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 220 Ω स्ट्रेन गेज चार समान 220 Ω भुजाओं और 6 V उत्तेजन वाले सेतु की एक भुजा (R₂) है। गेज में क्षयित शक्ति P_g mW में ज्ञात कीजिए। स्वतः-तापन उत्तेजन को सीमित करता है।

V_s = 6 VR = 220 Ω

P_g = mW

2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन

एक सक्रिय गेज (GF = 2.05) वाले चतुर्थांश सेतु को 3 V से उत्तेजित किया जाता है। भार के अंतर्गत निर्गत 0.384 mV पढ़ता है। µε में विकृति ε ज्ञात कीजिए।

V_s = 3 VGF = 2.05V_o = 0.384 mV

ε = µε

3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम

पूर्ण-स्केल ज्यावक्र के लिए 8-बिट ADC का आदर्श संकेत-से-क्वांटीकरण-रव अनुपात SQNR ज्ञात कीजिए।

N = 8

SQNR = dB

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन

4 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 115200 बॉड है। वास्तविक बॉड दर की प्रतिशत त्रुटि ज्ञात कीजिए (धनात्मक जब वह बहुत तेज़ हो)।

f_clk = 4 MHzलक्ष्य = 115200 Bd

e = %

5.ऑप-एम्प परिपथमध्यम

ऑप-एम्प आदर्श है और ±15 V आपूर्ति से चलता है; इसका आउटपुट ±12 V पर संतृप्त होता है। नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर एक साइन तरंग से चलाया जाता है। वह सबसे बड़ा इनपुट आयाम V_in,max (शिखर मान) ज्ञात कीजिए जिस पर आउटपुट क्लिप नहीं होता।

R₁ = 1 kΩR_f = 47 kΩV_sat = ±12 V

V_in,max = 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 = 2 VV₂ = −0.8 VR₁ = 4.7 kΩR₂ = 100 kΩR_f = 4.7 kΩ

V_out = V

7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

स्रोत V₁ द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध R_eq ज्ञात कीजिए।

V₁ = 18 VR₁ = 3 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 20 Ω

R_eq = Ω

8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 2 Ω

I_R2 = A

9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम

नॉर्टन धारा I_N ज्ञात कीजिए: टर्मिनल शॉर्ट करने पर a से b की ओर बहने वाली धारा।

V₁ = 9 VR₁ = 12 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 20 Ω

I_N = A

10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन

a–b के बीच भार R_L = 25 Ω जुड़ा है। थेवेनिन समतुल्य से भार को दी गई शक्ति P_L ज्ञात कीजिए।

V₁ = 5 VI_s = 1.5 AR₁ = 20 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 4 ΩR_L = 25 Ω

P_L = W

3विलयन

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: P_g = 40.91 mW

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।

गेज के पार वोल्टता

V = 6/2 = 3 V

शक्ति

P_g = 3²/220 = 40.91 mW

उत्तर

P_g = 40.91 mW

2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: ε = 249.8 µε

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।

चतुर्थांश सेतु का समीकरण हल कीजिए

ε = 4·0.000384/(3·2.05) = 0.0002498

माइक्रोस्ट्रेन में

ε = 249.8 µε

उत्तर

ε = 249.8 µε

3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: SQNR = 49.92 dB

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।

आदर्श SQNR

SQNR = 6.02·8 + 1.76 = 49.92 dB

उत्तर

SQNR = 49.92 dB

4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: e = 8.507 %

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 = 4·10⁶/(16·115200) = 2.17 → 2

वास्तविक बॉड दर

4·10⁶/(16·2) = 125000 Bd

त्रुटि

(125000 − 115200)/115200·100 = 8.507 %

उत्तर

e = 8.507 %

लगभग 2 % से ऊपर की त्रुटि लिंक को अविश्वसनीय बनाती है: कोई दूसरी क्लॉक या बॉड दर चुनें।

5.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: V_in,max = 0.25 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

A_v = 1 + R_f/R₁ = 1 + 47/1 = 48

क्लिपिंग से पहले सबसे बड़ा इनपुट

V_in,max = V_sat/|A_v| = 12/48 = 0.25 V

उत्तर

V_in,max = 0.25 V

6.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: V_out = −1.962 V

इनपुट धाराएँ

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

I₁ = V₁/R₁ = 2/4.7 = 0.4255 mA

I₂ = V₂/R₂ = −0.8/100 = −0.008 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0.4175 mA

आउटपुट वोल्टता

V_out = −R_f·I_f = −4.7·0.4175 = −1.962 V

उत्तर

V_out = −1.962 V

7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: R_eq = 4.905 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 = 20 + 20 = 40 Ω

R₂ ∥ 40 = 2·40/(2+40) = 1.905 Ω

R_eq = R₁ + 1.905 = 3 + 1.905 = 4.905 Ω

उत्तर

R_eq = 4.905 Ω

8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 1.947 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 3 + 2 = 5 Ω

R₄ ∥ 5 = 2.222 Ω

R₃ + 2.222 = 14.22 Ω

R₂ ∥ 14.22 = 3.699 Ω

R_eq = R₁ + 3.699 = 2 + 3.699 = 5.699 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 = 15/5.699 = 2.632 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 = 15 − 2.632·2 = 9.736 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9.736/5 = 1.947 A

उत्तर

I_R2 = 1.947 A

9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: I_N = 0.1452 A

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 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4.8 + 20 = 24.8 Ω

V_th, 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।

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 9·8/(12+8) = 3.6 V

नॉर्टन समतुल्य

नॉर्टन स्रोत वही परिपथ है जिसे R_th के समांतर एक धारा स्रोत के रूप में देखा जाता है। इसकी धारा a–b पर शॉर्ट-सर्किट धारा है।

I_N = V_th/R_th = 3.6/24.8 = 0.1452 A

10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: P_L = 6.147 W

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

R₁ ∥ R₂ = 20·25/(20+25) = 11.11 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 11.11 + 4 = 15.11 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) = 2.778 + (−1.5)·11.11 = −13.89 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −13.89 + (−1.5)·4 = −19.89 V

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।

I_L = V_th/(R_th + R_L) = −19.89/(15.11 + 25) = −0.4958 A

P_L = I_L²·R_L = −0.4958²·25 = 6.147 W

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ऑप-एम्प परिपथ

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2अभ्यास प्रश्न

3विलयन

गेज के पार वोल्टता

शक्ति

उत्तर

चतुर्थांश सेतु का समीकरण हल कीजिए

माइक्रोस्ट्रेन में

उत्तर

आदर्श SQNR

उत्तर

विभाजक

वास्तविक बॉड दर

त्रुटि

उत्तर

लब्धि

क्लिपिंग से पहले सबसे बड़ा इनपुट

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

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

नॉर्टन समतुल्य

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

भार को थेवेनिन समतुल्य से जोड़ें

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें