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 = 20 V: R₁ = 47 kΩ від VCC до бази й R₂ = 8,2 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 2,7 kΩ, емітерний резистор RE = 1 kΩ. 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 470 Ом до джерела 5 В. Знайдіть робочий струм ID у точці, де лінія діода перетинає лінію навантаження.
Vs = 5 VR = 470 ΩV0 = 0,6 Vrd = 50 Ω
ID = mA
3.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 8.
R1 = 2 kΩAv = 8
Rf = kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −0,5 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 100 ms.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 1 ms, у mJ.
Vs = 5 VR = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
W = mJ
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.
Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 47 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR2 через R2.
V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
8.Послідовні й паралельні резисториСкладна
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 24 V на 6 V на частоті 100 kHz при L = 100 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 24 VVo = 6 Vf = 100 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 15 V на 20 V для навантаження 12 Ω на частоті 50 kHz. Вихідний конденсатор має 10 µF. Знайдіть розмах пульсацій вихідної напруги ΔVo у mV.
Vin = 15 VVo = 20 Vf = 50 kHzC = 10 µFR = 12 Ω
ΔVo = mV
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст із чотирма плечима по 500 Ω живиться від 12 V. Коли датчик R₂ змінюється, вихід показує Vab = 117,7 mV. Знайдіть точну зміну ΔR опору R₂.
Vs = 12 VR = 500 ΩVab = 117,7 mV
ΔR = Ω
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Чвертьміст (один активний тензорезистор, GF = 2,1) живиться від 3 V. Найбільшу вимірювану деформацію 1200 µε треба перетворити на 5 V на вході аналого-цифрового перетворювача. Знайдіть коефіцієнт підсилення підсилювача G.
Vs = 3 VGF = 2,1εmax = 1200 µεVFS = 5 V
G =
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Спростіть F = ABC + AB′C′ + A′B′C + AC′ до мінімальної форми суми добутків. Скільки літералів L містить спрощений вираз?
F = ABC + AB′C′ + A′B′C + AC′
L =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
D-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи. Клікніть перший фронт такту, на якому Q переходить з 1 назад у 0.
Q₀ = 0D
1фронт такту 1
2фронт такту 2
3фронт такту 3
4фронт такту 4
5фронт такту 5
6фронт такту 6
7фронт такту 7
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: VCE = 12,2 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 = 20·8,2/(47 + 8,2) = 2,971 V
RTH = 47·8,2/(47 + 8,2) = 6,982 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (2,971 − 0,7)/(6,982 + 101·1) = 21,03 µA
Струм колектора
IC = 100·21,03 µA = 2,103 mA
IE = 101·21,03 µA = 2,124 mA
Напруга колектор–емітер
VCE = 20 − 2,103·2,7 − 2,124·1 = 12,2 V
Відповідь
VCE = 12,2 V
2.Діоди й транзистори
Відповідь: ID = 8,462 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
5 = 0,6 + I·(470 + 50)
Робочий струм
ID = 4,4/520 = 8,462 mA
VD = 0,6 + 0,008462·50 = 1,023 V
Відповідь
ID = 8,462 mA
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 14 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·2 = 14 kΩ
Відповідь
Rf = 14 kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 4,836 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.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 2,2 kΩ · 4,7 µF = 10,34 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−0,5)/10,34 = 0,04836 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,5)·100/10,34 = 4,836 V
Відповідь
Vout = 4,836 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 0,1063 mJ
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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,1064·(1 − e−1/1) = 0,06725 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·47·0,06725² = 0,1063 mJ
Відповідь
W = 0,1063 mJ
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,3448 A
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
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.
i(0) = 12/(33 + 47) = 0,15 A
i(∞) = 12/33 = 0,3636 A
τ = L/R = 68/33 = 2,061 ms
i(t) = 0,3636 + (0,15 − 0,3636)·e−t/τ
Струм у заданий момент
i(5) = 0,3636 + (−0,2136)·e−5/2,061 = 0,3448 A
Відповідь
i = 0,3448 A
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,1815 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 = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω
Req = R1 + 9,189 = 6 + 9,189 = 15,19 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/15,19 = 0,395 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,395·6 = 3,63 V
IR2 = VA/R2 = 3,63/20 = 0,1815 A
Відповідь
IR2 = 0,1815 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 16 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.
R5 + R6 = 4 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 17,14 Ω
R2 ∥ 17,14 = 8 Ω
Req = R1 + 8 = 8 + 8 = 16 Ω
Відповідь
Req = 16 Ω
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 0,45 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 = 6/24 = 0,25
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка опиняється між Vin і Vo.
VL = 24 − 6 = 18 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 18·0,25/(100·10⁻⁶·100·10³) = 0,45 A
Відповідь
ΔIL = 0,45 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔVo = 833,3 mV
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 − 15/20 = 0,25
Струм навантаження
Io = 20/12 = 1,667 A
Пульсації виходу
ΔVo = 1,667·0,25/(50·10³·10·10⁻⁶) = 833,3 mV
Відповідь
ΔVo = 833,3 mV
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ΔR = 20 Ω
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.
Напруга вузла
Va = 6 + 0,1177 = 6,118 V
Розв’язати дільник
R₂ = 500·6,118/(12 − 6,118) = 520 Ω
ΔR = 520 − 500 = 20 Ω
Відповідь
ΔR = 20 Ω
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: G = 2646
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.
Вихід мосту на повній шкалі
Vo = 1,89 mV
Коефіцієнт підсилення
G = 5/0,00189 = 2646
Відповідь
G = 2646
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: L = 7
Булева алгебра: правила, що спрощують вирази, — це X + X′ = 1 і X·X′ = 0, X + X = X, поглинання X + X·Y = X, правило склеювання X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y і теорема про консенсус XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Закони де Моргана перетворюють (X·Y)′ на X′ + Y′, а (X + Y)′ на X′·Y′. Карта Карно застосовує ці правила графічно: кожна група з двох сусідніх клітинок — це одне застосування XY + XY′ = X.
Мінтерми виразу
ABC → m(7)
AB′C′ → m(4)
A′B′C → m(1)
AC′ → m(4, 6)
Згрупуйте й зчитайте
F = AC′ + AB + A′B′C
Порахуйте літерали
L = 7
Відповідь
L = 7
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: фронт такту 6
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.
Q після кожного фронту
D-тригер копіює D за кожним переднім фронтом: Q⁺ = D.