Rozpoznaj przetwornicę (obniżającą, podwyższającą lub odwracającą) i wyznacz współczynnik wypełnienia D z przekładni napięciowej.
Użyj bilansu woltosekundowego na cewce: średnie napięcie na cewce w ciągu okresu jest równe zero.
Wyznacz napięcie na cewce przy załączonym kluczu, a potem ΔIL = VL·D/(L·f).
Dla tętnień wyjścia wyznacz ładunek wpływający do kondensatora i z niego wypływający; dla granicy pracy z prądem ciągłym przyrównaj średni prąd cewki do ΔIL/2.
Potraktuj mostek jako dwa dzielniki napięcia na tym samym zasilaniu.
Dla równowagi przyjmij R₁/R₂ = R₃/R₄ i wyznacz nieznany rezystor.
Dla mostka niezrównoważonego wyznacz Va i Vb z dzielników i odejmij je; użyj układu zastępczego Thévenina, gdy miernik obciąża wyjście.
Dla tensometrów zamień odkształcenie na ΔR/R = GF·ε i użyj Vs·GF·ε/4, /2 lub ×1 odpowiednio dla ćwierćmostka, półmostka i mostka pełnego.
Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Podstawowe bramki
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Reguły algebry Boole’a
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Prawa de Morgana
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Kolejność na mapie Karnaugha
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupa 2ᵏ komórek
traci k zmiennych
Multiplekser 4-do-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Przerzutniki
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Liczniki
n-bitowy: 2ⁿ stanów; mod-N: najmniejsze n z 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Licznik asynchroniczny (ripple)
fmax = 1/(n·tpd)
Liczniki pierścieniowy i Johnsona
n i 2n stanów
Metoda
Dla układu przechodź od wejść do wyjścia bramka po bramce i zapisuj wartość na każdym przewodzie albo zapisz jego wyrażenie i wypełnij tablicę prawdy.
Przy upraszczaniu wpisz jedynki (a stany nieokreślone jako X) na mapę Karnaugha z wierszami i kolumnami w kodzie Graya: 00, 01, 11, 10.
Pokryj jedynki jak najmniejszą liczbą jak największych grup po 1, 2, 4, 8 lub 16 komórek, zawijając przez brzegi; każda grupa to jeden iloczyn ze zmiennych, które pozostają stałe. Dla postaci POS grupuj zera.
Przy przerzutnikach i licznikach odczytuj wejścia przy każdym aktywnym zboczu zegara, zapisuj stan po każdym zboczu i pamiętaj, że n-bitowy licznik zawija się po 2ⁿ stanach.
2Zadania do ćwiczenia
1.Diody i tranzystoryŚredni
Tranzystor NPN o β = 120 jest spolaryzowany rezystorem bazowym RB = 820 kΩ z zasilania VCC = 9 V. Rezystor kolektorowy to RC = 1,2 kΩ, a emiter jest uziemiony. Przyjmij VBE = 0,7 V i załóż, że tranzystor pracuje w obszarze aktywnym. Wyznacz napięcie kolektor–emiter VCE.
VCC = 9 VRB = 820 kΩRC = 1,2 kΩβ = 120VBE = 0,7 V
VCE = V
2.Diody i tranzystoryTrudny
Stabilizator z diodą Zenera 3,3 V ma dostarczać do obciążenia do 10 mA. Napięcie wejściowe może spaść do 15 V, a dioda Zenera potrzebuje co najmniej 1 mA, aby stabilizować. Wyznacz największą rezystancję szeregową Rmax, przy której stabilizacja jest zachowana.
Dobierz rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, który da temu wzmacniaczowi nieodwracającemu wzmocnienie napięciowe 10.
R1 = 10 kΩAv = 10
Rf = kΩ
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
Układ całkujący wykorzystuje idealny wzmacniacz operacyjny zasilany napięciem ±15 V; jego wyjście nasyca się przy ±14 V. Kondensator jest rozładowany, gdy w t = 0 zostaje przyłożone stałe napięcie wejściowe Vin = −1,4 V. Po jakim czasie od t = 0 wyjście osiągnie nasycenie? Wyznacz t.
Vin = −1,4 VR = 2,2 kΩC = 0,22 µFVsat = ±14 V
t = ms
5.Stany nieustalone RC i RLŚredni
Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz prąd i w chwili t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
6.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Łącznik był długo zamknięty, więc obwód jest w stanie ustalonym. W t = 0 łącznik się otwiera. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 75 ms.
Vs = 30 VR1 = 6,8 kΩR2 = 6,8 kΩC = 33 µFt = 75 ms
vC = V
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
Wyznacz prąd IR2 płynący przez R2.
V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 15 V na 20 V przy obciążeniu 4 Ω. Wyznacz średni prąd cewki IL.
Vin = 15 VVo = 20 VR = 4 Ω
IL = A
10.Przetwornice DC-DCTrudny
Przetwornica obniżająca zamienia 12 V na 3 V przy 250 kHz i L = 22 µH. Wyznacz pojemność wyjściową C, przy której międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą 25 mV.
Tensometr 250 Ω jest jednym ramieniem (R₂) mostka z czterema jednakowymi ramionami 250 Ω i zasilaniem 5 V. Wyznacz moc Pg wydzielaną w tensometrze, w mW. Samonagrzewanie ogranicza zasilanie.
Vs = 5 VR = 250 Ω
Pg = mW
12.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Tensometr 350 Ω o współczynniku czułości 2,1 jest przyklejony do stalowego pręta. Pod obciążeniem jego rezystancja rośnie o 0,588 Ω. Wyznacz odkształcenie ε w mikroodkształceniach (µε).
R = 350 ΩGF = 2,1ΔR = 0,588 Ω
ε = µε
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiŚredni
Użyj mapy Karnaugha, aby znaleźć minimalną postać sumy iloczynów (SOP) funkcji F(A, B, C) = Σm(0, 1, 5, 7). Ile iloczynów N ona zawiera?
F(A, B, C) = Σm(0, 1, 5, 7)
N =
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiTrudny
Dla F(A, B, C, D) = Σm(5, 7, 9, 11, 13, 14) + d(6, 10, 15), gdzie d oznacza stany nieokreślone, znajdź liczbę N istotnych implikantów prostych.
Punkt pracy tranzystora bipolarnego: w obszarze aktywnym VBE = 0,7 V, IC = β·IB i IE = (β + 1)·IB. Wyznacz IB z oczka bazy za pomocą napięciowego prawa Kirchhoffa, potem IC, a następnie VCE z oczka kolektor–emiter. Dzielnik napięcia w bazie zastępuje się jego zastępczym układem Thévenina VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; rezystor emiterowy w oczku bazy jest widziany jako (β + 1) razy większy.
Prąd bazy
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0,7)/820 kΩ = 10,12 µA
Prąd kolektora
IC = β·IB = 120·10,12 µA = 1,215 mA
Napięcie kolektor–emiter
VCE = 9 − 1,215 mA·1,2 kΩ = 7,542 V
Odpowiedź
VCE = 7,542 V
2.Diody i tranzystory
Odpowiedź: Rmax = 1064 Ω
Stabilizator Zenera: spolaryzowana zaporowo dioda Zenera utrzymuje napięcie VZ, dopóki jej prąd pozostaje powyżej minimum IZ,min. Rezystor szeregowy R przejmuje różnicę między napięciem wejściowym a wyjściowym: IR = (Vin − VZ)/R. Ten prąd dzieli się między obciążenie, IL = VZ/RL, i diodę Zenera: IZ = IR − IL. Projektuj dla najgorszych przypadków: najniższe napięcie wejściowe przy największym obciążeniu musi nadal zostawić IZ,min, a najwyższe napięcie wejściowe bez obciążenia daje największą moc diody Zenera PZ = VZ·IZ.
Prąd w najgorszym przypadku
IR = 10 + 1 = 11 mA
Największa rezystancja
Rmax = 11,7/0,011 = 1064 Ω
Odpowiedź
Rmax = 1064 Ω
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Rf = 90 kΩ
Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.
Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego
V₋ = V₊ = Vin, a prąd przez R₁ płynie też przez Rf, więc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (10 − 1)·10 = 90 kΩ
Odpowiedź
Rf = 90 kΩ
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: t = 4,84 ms
Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·0,484/1,4 = 4,84 ms
Odpowiedź
t = 4,84 ms
5.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: i = 0,1751 A
Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.
Stała czasowa i prąd końcowy
Długo po zamknięciu łącznika cewka zachowuje się jak zwarcie, więc prąd końcowy zależy tylko od R.
Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.
Początkowe napięcie kondensatora
W stanie ustalonym kondensator jest rozwarciem, więc R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia. Napięcie kondensatora nie może zmienić się skokowo przy otwarciu łącznika.
vC(0) = 30·6,8/(6,8 + 6,8) = 15 V
Stała czasowa po otwarciu łącznika
τ = R2·C = 6,8·33 = 224,4 ms
Rozładowanie
vC(t) = 15·e−75/224,4 = 10,74 V
Odpowiedź
vC = 10,74 V
7.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR2 = 0,3293 A
Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.
Łącz rezystory od najdalszego końca
Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.
R3 + R4 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 6·27/(6+27) = 4,909 Ω
Req = R1 + 4,909 = 10 + 4,909 = 14,91 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 6/14,91 = 0,4024 A
Prąd przez R₂
Odejmij spadek na R₁, aby dostać potencjał węzła A, czyli napięcie na R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,4024·10 = 1,976 V
IR2 = VA/R2 = 1,976/6 = 0,3293 A
Odpowiedź
IR2 = 0,3293 A
8.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 5,025 A
Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.
