القياس والأجهزة: حزمة المراجعة المكثفة

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

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

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

1القوانين وطرق الحل

قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

جهود المجزّئات: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
المخرَج: V_ab = V_a − V_b
التوازن: R₁/R₂ = R₃/R₄
القنطرة ذات السلك المنزلق: R/R_x = l/(100 − l)
مقاومة ثيفنن: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
معامل المقياس: ΔR/R = GF·ε
خرج القنطرة: ربع V_s·GF·ε/4، نصف V_s·GF·ε/2، كامل V_s·GF·ε
التغير الصغير، ذراع واحد: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
الإجهاد: σ = E·ε

الطريقة

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

اكتساب البيانات وأخذ العينات

معيار نيكويست: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
تردد التداخل الطيفي: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
حجم الخطوة: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
خطأ التكميم (بالتقريب): ±½ LSB
رمز المحوّل مع البتر: D = ⌊V_in/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 × f_s × N بت/ث
محوّل ADC متعدد القنوات: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud؛ 8N1 = 10 بتات لكل بايت؛ بايت/ث = baud/عدد بتات الإطار
مقسّم معدل الباود: baud = f_clk/(16·D)

الطريقة

دوّن المعطيات: معدل أخذ العينات، وترددات الإشارة، وعدد البتات، ومدى الدخل، ومعدل الباود.
في أسئلة أخذ العينات، قارن كل تردد مع f_s/2؛ والتردد الأعلى يظهر عند f_a = |f − k·f_s| حيث يكون k·f_s أقرب مضاعف لـ f_s.
في أسئلة الدقة، أوجد 1 LSB = V_FSR/2ᴺ، أو أصغر N يحقق 2ᴺ ≥ المدى/الدقة.
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: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
المكبّر غير العاكس: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
المكبّر الجامع: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
مكبّر العمليات المثالي: V₊ = V₋, I_in = 0

المقاومات على التوالي والتوازي

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

الطريقة

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

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن: V_th = V_{open circuit}
مقاومة ثيفنن: R_th: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن: I_N = V_th/R_th
تيار الحِمل: I_L = V_th/(R_th + R_L)
أقصى نقل للقدرة: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

الطريقة

أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو V_th.
أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي R_th.
أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: V_th على التوالي مع R_th.
لمكافئ نورتن، حوّل: I_N = V_th/R_th، مع R_N = R_th على التوازي.

2مسائل تدريبية

1.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعالمتوسطة

لقنطرة أربعة أذرع كل منها 200 Ω وV_s = 10 V. تزداد مقاومة المستشعر R₂ بمقدار ΔR = 16 Ω. أوجد الخرج الدقيق V_ab بوحدة mV.

V_s = 10 VR = 200 ΩΔR = 16 Ω

V_ab = mV

2.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعالصعبة

مقياس انفعال مقاومته 350 Ω ومعامله 2,1 مُلصَق على قضيب فولاذي. تحت الحمل ترتفع مقاومته بمقدار 0,3675 Ω. أوجد الانفعال ε بالميكروانفعال (µε).

R = 350 ΩGF = 2,1ΔR = 0,3675 Ω

ε = µε

3.اكتساب البيانات وأخذ العيناتمتوسطة

محوّل ADC بـ 12 بت ومدى دخل من 0 إلى 2,5 V يبتر: رمز خرجه ⌊V_in/LSB⌋ حيث 1 LSB = V_FSR/2ᴺ. أوجد رمز الخرج العشري D لدخل قدره 0,455 V.

N = 12V_FSR = 2,5 VV_in = 0,455 V

D =

4.اكتساب البيانات وأخذ العيناتصعبة

يضبط متحكم دقيق بساعة 20 MHz معدل الباود لـ UART على f_clk/(16·D)، حيث D عدد صحيح يُقرَّب إلى أقرب قيمة. الهدف هو 19200 baud. أوجد النسبة المئوية لخطأ معدل الباود الفعلي (موجبة حين يكون أسرع من اللازم).

f_clk = 20 MHzالهدف = 19200 Bd

e = %

5.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة

يستخدم مكبّر الفرق مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V، مع R₃ = R₁ و R₄ = R₂. أوجد جهد الخرج V_out.

