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
NPN-транзистор с β = 75 смещён резистором базы RB = 680 kΩ от источника питания VCC = 12 V. Резистор коллектора RC = 3,3 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите ток коллектора IC в mA.
VCC = 12 VRB = 680 kΩRC = 3,3 kΩβ = 75VBE = 0,7 V
IC = mA
2.Диоды и транзисторыСложная
NPN-транзистор с β = 200 коммутирует нагрузочный резистор 330 Ω, включённый между VCC = 24 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB = 3,3 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Найдите ток коллектора IC в mA при высоком уровне на входе. Сначала определите, насыщен ли транзистор.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −0,6 VR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 1 kΩRf1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 2 kΩ
Av =
5.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 40 ms, в mJ.
Vs = 5 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 40 ms
W = mJ
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4,5 V, ровно через 25 ms после старта. При R = 1 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 5 VVth = 4,5 VT = 25 msR = 1 kΩ
C = µF
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Идеальный повышающий преобразователь преобразует 12 V в 40 V при 100 kHz и L = 330 µH. Найдите размах пульсаций тока катушки ΔIL.
Vin = 12 VVo = 40 Vf = 100 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Понижающий преобразователь преобразует 48 V в 19,2 V при 40 kHz и L = 22 µH. Найдите наименьший ток нагрузки Io,min, при котором он остаётся в режиме непрерывного тока.
Vin = 48 VVo = 19,2 Vf = 40 kHzL = 22 µH
Io,min = A
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
Гальванометр с сопротивлением 100 Ω включён между a и b показанного моста (Vs = 10 V). Найдите ток гальванометра Ig от a к b в µA.
Четвертьмост с одним активным тензорезистором (GF = 2) питается напряжением 3 V. Под нагрузкой выход показывает 0,3 mV. Найдите деформацию ε в µε.
Vs = 3 VGF = 2Vo = 0,3 mV
ε = µε
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 = C, I₁ = 0, I₂ = 0, I₃ = 1. Для скольких из 8 комбинаций A, B и C выход F = 1? Найдите N.
I₀ = CI₁ = 0I₂ = 0I₃ = 1
N =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер JK, 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 = 0JK
1фронт тактового сигнала 1
2фронт тактового сигнала 2
3фронт тактового сигнала 3
4фронт тактового сигнала 4
5фронт тактового сигнала 5
6фронт тактового сигнала 6
7фронт тактового сигнала 7
8фронт тактового сигнала 8
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 1,246 mA
Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.
Проверка: VCE = 7,887 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.
2.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 72,12 mA
Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.
Ток базы
IB = (5 − 0,7)/3,3 kΩ = 1303 µA
Насыщение или активный режим?
β·IB больше IC(sat), поэтому транзистор насыщается.
β·IB = 260,6 mA
IC(sat) = (24 − 0,2)/330 = 72,12 mA
Ток коллектора
IC = IC(sat) = 72,12 mA
Ответ
IC = 72,12 mA
Транзистор насыщен.
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,2 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = −0,6 V
I = V₋/R1 = −0,6/22 = −0,02727 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,6 + (−0,02727)·22 = −1,2 V
Ответ
Vout = −1,2 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −1,426
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.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −1/1 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/4,7 = 1,426
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −1·1,426 = −1,426
Ответ
Av = −1,426
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 19,3 mJ
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.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,5·(1 − e−40/22) = 0,4188 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,4188² = 19,3 mJ
Ответ
W = 19,3 mJ
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 10,86 µF
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.
Требуемая постоянная времени
4,5 = 5·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(5/(5 − 4,5))
τ = 25/2,303 = 10,86 ms
Ёмкость
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
C = τ/R = 10,86/1 = 10,86 µF
Ответ
C = 10,86 µF
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,377 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 6·11/(6+11) = 3,882 Ω
Req = R1 + 3,882 = 5 + 3,882 = 8,882 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/8,882 = 3,377 A
Ответ
IR1 = 3,377 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,4247 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 = 30 + 12 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 5,25 Ω
R3 + 5,25 = 10,25 Ω
R2 ∥ 10,25 = 2,321 Ω
Req = R1 + 2,321 = 25 + 2,321 = 27,32 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/27,32 = 0,549 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,549·25 = 1,274 V
IR2 = VA/R2 = 1,274/3 = 0,4247 A
Ответ
IR2 = 0,4247 A
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔIL = 0,2545 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 = 1 − 12/40 = 0,7
Напряжение на катушке во время включения
Пока S включён, катушка индуктивности находится непосредственно под напряжением Vin.
VL = 12 V
Пульсации тока
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,7/(330·10⁻⁶·100·10³) = 0,2545 A
Ответ
ΔIL = 0,2545 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Io,min = 6,545 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 = 19,2/48 = 0,4
Пульсации тока
ΔIL = 19,2·0,6/(22·10⁻⁶·40·10³) = 13,09 A
Граничный ток нагрузки
Io,min = ΔIL/2 = 6,545 A
Ответ
Io,min = 6,545 A
Ниже этого тока преобразователь переходит в режим прерывистого тока, и Vo поднимается выше D·Vin.
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Ig = −12002 µA
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.
Напряжение Тевенина
Vth = 10·(10/1010 − 150/550) = −2,628 V
Сопротивление Тевенина
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 119 Ω
Ток гальванометра
Ig = −2,628/(119 + 100) = −12002 µA
Ответ
Ig = −12002 µA
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: ε = 200 µε
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.
Решите уравнение четвертьмоста
ε = 4·0,0003/(3·2) = 0,0002
В микродеформациях
ε = 200 µε
Ответ
ε = 200 µε
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′B′C + AB
Строки с F = 1
ABC = 001, 110, 111
N = 3
Ответ
N = 3
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: фронт тактового сигнала 6
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.