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 = 100 смещён резистором базы RB = 390 kΩ от источника питания VCC = 15 V. Резистор коллектора RC = 1,2 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите ток коллектора IC в mA.
NPN-транзистор с β = 50 коммутирует нагрузочный резистор 1 kΩ, включённый между VCC = 5 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 3,3 V через резистор базы RB = 2,2 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 = 0,7 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1 VV2 = 0,3 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
5.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 1 A? Найдите t.
i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 68 mH
t = ms
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.
Vs = 24 VR1 = 2,2 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µFt = 50 ms
vC = V
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Идеальный повышающий преобразователь преобразует 36 V в 48 V при нагрузке 5 Ω. Найдите средний ток катушки IL.
Vin = 36 VVo = 48 VR = 5 Ω
IL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Идеальный инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь преобразует 12 V в −12 V при нагрузке 10 Ω и частоте 500 kHz. Найдите наименьшую индуктивность Lcrit для режима непрерывного тока.
Vin = 12 VVo = −12 Vf = 500 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.
Vs = 3 VR1 = 300 ΩR2 = 250 ΩR3 = 200 ΩR4 = 50 Ω
Rth = Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 2,5 V; конфигурация: четыре активных тензорезистора, два на растяжение и два на сжатие (полный мост). Коэффициент тензочувствительности равен 2,1, деформация — 1000 µε. Найдите выход моста Vo в mV.
Vs = 2,5 VGF = 2,1ε = 1000 µε
Vo = mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
На этой карте Карно ровно у одной единицы нет соседней единицы, поэтому в минимальной форме SOP она остаётся группой из одной клетки (полным минтермом из четырёх литералов). Соседи через края карты учитываются. Нажмите на эту клетку.
F = Σm(0, 1, 2, 9, 10, 12)
1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
4-разрядный сдвиговый регистр Q₃Q₂Q₁Q₀ содержит 0011. 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, 1, 0 на 4 фронтах. Укажите итоговое состояние Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ в виде десятичного числа.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00111, 0, 1, 0
Q =
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 3,667 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 = 10,6 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.
2.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 4,8 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 = (3,3 − 0,7)/2,2 kΩ = 1182 µA
Насыщение или активный режим?
β·IB больше IC(sat), поэтому транзистор насыщается.
β·IB = 59,09 mA
IC(sat) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA
Ток коллектора
IC = IC(sat) = 4,8 mA
Ответ
IC = 4,8 mA
Транзистор насыщен.
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 3,99 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₊ = 0,7 V
I = V₋/R1 = 0,7/1 = 0,7 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,7 + 0,7·4,7 = 3,99 V
Ответ
Vout = 3,99 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,4528 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 = 1/4,7 = 0,2128 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/22 = 0,01364 mA
If = I1 + I2 = 0,2264 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·0,2264 = −0,4528 V
Ответ
Vout = −0,4528 V
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,4713 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.
Постоянная времени
τ = L/R = 68 mH / 100 Ω = 0,68 ms
Выразите время
1 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/1)
t = 0,68·ln(2) = 0,4713 ms
Ответ
t = 0,4713 ms
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 6,027 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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.
vC(0) = 24·2,2/(2,2 + 2,2) = 12 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 2,2·33 = 72,6 ms
Разряд
vC(t) = 12·e−50/72,6 = 6,027 V
Ответ
vC = 6,027 V
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 2,842 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 + 6 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 2·18/(2+18) = 1,8 Ω
Req = R1 + 1,8 = 2 + 1,8 = 3,8 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/3,8 = 3,158 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 3,158·2 = 5,684 V
IR2 = VA/R2 = 5,684/2 = 2,842 A
Ответ
IR2 = 2,842 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 2,427 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 = 6 + 8 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 8,091 Ω
R2 ∥ 8,091 = 4,833 Ω
Req = R1 + 4,833 = 10 + 4,833 = 14,83 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/14,83 = 2,427 A
Ответ
IR1 = 2,427 A
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: IL = 12,8 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 − 36/48 = 0,25
Ток нагрузки
Io = 48/5 = 9,6 A
Ток катушки
IL = Io/(1 − D) = 9,6/0,75 = 12,8 A
Ответ
IL = 12,8 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Lcrit = 2,5 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 = 12/(12 + 12) = 0,5
Граничное условие
Приравняйте средний ток катушки к половине пульсаций тока и решите относительно L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Критическая индуктивность
Lcrit = (1 − 0,5)²·10/(2500·10³) = 2,5 µH
Ответ
Lcrit = 2,5 µH
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Rth = 176,4 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 = 300·250/550 = 136,4 Ω
R₃∥R₄ = 200·50/250 = 40 Ω
Сопротивление Тевенина
Rth = 176,4 Ω
Ответ
Rth = 176,4 Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vo = 5,25 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 = 2,1·1000·10⁻⁶ = 0,0021
Выход моста
Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,0021 = 5,25 mV
Ответ
Vo = 5,25 mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: AB = 11, CD = 00
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.
Соседи каждой единицы
Единица с соседней единицей может войти в группу из двух или более.
m12: m13, m14, m8, m4 → 0
Изолированная единица
m12 = ABC′D′ → AB = 11, CD = 00
Ответ
AB = 11, CD = 00
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: Q = 5
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.