Определите преобразователь (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий) и коэффициент заполнения D по отношению напряжений.
Используйте баланс вольт-секунд на катушке индуктивности: среднее напряжение на катушке за период равно нулю.
Найдите напряжение на катушке при включённом ключе, затем ΔIL = VL·D/(L·f).
Для пульсаций выхода найдите заряд, входящий в конденсатор и выходящий из него; для границы режима непрерывного тока приравняйте средний ток катушки к ΔIL/2.
Мост Уитстона и тензорезисторы
Напряжения делителей
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Выделение
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордный мост
R/Rx = l/(100 − l)
Сопротивление Тевенина
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коэффициент тензочувствительности
ΔR/R = GF·ε
Выход моста
четвертьмост Vs·GF·ε/4, полумост Vs·GF·ε/2, полный мост Vs·GF·ε
Малое изменение, одно плечо
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напряжение
σ = E·ε
Метод
Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
Для неуравновешенного моста найдите Va и Vb по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
Для тензорезисторов переведите деформацию в ΔR/R = GF·ε и используйте Vs·GF·ε/4, /2 или ×1 для четвертьмоста, полумоста или полного моста.
Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Основные вентили
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток
теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Триггеры
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики
n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
2Тренировочные задачи
1.Диоды и транзисторыСредняя
Светодиодов: 2 (зелёные), прямое напряжение 2,2 V у каждого; они соединены последовательно с резистором к источнику 24 V. Найдите сопротивление R, при котором ток равен 10 mA.
Vs = 24 VVF = 2,2 Vn = 2I = 10 mA
R = Ω
2.Диоды и транзисторыСложная
Стабилизатор на стабилитроне 12 V должен питать нагрузку током до 25 mA. Входное напряжение может падать до 24 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 5 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 0,6 VV2 = 0,5 VR1 = 22 kΩR2 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
5.Переходные процессы RC и RLСредняя
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 25 ms.
Vs = 10 VR1 = 1 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 25 ms
vC = V
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 24 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 20 ms.
Vs = 5 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 20 ms
vC = V
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Понижающий преобразователь преобразует 36 V в 21,6 V при нагрузке 10 Ω. Он переключается с частотой 500 kHz при L = 22 µH. Найдите пиковый ток катушки Imax.
Идеальный понижающе-повышающий преобразователь преобразует 9 V в −13,5 V при нагрузке 25 Ω и частоте 50 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 47 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.
Мост имеет четыре плеча по 100 Ω и Vs = 6 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 15 Ω. Найдите точный выход Vab в mV.
Vs = 6 VR = 100 ΩΔR = 15 Ω
Vab = mV
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 3 V; конфигурация: один активный тензорезистор (четвертьмост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 400 µε. Найдите выход моста Vo в mV.
Vs = 3 VGF = 2ε = 400 µε
Vo = mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
У мультиплексора 4 в 1 адресные входы S₁ = A и S₀ = B, а информационные входы подключены так: I₀ = 0, I₁ = C′, I₂ = C′, I₃ = C′. Для скольких из 8 комбинаций A, B и C выход F = 1? Найдите N.
I₀ = 0I₁ = C′I₂ = C′I₃ = C′
N =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер T, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы. Нажмите на первый фронт тактового сигнала, на котором Q возвращается из 1 в 0.
Q₀ = 0T
1фронт тактового сигнала 1
2фронт тактового сигнала 2
3фронт тактового сигнала 3
4фронт тактового сигнала 4
5фронт тактового сигнала 5
6фронт тактового сигнала 6
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: R = 1960 Ω
Цепи со светодиодами и диодами: светодиод в прямом включении падает примерно на своё прямое напряжение VF (около 2 V для красного, 3 V для синего или белого) независимо от тока. Последовательный резистор задаёт ток: R = (Vs − n·VF)/I для n светодиодов последовательно. В более точной модели диода V = V₀ + I·rd рабочая точка находится там, где характеристика диода пересекает нагрузочную прямую I = (Vs − V)/R, поэтому I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Напряжение на резисторе
VR = 24 − 2·2,2 = 19,6 V
Сопротивление
R = 19,6/0,01 = 1960 Ω
Ответ
R = 1960 Ω
Резистор рассеивает 196 mW.
2.Диоды и транзисторы
Ответ: Rmax = 400 Ω
Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.
