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 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

एक सेतु की चारों भुजाएँ 120 Ω की हैं और Vs = 12 V है। संवेदक R₂ में ΔR = 9.6 Ω की वृद्धि होती है। mV में यथार्थ निर्गत Vab ज्ञात कीजिए।

Vs = 12 VR = 120 ΩΔR = 9.6 Ω
Vab = mV
2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन
+−12 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

एक लोड सेल (स्ट्रेन गेजों का पूर्ण सेतु) का अपने निर्धारित भार 1000 kg पर निर्धारित निर्गत 2 mV/V है। इसे 12 V से उत्तेजित किया जाता है। 800 kg भार पर इसका निर्गत Vo ज्ञात कीजिए।

2 mV/VFrated = 1000 kgVs = 12 VF = 800 kg
Vo = mV
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम
128⋮8 ch∿01N = 161 kHz? MB

एक रिकॉर्डर 8 चैनलों को हर एक 1 kHz पर 16-बिट ADC से प्रतिदर्शित करता है। हर प्रतिदर्श पूरे बाइट में सहेजा जाता है। 2 मिनट की रिकॉर्डिंग के लिए आवश्यक मेमोरी M MB में ज्ञात कीजिए (1 MB = 10⁶ बाइट)।

n = 8fs = 1 kHzN = 16t = 2 min
M = MB
4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन
f0fs​/2fs​10 kHz7f₁?

10 kHz वर्ग तरंग को ऐंटी-ऐलियासिंग फ़िल्टर के बिना 50 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 = 10 kHzfs = 50 kHzहार्मोनिक: 7f₁
fa = kHz
5.ऑप-एम्प परिपथमध्यम
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 10 kΩVin​

ऑप-एम्प आदर्श है और ±15 V आपूर्ति से चलता है; इसका आउटपुट ±13 V पर संतृप्त होता है। नॉन-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 = 10 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
6.ऑप-एम्प परिपथकठिन
Vin​V1​Vout​चरण 1: इनवर्टिंगR1​ = 22 kΩRf1​ = 47 kΩचरण 2: नॉन-इनवर्टिंगR2​ = 47 kΩRf2​ = 1 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 = 22 kΩRf1 = 47 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​2 Ω

R2 से होकर धारा IR2 ज्ञात कीजिए।

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 ΩR5 = 10 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
IN = A

3विलयन

1.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Vab = 230.8 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 = 12·129.6/249.6 = 6.231 V
Vb = 6 V

निर्गम

Vab = 230.8 mV

उत्तर

Vab = 230.8 mV

रैखिक अनुमान Vs·ΔR/(4R) = 240 mV, 4 % अधिक है: चतुर्थांश सेतु पूरी तरह रैखिक नहीं होता।

2.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज

उत्तर: Vo = 19.2 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।

पूर्ण-पैमाने का निर्गत

2·12 = 24 mV

इस भार पर निर्गत

Vo = 24·800/1000 = 19.2 mV

उत्तर

Vo = 19.2 mV
3.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: M = 1.92 MB

डेटा दरें: हर चैनल प्रति सेकंड N बिट के fs प्रतिदर्श देता है, इसलिए कच्ची दर चैनल × fs × N bit/s है। मेमोरी में एक प्रतिदर्श पूरे बाइट लेता है (12-बिट प्रतिदर्श 2 बाइट में सहेजा जाता है), इसलिए किसी रिकॉर्डिंग की मेमोरी चैनल × fs × प्रति प्रतिदर्श बाइट × समय है। मल्टीप्लेक्स्ड ADC चैनलों को एक के बाद एक रूपांतरित करता है: हर रूपांतरण (स्थिरीकरण सहित) में समय t लगता है, इसलिए n चैनलों का एक चक्कर n·t लेता है और हर चैनल 1/(n·t) पर प्रतिदर्शित होता है।

प्रति प्रतिदर्श बाइट

⌈16/8⌉ = 2 B

बाइट दर

8·1000·2 = 16000 B/s

मेमोरी

M = 16000·120 = 1.92 × 10⁶ B = 1.92 MB

उत्तर

M = 1.92 MB
4.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन

उत्तर: fa = 20 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 = 7·10 kHz = 70 kHz

प्रतिदर्श दर का निकटतम गुणज

m = round(1.4) = 1

ऐलियास आवृत्ति

fa = |70 − 1·50| = 20 kHz

उत्तर

fa = 20 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 = 1.182 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/10 = 11

क्लिपिंग से पहले सबसे बड़ा इनपुट

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/11 = 1.182 V

उत्तर

Vin,max = 1.182 V
6.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Av = −2.182

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 = −47/22 = −2.136
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/47 = 1.021

कुल लब्धि

Av = A1·A2 = −2.136·1.021 = −2.182

उत्तर

Av = −2.182
7.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR1 = 1.172 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 20·14/(20+14) = 8.235 Ω
Req = R1 + 8.235 = 2 + 8.235 = 10.24 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 = 12/10.24 = 1.172 A

उत्तर

IR1 = 1.172 A
8.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR2 = 0.4659 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​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​4 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 3 Ω
R3 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 6.964 Ω
Req = R1 + 6.964 = 3 + 6.964 = 9.964 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 = 10/9.964 = 1.004 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 = 10 − 1.004·3 = 6.989 V
IR2 = VA/R2 = 6.989/15 = 0.4659 A

उत्तर

IR2 = 0.4659 A
9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Rth = 6.875 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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ωशॉर्टR2​5 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 = 3·5/(3+5) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 5 = 6.875 Ω
10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: IN = 1.581 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​ = 15 Ωशॉर्टR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5.217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.217 + 15 = 20.22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​1 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) = 11.74 + 1·5.217 = 16.96 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16.96 + 1·15 = 31.96 V
IN​1.581 ARth​20.22 Ωab

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।

IN = Vth/Rth = 31.96/20.22 = 1.581 A

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