計測と計装：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、10 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

ホイートストンブリッジとひずみゲージ

分圧器の電圧: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
排泄量: V_ab = V_a − V_b
出納: R₁/R₂ = R₃/R₄
スライドワイヤブリッジ: R/R_x = l/(100 − l)
テブナン抵抗: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
ゲージ率: ΔR/R = GF·ε
ブリッジの出力: 1/4 ブリッジ V_s·GF·ε/4、1/2 ブリッジ V_s·GF·ε/2、フルブリッジ V_s·GF·ε
微小変化、1 辺のみ: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
応力: σ = E·ε

解き方

ブリッジを、同じ電源につながれた 2 つの分圧器として扱います。
平衡では、R₁/R₂ = R₃/R₄ とおいて、未知の抵抗について解きます。
不平衡ブリッジでは、分圧器から V_a と V_b を求めて差をとります。計器が出力に負荷をかけるときは、テブナン等価回路を使います。
ひずみゲージでは、ひずみを ΔR/R = GF·ε に直し、1/4、1/2、フルブリッジに応じて V_s·GF·ε/4、/2、×1 を使います。

データ収録とサンプリング

ナイキスト条件: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
エイリアス周波数: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
ステップ幅: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
量子化誤差（四捨五入）: ±½ LSB
切り捨て ADC のコード: D = ⌊V_in/LSB⌋
分解能 r に必要なビット数: 2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR（フルスケールの正弦波）: SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
データレート: チャネル数 × f_s × N bit/s
マルチプレクス ADC: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/ボーレート；8N1 = 1 バイトあたり 10 ビット；バイト/s = ボーレート/1 フレームのビット数
ボーレート分周比: baud = f_clk/(16·D)

解き方

まず与えられた値を書き出します：サンプリング周波数、信号の周波数、ビット数、入力レンジ、ボーレート。
サンプリングの問題では、各周波数を f_s/2 と比べます。それより高い周波数は、f_s の最も近い整数倍を使って f_a = |f − k·f_s| の位置に現れます。
分解能の問題では、1 LSB = V_FSR/2ᴺ を求めるか、2ᴺ ≥ 範囲/分解能を満たす最小の N を求めます。
データレートと UART 通信では、送られるものをすべて数えます：チャネル数、毎秒のサンプル数、1 サンプルあたりのビット数またはバイト数、そして各フレームのスタートビット、パリティビット、ストップビット。

オペアンプ回路

反転増幅器: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
非反転増幅器: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
加算増幅器: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
理想オペアンプ: V₊ = V₋, I_in = 0

抵抗の直列・並列

抵抗の直列接続: R_eq = R₁ + R₂ + …
抵抗の並列接続: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
2 つの並列接続: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
オームの法則: V = I·R
電力: P = V·I = I²R = V²/R

解き方

端子からいちばん遠い回路網の端から始めます。
直列の抵抗は足し合わせ、並列の抵抗は 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … でまとめます。
1 ステップごとに回路を描き直します。
端子間に抵抗が 1 つだけ残るまで繰り返します。

テブナン・ノートン

テブナン電圧: V_th = V_{open circuit}
テブナン抵抗: R_th：すべての電源を取り除き、a–b から見た抵抗
ノートン電流: I_N = V_th/R_th
負荷電流: I_L = V_th/(R_th + R_L)
最大電力伝送: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

解き方

負荷を外し、2 つの端子を a と b とします。
a と b の間の開放電圧を求めます：これが V_th です。
独立電源をすべて取り除き、a–b から見た抵抗を求めます：これが R_th です。
負荷を等価回路に戻します：V_th と R_th の直列です。
ノートン等価回路には変換します：I_N = V_th/R_th、R_N = R_th を並列に接続します。

2演習問題

1.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう

図のブリッジの、出力端子 a、b から見たテブナン抵抗 R_th を求めなさい。

V_s = 3 VR₁ = 80 ΩR₂ = 600 ΩR₃ = 120 ΩR₄ = 10 Ω

R_th = Ω

2.ホイートストンブリッジとひずみゲージむずかしい

1000 Ω の辺をもつブリッジに 10 V を加え、アクティブゲージ 1 枚（1/4 ブリッジ）とします。ゲージ率は 2、ひずみは 250 µε です。ブリッジの出力 V_o を mV で求めなさい。

