मापन और यंत्रीकरण: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 10 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

विभाजक वोल्टताएँ
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
निर्गम
Vab = Va − Vb
संतुलन
R1/R2 = R3/R4
स्लाइड-तार सेतु
R/Rx = l/(100 − l)
थेवेनिन प्रतिरोध
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
गेज गुणांक
ΔR/R = GF·ε
सेतु निर्गत
चतुर्थांश Vs·GF·ε/4, अर्ध Vs·GF·ε/2, पूर्ण Vs·GF·ε
छोटा परिवर्तन, एक भुजा
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
प्रतिबल
σ = E·ε

विधि

  1. सेतु को एक ही आपूर्ति के पार दो वोल्टता विभाजक मानिए।
  2. संतुलन के लिए R₁/R₂ = R₃/R₄ रखिए और अज्ञात प्रतिरोधक के लिए हल कीजिए।
  3. असंतुलित सेतु के लिए विभाजकों से Va और Vb निकालकर घटाइए; जब कोई मापी निर्गत पर भार डाले तब थेवेनिन तुल्य का उपयोग कीजिए।
  4. स्ट्रेन गेज के लिए विकृति को ΔR/R = GF·ε में बदलिए और चतुर्थांश, अर्ध या पूर्ण सेतु के लिए क्रमशः Vs·GF·ε/4, /2 या ×1 का उपयोग कीजिए।

डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

नाइक्विस्ट मानदंड
fs > 2·fmax, fN = fs/2
ऐलियास आवृत्ति
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
चरण आकार
1 LSB = VFSR/2ᴺ
क्वांटीकरण त्रुटि (निकटतम पूर्णांकन)
±½ LSB
ADC कोड का छाँटना (ट्रंकेशन)
D = ⌊Vin/LSB⌋
वियोजन r के लिए बिट
2ᴺ ≥ span/r
आदर्श SQNR, पूर्ण-स्केल ज्यावक्र
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
डेटा दर
चैनल × fs × N bit/s
मल्टीप्लेक्स्ड ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/बॉड; 8N1 = प्रति बाइट 10 बिट; बाइट/s = बॉड/प्रति फ़्रेम बिट
बॉड दर विभाजक
baud = fclk/(16·D)

विधि

  1. लिख लें कि क्या दिया है: प्रतिदर्श दर, संकेत आवृत्तियाँ, बिट संख्या, निवेश परिसर, बॉड दर।
  2. प्रतिचयन के प्रश्नों में हर आवृत्ति की तुलना fs/2 से करें; इससे ऊँची आवृत्ति fa = |f − k·fs| पर दिखती है, जहाँ fs का निकटतम गुणज लिया जाता है।
  3. वियोजन के प्रश्नों में 1 LSB = VFSR/2ᴺ ज्ञात करें, या सबसे छोटा N ज्ञात करें जिसके लिए 2ᴺ ≥ विस्तार/वियोजन हो।
  4. डेटा दर और UART लिंक के लिए वह सब गिनें जो भेजा जाता है: चैनल, प्रति सेकंड प्रतिदर्श, प्रति प्रतिदर्श बिट या पूरे बाइट, और हर फ़्रेम के स्टार्ट, पैरिटी और स्टॉप बिट।

ऑप-एम्प परिपथ

इनवर्टिंग प्रवर्धक
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
नॉन-इनवर्टिंग प्रवर्धक
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
योगकारी प्रवर्धक
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
आदर्श ऑप-एम्प
V+ = V−, Iin = 0

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

श्रेणी में प्रतिरोध
Req = R1 + R2 + …
समांतर में प्रतिरोध
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
दो समांतर में
Req = R1R2 / (R1 + R2)
ओम का नियम
V = I·R
शक्ति
P = V·I = I²R = V²/R

