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
+−12 VR1​ = 120 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 800 ΩR4​ = 40 Ωab+−Rth​ = ?

दिखाए गए सेतु का थेवेनिन प्रतिरोध Rth ज्ञात कीजिए, निर्गत टर्मिनल a और b से देखने पर।

Vs = 12 VR1 = 120 ΩR2 = 60 ΩR3 = 800 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

120 Ω भुजाओं वाले एक सेतु को 3 V से उत्तेजित किया जाता है और उसमें एक सक्रिय गेज (चतुर्थांश सेतु) है। गेज गुणांक 2.12 है और विकृति 1200 µε है। mV में सेतु निर्गत Vo ज्ञात कीजिए।

Vs = 3 VGF = 2.12ε = 1200 µε
Vo = mV
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम
Vin​N = 85 V2ᴺ − 101 LSB0.871 V?

0 से 5 V निवेश परिसर वाला 8-बिट ADC छाँटता है: उसका निर्गत कोड ⌊Vin/LSB⌋ है, जहाँ 1 LSB = VFSR/2ᴺ। 0.871 V के निवेश के लिए दशमलव निर्गत कोड D ज्ञात कीजिए।

N = 8VFSR = 5 VVin = 0.871 V
D =
4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

एक ऑडियो मापन को पूर्ण-स्केल ज्यावक्र के लिए कम से कम 100 dB का आदर्श संकेत-से-क्वांटीकरण-रव अनुपात चाहिए। ADC के बिटों की न्यूनतम संख्या N ज्ञात कीजिए।

SQNR ≥ 100 dB
N =
5.ऑप-एम्प परिपथमध्यम
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 1.5 V

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

Vin = 1.5 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
6.ऑप-एम्प परिपथकठिन
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1.5 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1.3 VR2​ = 47 kΩIf​

योजक एम्पलीफ़ायर ±15 V आपूर्ति वाले आदर्श ऑप-एम्प का उपयोग करता है। आउटपुट की ओर बहती पुनर्निवेश प्रतिरोधक से होकर धारा If ज्ञात कीजिए।

V1 = −1.5 VV2 = 1.3 VR1 = 2 kΩR2 = 47 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​15 ΩB

स्रोत V1 द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध Req ज्ञात कीजिए।

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​10 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​0.5 ABab

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

V1 = 24 VIs = 0.5 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V

3विलयन

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Rth = 78.1 Ω

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।

आपूर्ति लघुपथित

R₁∥R₂ = 120·60/180 = 40 Ω
R₃∥R₄ = 800·40/840 = 38.1 Ω

थेवेनिन प्रतिरोध

Rth = 78.1 Ω

उत्तर

Rth = 78.1 Ω
2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Vo = 1.908 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 = 2.12·1200·10⁻⁶ = 0.002544

सेतु निर्गत

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0.002544/4 = 1.908 mV

उत्तर

Vo = 1.908 mV
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: D = 44

ADC वियोजन: N-बिट कन्वर्टर अपने पूर्ण-स्केल परिसर VFSR को 0 से 2ᴺ − 1 तक 2ᴺ कोड में बाँटता है। एक चरण 1 LSB = VFSR/2ᴺ है: वह सबसे छोटा परिवर्तन जो कन्वर्टर दिखा सकता है। छाँटने वाला ADC कोड ⌊Vin/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 = 5/28 = 19.53 mV

कोड

Vin/LSB = 871/19.53 = 44.6
कोड = ⌊44.6⌋ = 44

उत्तर

D = 44

द्विआधारी में यह 00101100 है।

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: N = 17

ADC वियोजन: N-बिट कन्वर्टर अपने पूर्ण-स्केल परिसर VFSR को 0 से 2ᴺ − 1 तक 2ᴺ कोड में बाँटता है। एक चरण 1 LSB = VFSR/2ᴺ है: वह सबसे छोटा परिवर्तन जो कन्वर्टर दिखा सकता है। छाँटने वाला ADC कोड ⌊Vin/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।

N के लिए हल करें

N ≥ (100 − 1.76)/6.02 = 16.32

ऊपर पूर्णांकित करें

N = 17
जाँच: 6.02·17 + 1.76 = 104.1 dB ≥ 100 dB

उत्तर

N = 17
5.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Vout = 3 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₊ = 1.5 V
I = V₋/R1 = 1.5/10 = 0.15 mA

आउटपुट वोल्टता

R₁ की धारा Rf से भी बहती है।

Vout = V₋ + I·Rf = 1.5 + 0.15·10 = 3 V

उत्तर

Vout = 3 V
6.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: If = −0.7223 mA

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 = −1.5/2 = −0.75 mA
I2 = V2/R2 = 1.3/47 = 0.02766 mA
If = I1 + I2 = −0.7223 mA

उत्तर

If = −0.7223 mA
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: Req = 22.24 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​12 VR2​20 ΩAR4​15 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 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 20·21/(20+21) = 10.24 Ω
Req = R1 + 10.24 = 12 + 10.24 = 22.24 Ω

उत्तर

Req = 22.24 Ω
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR1 = 1.156 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​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​10 ΩBR6​25 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 = 12 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 7.872 Ω
R3 + 7.872 = 10.87 Ω
R2 ∥ 10.87 = 7.98 Ω
Req = R1 + 7.98 = 5 + 7.98 = 12.98 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 = 15/12.98 = 1.156 A

उत्तर

IR1 = 1.156 A
9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Vth = 18.75 V

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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ωशॉर्टR2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 4 = 7.75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab+−Vth​

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

a–b खुला होने पर R₃ में धारा नहीं बहती, इसलिए उस पर कोई पात नहीं और V_b = V_A। R₁ और R₂ वोल्टता विभाजक बनाते हैं।

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·10/(6+10) = 18.75 V
10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Vth = 16.17 V

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​ = 2 ΩR3​ = 6 Ωशॉर्टR2​10 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 = 2·10/(2+10) = 1.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.667 + 6 = 7.667 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​0.5 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) = 20 + (−0.5)·1.667 = 19.17 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19.17 + (−0.5)·6 = 16.17 V

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