V_s = 10 VGF = 2ε = 250 µε

V_o = mV

3.データ収録とサンプリングふつう

UART が 38400 baud で、8N2 形式（データ 8 ビット、パリティなし、ストップビット 2 個、さらにスタートビット）でバイトを送ります。毎秒転送できるデータバイト数の最大値を求めなさい。

baud = 38400 Bd8N2

R_B = B/s

4.データ収録とサンプリングむずかしい

6 チャネルのマルチプレクサが 1 つの ADC に接続されています。1 回の変換に 8 µs かかり、チャネルを切り替えるたびに入力の整定に 2 µs かかります。チャネルは休みなく順に走査されます。各チャネルのサンプリング周波数 f_s を kHz で求めなさい。

n = 6t_c = 8 µst_set = 2 µs

f_s = kHz

5.オペアンプ回路ふつう

この非反転増幅器の電圧利得を 51 にする帰還抵抗 R_f を選べ。

R₁ = 2 kΩA_v = 51

R_f = kΩ

6.オペアンプ回路むずかしい

2 つの理想オペアンプ段が縦続接続されている：反転増幅器（R₁、R_f1）の後に非反転増幅器（接地側に R₂、帰還側に R_f2）が続く。どちらも ±15 V 電源で動作する。入力は V_in = −0.45 V である。出力電圧 V_out を求めよ。

R₁ = 1 kΩR_f1 = 1 kΩR₂ = 10 kΩR_f2 = 10 kΩV_in = −0.45 V

V_out = V

7.抵抗の直列・並列ふつう

電源が供給し R₁ を流れる電流 I_R1 を求めよ。

V₁ = 18 VR₁ = 4 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 8 Ω

I_R1 = A

8.抵抗の直列・並列むずかしい

R₂ を流れる電流 I_R2 を求めよ。

V₁ = 24 VR₁ = 6 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 25 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 10 ΩR₆ = 5 Ω

I_R2 = A

9.テブナン・ノートンふつう

端子 a–b から見たテブナン抵抗 R_th を求めよ。

V₁ = 30 VR₁ = 6 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 20 Ω

R_th = Ω

10.テブナン・ノートンむずかしい

a–b 間に負荷 R_L = 10 Ω を接続する。回路の残りをテブナン等価回路に置き換え、負荷電流 I_L を求めよ。

V₁ = 6 VI_s = 2.5 AR₁ = 3 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 8 ΩR_L = 10 Ω

I_L = A

3溶液

1.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: R_th = 79.82 Ω

ホイートストンブリッジ：2 つの分圧器が 1 つの電源 V_s を共有します。左の分圧器 R₁–R₂ は V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) を、右の分圧器 R₃–R₄ は V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄) を与え、出力は V_ab = V_a − V_b です。R₁/R₂ = R₃/R₄、すなわち R₁·R₄ = R₂·R₃ のとき、ブリッジは平衡しています（V_ab = 0 で、検流計に電流が流れません）。出力端子から見ると、ブリッジは R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ のテブナン電源です。

電源を短絡した状態

R₁∥R₂ = 80·600/680 = 70.59 Ω

R₃∥R₄ = 120·10/130 = 9.231 Ω

テブナン抵抗

R_th = 79.82 Ω

答え

R_th = 79.82 Ω

2.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: V_o = 1.25 mV

ひずみゲージ：ゲージはひずみに応じて抵抗が変わります：ΔR/R = GF·ε。ゲージ率 GF は金属箔で約 2 です。すべての辺が R に等しいブリッジで、アクティブゲージが 1 枚（1/4 ブリッジ）のとき V_o ≈ V_s·GF·ε/4 です。隣り合う辺に逆向きのひずみを受ける 2 枚のアクティブゲージ（1/2 ブリッジ）では V_s·GF·ε/2、4 枚（フルブリッジ）では V_s·GF·ε になります。応力はフックの法則 σ = E·ε から求まります。ロードセルは感度を mV/V で表します：励起電圧 1 V あたりの定格荷重での出力です。

抵抗の相対変化

ΔR/R = 2·250·10⁻⁶ = 0.0005

ブリッジの出力

V_o ≈ V_s·GF·ε/4 = 10·0.0005/4 = 1.25 mV

答え

V_o = 1.25 mV

3.データ収録とサンプリング

答え: R_B = 3491 B/s

UART：調歩同期式のシリアル通信は、各バイトをフレームとして送ります：スタートビット（Low）1 つ、データビット、任意のパリティビット、ストップビット（High）1 つまたは 2 つ。ボーレートは毎秒のビット数なので、1 ビットの長さは T_b = 1/ボーレート、n ビットのフレームの長さは n/ボーレートです。よく使われる 8N1 形式は 1 バイトが 10 ビットです。ボーレート発生器はクロックを分周します：ボーレート = f_clk/(16·D)、D は整数なので、実際のボーレートは目標値とわずかに異なります。誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。

1 フレームのビット数

1 + 8 + 0 + 2 = 11

バイトレート

38400/11 = 3491 B/s

答え

R_B = 3491 B/s

4.データ収録とサンプリング

答え: f_s = 16.67 kHz

データレート：各チャネルは毎秒 f_s 個の N ビットのサンプルを出力するので、生のレートはチャネル数 × f_s × N bit/s です。メモリ上では 1 サンプルが整数バイトを占める（12 ビットのサンプルは 2 バイトで保存される）ので、記録に必要なメモリはチャネル数 × f_s × 1 サンプルのバイト数 × 時間です。マルチプレクス ADC はチャネルを 1 つずつ順に変換します：1 回の変換（整定時間を含む）に t かかるので、n チャネルの 1 巡に n·t かかり、各チャネルは 1/(n·t) でサンプリングされます。

