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 = 100 має зміщення дільником напруги від VCC = 15 V: R₁ = 47 kΩ від VCC до бази й R₂ = 6,8 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 1,5 kΩ, емітерний резистор RE = 470 Ω. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть напругу колектор–емітер VCE.
Діод змодельовано як 0,6 В послідовно з 50 Ом (він проводить вище 0,6 В). Він увімкнений послідовно з резистором 100 Ом до джерела 9 В. Знайдіть робочий струм ID у точці, де лінія діода перетинає лінію навантаження.
Vs = 9 VR = 100 ΩV0 = 0,6 Vrd = 50 Ω
ID = mA
3.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 22 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −2,1 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.
Vin = −2,1 VR = 4,7 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 V
t = ms
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 12 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 4 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 100 ms.
Vs = 9 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 4 Vt = 100 ms
vC = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 48 V на 120 V на частоті 500 kHz при L = 47 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 48 VVo = 120 Vf = 500 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний інвертувальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 24 V на −16 V для навантаження 25 Ω на частоті 250 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 24 VVo = −16 Vf = 250 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст має чотири плеча по 100 Ω і Vs = 15 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 1 Ω. У наближенні малих змін знайдіть вихід Vab у mV.
Vs = 15 VR = 100 ΩΔR = 1 Ω
Vab = mV
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Чвертьміст з одним активним тензорезистором (GF = 2) живиться від 3 V. Під навантаженням вихід показує 2,25 mV. Знайдіть деформацію ε у µε.
Vs = 3 VGF = 2Vo = 2,25 mV
ε = µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Скористайтеся картою Карно, щоб знайти мінімальну форму добутку сум (POS) для F(A, B, C, D) = Σm(6, 10, 11, 12, 14, 15). Скільки доданків-сум (множників) N вона має?
F(A, B, C, D) = Σm(6, 10, 11, 12, 14, 15)
N =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
Синхронний лічильник за модулем 12 рахує 0, 1, …, 11, а потім повертається до 0. Він починає з 1. Яке значення Q (у десятковому вигляді) він покаже після 18 імпульсів такту?
Q0 = 118N = 12
Q =
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: VCE = 10,58 V
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 = 15·6,8/(47 + 6,8) = 1,896 V
RTH = 47·6,8/(47 + 6,8) = 5,941 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (1,896 − 0,7)/(5,941 + 101·0,47) = 22,39 µA
Струм колектора
IC = 100·22,39 µA = 2,239 mA
IE = 101·22,39 µA = 2,261 mA
Напруга колектор–емітер
VCE = 15 − 2,239·1,5 − 2,261·0,47 = 10,58 V
Відповідь
VCE = 10,58 V
2.Діоди й транзистори
Відповідь: ID = 56 mA
Кола зі світлодіодами та діодами: світлодіод, увімкнений у прямому напрямку, має падіння напруги приблизно VF (близько 2 В для червоного, 3 В для синього чи білого) незалежно від струму. Послідовний резистор задає струм: R = (Vs − n·VF)/I для n світлодіодів послідовно. За точнішою моделлю діода V = V₀ + I·rd робоча точка лежить там, де пряма діода перетинає лінію навантаження I = (Vs − V)/R, тож I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Об’єднайте два рівняння
9 = 0,6 + I·(100 + 50)
Робочий струм
ID = 8,4/150 = 56 mA
VD = 0,6 + 0,056·50 = 3,4 V
Відповідь
ID = 56 mA
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 2,344 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/22 = 5,545
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/5,545 = 2,344 V
Відповідь
Vin,max = 2,344 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: t = 136,7 ms
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.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 4,7 kΩ · 4,7 µF = 22,09 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−2,1)/22,09 = 0,09507 V/ms
Час до насичення
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·22,09/2,1 = 136,7 ms
Відповідь
t = 136,7 ms
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 4,415 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 68 mH / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/68 = 0,1765 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 12·e−1/1 = 4,415 V
Відповідь
vL = 4,415 V
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 5,307 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.
vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 9 + (4 − 9)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(100) = 9 + (−5)·e−100/330 = 5,307 V
Відповідь
vC = 5,307 V
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 21,6 Ω
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 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Req = R1 + 1,6 = 20 + 1,6 = 21,6 Ω
Відповідь
Req = 21,6 Ω
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,1057 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 4 Ω
R3 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 8,974 Ω
Req = R1 + 8,974 = 25 + 8,974 = 33,97 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/33,97 = 0,2943 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,2943·25 = 2,642 V
IR2 = VA/R2 = 2,642/25 = 0,1057 A
Відповідь
IR2 = 0,1057 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 1,226 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 = 1 − 48/120 = 0,6
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка підключена безпосередньо до Vin.
VL = 48 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,6/(47·10⁻⁶·500·10³) = 1,226 A
Відповідь
ΔIL = 1,226 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 18 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/(24 + 16) = 0,4
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = (1 − 0,4)²·25/(2250·10³) = 18 µH
Відповідь
Lcrit = 18 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 37,5 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.
Відносна зміна
ΔR/R = 1/100 = 0,01
Лінеаризований вихід
Vab ≈ 15·0,01/4 = 37,5 mV
Відповідь
Vab = 37,5 mV
Точне значення становить 37,31 mV; наближення добре, поки ΔR/R мале.
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ε = 1500 µε
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.
Розв’яжіть рівняння чвертьмосту
ε = 4·0,00225/(3·2) = 0,0015
У мікродеформаціях
ε = 1500 µε
Відповідь
ε = 1500 µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 5
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.
Згрупуйте нулі
Кожна група — це прямокутник із 2ᵏ клітинок; крайні клітинки є сусідами клітинок на протилежному краї.
(C + D′)
(B + C)
(A + D′)
(A + C)
(A + B)
Мінімальна форма POS
F = (C + D′)(B + C)(A + D′)(A + C)(A + B)
N = 5
Відповідь
N = 5
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: Q = 7
Тригери та лічильники: тригер змінюється лише за активним фронтом такту. D копіює свій вхід (Q⁺ = D); T перемикається, коли T = 1; JK зберігає стан за 00, скидає за 01, встановлює за 10 і перемикає за 11. n-розрядний двійковий лічильник має 2ⁿ станів і рахує за модулем 2ⁿ; лічильник за модулем N рахує 0, 1, …, N − 1 і повертається до 0, і йому потрібне найменше n, для якого 2ⁿ ≥ N тригерів. Кожен ступінь послідовного лічильника ділить частоту навпіл, тож останній вихід лічильника за модулем N має частоту fclk/N. Лічильник Джонсона з n тригерів має 2n станів, кільцевий — n.
Повні цикли
Кожні 12 імпульсів повертають лічильник у той самий стан.