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: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
निर्गम: V_ab = V_a − V_b
संतुलन: R₁/R₂ = R₃/R₄
स्लाइड-तार सेतु: R/R_x = l/(100 − l)
थेवेनिन प्रतिरोध: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
गेज गुणांक: ΔR/R = GF·ε
सेतु निर्गत: चतुर्थांश V_s·GF·ε/4, अर्ध V_s·GF·ε/2, पूर्ण V_s·GF·ε
छोटा परिवर्तन, एक भुजा: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
प्रतिबल: σ = E·ε

विधि

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

डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

नाइक्विस्ट मानदंड: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
ऐलियास आवृत्ति: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
चरण आकार: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
क्वांटीकरण त्रुटि (निकटतम पूर्णांकन): ±½ LSB
ADC कोड का छाँटना (ट्रंकेशन): D = ⌊V_in/LSB⌋
वियोजन r के लिए बिट: 2ᴺ ≥ span/r
आदर्श SQNR, पूर्ण-स्केल ज्यावक्र: SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
डेटा दर: चैनल × f_s × N bit/s
मल्टीप्लेक्स्ड ADC: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/बॉड; 8N1 = प्रति बाइट 10 बिट; बाइट/s = बॉड/प्रति फ़्रेम बिट
बॉड दर विभाजक: baud = f_clk/(16·D)

विधि

लिख लें कि क्या दिया है: प्रतिदर्श दर, संकेत आवृत्तियाँ, बिट संख्या, निवेश परिसर, बॉड दर।
प्रतिचयन के प्रश्नों में हर आवृत्ति की तुलना f_s/2 से करें; इससे ऊँची आवृत्ति f_a = |f − k·f_s| पर दिखती है, जहाँ f_s का निकटतम गुणज लिया जाता है।
वियोजन के प्रश्नों में 1 LSB = V_FSR/2ᴺ ज्ञात करें, या सबसे छोटा N ज्ञात करें जिसके लिए 2ᴺ ≥ विस्तार/वियोजन हो।
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: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
नॉन-इनवर्टिंग प्रवर्धक: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
योगकारी प्रवर्धक: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
आदर्श ऑप-एम्प: V₊ = V₋, I_in = 0

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

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

विधि

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

थेवेनिन और नॉर्टन

थेवेनिन वोल्टता: V_th = V_{open circuit}
थेवेनिन प्रतिरोध: R_th: सभी स्रोत बंद, a–b से देखा गया
नॉर्टन धारा: I_N = V_th/R_th
लोड धारा: I_L = V_th/(R_th + R_L)
अधिकतम शक्ति स्थानांतरण: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

विधि

भार हटाएँ और दोनों टर्मिनलों को a और b से चिह्नित करें।
a और b के बीच खुला-परिपथ वोल्टता ज्ञात करें: यही V_th है।
सभी स्वतंत्र स्रोत बंद करें और a–b से दिखने वाला प्रतिरोध ज्ञात करें: यही R_th है।
लोड को समतुल्य परिपथ पर वापस लगाएँ: V_th, R_th के साथ श्रेणी में।
नॉर्टन समतुल्य के लिए रूपांतरित करें: I_N = V_th/R_th, और R_N = R_th समांतर में।

2अभ्यास प्रश्न

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजमध्यम

एक सेतु की चारों भुजाएँ 200 Ω की हैं और V_s = 15 V है। संवेदक R₂ में ΔR = 20 Ω की वृद्धि होती है। mV में यथार्थ निर्गत V_ab ज्ञात कीजिए।

V_s = 15 VR = 200 ΩΔR = 20 Ω

V_ab = mV

2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन

1000 Ω भुजाओं वाले एक सेतु को 3 V से उत्तेजित किया जाता है और उसमें एक सक्रिय गेज (चतुर्थांश सेतु) है। गेज गुणांक 2.05 है और विकृति 600 µε है। mV में सेतु निर्गत V_o ज्ञात कीजिए।

