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
5 diod LED (kolor: zielone, napięcie przewodzenia 2,2 V każda) jest połączonych szeregowo z rezystorem i zasilanych napięciem 12 V. Wyznacz rezystancję R, która ustala prąd 5 mA.
Vs = 12 VVF = 2,2 Vn = 5I = 5 mA
R = Ω
2.Diody i tranzystoryTrudny
Stabilizator z diodą Zenera 12 V ma rezystor szeregowy 330 Ω. Napięcie wejściowe może wzrosnąć do 23 V, a obciążenie może zostać odłączone. Wyznacz największą moc PZ,max, jaką musi rozproszyć dioda Zenera.
Vin,max = 23 VVZ = 12 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Dobierz rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, który da temu wzmacniaczowi nieodwracającemu wzmocnienie napięciowe 20.
R1 = 4,7 kΩAv = 20
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 = 0,8 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout w chwili t = 2 ms.
Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz napięcie vL na cewce w chwili t = 1 ms.
Vs = 10 VR = 100 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
6.Stany nieustalone RC i RLTrudny
W t = 0 układ czasowy zaczyna ładować nienaładowany kondensator przez rezystor ze źródła 5 V. Ma zadziałać, gdy napięcie kondensatora osiągnie 3 V, dokładnie 100 ms po starcie. Przy C = 22 µF wyznacz potrzebną rezystancję R.
Vs = 5 VVth = 3 VT = 100 msC = 22 µF
R = kΩ
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.
V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 36 V na 72 V przy 500 kHz i L = 47 µH. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia prądu cewki ΔIL.
Vin = 36 VVo = 72 Vf = 500 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
10.Przetwornice DC-DCTrudny
Przetwornica obniżająca zamienia 48 V na 19,2 V przy 40 kHz i L = 100 µH. Wyznacz pojemność wyjściową C, przy której międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą 100 mV.
Mostek ma cztery ramiona 470 Ω i Vs = 5 V. Czujnik R₂ zwiększa się o ΔR = 1,88 Ω. Używając przybliżenia małych zmian, wyznacz napięcie wyjściowe Vab w mV.
Vs = 5 VR = 470 ΩΔR = 1,88 Ω
Vab = mV
12.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Mostek z ramionami 350 Ω jest zasilany napięciem 10 V i ma jeden czynny tensometr (ćwierćmostek). Współczynnik czułości wynosi 2,12, a odkształcenie 400 µε. Wyznacz napięcie wyjściowe mostka Vo w mV.
Vs = 10 VGF = 2,12ε = 400 µε
Vo = mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiŚredni
Użyj mapy Karnaugha, aby znaleźć minimalną postać sumy iloczynów (SOP) funkcji F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 8, 9, 10, 11, 12). Ile literałów L zawiera łącznie (zmienna z negacją liczy się jako jeden literał)?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 8, 9, 10, 11, 12)
L =
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiTrudny
Znajdź minimalną postać SOP funkcji F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 15) + d(4, 13), gdzie d oznacza stany nieokreślone. Ile literałów L zawiera?
Obwody z diodą LED i diodami: spolaryzowana w kierunku przewodzenia dioda LED ma spadek napięcia w przybliżeniu równy jej napięciu przewodzenia VF (około 2 V dla czerwonej, 3 V dla niebieskiej lub białej), niezależnie od prądu. Rezystor szeregowy ustala prąd: R = (Vs − n·VF)/I dla n diod LED połączonych szeregowo. Dla dokładniejszego modelu diody V = V₀ + I·rd punkt pracy leży tam, gdzie prosta diody przecina prostą obciążenia I = (Vs − V)/R, więc I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Napięcie na rezystorze
VR = 12 − 5·2,2 = 1 V
Rezystancja
R = 1/0,005 = 200 Ω
Odpowiedź
R = 200 Ω
Rezystor rozprasza 5 mW.
2.Diody i tranzystory
Odpowiedź: PZ,max = 400 mW
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 diody Zenera w najgorszym przypadku
IZ = 11/330 = 33,33 mA
Moc diody Zenera
PZ = 12·33,33 = 400 mW
Odpowiedź
PZ,max = 400 mW
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Rf = 89,3 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 = (20 − 1)·4,7 = 89,3 kΩ
Odpowiedź
Rf = 89,3 kΩ
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = −1,547 V
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.
Wartość idealna leży w granicach ±Vsat, więc układ całkujący jeszcze nie obcina.
Vout = −Vin·t/(RC) = −0,8·2/1,034 = −1,547 V
Odpowiedź
Vout = −1,547 V
5.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vL = 0,483 V
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.
τ = L/R = 33 mH / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 10/100 = 0,1 A
Napięcie na cewce
W t = 0 całe napięcie zasilania jest na cewce; potem maleje do zera.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/0,33 = 0,483 V
Odpowiedź
vL = 0,483 V
6.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: R = 4,961 kΩ
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.
Wymagana stała czasowa
3 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 3))
τ = 100/0,9163 = 109,1 ms
Rezystancja
kΩ razy µF daje milisekundy.
R = τ/C = 109,1/22 = 4,961 kΩ
Odpowiedź
R = 4,961 kΩ
7.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 11,53 Ω
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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R1 + 3,529 = 8 + 3,529 = 11,53 Ω
Odpowiedź
Req = 11,53 Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 5,753 Ω
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 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 8,382 Ω
R3 + 8,382 = 33,38 Ω
R2 ∥ 33,38 = 2,753 Ω
Req = R1 + 2,753 = 3 + 2,753 = 5,753 Ω
Odpowiedź
Req = 5,753 Ω
9.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: ΔIL = 0,766 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 − 36/72 = 0,5
Napięcie na cewce w czasie załączenia
Gdy klucz S jest załączony, cewka leży bezpośrednio na napięciu Vin.
VL = 36 V
Tętnienia prądu
ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,5/(47·10⁻⁶·500·10³) = 0,766 A
Odpowiedź
ΔIL = 0,766 A
10.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: C = 90 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 = 19,2/48 = 0,4
Tętnienia prądu cewki
ΔIL = (48 − 19,2)·0,4/(100·10⁻⁶·40·10³) = 2,88 A
Pojemność
C = 2,88/(8·40·10³·100·10⁻³) = 90 µF
Odpowiedź
C = 90 µF
11.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vab = 5 mV
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.
Zmiana względna
ΔR/R = 1,88/470 = 0,004
Wyjście zlinearyzowane
Vab ≈ 5·0,004/4 = 5 mV
Odpowiedź
Vab = 5 mV
Dokładna wartość to 4,99 mV; przybliżenie jest dobre, dopóki ΔR/R jest małe.
12.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vo = 2,12 mV
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 = 2,12·400·10⁻⁶ = 0,000848
Napięcie wyjściowe mostka
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,000848/4 = 2,12 mV
Odpowiedź
Vo = 2,12 mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: L = 11
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.
B′C
AC′D′
AB′
A′BC′D
Minimalna postać SOP
F = B′C + AC′D′ + AB′ + A′BC′D
L = 11
Odpowiedź
L = 11
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: L = 11
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.