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 = 50 зміщено базовим резистором RB = 330 kΩ від джерела живлення VCC = 9 V. Колекторний резистор RC = 3,3 kΩ, емітер заземлено. Візьміть VBE = 0,7 V і вважайте, що транзистор в активному режимі. Знайдіть струм колектора IC у mA.
VCC = 9 VRB = 330 kΩRC = 3,3 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
2.Діоди й транзисториСкладна
Стабілізатор на стабілітроні 6,2 В має живити навантаження струмом до 20 мА. Вхідна напруга може впасти до 9 В, а стабілітрону для стабілізації потрібно щонайменше 2 мА. Знайдіть найбільший послідовний опір Rmax, при якому стабілізація зберігається.
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 25.
R1 = 4,7 kΩAv = 25
Rf = kΩ
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 = −0,4 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 10 ms.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 5 ms.
Vs = 12 VR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
vL = V
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 = 2 ms.
Vs = 20 VR1 = 22 ΩR2 = 10 ΩL = 33 mHt = 2 ms
i = A
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
Ідеальний інвертувальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 12 V на −18 V на частоті 200 kHz при L = 100 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 12 VVo = −18 Vf = 200 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Знижувальний перетворювач перетворює 9 V на 3,6 V на частоті 250 kHz при L = 10 µH. Знайдіть вихідну ємність C, за якої розмах пульсацій вихідної напруги обмежується 20 mV.
Міст має чотири плеча по 350 Ω і Vs = 5 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 3,5 Ω. У наближенні малих змін знайдіть вихід Vab у mV.
Vs = 5 VR = 350 ΩΔR = 3,5 Ω
Vab = mV
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Чвертьміст з одним активним тензорезистором (GF = 2,1) живиться від 2,5 V. Під навантаженням вихід показує 0,984 mV. Знайдіть деформацію ε у µε.
Vs = 2,5 VGF = 2,1Vo = 0,984 mV
ε = µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Скористайтеся картою Карно, щоб знайти мінімальну форму суми добутків (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 13). Скільки всього літералів L вона містить (змінна зі штрихом рахується як один літерал)?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 13)
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: IC = 1,258 mA
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.
Струм бази
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0,7)/330 kΩ = 25,15 µA
Струм колектора
IC = β·IB = 50·25,15 µA = 1,258 mA
Відповідь
IC = 1,258 mA
Перевірка: VCE = 4,85 V значно більше за 0,2 V, тож транзистор справді в активному режимі.
2.Діоди й транзистори
Відповідь: Rmax = 127,3 Ω
Стабілізатор на стабілітроні: стабілітрон, увімкнений у зворотному напрямку, тримає напругу VZ, поки його струм вищий за мінімальний IZ,min. Послідовний резистор R бере різницю між вхідною та вихідною напругою: IR = (Vin − VZ)/R. Цей струм ділиться між навантаженням, IL = VZ/RL, і стабілітроном: IZ = IR − IL. Проєктуйте за найгіршими випадками: найнижча вхідна напруга при найбільшому навантаженні має все ж лишати IZ,min, а найвища вхідна напруга без навантаження дає найбільшу потужність стабілітрона PZ = VZ·IZ.
Струм у найгіршому випадку
IR = 20 + 2 = 22 mA
Найбільший опір
Rmax = 2,8/0,022 = 127,3 Ω
Відповідь
Rmax = 127,3 Ω
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 112,8 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 = (25 − 1)·4,7 = 112,8 kΩ
Відповідь
Rf = 112,8 kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 8,511 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 = 1 kΩ · 0,47 µF = 0,47 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−0,4)/0,47 = 0,8511 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,4)·10/0,47 = 8,511 V
Відповідь
Vout = 8,511 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 2,637 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 = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms
i(∞) = Vs/R = 12/10 = 1,2 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−5/3,3 = 2,637 V
Відповідь
vL = 2,637 V
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,8342 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) = 20/(22 + 10) = 0,625 A
i(∞) = 20/22 = 0,9091 A
τ = L/R = 33/22 = 1,5 ms
i(t) = 0,9091 + (0,625 − 0,9091)·e−t/τ
Струм у заданий момент
i(2) = 0,9091 + (−0,2841)·e−2/1,5 = 0,8342 A
Відповідь
i = 0,8342 A
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 26,67 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 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 20 + 6,667 = 26,67 Ω
Відповідь
Req = 26,67 Ω
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,4122 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 5,63 Ω
R3 + 5,63 = 10,63 Ω
R2 ∥ 10,63 = 7,849 Ω
Req = R1 + 7,849 = 15 + 7,849 = 22,85 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/22,85 = 1,576 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,576·15 = 12,37 V
IR2 = VA/R2 = 12,37/30 = 0,4122 A
Відповідь
IR2 = 0,4122 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 0,36 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 = 18/(12 + 18) = 0,6
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка підключена безпосередньо до Vin.
VL = 12 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,6/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,36 A
Відповідь
ΔIL = 0,36 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: C = 21,6 µF
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 = 3,6/9 = 0,4
Струм пульсацій котушки
ΔIL = (9 − 3,6)·0,4/(10·10⁻⁶·250·10³) = 0,864 A
Ємність
C = 0,864/(8·250·10³·20·10⁻³) = 21,6 µF
Відповідь
C = 21,6 µF
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 12,5 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 = 3,5/350 = 0,01
Лінеаризований вихід
Vab ≈ 5·0,01/4 = 12,5 mV
Відповідь
Vab = 12,5 mV
Точне значення становить 12,44 mV; наближення добре, поки ΔR/R мале.
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ε = 749,7 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 = 4·0,000984/(2,5·2,1) = 0,0007497
У мікродеформаціях
ε = 749,7 µε
Відповідь
ε = 749,7 µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: L = 12
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 одиниці
Кожна група — це прямокутник із 2ᵏ клітинок; крайні клітинки є сусідами клітинок на протилежному краї.
BC′
A′BD
AB′D
A′B′CD′
Мінімальна форма SOP
F = BC′ + A′BD + AB′D + A′B′CD′
L = 12
Відповідь
L = 12
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: фронт такту 3
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.