विधि

  1. नेटवर्क के उस सिरे से शुरू करें जो टर्मिनलों से सबसे दूर है।
  2. श्रेणी में प्रतिरोधकों को जोड़कर मिलाएँ, और समांतर में प्रतिरोधकों को 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … से।
  3. हर चरण के बाद परिपथ दोबारा बनाएँ।
  4. तब तक दोहराएँ जब तक टर्मिनलों के बीच एक ही प्रतिरोधक न बचे।

थेवेनिन और नॉर्टन

थेवेनिन वोल्टता
Vth = Vopen circuit
थेवेनिन प्रतिरोध
Rth: सभी स्रोत बंद, a–b से देखा गया
नॉर्टन धारा
IN = Vth/Rth
लोड धारा
IL = Vth/(Rth + RL)
अधिकतम शक्ति स्थानांतरण
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

विधि

  1. भार हटाएँ और दोनों टर्मिनलों को a और b से चिह्नित करें।
  2. a और b के बीच खुला-परिपथ वोल्टता ज्ञात करें: यही Vth है।
  3. सभी स्वतंत्र स्रोत बंद करें और a–b से दिखने वाला प्रतिरोध ज्ञात करें: यही Rth है।
  4. लोड को समतुल्य परिपथ पर वापस लगाएँ: Vth, Rth के साथ श्रेणी में।
  5. नॉर्टन समतुल्य के लिए रूपांतरित करें: IN = Vth/Rth, और RN = Rth समांतर में।

2अभ्यास प्रश्न

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजमध्यम
+−3 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−Vab​ = ?

एक सेतु की चारों भुजाएँ 220 Ω की हैं और Vs = 3 V है। संवेदक R₂ में ΔR = 55 Ω की वृद्धि होती है। mV में यथार्थ निर्गत Vab ज्ञात कीजिए।

Vs = 3 VR = 220 ΩΔR = 55 Ω
Vab = mV
2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन
+−2.5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​ = ?

1000 Ω भुजाओं वाले एक सेतु को 2.5 V से उत्तेजित किया जाता है और उसमें एक सक्रिय गेज (चतुर्थांश सेतु) है। गेज गुणांक 2 है और विकृति 1000 µε है। mV में सेतु निर्गत Vo ज्ञात कीजिए।

Vs = 2.5 VGF = 2ε = 1000 µε
Vo = mV
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम
tTs​ = 1/fs​f = 16 kHzfs​ = 20 kHz

16 kHz ज्यावक्र को ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर के बिना 20 kHz पर प्रतिदर्शित किया जाता है। प्रतिदर्शों में वह किस आवृत्ति fa पर दिखता है? उत्तर kHz में दीजिए।

f = 16 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​19200 Bd, 8N1

एक 24-बिट ADC हर प्रतिदर्श को UART से 19200 बॉड पर, प्रारूप 8N1 (स्टार्ट बिट, 8 डेटा बिट, 1 स्टॉप बिट) में स्ट्रीम करता है। हर प्रतिदर्श 3 पूरे बाइट के रूप में भेजा जाता है और लिंक हर समय व्यस्त रहता है। ऐलियासिंग के बिना प्रतिदर्शित हो सकने वाली उच्चतम संकेत आवृत्ति fmax Hz में ज्ञात कीजिए।

baud = 19200 BdN = 248N1
fmax = Hz
5.ऑप-एम्प परिपथमध्यम
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −1.2 V

ऑप-एम्प आदर्श है और ±15 V आपूर्ति से चलता है। आउटपुट वोल्टता Vout ज्ञात कीजिए।

Vin = −1.2 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
6.ऑप-एम्प परिपथकठिन
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 2 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0.2 VR2​ = 47 kΩ

योजक एम्पलीफ़ायर ±15 V आपूर्ति वाले आदर्श ऑप-एम्प का उपयोग करता है। आउटपुट वोल्टता Vout ज्ञात कीजिए।

V1 = 2 VV2 = 0.2 VR1 = 2 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩIR2​AR4​8 ΩB

R2 से होकर धारा IR2 ज्ञात कीजिए।

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​15 Ω

स्रोत द्वारा दी गई धारा IR1 ज्ञात कीजिए, जो R1 से होकर बहती है।

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 3 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAab

टर्मिनल a–b से देखा गया थेवेनिन प्रतिरोध Rth ज्ञात कीजिए।

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAIs​2.5 ABRL​25 ΩIL​

a–b के बीच भार RL = 25 Ω जुड़ा है। बाकी परिपथ को उसके थेवेनिन समतुल्य से बदलें और भार धारा IL ज्ञात कीजिए।

V1 = 9 VIs = 2.5 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩRL = 25 Ω
IL = A

3विलयन

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Vab = 166.7 mV

व्हीटस्टोन सेतु: दो वोल्टता विभाजक एक ही आपूर्ति Vs साझा करते हैं। बायाँ विभाजक R1–R2 Va = Vs·R2/(R1 + R2) देता है और दायाँ विभाजक R3–R4 Vb = Vs·R4/(R3 + R4) देता है; निर्गत Vab = Va − Vb है। सेतु संतुलित (Vab = 0, मापी में कोई धारा नहीं) तब होता है जब R1/R2 = R3/R4, यानी R1·R4 = R2·R3। निर्गत के सिरों से देखने पर सेतु एक थेवेनिन स्रोत है जिसमें Rth = R1∥R2 + R3∥R4।

नोड वोल्टताएँ

Va = 3·275/495 = 1.667 V
Vb = 1.5 V

निर्गम

Vab = 166.7 mV

उत्तर

Vab = 166.7 mV

रैखिक अनुमान Vs·ΔR/(4R) = 187.5 mV, 12.5 % अधिक है: चतुर्थांश सेतु पूरी तरह रैखिक नहीं होता।

2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Vo = 1.25 mV

स्ट्रेन गेज: गेज विकृति के साथ अपना प्रतिरोध बदलता है: ΔR/R = GF·ε, जहाँ धात्विक फ़ॉइल के लिए गेज गुणांक GF लगभग 2 होता है। सभी भुजाएँ R के बराबर वाले सेतु में एक सक्रिय गेज (चतुर्थांश सेतु) Vo ≈ Vs·GF·ε/4 देता है। आसन्न भुजाओं में विपरीत विकृति वाले दो सक्रिय गेज (अर्ध सेतु) Vs·GF·ε/2 देते हैं, और चार (पूर्ण सेतु) Vs·GF·ε देते हैं। प्रतिबल हुक के नियम से मिलता है, σ = E·ε। लोड सेल अपनी संवेदनशीलता mV/V में बताते हैं: प्रति वोल्ट उत्तेजन पर पूर्ण भार पर निर्गत।

सापेक्ष प्रतिरोध परिवर्तन

ΔR/R = 2·1000·10⁻⁶ = 0.002

सेतु निर्गत

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2.5·0.002/4 = 1.25 mV

उत्तर

Vo = 1.25 mV
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: fa = 4 kHz

प्रतिचयन: ADC संकेत को प्रति सेकंड fs बार मापता है। नाइक्विस्ट–शैनन प्रमेय के अनुसार आवृत्ति f तभी सही पकड़ी जाती है जब f < fs/2 हो, जो नाइक्विस्ट (वलन) आवृत्ति है, इसलिए प्रतिदर्श दर संकेत की उच्चतम आवृत्ति के दुगुने से अधिक होनी चाहिए। ऊँची आवृत्ति खोती नहीं: वह fa = |f − k·fs| पर ऐलियास के रूप में दिखती है, जहाँ पूर्ण संख्या k परिणाम को 0 और fs/2 के बीच लाती है। प्रतिदर्श दोनों में अंतर नहीं कर सकते, इसलिए ऐनालॉग ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर को ADC से पहले fs/2 से ऊपर की हर चीज़ हटा देनी चाहिए।

