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
Стабілізатор на стабілітроні 3,3 В живиться від 20 В через 100 Ом і живить навантаження 3300 Ом. Знайдіть струм стабілітрона IZ.
Vin = 20 VVZ = 3,3 VR = 100 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
2.Діоди й транзисториСкладна
NPN-транзистор з β = 80 комутує резистор навантаження 100 Ω, увімкнений між VCC = 12 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 5 V через базовий резистор RB = 220 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.
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 11.
R1 = 47 kΩAv = 11
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 = 1 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 5 ms.
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 24 V на 16,8 V на частоті 40 kHz при L = 33 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 24 VVo = 16,8 Vf = 40 kHzL = 33 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний інвертувальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 36 V на −12 V для навантаження 5 Ω на частоті 50 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 36 VVo = −12 Vf = 50 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст має чотири плеча по 220 Ω і Vs = 6 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 11 Ω. Знайдіть точний вихід Vab у mV.
Vs = 6 VR = 220 ΩΔR = 11 Ω
Vab = mV
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Тензорезистор (GF = 2) на елементі з E = 210 GPa утворює чвертьміст із живленням 10 V. Вихід показує 4 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.
Vs = 10 VGF = 2Vo = 4 mVE = 210 GPa
σ = MPa
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(1, 3, 4, 5, 6, 10, 11, 13, 14). Скільки всього літералів L вона містить (змінна зі штрихом рахується як один літерал)?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 5, 6, 10, 11, 13, 14)
L =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
JK-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 = 0JK
1фронт такту 1
2фронт такту 2
3фронт такту 3
4фронт такту 4
5фронт такту 5
6фронт такту 6
7фронт такту 7
8фронт такту 8
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: IZ = 166 mA
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 резистора
IR = 16,7/100 = 167 mA
Струм навантаження
IL = 3,3/3300 = 1 mA
Струм стабілітрона
IZ = 167 − 1 = 166 mA
Відповідь
IZ = 166 mA
2.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 1,564 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)/220 kΩ = 19,55 µA
Насичення чи активний режим?
β·IB менше за IC(sat), тож транзистор залишається в активному режимі.
β·IB = 1,564 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA
Струм колектора
IC = β·IB = 1,564 mA
Відповідь
IC = 1,564 mA
Транзистор в активному режимі, тож навантаження ввімкнено не повністю.
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 470 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 = (11 − 1)·47 = 470 kΩ
Відповідь
Rf = 470 kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −2,263 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 = 4,7 kΩ · 0,47 µF = 2,209 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −1/2,209 = −0,4527 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −1·5/2,209 = −2,263 V
Відповідь
Vout = −2,263 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,2691 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
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.
t = τ·ln((2 − 6)/(3,2 − 6)) = 108,9·ln(1,429) = 38,84 ms
Відповідь
t = 38,84 ms
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,5233 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 10·18/(10+18) = 6,429 Ω
Req = R1 + 6,429 = 12 + 6,429 = 18,43 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/18,43 = 0,814 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,814·12 = 5,233 V
IR2 = VA/R2 = 5,233/10 = 0,5233 A
Відповідь
IR2 = 0,5233 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 16,6 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.
R5 + R6 = 3 + 2 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 3,077 Ω
R3 + 3,077 = 15,08 Ω
R2 ∥ 15,08 = 8,596 Ω
Req = R1 + 8,596 = 8 + 8,596 = 16,6 Ω
Відповідь
Req = 16,6 Ω
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 3,818 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 = 16,8/24 = 0,7
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка опиняється між Vin і Vo.
VL = 24 − 16,8 = 7,2 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,2·0,7/(33·10⁻⁶·40·10³) = 3,818 A
Відповідь
ΔIL = 3,818 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 28,13 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 = 12/(36 + 12) = 0,25
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 − 0,25)²·5/(250·10³) = 28,13 µH
Відповідь
Lcrit = 28,13 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 73,17 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 = 6·231/451 = 3,073 V
Vb = 3 V
Виведення
Vab = 73,17 mV
Відповідь
Vab = 73,17 mV
Лінійна оцінка Vs·ΔR/(4R) = 75 mV завищена на 2,5 %: чвертьміст не зовсім лінійний.
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: σ = 168 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 = 4·0,004/(10·2) = 0,0008
Напруження
σ = 210·10³ MPa·0,0008 = 168 MPa
Відповідь
σ = 168 MPa
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: L = 15
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.
B′CD
BC′D
A′C′D
ACD′
A′BD′
Мінімальна форма SOP
F = B′CD + BC′D + A′C′D + ACD′ + A′BD′
L = 15
Відповідь
L = 15
Існує інше групування того самого розміру; воно має таку саму кількість доданків і літералів.
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: фронт такту 4
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.