V₁ = 0,7 VV₂ = 0,9 VR₁ = R₃ = 1 kΩR₂ = R₄ = 47 kΩ

V_out = V

6.دوائر مكبّرات العملياتصعبة

يستخدم المكبّر الجامع مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج V_out.

V₁ = −1,4 VV₂ = 1,2 VR₁ = 100 kΩR₂ = 10 kΩR_f = 100 kΩ

V_out = V

7.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة

أوجد المقاومة المكافئة R_eq التي يراها المصدر V₁.

V₁ = 12 VR₁ = 4 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 2 Ω

R_eq = Ω

8.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 18 VR₁ = 20 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 3 Ω

I_R2 = A

9.ثيفنن ونورتنمتوسطة

أوجد جهد ثيفنن V_th المرئي من الطرفين a–b.

V₁ = 30 VR₁ = 10 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 3 Ω

V_th = V

10.ثيفنن ونورتنصعبة

وُصل حِمل R_L = 20 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة P_L المسلَّمة إلى الحِمل.

V₁ = 15 VI_s = 3 AR₁ = 3 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 20 ΩR_L = 20 Ω

P_L = W

3المحاليل

1.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

الإجابة: V_ab = 192,3 mV

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

جهود العقد

V_a = 10·216/416 = 5,192 V

V_b = 5 V

المخرَج

V_ab = 192,3 mV

الإجابة

V_ab = 192,3 mV

التقدير الخطي V_s·ΔR/(4R) = 200 mV أعلى من القيمة الدقيقة بنسبة 4 %: فربع القنطرة ليس خطيًا تمامًا.

2.قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

الإجابة: ε = 500 µε

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) V_o ≈ V_s·GF·ε/4. ويعطي مقياسان فعّالان بانفعالين متعاكسين في ذراعين متجاورين (نصف قنطرة) V_s·GF·ε/2، وأربعة مقاييس (قنطرة كاملة) تعطي V_s·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 = 0,3675/350 = 0,00105

الانفعال

ε = 0,00105/2,1 = 0,0005 = 500 µε

الإجابة

ε = 500 µε

3.اكتساب البيانات وأخذ العينات

الإجابة: D = 745

دقة ADC: يقسّم المحوّل ذو N بت مدى المقياس الكامل V_FSR إلى 2ᴺ رمزًا، من 0 إلى 2ᴺ − 1. الخطوة الواحدة هي 1 LSB = V_FSR/2ᴺ: أصغر تغيّر يستطيع المحوّل إظهاره. يعطي المحوّل ذو البتر الرمز ⌊V_in/LSB⌋؛ أما المحوّل ذو التقريب فلا يبعد أبدًا أكثر من ½ LSB عن القيمة الحقيقية، وهذا خطأ التكميم له. كل بت إضافي يُنصّف LSB ويضيف نحو 6 dB إلى نسبة الإشارة إلى ضجيج التكميم المثالية SQNR = 6,02·N + 1,76 dB لموجة جيبية بمدى كامل. لبلوغ دقة r على مدى معيّن، اختر أصغر N يحقق 2ᴺ ≥ المدى/r.

حجم الخطوة

1 LSB = 2,5/2¹² = 0,6104 mV

الرمز

V_in/LSB = 455/0,6104 = 745,5

الرمز = ⌊745,5⌋ = 745

الإجابة

D = 745

في النظام الثنائي يكون ذلك 001011101001.

4.اكتساب البيانات وأخذ العينات

الإجابة: e = 0,1603 %

UART: وصلة تسلسلية غير متزامنة ترسل كل بايت في إطار: بت بدء واحد (منخفض)، وبتات البيانات، وبت تكافؤ اختياري، وبت إيقاف أو بتّا إيقاف (مرتفع). معدل الباود هو عدد البتات في الثانية، لذا يستغرق البت الواحد T_b = 1/baud ويستغرق إطار من n بت زمن n/baud. للصيغة الشائعة 8N1 عشرة بتات لكل بايت. يقسم مولّد الباود تردد الساعة: baud = f_clk/(16·D) مع عدد صحيح D، فيختلف معدل الباود الفعلي قليلًا عن المطلوب؛ وخطأ أقل من نحو 2 % مقبول عادةً.