1 チャネルあたりの時間

8 + 2 = 10 µs

1 回の走査の時間

6·10 = 60 µs

1 チャネルあたりのサンプリング周波数

f_s = 1/60 µs = 16.67 kHz

答え

f_s = 16.67 kHz

5.オペアンプ回路

答え: R_f = 100 kΩ

理想オペアンプの規則：負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。

非反転増幅器の利得

V₋ = V₊ = V_in で、R₁ の電流は R_f も流れるので V_out = V_in·(1 + R_f/R₁)。

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (51 − 1)·2 = 100 kΩ

答え

R_f = 100 kΩ

6.オペアンプ回路

答え: V_out = 0.9 V

各段の利得

A₁ = −R_f1/R₁ = −1/1 = −1

A₂ = 1 + R_f2/R₂ = 1 + 10/10 = 2

段ごとに

V₁ = −1·(−0.45) = 0.45 V

V_out = 2·0.45 = 0.9 V

答え

V_out = 0.9 V

7.抵抗の直列・並列

答え: I_R1 = 1.773 A

直列と並列の抵抗：直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R₃ + R₄ = 8 + 8 = 16 Ω

R₂ ∥ 16 = 10·16/(10+16) = 6.154 Ω

R_eq = R₁ + 6.154 = 4 + 6.154 = 10.15 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは R_eq だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

I_R1 = V₁/R_eq = 18/10.15 = 1.773 A

答え

I_R1 = 1.773 A

8.抵抗の直列・並列

答え: I_R2 = 1.01 A

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R₅ + R₆ = 10 + 5 = 15 Ω

R₄ ∥ 15 = 7.5 Ω

R₃ + 7.5 = 32.5 Ω

R₂ ∥ 32.5 = 10.26 Ω

R_eq = R₁ + 10.26 = 6 + 10.26 = 16.26 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは R_eq だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

I_R1 = V₁/R_eq = 24/16.26 = 1.476 A

R₂ を流れる電流

R₁ の電圧降下を引くと節点 A の電圧、つまり R₂ の両端電圧が得られます。

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 24 − 1.476·6 = 15.15 V

I_R2 = V_A/R₂ = 15.15/15 = 1.01 A

答え

I_R2 = 1.01 A

9.テブナン・ノートン

答え: R_th = 22 Ω

テブナンの定理：線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 V_th と抵抗 R_th の直列回路と同じに振る舞います。ノートンの定理は同じ回路を、電流源 I_N = V_th/R_th と R_th の並列回路として表します。

すべての電源を止めて R_th を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R₁ ∥ R₂ = 6·3/(6+3) = 2 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2 + 20 = 22 Ω

10.テブナン・ノートン

答え: I_L = −1.05 A

すべての電源を止めて R_th を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R₁ ∥ R₂ = 3·6/(3+6) = 2 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2 + 8 = 10 Ω

開放電圧 V_th を求める

a–b が開放のとき、Iₛ の経路は R₃ を通って節点 A へ向かうものだけです。V₁ と Iₛ の重ね合わせで V_A を求め、R₃ の電圧降下を加えます。

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 4 + (−2.5)·2 = −1 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −1 + (−2.5)·8 = −21 V

負荷をテブナン等価回路につなぐ

テブナン電源と直列の R_th は a–b で元の回路とまったく同じに振る舞うので、負荷からは単純な直列回路に見えます。

I_L = V_th/(R_th + R_L) = −21/(10 + 10) = −1.05 A

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計測と計装：直前対策パック

1公式と解法

ホイートストンブリッジとひずみゲージ

解き方

データ収録とサンプリング

解き方

オペアンプ回路

抵抗の直列・並列

解き方

テブナン・ノートン

解き方

2演習問題

3溶液

電源を短絡した状態

テブナン抵抗

答え

抵抗の相対変化

ブリッジの出力

答え

1 フレームのビット数

バイトレート

答え

1 チャネルあたりの時間

1 回の走査の時間

1 チャネルあたりのサンプリング周波数

答え

非反転増幅器の利得

答え

各段の利得

段ごとに

答え

遠い端から抵抗をまとめる

電源からの電流

答え

遠い端から抵抗をまとめる

電源からの電流

R₂ を流れる電流

答え

すべての電源を止めて Rth を求める

すべての電源を止めて Rth を求める

開放電圧 Vth を求める

負荷をテブナン等価回路につなぐ

すべての電源を止めて R_th を求める

すべての電源を止めて R_th を求める

開放電圧 V_th を求める