Ток в худшем случае
IR = 25 + 5 = 30 mA
Наибольшее сопротивление
Rmax = 12/0,03 = 400 Ω
Ответ
Rmax = 400 Ω
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,043 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 0,6/22 = 0,02727 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/1 = 0,5 mA
If = I1 + I2 = 0,5273 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·0,5273 = −5,273 V
Ответ
Vout = −5,273 V
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 5,929 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 1·3,3/(1 + 3,3) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 10·3,3/(1 + 3,3) = 7,674 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 0,7674·22 = 16,88 ms
Кривая заряда
vC(t) = 7,674·(1 − e−25/16,88) = 5,929 V
Ответ
vC = 5,929 V
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 19,16 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
vC(0) = 24 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 5 + (24 − 5)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(20) = 5 + (19)·e−20/68 = 19,16 V
Ответ
vC = 19,16 V
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,125 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 20 + 4 = 24 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/24 = 0,375 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,375·20 = 1,5 V
IR2 = VA/R2 = 1,5/12 = 0,125 A
Ответ
IR2 = 0,125 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 2,301 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 7,034 Ω
R3 + 7,034 = 37,03 Ω
R2 ∥ 37,03 = 6,579 Ω
Req = R1 + 6,579 = 2 + 6,579 = 8,579 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/8,579 = 2,798 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,798·2 = 18,4 V
IR2 = VA/R2 = 18,4/8 = 2,301 A
Ответ
IR2 = 2,301 A
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Imax = 2,553 A
Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий Vo = D·Vin, повышающий Vo = Vin/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |Vo| = Vin·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: Vin·Iin = Vo·Io. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔIL = VL·D·T/L, где VL = Vin − Vo для понижающего и Vin для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔVo = ΔIL/(8fC) для понижающего и Io·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔIL/2.
Коэффициент заполнения
D = 21,6/36 = 0,6
Средний ток и пульсации тока
Io = 21,6/10 = 2,16 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 14,4·0,6/(22·10⁻⁶·500·10³) = 0,7855 A
Пиковый ток
Imax = 2,16 + 0,7855/2 = 2,553 A
Ответ
Imax = 2,553 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔVo = 137,9 mV
Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий Vo = D·Vin, повышающий Vo = Vin/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |Vo| = Vin·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: Vin·Iin = Vo·Io. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔIL = VL·D·T/L, где VL = Vin − Vo для понижающего и Vin для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔVo = ΔIL/(8fC) для понижающего и Io·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔIL/2.
Коэффициент заполнения
D = 13,5/(9 + 13,5) = 0,6
Ток нагрузки
Io = 13,5/25 = 0,54 A
Пульсации выходного напряжения
ΔVo = 0,54·0,6/(50·10³·47·10⁻⁶) = 137,9 mV
Ответ
ΔVo = 137,9 mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vab = 209,3 mV
Мост Уитстона: два делителя напряжения питаются от одного источника Vs. Левый делитель R1–R2 даёт Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правый делитель R3–R4 даёт Vb = Vs·R4/(R3 + R4); выход равен Vab = Va − Vb. Мост уравновешен (Vab = 0, ток через прибор отсутствует), когда R1/R2 = R3/R4, то есть R1·R4 = R2·R3. Со стороны выхода мост — это источник Тевенина с Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Напряжения узлов
Va = 6·115/215 = 3,209 V
Vb = 3 V
Выделение
Vab = 209,3 mV
Ответ
Vab = 209,3 mV
Линейная оценка Vs·ΔR/(4R) = 225 mV завышена на 7,5 %: четвертьмост не совсем линеен.
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vo = 0,6 mV
Тензорезисторы: тензорезистор изменяет своё сопротивление при деформации: ΔR/R = GF·ε, где коэффициент тензочувствительности GF для металлической фольги около 2. В мосту, все плечи которого равны R, один активный тензорезистор (четвертьмост) даёт Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активных тензорезистора с противоположными деформациями в соседних плечах (полумост) дают Vs·GF·ε/2, а четыре (полный мост) — Vs·GF·ε. Напряжение находится по закону Гука, σ = E·ε. Тензометрические датчики силы указывают чувствительность в mV/V: выход при полной нагрузке на каждый вольт питания.
Относительное изменение сопротивления
ΔR/R = 2·400·10⁻⁶ = 0,0008
Выход моста
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,0008/4 = 0,6 mV
Ответ
Vo = 0,6 mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 3
Мультиплексор: мультиплексор 2ⁿ в 1 передаёт на выход один из своих информационных входов; адресные входы, читаемые как двоичное число, выбирают, какой именно. Для мультиплексора 4 в 1 с адресами S₁S₀ = AB: F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Если подключить информационные входы к 0, 1, C или C′, мультиплексор реализует любую функцию от A, B и C, что — распространённый способ построить логику на одной микросхеме.
Выражение выхода
F = A′BC′ + AB′C′ + ABC′
Строки с F = 1
ABC = 010, 100, 110
N = 3
Ответ
N = 3
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: фронт тактового сигнала 3
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Q после каждого фронта
T-триггер переключается по каждому переднему фронту при T = 1 и сохраняет состояние при T = 0.