1 = −22/4,7 = −4,681
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/100 = 2
Pakopa po pakopos
V1 = −4,681·(−0,5) = 2,34 V
Vout = 2·2,34 = 4,681 V
Atsakymas
Vout = 4,681 V
5.RC ir RL pereinamieji procesai
Atsakymas: t = 1,609 ms
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 = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0,2273 A
Išreiškite laiką
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −1·ln(0,2) = 1,609 ms
Atsakymas
t = 1,609 ms
6.RC ir RL pereinamieji procesai
Atsakymas: t = 0,4865 ms
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 kontūre yra abu rezistoriai; po to uždarytas jungiklis apeina R₂.
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 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Req = R1 + 3,75 = 10 + 3,75 = 13,75 Ω
Šaltinio srovė
Šaltinis mato tik Req, todėl Omo dėsnis duoda jo tiekiamą srovę. Ši srovė teka per R₁.
IR1 = V1/Req = 10/13,75 = 0,7273 A
Atsakymas
IR1 = 0,7273 A
8.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai
Atsakymas: Req = 35,86 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 6,462 Ω
R3 + 6,462 = 11,46 Ω
R2 ∥ 11,46 = 5,862 Ω
Req = R1 + 5,862 = 30 + 5,862 = 35,86 Ω
Atsakymas
Req = 35,86 Ω
9.DC-DC keitikliai
Atsakymas: IL = 2,222 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 = 1 − 15/20 = 0,25
Apkrovos srovė
Io = 20/12 = 1,667 A
Induktyvumo srovė
IL = Io/(1 − D) = 1,667/0,75 = 2,222 A
Atsakymas
IL = 2,222 A
10.DC-DC keitikliai
Atsakymas: Lcrit = 20 µH
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 = 24/(24 + 24) = 0,5
Ribos sąlyga
Vidutinę induktyvumo srovę prilyginkite pusei pulsacijos srovės ir išspręskite L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Kritinis induktyvumas
Lcrit = (1 − 0,5)²·8/(250·10³) = 20 µH
Atsakymas
Lcrit = 20 µH
11.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 42 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 = 1 + 0,0566 = 1,057 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 350·1,057/(2 − 1,057) = 392 Ω
ΔR = 392 − 350 = 42 Ω
Atsakymas
ΔR = 42 Ω
12.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ε = 1000 µε
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.
Išspręskite ketvirtinio tilto lygtį
ε = 4·0,00125/(2,5·2) = 0,001
Mikrodeformacijomis
ε = 1000 µε
Atsakymas
ε = 1000 µε
13.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Atsakymas: L = 3
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′C → m(5)
BC → m(3, 7)
AC′ → m(4, 6)
ABC → m(7)
Sugrupuokite ir nuskaitykite
F = BC + A
Suskaičiuokite literalus
L = 3
Atsakymas
L = 3
14.Skaitmeninė logika: elementai, Karno žemėlapiai ir trigeriai
Atsakymas: taktinis frontas 3
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.
Q po kiekvieno fronto
D trigeris kiekvienu kylančiuoju frontu nukopijuoja D: Q⁺ = D.