Визначте перетворювач (знижувальний, підвищувальний чи знижувально-підвищувальний) і коефіцієнт заповнення D за відношенням напруг.
Скористайтеся балансом вольт-секунд на котушці: середня напруга на котушці за період дорівнює нулю.
Знайдіть напругу на котушці, поки ключ увімкнений, а потім ΔIL = VL·D/(L·f).
Для пульсацій виходу знайдіть заряд, що входить у конденсатор і виходить із нього; для межі режиму безперервних струмів прирівняйте середній струм котушки до ΔIL/2.
Міст Вітстона й тензорезистори
Напруги дільників
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Виведення
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордний міст
R/Rx = l/(100 − l)
Опір Тевенена
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коефіцієнт тензочутливості
ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту
чвертьміст Vs·GF·ε/4, напівміст Vs·GF·ε/2, повний міст Vs·GF·ε
Мала зміна, одне плече
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напруження
σ = E·ε
Метод
Розглядайте міст як два дільники напруги на одному джерелі живлення.
Для рівноваги покладіть R₁/R₂ = R₃/R₄ і розв’яжіть відносно невідомого резистора.
Для незбалансованого мосту знайдіть Va і Vb з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся Vs·GF·ε/4, /2 або ×1 для чвертьмосту, напівмосту чи повного мосту.
Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Базові вентилі
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевої алгебри
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Закони де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карті Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Група з 2ᵏ клітинок
втрачає k змінних
Мультиплексор 4-до-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Тригери
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Лічильники
n-розрядний: 2ⁿ станів; за модулем N: найменше n з 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Послідовний лічильник
fmax = 1/(n·tpd)
Кільцевий лічильник і лічильник Джонсона
n і 2n станів
Метод
Для схеми рухайтеся від входів до виходу вентиль за вентилем і записуйте значення на кожному дроті, або запишіть її вираз і заповніть таблицю істинності.
Для спрощення занесіть одиниці (а байдужі стани як X) на карту Карно з рядками й стовпцями в коді Грея: 00, 01, 11, 10.
Покрийте одиниці якомога меншою кількістю якомога більших груп по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, з переходом через краї; кожна група — це один добуток зі змінних, що лишаються сталими. Для форми POS групуйте нулі.
Для тригерів і лічильників читайте входи на кожному активному фронті такту, записуйте стан після кожного фронту й пам’ятайте, що n-розрядний лічильник переходить через максимум після 2ⁿ станів.
2Задачі для практики
1.Діоди й транзисториСередня
NPN-транзистор з β = 150 має зміщення дільником напруги від VCC = 12 V: R₁ = 22 kΩ від VCC до бази й R₂ = 8,2 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 4,7 kΩ, емітерний резистор RE = 2,2 kΩ. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть напругу колектор–емітер VCE.
NPN-транзистор з β = 150 комутує резистор навантаження 330 Ω, увімкнений між VCC = 12 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 5 V через базовий резистор RB = 100 kΩ. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Знайдіть струм колектора IC у mA при високому рівні на вході. Спершу визначте, чи транзистор у насиченні.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 90% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 22 ΩL = 33 mH
t = ms
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 300 ms.
Vs = 9 VR1 = 1 kΩR2 = 2,2 kΩC = 220 µFt = 300 ms
vC = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
8.Послідовні й паралельні резисториСкладна
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 15 V на 7,5 V на частоті 500 kHz при L = 22 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 15 VVo = 7,5 Vf = 500 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 24 V на 16,8 V для навантаження 5 Ω на частоті 50 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 24 VVo = 16,8 Vf = 50 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст має чотири плеча по 300 Ω і Vs = 10 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 30 Ω. Знайдіть точний вихід Vab у mV.
Vs = 10 VR = 300 ΩΔR = 30 Ω
Vab = mV
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Тензорезистор (GF = 2,05) на елементі з E = 210 GPa утворює чвертьміст із живленням 2,5 V. Вихід показує 0,961 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.
Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 0,961 mVE = 210 GPa
σ = MPa
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Мультиплексор 4-до-1 має адресні входи S₁ = A і S₀ = B, а його інформаційні входи з’єднано з I₀ = C, I₁ = 0, I₂ = 1, I₃ = C′. Для скількох із 8 комбінацій A, B і C вихід F = 1? Знайдіть N.
I₀ = CI₁ = 0I₂ = 1I₃ = C′
N =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
Для F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 6, 7, 8, 9, 13, 14) + d(4, 10), де d позначає байдужі стани, знайдіть кількість N суттєвих простих імплікант.
Робоча точка БТ: в активному режимі VBE = 0,7 V, IC = β·IB і IE = (β + 1)·IB. Знайдіть IB з базового контуру за ЗНК, потім IC, потім VCE з контуру колектор–емітер. Дільник напруги в колі бази замінюють його еквівалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; емітерний резистор у базовому контурі виглядає в (β + 1) разів більшим.
Еквівалент Тевенена дільника
VTH = 12·8,2/(22 + 8,2) = 3,258 V
RTH = 22·8,2/(22 + 8,2) = 5,974 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (3,258 − 0,7)/(5,974 + 151·2,2) = 7,565 µA
Струм колектора
IC = 150·7,565 µA = 1,135 mA
IE = 151·7,565 µA = 1,142 mA
Напруга колектор–емітер
VCE = 12 − 1,135·4,7 − 1,142·2,2 = 4,154 V
Відповідь
VCE = 4,154 V
2.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 6,45 mA
БТ як ключ: щоб повністю ввімкнути навантаження, транзистор переводять у насичення, де VCE = VCE(sat), а струм колектора визначається навантаженням: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насичення потрібен струм бази щонайменше IB = IC(sat)/β. Якщо струм бази менший, транзистор залишається в активному режимі й IC = β·IB.
