Электроника 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Диоды и транзисторы

Диод (постоянное падение напряжения)
VD = 0,7 V when conducting
Активный режим
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Фиксированное смещение
IB = (VCC − 0,7)/RB
Смещение делителем напряжения
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Контур коллектора
VCE = VCC − ICRC − IERE
Насыщение
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неинвертирующий усилитель
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Суммирующий усилитель
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Идеальный ОУ
V+ = V−, Iin = 0

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Преобразователи постоянного напряжения

Понижающий
Vo = D·Vin
Повышающий
Vo = Vin/(1 − D)
Инвертирующий понижающе-повышающий
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Идеальный баланс мощности
VinIin = VoIo
Пульсации тока катушки
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Средний ток катушки
понижающий Io; повышающий и понижающе-повышающий Io/(1 − D)
Пульсации выходного напряжения
понижающий ΔIL/(8fC); повышающий и понижающе-повышающий Io·D/(fC)
Граница режима непрерывного тока
понижающий (1 − D)R/(2f); повышающий D(1 − D)²R/(2f); понижающе-повышающий (1 − D)²R/(2f)

Метод

  1. Определите преобразователь (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий) и коэффициент заполнения D по отношению напряжений.
  2. Используйте баланс вольт-секунд на катушке индуктивности: среднее напряжение на катушке за период равно нулю.
  3. Найдите напряжение на катушке при включённом ключе, затем ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. 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

  1. Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
  2. Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
  3. Для неуравновешенного моста найдите Va и Vb по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
  4. 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

  1. Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
  2. Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
  3. 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.
  4. 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
RC​ = 2,7 kΩβ = 200RE​ = 2,2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 68 kΩR2​ = 10 kΩ

NPN-транзистор с β = 200 смещён делителем напряжения от VCC = 12 V: R₁ = 68 kΩ от VCC к базе и R₂ = 10 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 2,2 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.

VCC = 12 VR1 = 68 kΩR2 = 10 kΩRC = 2,7 kΩRE = 2,2 kΩβ = 200
VCE = V
2.Диоды и транзисторыСложная
+−≥ 18 VR = ?6,2 V≤ 40 mA

Стабилизатор на стабилитроне 6,2 V должен питать нагрузку током до 40 mA. Входное напряжение может падать до 18 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 1 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.

Vin,min = 18 VVZ = 6,2 VIL,max = 40 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
3.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = −2,3 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1 VR3​ = 10 kΩR4​ = 100 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −2,3 VV2 = −1 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = 1,6 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,7 VR2​ = 22 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 1,6 VV2 = 1,7 VR1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
5.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 20 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 5 VR = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
6.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 VR1​ = 22 ΩR2​ = 10 Ωразмыкается при t = 0L47 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.

Vs = 9 VR1 = 22 ΩR2 = 10 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​25 ΩBR6​6 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 3 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
9.Преобразователи постоянного напряженияСредняя
+−48 VLSCR = 2 Ω+−64 V

Идеальный повышающий преобразователь преобразует 48 V в 64 V при нагрузке 2 Ω. Найдите средний ток катушки IL.

Vin​ = 48 VVo​ = 64 VR = 2 Ω
IL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
+−48 VLSC = 22 µFR = 2 Ω+−80 V

Идеальный повышающий преобразователь преобразует 48 V в 80 V при нагрузке 2 Ω и частоте 50 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 22 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.

Vin​ = 48 VVo​ = 80 Vf = 50 kHzC = 22 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−6 V150 Ω150 Ω + ΔR150 Ω150 Ωab+−Vab​ = ?

Мост имеет четыре плеча по 150 Ω и Vs = 6 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 0,75 Ω. Используя приближение малых изменений, найдите выход Vab в mV.

Vs = 6 VR = 150 ΩΔR = 0,75 Ω
Vab = mV
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−2,5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−1,281 mV

Четвертьмост с одним активным тензорезистором (GF = 2,05) питается напряжением 2,5 V. Под нагрузкой выход показывает 1,281 mV. Найдите деформацию ε в µε.

Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 1,281 mV
ε = µε
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111010111312141517060121131150140819011110

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 13, 15). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 13, 15)
L =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

4-разрядный сдвиговый регистр Q₃Q₂Q₁Q₀ содержит 1011. По каждому фронту тактового сигнала биты сдвигаются на одну позицию вправо (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ теряется), а последовательный вход поступает в Q₃. Последовательный вход равен 1, 0, 0, 1, 1 на 5 фронтах. Укажите итоговое состояние Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ в виде десятичного числа.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10111, 0, 0, 1, 1
Q =

3Растворы

1.Диоды и транзисторы

Ответ: VCE = 10,17 V

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.

Эквивалент Тевенена для делителя

VTH = 12·10/(68 + 10) = 1,538 V
RTH = 68·10/(68 + 10) = 8,718 kΩ

Ток базы

Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.

IB = (1,538 − 0,7)/(8,718 + 201·2,2) = 1,859 µA

Ток коллектора

IC = 200·1,859 µA = 0,3719 mA
IE = 201·1,859 µA = 0,3738 mA

Напряжение коллектор–эмиттер

VCE = 12 − 0,3719·2,7 − 0,3738·2,2 = 10,17 V

Ответ

VCE = 10,17 V
2.Диоды и транзисторы

Ответ: Rmax = 287,8 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 = 40 + 1 = 41 mA

Наибольшее сопротивление

Rmax = 11,8/0,041 = 287,8 Ω

Ответ

Rmax = 287,8 Ω
3.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 13 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₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −1·100/(10 + 100) = −0,9091 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(−2,3 − −0,9091)/10 = (−0,9091 − Vout)/100
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (100/10)·(−1 − (−2,3)) = 13 V

Ответ

Vout = 13 V
4.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,449 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 = 1,6/47 = 0,03404 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/22 = 0,07727 mA
If = I1 + I2 = 0,1113 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −22·0,1113 = −2,449 V

Ответ

Vout = −2,449 V
5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 1,14 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 = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,25·(1 − e−5/2,35) = 0,2202 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·47·0,2202² = 1,14 mJ

Ответ

W = 1,14 mJ
6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,346 A

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

До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 9/22 = 0,4091 A
i(∞) = 9/(22 + 10) = 0,2813 A
τ = L/R = 47/32 = 1,469 ms
i(t) = 0,2813 + (0,4091 − 0,2813)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(1) = 0,2813 + (0,1278)·e−1/1,469 = 0,346 A

Ответ

i = 0,346 A
7.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,6818 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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​6 ΩB

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 + 6 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 20 + 4,444 = 24,44 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 30/24,44 = 1,227 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,227·20 = 5,455 V
IR2 = VA/R2 = 5,455/8 = 0,6818 A

Ответ

IR2 = 0,6818 A
8.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 10,97 Ω

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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​25 ΩBR6​6 Ω

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 = 3 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 6,618 Ω
R3 + 6,618 = 16,62 Ω
R2 ∥ 16,62 = 6,968 Ω
Req = R1 + 6,968 = 4 + 6,968 = 10,97 Ω

Ответ

Req = 10,97 Ω
9.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: IL = 42,67 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 − 48/64 = 0,25

Ток нагрузки

Io = 64/2 = 32 A

Ток катушки

IL = Io/(1 − D) = 32/0,75 = 42,67 A

Ответ

IL = 42,67 A
10.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: ΔVo = 14545 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 = 1 − 48/80 = 0,4

Ток нагрузки

Io = 80/2 = 40 A

Пульсации выходного напряжения

ΔVo = 40·0,4/(50·10³·22·10⁻⁶) = 14545 mV

Ответ

ΔVo = 14545 mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vab = 7,5 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.

Относительное изменение

ΔR/R = 0,75/150 = 0,005

Линеаризованный выход

Vab ≈ 6·0,005/4 = 7,5 mV

Ответ

Vab = 7,5 mV

Точное значение равно 7,481 mV; приближение хорошо, пока ΔR/R мало.

12.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ε = 999,8 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 = 4·0,001281/(2,5·2,05) = 0,0009998

В микродеформациях

ε = 999,8 µε

Ответ

ε = 999,8 µε
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 11

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

ABCD000111100001111010111312141517060121131150140819011110

Сгруппируйте единицы

Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.

C′D
BD
B′CD′
A′D
A′C′

Минимальная форма SOP

F = C′D + BD + B′CD′ + A′D + A′C′
L = 11

Ответ

L = 11

Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 12

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.

Состояние после каждого фронта

1011 → 1101 → 0110 → 0011 → 1001 → 1100

Десятичное значение

1100₂ = 12

Ответ

Q = 12

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1