नाइक्विस्ट आवृत्ति

fs/2 = 10 kHz < f = 16 kHz

प्रतिदर्श दर का निकटतम गुणज

k = round(16/20) = 1

ऐलियास आवृत्ति

fa = |16 − 1·20| = 4 kHz

उत्तर

fa = 4 kHz

चित्र में बिंदीदार वक्र ऐलियास है: वह ठीक उन्हीं प्रतिदर्शों से गुज़रता है।

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: fmax = 320 Hz

UART: अतुल्यकालिक सीरियल लिंक हर बाइट को एक फ़्रेम के रूप में भेजता है: एक स्टार्ट बिट (निम्न), डेटा बिट, एक वैकल्पिक पैरिटी बिट और एक या दो स्टॉप बिट (उच्च)। बॉड दर प्रति सेकंड बिटों की संख्या है, इसलिए एक बिट Tb = 1/बॉड चलता है और n बिट का फ़्रेम n/बॉड चलता है। प्रचलित 8N1 प्रारूप में प्रति बाइट 10 बिट होते हैं। बॉड जनरेटर क्लॉक को विभाजित करता है: बॉड = fclk/(16·D), जहाँ D पूर्ण संख्या है, इसलिए वास्तविक बॉड दर लक्ष्य से थोड़ी भिन्न होती है; लगभग 2 % से कम त्रुटि आमतौर पर स्वीकार्य है।

लाइन पर प्रति प्रतिदर्श बिट

3·10 = 30 bit

उच्चतम प्रतिदर्श दर

fs,max = 19200/30 = 640 Hz

नाइक्विस्ट सीमा

fmax = 640/2 = 320 Hz

उत्तर

fmax = 320 Hz
5.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Vout = −3.764 V

आदर्श ऑप-एम्प नियम: ऋणात्मक पुनर्निवेश के साथ ऑप-एम्प अपना आउटपुट ऐसे चलाता है कि दोनों इनपुट समान वोल्टता पर रहें (V₋ = V₊), और किसी भी इनपुट में धारा नहीं जाती। इन दो तथ्यों के साथ इनवर्टिंग इनपुट पर KCL लिखने से आउटपुट मिलता है।

इनवर्टिंग इनपुट इनपुट का अनुसरण करता है

V₋ = V₊ = −1.2 V
I = V₋/R1 = −1.2/22 = −0.05455 mA

आउटपुट वोल्टता

R₁ की धारा Rf से भी बहती है।

Vout = V₋ + I·Rf = −1.2 + (−0.05455)·47 = −3.764 V

उत्तर

Vout = −3.764 V
6.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Vout = −10.04 V

आदर्श ऑप-एम्प नियम: ऋणात्मक पुनर्निवेश के साथ ऑप-एम्प अपना आउटपुट ऐसे चलाता है कि दोनों इनपुट समान वोल्टता पर रहें (V₋ = V₊), और किसी भी इनपुट में धारा नहीं जाती। इन दो तथ्यों के साथ इनवर्टिंग इनपुट पर KCL लिखने से आउटपुट मिलता है।

इनपुट धाराएँ

V₋ = 0, इसलिए हर इनपुट प्रतिरोधक पर उसकी पूरी इनपुट वोल्टता है।

I1 = V1/R1 = 2/2 = 1 mA
I2 = V2/R2 = 0.2/47 = 0.004255 mA
If = I1 + I2 = 1.004 mA

आउटपुट वोल्टता

Vout = −Rf·If = −10·1.004 = −10.04 V

उत्तर

Vout = −10.04 V
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR2 = 0.3333 A

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक: श्रेणी में हर प्रतिरोधक से समान धारा बहती है और R = R₁ + R₂ + …। समांतर में हर प्रतिरोधक पर समान वोल्टता होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …। सीढ़ी नेटवर्क को एक-एक युग्म घटाया जाता है जब तक एक समतुल्य प्रतिरोध न बचे।

R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से सबसे दूर वाले सिरे से शुरू करें और उसकी ओर लौटें। समान धारा वाले प्रतिरोधक श्रेणी में हैं; समान दो नोड के बीच वाले प्रतिरोधक समांतर में हैं।