V_s = 3 VGF = 2.05ε = 600 µε

V_o = mV

3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम

0 से 10 V निवेश परिसर वाला 8-बिट ADC छाँटता है: उसका निर्गत कोड ⌊V_in/LSB⌋ है, जहाँ 1 LSB = V_FSR/2ᴺ। 1.626 V के निवेश के लिए दशमलव निर्गत कोड D ज्ञात कीजिए।

N = 8V_FSR = 10 VV_in = 1.626 V

D =

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन

8 MHz क्लॉक वाला एक माइक्रोकंट्रोलर अपनी UART बॉड दर f_clk/(16·D) रखता है, जहाँ D निकटतम मान पर पूर्णांकित पूर्ण संख्या है। लक्ष्य 19200 बॉड है। वास्तविक बॉड दर की प्रतिशत त्रुटि ज्ञात कीजिए (धनात्मक जब वह बहुत तेज़ हो)।

f_clk = 8 MHzलक्ष्य = 19200 Bd

e = %

5.ऑप-एम्प परिपथमध्यम

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

V_in = −0.5 VR_a = 2 kΩR_b = 100 kΩR₁ = 47 kΩR_f = 100 kΩ

V_out = V

6.ऑप-एम्प परिपथकठिन

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

V₁ = −1.5 VV₂ = −0.9 VR₁ = 1 kΩR₂ = 10 kΩR_f = 1 kΩ

V_out = V

7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

स्रोत V₁ द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध R_eq ज्ञात कीजिए।

V₁ = 6 VR₁ = 8 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 6 Ω

R_eq = Ω

8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 5 VR₁ = 25 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 10 ΩR₆ = 30 Ω

I_R2 = A

9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम

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

V₁ = 9 VR₁ = 4 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 12 Ω

R_th = Ω

10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन

टर्मिनल a–b से देखी गई थेवेनिन वोल्टता V_th ज्ञात कीजिए।

V₁ = 15 VI_s = 3 AR₁ = 5 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 15 Ω

V_th = V

3विलयन

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: V_ab = 357.1 mV

व्हीटस्टोन सेतु: दो वोल्टता विभाजक एक ही आपूर्ति V_s साझा करते हैं। बायाँ विभाजक R₁–R₂ V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) देता है और दायाँ विभाजक R₃–R₄ V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄) देता है; निर्गत V_ab = V_a − V_b है। सेतु संतुलित (V_ab = 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 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄।

नोड वोल्टताएँ

V_a = 15·220/420 = 7.857 V

V_b = 7.5 V

निर्गम

V_ab = 357.1 mV

उत्तर

V_ab = 357.1 mV

रैखिक अनुमान V_s·ΔR/(4R) = 375 mV, 5 % अधिक है: चतुर्थांश सेतु पूरी तरह रैखिक नहीं होता।

2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: V_o = 0.9225 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) V_o ≈ V_s·GF·ε/4 देता है। आसन्न भुजाओं में विपरीत विकृति वाले दो सक्रिय गेज (अर्ध सेतु) V_s·GF·ε/2 देते हैं, और चार (पूर्ण सेतु) V_s·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 = 2.05·600·10⁻⁶ = 0.00123

सेतु निर्गत

V_o ≈ V_s·GF·ε/4 = 3·0.00123/4 = 0.9225 mV

उत्तर

V_o = 0.9225 mV

3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: D = 41

ADC वियोजन: N-बिट कन्वर्टर अपने पूर्ण-स्केल परिसर V_FSR को 0 से 2ᴺ − 1 तक 2ᴺ कोड में बाँटता है। एक चरण 1 LSB = V_FSR/2ᴺ है: वह सबसे छोटा परिवर्तन जो कन्वर्टर दिखा सकता है। छाँटने वाला ADC कोड ⌊V_in/LSB⌋ देता है; निकटतम पूर्णांकन करने वाला ADC वास्तविक मान से कभी ½ LSB से अधिक दूर नहीं होता, यही उसकी क्वांटीकरण त्रुटि है। हर अतिरिक्त बिट LSB को आधा करता है और पूर्ण-स्केल ज्यावक्र के लिए आदर्श संकेत-से-क्वांटीकरण-रव अनुपात SQNR = 6.02·N + 1.76 dB में लगभग 6 dB जोड़ता है। किसी विस्तार पर वियोजन r पाने के लिए सबसे छोटा N चुनें जिसके लिए 2ᴺ ≥ विस्तार/r हो।

