القياس والأجهزة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و10 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

جهود المجزّئات
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
المخرَج
Vab = Va − Vb
التوازن
R1/R2 = R3/R4
القنطرة ذات السلك المنزلق
R/Rx = l/(100 − l)
مقاومة ثيفنن
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
معامل المقياس
ΔR/R = GF·ε
خرج القنطرة
ربع Vs·GF·ε/4، نصف Vs·GF·ε/2، كامل Vs·GF·ε
التغير الصغير، ذراع واحد
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
الإجهاد
σ = E·ε

الطريقة

  1. عامل القنطرة على أنها مجزّئا جهد على المصدر نفسه.
  2. للاتزان ضع R₁/R₂ = R₃/R₄ وحُلّ لإيجاد المقاومة المجهولة.
  3. لقنطرة غير متزنة أوجد Va وVb من المجزّئين ثم اطرح؛ واستخدم مكافئ تيفينين حين يُحمِّل مقياسٌ الخرج.
  4. لمقاييس الانفعال حوّل الانفعال إلى ΔR/R = GF·ε واستخدم Vs·GF·ε/4 أو /2 أو ×1 لربع القنطرة أو نصفها أو كاملها.

اكتساب البيانات وأخذ العينات

معيار نيكويست
fs > 2·fmax, fN = fs/2
تردد التداخل الطيفي
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
حجم الخطوة
1 LSB = VFSR/2ᴺ
خطأ التكميم (بالتقريب)
±½ LSB
رمز المحوّل مع البتر
D = ⌊Vin/LSB⌋
عدد البتات لدقة r
2ᴺ ≥ span/r
نسبة SQNR المثالية لموجة جيبية بمدى كامل
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
معدل البيانات
القنوات × fs × N بت/ث
محوّل ADC متعدد القنوات
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud؛ 8N1 = 10 بتات لكل بايت؛ بايت/ث = baud/عدد بتات الإطار
مقسّم معدل الباود
baud = fclk/(16·D)

الطريقة

  1. دوّن المعطيات: معدل أخذ العينات، وترددات الإشارة، وعدد البتات، ومدى الدخل، ومعدل الباود.
  2. في أسئلة أخذ العينات، قارن كل تردد مع fs/2؛ والتردد الأعلى يظهر عند fa = |f − k·fs| حيث يكون k·fs أقرب مضاعف لـ fs.
  3. في أسئلة الدقة، أوجد 1 LSB = VFSR/2ᴺ، أو أصغر N يحقق 2ᴺ ≥ المدى/الدقة.
  4. في معدلات البيانات ووصلات UART، احسب كل ما يُرسل: القنوات، والعينات في الثانية، والبتات أو البايتات الكاملة لكل عينة، وبتات البدء والتكافؤ والإيقاف في كل إطار.

دوائر مكبّرات العمليات

المكبّر العاكس
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
المكبّر غير العاكس
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
المكبّر الجامع
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
مكبّر العمليات المثالي
V+ = V−, Iin = 0

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي
Req = R1 + R2 + …
مقاومات على التوازي
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
مقاومتان على التوازي
Req = R1R2 / (R1 + R2)
قانون أوم
V = I·R
القدرة
P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

  1. ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
  2. اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
  4. كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن
Vth = Vopen circuit
مقاومة ثيفنن
Rth: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن
IN = Vth/Rth
تيار الحِمل
IL = Vth/(Rth + RL)
أقصى نقل للقدرة
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

الطريقة

  1. أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
  2. أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
  3. أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
  4. أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
  5. لمكافئ نورتن، حوّل: IN = Vth/Rth، مع RN = Rth على التوازي.

2مسائل تدريبية

1.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعالمتوسطة
+−6 V400 Ω400 Ω + ΔR400 Ω400 Ωab+−14,93 mV

قنطرة ذات أربعة أذرع كل منها 400 Ω تُغذّى بـ 6 V. حين تتغير مقاومة المستشعر R₂ يقرأ الخرج Vab = 14,93 mV. أوجد التغير الدقيق ΔR في R₂.

Vs = 6 VR = 400 ΩVab = 14,93 mV
ΔR = Ω
2.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعالصعبة
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

قنطرة أذرعها 120 Ω تُثار بـ 10 V وفيها أربعة مقاييس فعّالة، اثنان في الشد واثنان في الانضغاط (قنطرة كاملة). معامل المقياس 2,12 والانفعال 1200 µε. أوجد خرج القنطرة Vo بوحدة mV.

Vs = 10 VGF = 2,12ε = 1200 µε
Vo = mV
3.اكتساب البيانات وأخذ العيناتمتوسطة
122 ch∿01N = 2410 kHz? MB

يأخذ مسجّل عينات من 2 قنوات بمعدل 10 kHz لكل منها بمحوّل ADC بـ 24 بت. تُخزَّن كل عينة في عدد صحيح من البايتات. أوجد الذاكرة M اللازمة لتسجيل مدته 10 min، بوحدة MB (1 MB = 10⁶ بايت).

n = 2fs = 10 kHzN = 24t = 10 min
M = MB
4.اكتساب البيانات وأخذ العيناتصعبة
1216⋮16 ch∿01tc​ = 4 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

يغذّي مضاعِف بـ 16 قنوات محوّل ADC واحدًا. يستغرق كل تحويل 4 µs، وبعد كل تبديل للقناة يحتاج الدخل إلى 1 µs ليستقر. تُمسح القنوات بالتناوب دون توقف. أوجد معدل أخذ العينات fs لكل قناة، بوحدة kHz.

n = 16tc = 4 µstset = 1 µs
fs = kHz
5.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​

مكبّر العمليات مثالي ويعمل من مصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±14 V. يُغذّى المكبّر غير العاكس بموجة جيبية. أوجد أكبر سعة دخل Vin,max (القيمة القصوى) لا يُقصّ عندها الخرج.

R1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
6.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 0,6 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,9 VR2​ = 10 kΩIf​

يستخدم المكبّر الجامع مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرين ±15 V. أوجد التيار If عبر مقاومة التغذية الراجعة المتّجه نحو الخرج.

V1 = 0,6 VV2 = 1,9 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
7.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​20 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
8.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​2 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 8 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩARL​6 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 6 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAIs​0,5 ABab

أوجد تيار نورتن IN: التيار الذي يسري من a إلى b إذا قُصر الطرفان.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 Ω
IN = A

3المحاليل

1.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

الإجابة: ΔR = 4,001 Ω

قنطرة ويتستون: مجزّئا جهد يتشاركان مصدرًا واحدًا Vs. يعطي المجزّئ الأيسر R1–R2 الجهد Va = Vs·R2/(R1 + R2) ويعطي المجزّئ الأيمن R3–R4 الجهد Vb = Vs·R4/(R3 + R4)؛ والخرج هو Vab = Va − Vb. تكون القنطرة متزنة (Vab = 0، ولا تيار في المقياس) حين R1/R2 = R3/R4، أي R1·R4 = R2·R3. وإذا نُظر إليها من الخرج فهي مصدر تيفينين بمقاومة Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

جهد العقدة

Va = 3 + 0,01493 = 3,015 V

حُلّ المجزّئ

R₂ = 400·3,015/(6 − 3,015) = 404 Ω
ΔR = 404 − 400 = 4,001 Ω

الإجابة

ΔR = 4,001 Ω
2.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

الإجابة: Vo = 25,44 mV

مقاييس الانفعال: تتغير مقاومة المقياس مع الانفعال: ΔR/R = GF·ε، حيث معامل المقياس GF نحو 2 للرقائق المعدنية. في قنطرة تكون فيها كل الأذرع مساوية لـ R، يعطي مقياس فعّال واحد (ربع قنطرة) Vo ≈ Vs·GF·ε/4. ويعطي مقياسان فعّالان بانفعالين متعاكسين في ذراعين متجاورين (نصف قنطرة) Vs·GF·ε/2، وأربعة مقاييس (قنطرة كاملة) تعطي Vs·GF·ε. ويأتي الإجهاد من قانون هوك، σ = E·ε. وتذكر خلايا الحمل حساسيتها بوحدة mV/V: الخرج عند الحمل الكامل لكل فولت من الإثارة.

