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 = 80 смещён делителем напряжения от VCC = 15 V: R₁ = 56 kΩ от VCC к базе и R₂ = 12 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 4,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 1,5 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
NPN-транзистор с β = 50 коммутирует нагрузочный резистор 100 Ω, включённый между VCC = 5 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. Для надёжного переключения рассчитайте ток базы в 3 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,8 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 ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −1,6 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = −1,6 VR = 22 kΩC = 1 µFVsat = ±12 V
t = ms
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 = 120 ms.
Vs = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 68 µFt = 120 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. Через какое время vC достигнет 18,6 V? Найдите t.
Vs = 15 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 24 V
t = ms
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
Идеальный инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь преобразует 12 V в −18 V при 50 kHz и L = 100 µH. Найдите размах пульсаций тока катушки ΔIL.
Vin = 12 VVo = −18 Vf = 50 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Идеальный понижающе-повышающий преобразователь преобразует 9 V в −27 V при нагрузке 12 Ω и частоте 200 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 47 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.
Vin = 9 VVo = −27 Vf = 200 kHzC = 47 µFR = 12 Ω
ΔVo = mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.
Vs = 10 VR1 = 60 ΩR2 = 20 ΩR3 = 600 ΩR4 = 80 Ω
Rth = Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Мост с плечами 120 Ω питается напряжением 10 V; конфигурация: четыре активных тензорезистора, два на растяжение и два на сжатие (полный мост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 500 µε. Найдите выход моста Vo в mV.
Vs = 10 VGF = 2ε = 500 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 = 1, I₂ = 1, I₃ = 0. Для скольких из 8 комбинаций A, B и C выход F = 1? Найдите N.
I₀ = 0I₁ = 1I₂ = 1I₃ = 0
N =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Синхронный счётчик по модулю 7 считает 0, 1, …, 6, а затем возвращается к 0. Он начинает с 3. Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 13 тактовых импульсов?
Q0 = 313N = 7
Q =
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 7,627 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 = 15·12/(56 + 12) = 2,647 V
RTH = 56·12/(56 + 12) = 9,882 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (2,647 − 0,7)/(9,882 + 81·1,5) = 14,82 µA
Ток коллектора
IC = 80·14,82 µA = 1,186 mA
IE = 81·14,82 µA = 1,2 mA
Напряжение коллектор–эмиттер
VCE = 15 − 1,186·4,7 − 1,2·1,5 = 7,627 V
Ответ
VCE = 7,627 V
2.Диоды и транзисторы
Ответ: RB = 1,493 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) = (5 − 0,2)/100 = 48 mA
Минимальный ток базы
IB(min) = IC(sat)/β = 48/50 = 960 µA
Расчётный ток базы
IB = 3·960 µA = 2880 µA
Резистор базы
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/2,88 mA = 1,493 kΩ
Ответ
RB = 1,493 kΩ
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,4 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₊ = 0,8 V
I = V₋/R1 = 0,8/1 = 0,8 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,8 + 0,8·2 = 2,4 V
Ответ
Vout = 2,4 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: t = 165 ms
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 = 22 kΩ · 1 µF = 22 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−1,6)/22 = 0,07273 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·22/1,6 = 165 ms
Ответ
t = 165 ms
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 5,771 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 = 4,7·10/(4,7 + 10) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 20·10/(4,7 + 10) = 13,61 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 3,197·68 = 217,4 ms
Кривая заряда
vC(t) = 13,61·(1 − e−120/217,4) = 5,771 V
Ответ
vC = 5,771 V
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 205,6 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((24 − 15)/(18,6 − 15)) = 224,4·ln(2,5) = 205,6 ms
Ответ
t = 205,6 ms
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,176 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 12·30/(12+30) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 6 + 8,571 = 14,57 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/14,57 = 1,647 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,647·6 = 14,12 V
IR2 = VA/R2 = 14,12/12 = 1,176 A
Ответ
IR2 = 1,176 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 17,5 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.
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 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 15,14 Ω
R2 ∥ 15,14 = 2,504 Ω
Req = R1 + 2,504 = 15 + 2,504 = 17,5 Ω
Ответ
Req = 17,5 Ω
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔIL = 1,44 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 = 18/(12 + 18) = 0,6
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) = 12·0,6/(100·10⁻⁶·50·10³) = 1,44 A
Ответ
ΔIL = 1,44 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔVo = 179,5 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 = 27/(9 + 27) = 0,75
Ток нагрузки
Io = 27/12 = 2,25 A
Пульсации выходного напряжения
ΔVo = 2,25·0,75/(200·10³·47·10⁻⁶) = 179,5 mV
Ответ
ΔVo = 179,5 mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Rth = 85,59 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 = 60·20/80 = 15 Ω
R₃∥R₄ = 600·80/680 = 70,59 Ω
Сопротивление Тевенина
Rth = 85,59 Ω
Ответ
Rth = 85,59 Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vo = 10 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 = 2·500·10⁻⁶ = 0,001
Выход моста
Vo = Vs·GF·ε = 10·0,001 = 10 mV
Ответ
Vo = 10 mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 4
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 + AB′
Строки с F = 1
ABC = 010, 011, 100, 101
N = 4
Ответ
N = 4
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: Q = 2
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.
Полные циклы
Каждые 7 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.