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 = 15 VR₁ = 300 ΩR₂ = 500 ΩR₃ = 200 ΩR₄ = 400 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

ロードセル（ひずみゲージのフルブリッジ）の定格出力は、定格荷重 1000 kg で 1.5 mV/V です。励起電圧は 12 V です。荷重 600 kg のときの出力 V_o を求めなさい。

1.5 mV/VF_rated = 1000 kgV_s = 12 VF = 600 kg

V_o = mV

3.データ収録とサンプリングふつう

UART が 9600 baud で、8N1 形式（データ 8 ビット、パリティなし、ストップビット 1 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 = 9600 Bd8N1

R_B = B/s

4.データ収録とサンプリングむずかしい

800 Hz の方形波を、アンチエイリアシングフィルタなしで 2 kHz でサンプリングします。方形波には奇数次の高調波 3f₁、5f₁、7f₁、… が含まれます。サンプリングされたデータでは、高調波 3f₁ はどの周波数 f_a に現れますか。Hz で答えなさい。

f₁ = 800 Hzf_s = 2 kHz高調波: 3f₁

f_a = Hz

5.オペアンプ回路ふつう

オペアンプは理想的で、±15 V 電源で動作する。出力電圧 V_out を求めよ。

V_in = 4.5 VR_a = 22 kΩR_b = 100 kΩR₁ = 4.7 kΩR_f = 10 kΩ

V_out = V

6.オペアンプ回路むずかしい

加算増幅器は ±15 V 電源の理想オペアンプを使う。帰還抵抗を出力向きに流れる電流 I_f を求めよ。

V₁ = 0.2 VV₂ = 0.6 VR₁ = 100 kΩR₂ = 10 kΩR_f = 47 kΩ

I_f = mA

7.抵抗の直列・並列ふつう

R₂ を流れる電流 I_R2 を求めよ。

V₁ = 24 VR₁ = 10 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 6 Ω

I_R2 = 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 = 30 VR₁ = 8 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 6 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 3 Ω

I_R2 = A

9.テブナン・ノートンふつう

a–b 間に負荷 R_L = 4 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 = 10 VR₁ = 20 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 4 ΩR_L = 4 Ω

I_L = A

10.テブナン・ノートンむずかしい

a–b 間に負荷 R_L = 12 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 = 4 AR₁ = 6 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 4 ΩR_L = 12 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 = 320.8 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 = 300·500/800 = 187.5 Ω

R₃∥R₄ = 200·400/600 = 133.3 Ω

テブナン抵抗

R_th = 320.8 Ω

答え

R_th = 320.8 Ω

2.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: V_o = 10.8 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。

フルスケール出力

1.5·12 = 18 mV

この荷重での出力

V_o = 18·600/1000 = 10.8 mV

答え

V_o = 10.8 mV

3.データ収録とサンプリング

答え: R_B = 960 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 + 1 = 10

バイトレート

9600/10 = 960 B/s

答え

R_B = 960 B/s

4.データ収録とサンプリング

答え: f_a = 400 Hz

サンプリング：ADC は信号を毎秒 f_s 回測定します。ナイキスト–シャノンの標本化定理により、周波数 f が正しく捉えられるのは f < f_s/2 の間だけです。これはナイキスト（折り返し）周波数なので、サンプリング周波数は信号の最高周波数の 2 倍を超えなければなりません。それより高い周波数は失われるのではなく、f_a = |f − k·f_s| の位置にエイリアスとして現れます。ここで整数 k は、結果が 0 から f_s/2 の間に入るように選びます。サンプルからは両者を区別できないので、ADC の前に、f_s/2 より上をすべて除去するアナログのアンチエイリアシングフィルタが必要です。

高調波の周波数

3f₁ = 3·800 Hz = 2.4 kHz

サンプリング周波数の最も近い整数倍

m = round(1.2) = 1

エイリアス周波数

f_a = |2400 − 1·2000| = 400 Hz

答え

f_a = 400 Hz

エイリアスは信号帯域の内側に落ち、どんなデジタルフィルタでも除去できません。ADC の前に置くアナログフィルタだけが有効です。

5.オペアンプ回路

答え: V_out = 11.54 V

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。

+ 入力の電圧

V₊ = V_in·R_b/(R_a + R_b) = 4.5·100/(22 + 100) = 3.689 V

非反転増幅の利得

V₋ = V₊ で、R₁ を流れる電流は R_f も流れます。

V_out = V₊·(1 + R_f/R₁) = 3.689·(1 + 10/4.7) = 11.54 V

答え

V_out = 11.54 V

6.オペアンプ回路

答え: I_f = 0.062 mA

入力電流

V₋ = 0 なので、各入力抵抗には入力電圧がそのままかかります。

I₁ = V₁/R₁ = 0.2/100 = 0.002 mA

I₂ = V₂/R₂ = 0.6/10 = 0.06 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0.062 mA

答え

I_f = 0.062 mA

7.抵抗の直列・並列

答え: I_R2 = 1.091 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 = 4 + 6 = 10 Ω

R₂ ∥ 10 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω

R_eq = R₁ + 3.75 = 10 + 3.75 = 13.75 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 = 24/13.75 = 1.745 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 − 1.745·10 = 6.545 V

I_R2 = V_A/R₂ = 6.545/6 = 1.091 A

答え

I_R2 = 1.091 A

8.抵抗の直列・並列

答え: I_R2 = 1.486 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 = 20 + 3 = 23 Ω

R₄ ∥ 23 = 4.759 Ω

R₃ + 4.759 = 7.759 Ω

R₂ ∥ 7.759 = 3.383 Ω

R_eq = R₁ + 3.383 = 8 + 3.383 = 11.38 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 = 30/11.38 = 2.635 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 = 30 − 2.635·8 = 8.917 V

I_R2 = V_A/R₂ = 8.917/6 = 1.486 A

答え

I_R2 = 1.486 A

9.テブナン・ノートン

答え: I_L = 0.09259 A

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 = 20·2/(20+2) = 1.818 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1.818 + 4 = 5.818 Ω

開放電圧 V_th を求める

a–b が開放のとき R₃ には電流が流れないので電圧降下はなく、V_b = V_A です。R₁ と R₂ は分圧回路になります。

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 10·2/(20+2) = 0.9091 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) = 0.9091/(5.818 + 4) = 0.09259 A

10.テブナン・ノートン

答え: I_L = −1.291 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.727 + 4 = 6.727 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) = 2.727 + (−4)·2.727 = −8.182 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −8.182 + (−4)·4 = −24.18 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) = −24.18/(6.727 + 12) = −1.291 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

フルスケール出力

この荷重での出力

答え

1 フレームのビット数

バイトレート

答え

高調波の周波数

サンプリング周波数の最も近い整数倍

エイリアス周波数

答え

+ 入力の電圧

非反転増幅の利得

答え

入力電流

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

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

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 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

開放電圧 V_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