التغير النسبي في المقاومة

ΔR/R = 2,12·1200·10⁻⁶ = 0,002544

خرج القنطرة

Vo = Vs·GF·ε = 10·0,002544 = 25,44 mV

الإجابة

Vo = 25,44 mV
3.اكتساب البيانات وأخذ العينات

الإجابة: M = 36 MB

معدلات البيانات: تسلّم كل قناة fs عينة في الثانية، كل منها N بت، فيكون المعدل الخام القنوات × fs × N bit/s. وفي الذاكرة تشغل العينة عددًا صحيحًا من البايتات (عينة 12 بت تُخزَّن في بايتين)، فتكون الذاكرة اللازمة لتسجيل ما يساوي القنوات × fs × البايتات لكل عينة × الزمن. يحوّل محوّل ADC متعدد القنوات القنوات واحدة تلو الأخرى: يستغرق كل تحويل (مع زمن الاستقرار) t، فتستغرق جولة n قناة n·t وتُؤخذ عينات كل قناة بمعدل 1/(n·t).

البايتات لكل عينة

⌈24/8⌉ = 3 B

معدل البايتات

2·10000·3 = 60000 B/s

الذاكرة

M = 60000·600 = 3,6 × 10⁷ B = 36 MB

الإجابة

M = 36 MB
4.اكتساب البيانات وأخذ العينات

الإجابة: fs = 12,5 kHz

معدلات البيانات: تسلّم كل قناة fs عينة في الثانية، كل منها N بت، فيكون المعدل الخام القنوات × fs × N bit/s. وفي الذاكرة تشغل العينة عددًا صحيحًا من البايتات (عينة 12 بت تُخزَّن في بايتين)، فتكون الذاكرة اللازمة لتسجيل ما يساوي القنوات × fs × البايتات لكل عينة × الزمن. يحوّل محوّل ADC متعدد القنوات القنوات واحدة تلو الأخرى: يستغرق كل تحويل (مع زمن الاستقرار) t، فتستغرق جولة n قناة n·t وتُؤخذ عينات كل قناة بمعدل 1/(n·t).

الزمن لكل قناة

4 + 1 = 5 µs

الزمن لكل مسح

16·5 = 80 µs

معدل أخذ العينات لكل قناة

fs = 1/80 µs = 12,5 kHz

الإجابة

fs = 12,5 kHz
5.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vin,max = 0,6285 V

قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.

الكسب

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/4,7 = 22,28

أكبر دخل قبل القصّ

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/22,28 = 0,6285 V

الإجابة

Vin,max = 0,6285 V
6.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: If = 0,79 mA

قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.

تيارات الدخل

V₋ = 0، لذا يقع على كل مقاومة دخل كامل جهد دخلها.

I1 = V1/R1 = 0,6/1 = 0,6 mA
I2 = V2/R2 = 1,9/10 = 0,19 mA
If = I1 + I2 = 0,79 mA

الإجابة

If = 0,79 mA
7.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 15,51 Ω

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​20 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R3 + R4 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 15·26/(15+26) = 9,512 Ω
Req = R1 + 9,512 = 6 + 9,512 = 15,51 Ω

الإجابة

Req = 15,51 Ω
8.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 2,057 A

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​2 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R5 + R6 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6 Ω
R3 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 1,778 Ω
Req = R1 + 1,778 = 6 + 1,778 = 7,778 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

IR1 = V1/Req = 18/7,778 = 2,314 A

التيار عبر R₂

اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,314·6 = 4,114 V
IR2 = VA/R2 = 4,114/2 = 2,057 A

الإجابة

IR2 = 2,057 A
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,6977 A

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​15 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا لا يمرّ تيار في R₃، فلا هبوط عليه و V_b = V_A. يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·15/(2+15) = 15,88 V
Rth​ = 16,76 Ω+−Vth​15,88 VRL​6 ΩIL​

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.

IL = Vth/(Rth + RL) = 15,88/(16,76 + 6) = 0,6977 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 0,1 A

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩقصرR2​30 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 30 = 40 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا، المسار الوحيد لـ Iₛ هو عبر R₃ إلى العقدة A. أوجد V_A بتراكب V₁ و Iₛ، ثم أضف الهبوط على R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 24 + (−0,5)·10 = 19 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19 + (−0,5)·30 = 4 V
IN​0,1 ARth​40 Ωab

مكافئ نورتن

مصدر نورتن هو الدائرة نفسها منظورًا إليها كمصدر تيار على التوازي مع R_th. تياره هو تيار القصر بين a–b.

IN = Vth/Rth = 4/40 = 0,1 A

ExamProblems · examproblems.com/courses/measurement-and-instrumentation