المقسّم

D = 20·10⁶/(16·19200) = 65,1 → 65

معدل الباود الفعلي

20·10⁶/(16·65) = 19231 Bd

الخطأ

(19231 − 19200)/19200·100 = 0,1603 %

الإجابة

e = 0,1603 %

الخطأ الأقل من نحو 2 % مقبول عادةً.

5.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: V_out = 9,4 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.

الجهد عند الدخلين

R₃ و R₄ يحملان التيار نفسه، لذا يشكّلان مقسّم جهد؛ والتغذية الراجعة تجعل V₋ = V₊.

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 0,9·47/(1 + 47) = 0,8813 V

V₋ = V₊

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

(0,7 − 0,8813)/1 = (0,8813 − V_out)/47

V_out = (R₂/R₁)·(V₂ − V₁) = (47/1)·(0,9 − 0,7) = 9,4 V

الإجابة

V_out = 9,4 V

6.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: V_out = −10,6 V

تيارات الدخل

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

I₁ = V₁/R₁ = −1,4/100 = −0,014 mA

I₂ = V₂/R₂ = 1,2/10 = 0,12 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0,106 mA

جهد الخرج

V_out = −R_f·I_f = −100·0,106 = −10,6 V

الإجابة

V_out = −10,6 V

7.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: R_eq = 7,385 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.

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 = 20 + 2 = 22 Ω

R₂ ∥ 22 = 4·22/(4+22) = 3,385 Ω

R_eq = R₁ + 3,385 = 4 + 3,385 = 7,385 Ω

الإجابة

R_eq = 7,385 Ω

8.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,3433 A

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

R₅ + R₆ = 25 + 3 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 13,21 Ω

R₃ + 13,21 = 17,21 Ω

R₂ ∥ 17,21 = 8,014 Ω

R_eq = R₁ + 8,014 = 20 + 8,014 = 28,01 Ω

التيار من المصدر

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

I_R1 = V₁/R_eq = 18/28,01 = 0,6425 A

التيار عبر R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 18 − 0,6425·20 = 5,149 V

I_R2 = V_A/R₂ = 5,149/15 = 0,3433 A

الإجابة

I_R2 = 0,3433 A

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: V_th = 15 V

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

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

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

R₁ ∥ R₂ = 10·10/(10+10) = 5 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 5 + 3 = 8 Ω

أوجد V_th، 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.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 30·10/(10+10) = 15 V

10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: P_L = 73,34 W

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

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

R₁ ∥ R₂ = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2,727 + 20 = 22,73 Ω

أوجد V_th، 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 13,64 + 3·2,727 = 21,82 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 21,82 + 3·20 = 81,82 V

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

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

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 81,82/(22,73 + 20) = 1,915 A

P_L = I_L²·R_L = 1,915²·20 = 73,34 W

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

القياس والأجهزة: حزمة المراجعة المكثفة

1القوانين وطرق الحل

قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعال

الطريقة

اكتساب البيانات وأخذ العينات

الطريقة

دوائر مكبّرات العمليات

المقاومات على التوالي والتوازي

الطريقة

ثيفنن ونورتن

الطريقة

2مسائل تدريبية

3المحاليل

جهود العقد

المخرَج

الإجابة

التغير النسبي في المقاومة

الانفعال

الإجابة

حجم الخطوة

الرمز

الإجابة

المقسّم

معدل الباود الفعلي

الخطأ

الإجابة

الجهد عند الدخلين

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

الإجابة

تيارات الدخل

جهد الخرج

الإجابة

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

الإجابة

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

التيار من المصدر

التيار عبر R₂

الإجابة

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

أوجد V_th، جهد الدائرة المفتوحة

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

أوجد V_th، جهد الدائرة المفتوحة