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: 5 (жёлтый), прямое напряжение 2,1 V у каждого; они соединены последовательно с резистором к источнику 12 V. Найдите сопротивление R, при котором ток равен 10 mA.
Vs = 12 VVF = 2,1 Vn = 5I = 10 mA
R = Ω
2.Диоды и транзисторыСложная
NPN-транзистор с β = 50 коммутирует нагрузочный резистор 100 Ω, включённый между VCC = 12 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Найдите наибольшее сопротивление резистора базы RB, в kΩ, при котором транзистор ещё входит в насыщение.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −1,6 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 10 ms.
Через катушку течёт установившийся ток 1,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 1,5 AR = 50 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vR = V
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 22,8 V? Найдите t.
Vs = 6 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 30 V
t = ms
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Понижающий преобразователь преобразует 9 V в 2,7 V при нагрузке 5 Ω. Он переключается с частотой 40 kHz при L = 68 µH. Найдите пиковый ток катушки Imax.
Vin = 9 VVo = 2,7 Vf = 40 kHzL = 68 µHR = 5 Ω
Imax = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Идеальный повышающий преобразователь преобразует 24 V в 60 V при нагрузке 50 Ω и частоте 500 kHz. Найдите наименьшую индуктивность Lcrit для режима непрерывного тока.
Vin = 24 VVo = 60 Vf = 500 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.
Vs = 2 VR1 = 80 ΩR2 = 1000 ΩR3 = 800 ΩR4 = 50 Ω
Rth = Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Мост с плечами 120 Ω питается напряжением 5 V; конфигурация: два активных тензорезистора в соседних плечах, один на растяжение и один на сжатие (полумост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 1200 µε. Найдите выход моста Vo в mV.
Vs = 5 VGF = 2ε = 1200 µε
Vo = mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
Упростите F = AB′ + A′B′C′ + AB до минимальной формы «сумма произведений». Сколько литералов, L, содержит упрощённое выражение?
F = AB′ + A′B′C′ + AB
L =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
4-разрядный счётчик Джонсона Q₃Q₂Q₁Q₀ начинает с 0000. По каждому фронту тактового сигнала биты сдвигаются на одну позицию вправо (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀), а Q₃ получает инверсию Q₀. Укажите состояние Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ в виде десятичного числа после 10 фронтов тактового сигнала.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 000010
Q =
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: R = 150 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 = 12 − 5·2,1 = 1,5 V
Сопротивление
R = 1,5/0,01 = 150 Ω
Ответ
R = 150 Ω
Резистор рассеивает 15 mW.
2.Диоды и транзисторы
Ответ: RB = 1,822 kΩ
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 коллектора в насыщении
IC(sat) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA
Минимальный ток базы
IB(min) = IC(sat)/β = 118/50 = 2360 µA
Резистор базы
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/2,36 mA = 1,822 kΩ
Ответ
RB = 1,822 kΩ
Любой меньший резистор базы тоже насыщает транзистор; на практике выбирают в несколько раз меньший.
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −4,8 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₊ = −1,6 V
I = V₋/R1 = −1,6/1 = −1,6 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,6 + (−1,6)·2 = −4,8 V
Ответ
Vout = −4,8 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,9959 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 4,7 kΩ · 4,7 µF = 22,09 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,2)/22,09 = 0,09959 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,2)·10/22,09 = 0,9959 V
Ответ
Vout = 0,9959 V
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 16,48 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.
Постоянная времени
τ = L/R = 33 mH / 50 Ω = 0,66 ms
Убывание тока
i(t) = 1,5·e−1/0,66 = 0,3297 A
vR = R·i = 50·0,3297 = 16,48 V
Ответ
vR = 16,48 V
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 242,5 ms
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.
t = τ·ln((30 − 6)/(22,8 − 6)) = 680·ln(1,429) = 242,5 ms
Ответ
t = 242,5 ms
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,5849 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 8·17/(8+17) = 5,44 Ω
Req = R1 + 5,44 = 12 + 5,44 = 17,44 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/17,44 = 0,8601 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,8601·12 = 4,679 V
IR2 = VA/R2 = 4,679/8 = 0,5849 A
Ответ
IR2 = 0,5849 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,9513 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 6,4 Ω
R3 + 6,4 = 36,4 Ω
R2 ∥ 36,4 = 7,845 Ω
Req = R1 + 7,845 = 30 + 7,845 = 37,84 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/37,84 = 0,9513 A
Ответ
IR1 = 0,9513 A
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Imax = 0,8874 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 = 2,7/9 = 0,3
Средний ток и пульсации тока
Io = 2,7/5 = 0,54 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6,3·0,3/(68·10⁻⁶·40·10³) = 0,6949 A
Пиковый ток
Imax = 0,54 + 0,6949/2 = 0,8874 A
Ответ
Imax = 0,8874 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Lcrit = 4,8 µH
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 − 24/60 = 0,6
Граничное условие
Приравняйте средний ток катушки к половине пульсаций тока и решите относительно L.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Критическая индуктивность
Lcrit = 0,6(1 − 0,6)²·50/(2500·10³) = 4,8 µH
Ответ
Lcrit = 4,8 µH
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Rth = 121,1 Ω
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.
Источник замкнут накоротко
R₁∥R₂ = 80·1000/1080 = 74,07 Ω
R₃∥R₄ = 800·50/850 = 47,06 Ω
Сопротивление Тевенина
Rth = 121,1 Ω
Ответ
Rth = 121,1 Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vo = 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 = 2·1200·10⁻⁶ = 0,0024
Выход моста
Vo = Vs·GF·ε/2 = 5·0,0024/2 = 6 mV
Ответ
Vo = 6 mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 3
Булева алгебра: правила, упрощающие выражения: X + X′ = 1 и X·X′ = 0, X + X = X, поглощение X + X·Y = X, правило склеивания X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y и теорема о консенсусе XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Законы де Моргана превращают (X·Y)′ в X′ + Y′ и (X + Y)′ в X′·Y′. Карта Карно применяет эти правила графически: каждая группа из двух соседних клеток — это одно применение XY + XY′ = X.
Минтермы выражения
AB′ → m(4, 5)
A′B′C′ → m(0)
AB → m(6, 7)
Сгруппируйте и прочитайте
F = B′C′ + A
Посчитайте литералы
L = 3
Ответ
L = 3
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.