चरण आकार

1 LSB = 10/2⁸ = 39.06 mV

कोड

V_in/LSB = 1626/39.06 = 41.63

कोड = ⌊41.63⌋ = 41

उत्तर

D = 41

द्विआधारी में यह 00101001 है।

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: e = 0.1603 %

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 T_b = 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 = f_clk/(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।

विभाजक

D = 8·10⁶/(16·19200) = 26.04 → 26

वास्तविक बॉड दर

8·10⁶/(16·26) = 19231 Bd

त्रुटि

(19231 − 19200)/19200·100 = 0.1603 %

उत्तर

e = 0.1603 %

लगभग 2 % से कम त्रुटि आमतौर पर स्वीकार्य है।

5.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: V_out = −1.533 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 पर वोल्टता

V₊ = V_in·R_b/(R_a + R_b) = −0.5·100/(2 + 100) = −0.4902 V

नॉन-इनवर्टिंग लब्धि

V₋ = V₊, और R₁ से होकर धारा R_f से होकर भी बहती है।

V_out = V₊·(1 + R_f/R₁) = −0.4902·(1 + 100/47) = −1.533 V

उत्तर

V_out = −1.533 V

6.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: V_out = 1.59 V

इनपुट धाराएँ

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

I₁ = V₁/R₁ = −1.5/1 = −1.5 mA

I₂ = V₂/R₂ = −0.9/10 = −0.09 mA

I_f = I₁ + I₂ = −1.59 mA

आउटपुट वोल्टता

V_out = −R_f·I_f = −1·(−1.59) = 1.59 V

उत्तर

V_out = 1.59 V

7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: R_eq = 11.36 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।

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 = 15 + 6 = 21 Ω

R₂ ∥ 21 = 4·21/(4+21) = 3.36 Ω

R_eq = R₁ + 3.36 = 8 + 3.36 = 11.36 Ω

उत्तर

R_eq = 11.36 Ω

8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.1608 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 10 + 30 = 40 Ω

R₄ ∥ 40 = 9.231 Ω

R₃ + 9.231 = 24.23 Ω

R₂ ∥ 24.23 = 2.669 Ω

R_eq = R₁ + 2.669 = 25 + 2.669 = 27.67 Ω

स्रोत से धारा

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

I_R1 = V₁/R_eq = 5/27.67 = 0.1807 A

R₂ से होकर धारा

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 5 − 0.1807·25 = 0.4824 V

I_R2 = V_A/R₂ = 0.4824/3 = 0.1608 A

उत्तर

I_R2 = 0.1608 A

9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: R_th = 14.4 Ω

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

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

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

R₁ ∥ R₂ = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.4 + 12 = 14.4 Ω

10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: V_th = 58.33 V

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

R₁ ∥ R₂ = 5·4/(5+4) = 2.222 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.222 + 15 = 17.22 Ω

V_th, 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।

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 6.667 + 3·2.222 = 13.33 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 13.33 + 3·15 = 58.33 V

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2अभ्यास प्रश्न

3विलयन

नोड वोल्टताएँ

निर्गम

उत्तर

सापेक्ष प्रतिरोध परिवर्तन

सेतु निर्गत

उत्तर

चरण आकार

कोड

उत्तर

विभाजक

वास्तविक बॉड दर

त्रुटि

उत्तर

+ इनपुट पर वोल्टता

नॉन-इनवर्टिंग लब्धि

उत्तर

इनपुट धाराएँ

आउटपुट वोल्टता

उत्तर

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

उत्तर

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से धारा

R₂ से होकर धारा

उत्तर

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें