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
+−18 V100 Ω5,1 V1000 ΩIZ​ = ?

Стабилизатор на стабилитроне 5,1 V питается от 18 V через 100 Ω и питает нагрузку 1000 Ω. Найдите ток стабилитрона IZ.

Vin = 18 VVZ = 5,1 VR = 100 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
2.Диоды и транзисторыСложная
RC​ = 150 Ωβ = 150VCC​ = 12 V3,3 VRB​ = ?

NPN-транзистор с β = 150 коммутирует нагрузочный резистор 150 Ω, включённый между VCC = 12 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 3,3 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.

VCC = 12 VRC = 150 Ωβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоэффициент запаса = 3
RB = kΩ
3.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 0,5 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,9 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 10 kΩ

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

V1 = 0,5 VV2 = 1,9 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0,2 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = 0,2 VV2 = 0,2 VR1 = 22 kΩR2 = 2 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
5.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 24 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
6.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 Vt = 0R = 3,3 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.

Vs = 6 VR = 3,3 kΩC = 47 µFvC(0) = 18 Vt = 100 ms
vC = V
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
9.Преобразователи постоянного напряженияСредняя
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

Понижающий преобразователь преобразует 48 V в 33,6 V при нагрузке 2 Ω. Он переключается с частотой 25 kHz при L = 330 µH. Найдите пиковый ток катушки Imax.

Vin​ = 48 VVo​ = 33,6 Vf = 25 kHzL = 330 µHR = 2 Ω
Imax = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Понижающий преобразователь преобразует 9 V в 6,3 V при нагрузке 20 Ω и частоте 100 kHz, при L = 150 µH и C = 470 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.

Vin​ = 9 VVo​ = 6,3 Vf = 100 kHzL = 150 µHC = 470 µF
ΔVo = mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−10 VR1​ = 80 ΩR2​ = 500 ΩR3​ = 120 ΩR4​ = 400 ΩabGRg​ = 200 Ω

Гальванометр с сопротивлением 200 Ω включён между a и b показанного моста (Vs = 10 V). Найдите ток гальванометра Ig от a к b в µA.

Vs = 10 VR1 = 80 ΩR2 = 500 ΩR3 = 120 ΩR4 = 400 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0,9 mV

Тензорезистор (GF = 2) на элементе с E = 200 GPa образует четвертьмост с напряжением питания 3 V. Выход показывает 0,9 mV. Найдите осевое напряжение σ в MPa.

Vs = 3 VGF = 2Vo = 0,9 mVE = 200 GPa
σ = MPa
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD0001111000011110111111111

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, 2, 3, 6, 7, 9, 12, 14, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKDOWN

3-разрядный двоичный вычитающий счётчик начинает с 1 (в десятичном виде, Q = 001). Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 11 тактовых импульсов?

Q0 = 111n = 3
Q =

3Растворы

1.Диоды и транзисторы

Ответ: IZ = 123,9 mA

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 резистора

IR = 12,9/100 = 129 mA

Ток нагрузки

IL = 5,1/1000 = 5,1 mA

Ток стабилитрона

IZ = 129 − 5,1 = 123,9 mA

Ответ

IZ = 123,9 mA
2.Диоды и транзисторы

Ответ: RB = 1,653 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)/150 = 78,67 mA

Минимальный ток базы

IB(min) = IC(sat)/β = 78,67/150 = 524,4 µA

Расчётный ток базы

IB = 3·524,4 µA = 1573 µA

Резистор базы

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,573 mA = 1,653 kΩ

Ответ

RB = 1,653 kΩ
3.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 2,979 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) = 1,9·10/(4,7 + 10) = 1,293 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(0,5 − 1,293)/4,7 = (1,293 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/4,7)·(1,9 − 0,5) = 2,979 V

Ответ

Vout = 2,979 V
4.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −10,91 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 = 0,2/22 = 0,009091 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/2 = 0,1 mA
If = I1 + I2 = 0,1091 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −100·0,1091 = −10,91 V

Ответ

Vout = −10,91 V
5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,4597 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.

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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 24/33 = 0,7273 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,7273·(1 − e−1/1) = 0,4597 A

Ответ

i = 0,4597 A
6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,3 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 значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 18 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 47 µF = 155,1 ms
vC(t) = 6 + (18 − 6)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(100) = 6 + (12)·e−100/155,1 = 12,3 V

Ответ

vC = 12,3 V
7.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 6,231 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​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​4 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 6·7/(6+7) = 3,231 Ω
Req = R1 + 3,231 = 3 + 3,231 = 6,231 Ω

Ответ

Req = 6,231 Ω
8.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,7161 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​ = 8 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBR6​12 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 11,49 Ω
R3 + 11,49 = 41,49 Ω
R2 ∥ 41,49 = 4,462 Ω
Req = R1 + 4,462 = 8 + 4,462 = 12,46 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/12,46 = 0,8024 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,8024·8 = 3,581 V
IR2 = VA/R2 = 3,581/5 = 0,7161 A

Ответ

IR2 = 0,7161 A
9.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: Imax = 17,41 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 = 33,6/48 = 0,7

Средний ток и пульсации тока

Io = 33,6/2 = 16,8 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 14,4·0,7/(330·10⁻⁶·25·10³) = 1,222 A

Пиковый ток

Imax = 16,8 + 1,222/2 = 17,41 A

Ответ

Imax = 17,41 A
10.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: ΔVo = 0,3351 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 = 6,3/9 = 0,7

Пульсации тока катушки

ΔIL = (9 − 6,3)·0,7/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0,126 A

Пульсации выходного напряжения

ΔVo = 0,126/(8·100·10³·470·10⁻⁶) = 0,3351 mV

Ответ

ΔVo = 0,3351 mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Ig = 2570 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·(500/580 − 400/520) = 0,9284 V

Сопротивление Тевенина

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 161,3 Ω

Ток гальванометра

Ig = 0,9284/(161,3 + 200) = 2570 µA

Ответ

Ig = 2570 µA
12.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: σ = 120 MPa

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.

Деформация

ε = 4·0,0009/(3·2) = 0,0006

Напряжение

σ = 200·10³ MPa·0,0006 = 120 MPa

Ответ

σ = 120 MPa
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: AB = 10, CD = 01

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.

m9: m8, m11, m13, m1 → 0
ABCD0001111000011110111111111

Изолированная единица

m9 = AB′C′D → AB = 10, CD = 01

Ответ

AB = 10, CD = 01
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 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.

Полные циклы

Каждые 8 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.

11 = 1·8 + 3

Значение после оставшихся импульсов

Q = (1 − 3) mod 8 = 6
Q = 110₂

Ответ

Q = 6

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1