R3 + R4 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 3 + 6 = 9 Ω

स्रोत से धारा

स्रोत केवल Req देखता है, इसलिए ओम का नियम उसकी दी धारा देता है। यह धारा R₁ से होकर बहती है।

IR1 = V1/Req = 6/9 = 0.6667 A

R₂ से होकर धारा

नोड A पर वोल्टता पाने के लिए R₁ पर पात घटाएँ, जो R₂ पर वोल्टता है।

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0.6667·3 = 4 V
IR2 = VA/R2 = 4/12 = 0.3333 A

उत्तर

IR2 = 0.3333 A
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR1 = 0.5738 A

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक: श्रेणी में हर प्रतिरोधक से समान धारा बहती है और R = R₁ + R₂ + …। समांतर में हर प्रतिरोधक पर समान वोल्टता होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …। सीढ़ी नेटवर्क को एक-एक युग्म घटाया जाता है जब तक एक समतुल्य प्रतिरोध न बचे।

R1​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​15 Ω

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से सबसे दूर वाले सिरे से शुरू करें और उसकी ओर लौटें। समान धारा वाले प्रतिरोधक श्रेणी में हैं; समान दो नोड के बीच वाले प्रतिरोधक समांतर में हैं।

R5 + R6 = 3 + 15 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 10.47 Ω
R3 + 10.47 = 14.47 Ω
R2 ∥ 14.47 = 5.913 Ω
Req = R1 + 5.913 = 15 + 5.913 = 20.91 Ω

स्रोत से धारा

स्रोत केवल Req देखता है, इसलिए ओम का नियम उसकी दी धारा देता है। यह धारा R₁ से होकर बहती है।

IR1 = V1/Req = 12/20.91 = 0.5738 A

उत्तर

IR1 = 0.5738 A
9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Rth = 27.5 Ω

थेवेनिन प्रमेय: कोई भी रैखिक दो-टर्मिनल नेटवर्क प्रतिरोध Rth के साथ श्रेणी में एक वोल्टता स्रोत Vth जैसा व्यवहार करता है। नॉर्टन प्रमेय उसी नेटवर्क को Rth के समांतर धारा स्रोत IN = Vth/Rth के रूप में देता है।

R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ωशॉर्टR2​12 ΩAabRth​

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

वोल्टता स्रोतों को शॉर्ट और धारा स्रोतों को खुले परिपथ से बदलें, फिर a–b से परिपथ में देखें।

R1 ∥ R2 = 20·12/(20+12) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 20 = 27.5 Ω
10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: IL = 0.6875 A

थेवेनिन प्रमेय: कोई भी रैखिक दो-टर्मिनल नेटवर्क प्रतिरोध Rth के साथ श्रेणी में एक वोल्टता स्रोत Vth जैसा व्यवहार करता है। नॉर्टन प्रमेय उसी नेटवर्क को Rth के समांतर धारा स्रोत IN = Vth/Rth के रूप में देता है।

R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ωशॉर्टR2​8 ΩAखुलाBabRth​

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

वोल्टता स्रोतों को शॉर्ट और धारा स्रोतों को खुले परिपथ से बदलें, फिर a–b से परिपथ में देखें।

R1 ∥ R2 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAIs​2.5 ABab+−Vth​

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

a–b खुला होने पर Iₛ का एकमात्र मार्ग R₃ से होकर नोड A तक है। V₁ और Iₛ के अध्यारोपण से V_A ज्ञात करें, फिर R₃ पर पात जोड़ें।

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4.5 + 2.5·4 = 14.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14.5 + 2.5·3 = 22 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​22 VRL​25 ΩIL​

भार को थेवेनिन समतुल्य से जोड़ें

थेवेनिन स्रोत और श्रेणी R_th, a–b पर बिल्कुल मूल परिपथ की तरह व्यवहार करते हैं, इसलिए भार एक सरल श्रेणी लूप देखता है।

IL = Vth/(Rth + RL) = 22/(7 + 25) = 0.6875 A

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