Струм бази
IB = (5 − 0,7)/100 kΩ = 43 µA
Насичення чи активний режим?
β·IB менше за IC(sat), тож транзистор залишається в активному режимі.
β·IB = 6,45 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/330 = 35,76 mA
Струм колектора
IC = β·IB = 6,45 mA
Відповідь
IC = 6,45 mA
Транзистор в активному режимі, тож навантаження ввімкнено не повністю.
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 6,11 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Коефіцієнт підсилення
|Av| = Rf/R1 = 10/4,7 = 2,128
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2,128 = 6,11 V
Відповідь
Vin,max = 6,11 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,02 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −0,1/10 = −0,01 mA
I2 = V2/R2 = −1,8/22 = −0,08182 mA
If = I1 + I2 = −0,09182 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −22·(−0,09182) = 2,02 V
Відповідь
Vout = 2,02 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,454 ms
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 33 mH / 22 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A
Виразіть час
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,5·ln(0,1) = 3,454 ms
Відповідь
t = 3,454 ms
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 3,329 V
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.
vC(0) = 9·2,2/(1 + 2,2) = 6,188 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 2,2·220 = 484 ms
Розряджання
vC(t) = 6,188·e−300/484 = 3,329 V
Відповідь
vC = 3,329 V
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,053 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R3 + R4 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 3·17/(3+17) = 2,55 Ω
Req = R1 + 2,55 = 6 + 2,55 = 8,55 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/8,55 = 1,053 A
Відповідь
IR1 = 1,053 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,3662 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R5 + R6 = 30 + 20 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 16,67 Ω
R3 + 16,67 = 36,67 Ω
R2 ∥ 36,67 = 2,773 Ω
Req = R1 + 2,773 = 30 + 2,773 = 32,77 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/32,77 = 0,3662 A
Відповідь
IR1 = 0,3662 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 0,3409 A
DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.
Коефіцієнт заповнення
D = 7,5/15 = 0,5
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка опиняється між Vin і Vo.
VL = 15 − 7,5 = 7,5 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,5·0,5/(22·10⁻⁶·500·10³) = 0,3409 A
Відповідь
ΔIL = 0,3409 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 15 µH
DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.
Коефіцієнт заповнення
D = 16,8/24 = 0,7
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = (1 − 0,7)·5/(250·10³) = 15 µH
Відповідь
Lcrit = 15 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 238,1 mV
Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела Vs. Лівий дільник R1–R2 дає Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правий дільник R3–R4 дає Vb = Vs·R4/(R3 + R4); вихід — Vab = Va − Vb. Міст збалансований (Vab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R1/R2 = R3/R4, тобто R1·R4 = R2·R3. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Напруги вузлів
Va = 10·330/630 = 5,238 V
Vb = 5 V
Виведення
Vab = 238,1 mV
Відповідь
Vab = 238,1 mV
Лінійна оцінка Vs·ΔR/(4R) = 250 mV завищена на 5 %: чвертьміст не зовсім лінійний.
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: σ = 157,5 MPa
Тензорезистори: тензорезистор змінює опір під дією деформації: ΔR/R = GF·ε, де коефіцієнт тензочутливості GF для металевої фольги близько 2. У мосту, всі плечі якого дорівнюють R, один активний тензорезистор (чвертьміст) дає Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають Vs·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — Vs·GF·ε. Напруження випливає із закону Гука, σ = E·ε. Тензометричні датчики сили вказують чутливість у mV/V: вихід при повному навантаженні на один вольт живлення.
Деформація
ε = 4·0,000961/(2,5·2,05) = 0,00075
Напруження
σ = 210·10³ MPa·0,00075 = 157,5 MPa
Відповідь
σ = 157,5 MPa
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 4
Мультиплексор: мультиплексор 2ⁿ-до-1 передає на вихід один зі своїх інформаційних входів; адресні лінії, прочитані як двійкове число, вибирають який. Для MUX 4-до-1 з адресами S₁S₀ = AB маємо F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Якщо з’єднати інформаційні входи з 0, 1, C або C′, MUX реалізує будь-яку функцію від A, B і C, що є поширеним способом побудувати логіку однією мікросхемою.
Вираз виходу
F = A′B′C + AB′ + ABC′
Рядки з F = 1
ABC = 001, 100, 101, 110
N = 4
Відповідь
N = 4
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 2
Карти Карно: клітинки впорядковано за кодом Грея (00, 01, 11, 10), тож сусідні клітинки, зокрема через краї, відрізняються рівно однією змінною. Групуйте одиниці в прямокутники по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, якомога більші й у якомога меншій кількості, доки кожну 1 не буде покрито. Кожна група — це один добуток: змінні, що лишаються сталими всередині неї. Група з 2ᵏ клітинок втрачає k змінних. Байдужі стани (X) можна використовувати, щоб групи були більшими, але їх не обов’язково покривати. Групування нулів замість одиниць дає мінімальну форму POS.
Прості імпліканти
Найбільші групи, які можна утворити з одиниць і X.