Łącz rezystory od najdalszego końca
Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.
R5 + R6 = 6 + 3 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 6,618 Ω
R3 + 6,618 = 8,618 Ω
R2 ∥ 8,618 = 3,164 Ω
Req = R1 + 3,164 = 4 + 3,164 = 7,164 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 36/7,164 = 5,025 A
Odpowiedź
IR1 = 5,025 A
9.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: IL = 6,667 A
Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.
Współczynnik wypełnienia
D = 1 − 15/20 = 0,25
Prąd obciążenia
Io = 20/4 = 5 A
Prąd cewki
IL = Io/(1 − D) = 5/0,75 = 6,667 A
Odpowiedź
IL = 6,667 A
10.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: C = 8,182 µF
Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.
Współczynnik wypełnienia
D = 3/12 = 0,25
Tętnienia prądu cewki
ΔIL = (12 − 3)·0,25/(22·10⁻⁶·250·10³) = 0,4091 A
Pojemność
C = 0,4091/(8·250·10³·25·10⁻³) = 8,182 µF
Odpowiedź
C = 8,182 µF
11.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Pg = 25 mW
Mostek Wheatstone’a: dwa dzielniki napięcia mają wspólne zasilanie Vs. Lewy dzielnik R1–R2 daje Va = Vs·R2/(R1 + R2), a prawy dzielnik R3–R4 daje Vb = Vs·R4/(R3 + R4); wyjściem jest Vab = Va − Vb. Mostek jest zrównoważony (Vab = 0, brak prądu w mierniku), gdy R1/R2 = R3/R4, czyli R1·R4 = R2·R3. Widziany od strony wyjścia mostek jest źródłem Thévenina o Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Napięcie na tensometrze
V = 5/2 = 2,5 V
Moc
Pg = 2,5²/250 = 25 mW
Odpowiedź
Pg = 25 mW
12.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: ε = 800 µε
Tensometry: tensometr zmienia rezystancję pod wpływem odkształcenia: ΔR/R = GF·ε, gdzie współczynnik czułości GF wynosi około 2 dla tensometrów foliowych metalowych. W mostku, w którym wszystkie ramiona mają rezystancję R, jeden czynny tensometr (ćwierćmostek) daje Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dwa czynne tensometry o przeciwnych odkształceniach w sąsiednich ramionach (półmostek) dają Vs·GF·ε/2, a cztery (mostek pełny) dają Vs·GF·ε. Naprężenie wynika z prawa Hooke’a, σ = E·ε. Przetworniki tensometryczne podają czułość w mV/V: napięcie wyjściowe przy pełnym obciążeniu na każdy wolt zasilania.
Względna zmiana rezystancji
ΔR/R = 0,588/350 = 0,00168
Odkształcenie
ε = 0,00168/2,1 = 0,0008 = 800 µε
Odpowiedź
ε = 800 µε
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: N = 2
Mapy Karnaugha: komórki są ułożone w kodzie Graya (00, 01, 11, 10), więc sąsiednie komórki, także te przez brzegi, różnią się dokładnie jedną zmienną. Grupuj jedynki w prostokąty po 1, 2, 4, 8 lub 16 komórek, jak największe i jak najmniej, aż każda jedynka będzie pokryta. Każda grupa to jeden iloczyn: zmienne, które wewnątrz niej pozostają stałe. Grupa 2ᵏ komórek traci k zmiennych. Stany nieokreślone (X) można wykorzystać, by powiększyć grupy, ale nigdy nie trzeba ich pokrywać. Grupowanie zer daje minimalną postać POS.
Zgrupuj jedynki
Każda grupa to prostokąt z 2ᵏ komórek; komórki na brzegu sąsiadują z komórkami na przeciwległym brzegu.
AC
A′B′
Minimalna postać SOP
F = AC + A′B′
N = 2
Odpowiedź
N = 2
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: N = 2
Mapy Karnaugha: komórki są ułożone w kodzie Graya (00, 01, 11, 10), więc sąsiednie komórki, także te przez brzegi, różnią się dokładnie jedną zmienną. Grupuj jedynki w prostokąty po 1, 2, 4, 8 lub 16 komórek, jak największe i jak najmniej, aż każda jedynka będzie pokryta. Każda grupa to jeden iloczyn: zmienne, które wewnątrz niej pozostają stałe. Grupa 2ᵏ komórek traci k zmiennych. Stany nieokreślone (X) można wykorzystać, by powiększyć grupy, ale nigdy nie trzeba ich pokrywać. Grupowanie zer daje minimalną postać POS.
Implikanty proste
Największe grupy, jakie można utworzyć z jedynek i X.