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
+−10 V350 Ω350 Ω350 Ω350 Ωab+−

एक 350 Ω स्ट्रेन गेज चार समान 350 Ω भुजाओं और 10 V उत्तेजन वाले सेतु की एक भुजा (R₂) है। गेज में क्षयित शक्ति Pg mW में ज्ञात कीजिए। स्वतः-तापन उत्तेजन को सीमित करता है।

Vs = 10 VR = 350 Ω
Pg = mW
2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन
+−2.5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0.938 mV

E = 70 GPa वाले किसी सदस्य पर लगा एक स्ट्रेन गेज (GF = 2) 2.5 V से उत्तेजित चतुर्थांश सेतु बनाता है। निर्गत 0.938 mV पढ़ता है। MPa में अक्षीय प्रतिबल σ ज्ञात कीजिए।

Vs = 2.5 VGF = 2Vo = 0.938 mVE = 70 GPa
σ = MPa
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम
tTs​ = 1/fs​f = 2.8 kHzfs​ = 2 kHz

2.8 kHz ज्यावक्र को ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर के बिना 2 kHz पर प्रतिदर्शित किया जाता है। प्रतिदर्शों में वह किस आवृत्ति fa पर दिखता है? उत्तर Hz में दीजिए।

f = 2.8 kHzfs = 2 kHz
fa = Hz
4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन
f0fs​/2fs​2.4 kHz7f₁?

2.4 kHz वर्ग तरंग को ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर के बिना 10 kHz पर प्रतिदर्शित किया जाता है। वर्ग तरंग में विषम हार्मोनिक 3f₁, 5f₁, 7f₁, … होते हैं। उसका हार्मोनिक 7f₁ प्रतिदर्शित डेटा में किस आवृत्ति fa पर दिखता है? उत्तर kHz में दीजिए।

f₁ = 2.4 kHzfs = 10 kHzहार्मोनिक: 7f₁
fa = kHz
5.ऑप-एम्प परिपथमध्यम
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 4.7 kΩ

ऑप-एम्प आदर्श है और ±15 V आपूर्ति से चलता है; इसका आउटपुट ±14 V पर संतृप्त होता है। इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर एक साइन तरंग से चलाया जाता है। वह सबसे बड़ा इनपुट आयाम Vin,max (शिखर मान) ज्ञात कीजिए जिस पर आउटपुट क्लिप नहीं होता।

R1 = 4.7 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
6.ऑप-एम्प परिपथकठिन
Vin​V1​Vout​चरण 1: इनवर्टिंगR1​ = 1 kΩRf1​ = 4.7 kΩचरण 2: नॉन-इनवर्टिंगR2​ = 10 kΩRf2​ = 47 kΩ

दो आदर्श ऑप-एम्प चरण सोपानी (कैस्केड) क्रम में जुड़े हैं: एक इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर (R1, Rf1) और उसके बाद एक नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर (ग्राउंड तक R2, पुनर्निवेश में Rf2)। दोनों ±15 V आपूर्ति से चलते हैं। कुल वोल्टता लब्धि Av = Vout/Vin ज्ञात कीजिए।

R1 = 1 kΩRf1 = 4.7 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 47 kΩ
Av =
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

स्रोत V1 द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध Req ज्ञात कीजिए।

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​2 Ω

स्रोत V1 द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध Req ज्ञात कीजिए।

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 4 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAIs​6 ABRL​4 ΩIL​

a–b के बीच भार RL = 4 Ω जुड़ा है। बाकी परिपथ को उसके थेवेनिन समतुल्य से बदलें और भार धारा IL ज्ञात कीजिए।

V1 = 9 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 4 Ω
IL = A

3विलयन

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Pg = 71.43 mW

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।

गेज के पार वोल्टता

V = 10/2 = 5 V

शक्ति

Pg = 5²/350 = 71.43 mW

उत्तर

Pg = 71.43 mW
2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: σ = 52.53 MPa

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।

विकृति

ε = 4·0.000938/(2.5·2) = 0.0007504

प्रतिबल

σ = 70·10³ MPa·0.0007504 = 52.53 MPa

उत्तर

σ = 52.53 MPa
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: fa = 800 Hz

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 = 1 kHz < f = 2.8 kHz

प्रतिदर्श दर का निकटतम गुणज

k = round(2800/2000) = 1

ऐलियास आवृत्ति

fa = |2800 − 1·2000| = 800 Hz

उत्तर

fa = 800 Hz

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

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: fa = 3.2 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।

हार्मोनिक आवृत्ति

7f₁ = 7·2.4 kHz = 16.8 kHz

प्रतिदर्श दर का निकटतम गुणज

m = round(1.68) = 2

ऐलियास आवृत्ति

fa = |16.8 − 2·10| = 3.2 kHz

उत्तर

fa = 3.2 kHz

ऐलियास संकेत बैंड के भीतर आता है, जहाँ कोई डिजिटल फ़िल्टर उसे हटा नहीं सकता। केवल ADC से पहले का ऐनालॉग फ़िल्टर काम आता है।

5.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Vin,max = 6.58 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।

लब्धि

|Av| = Rf/R1 = 10/4.7 = 2.128

क्लिपिंग से पहले सबसे बड़ा इनपुट

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2.128 = 6.58 V

उत्तर

Vin,max = 6.58 V
6.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Av = −26.79

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।

हर चरण की लब्धि

A1 = −Rf1/R1 = −4.7/1 = −4.7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/10 = 5.7

कुल लब्धि

Av = A1·A2 = −4.7·5.7 = −26.79

उत्तर

Av = −26.79
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: Req = 18.46 Ω

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​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 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 = 6 + 8 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 12·14/(12+14) = 6.462 Ω
Req = R1 + 6.462 = 12 + 6.462 = 18.46 Ω

उत्तर

Req = 18.46 Ω
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: Req = 13.67 Ω

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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​2 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4.286 Ω
R3 + 4.286 = 10.29 Ω
R2 ∥ 10.29 = 1.674 Ω
Req = R1 + 1.674 = 12 + 1.674 = 13.67 Ω

उत्तर

Req = 13.67 Ω
9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Rth = 21 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​ = 10 ΩR3​ = 15 Ωशॉर्टR2​15 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 15 = 21 Ω
10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: IL = 4.642 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​ = 25 ΩR3​ = 6 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 = 25·8/(25+8) = 6.061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.061 + 6 = 12.06 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAIs​6 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) = 2.182 + 6·6.061 = 38.55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 38.55 + 6·6 = 74.55 V
Rth​ = 12.06 Ω+−Vth​74.55 VRL​4 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) = 74.55/(12.06 + 4) = 4.642 A

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