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

抵抗 200 Ω の検流計が、図のブリッジの a と b の間につながれています（V_s = 2 V）。a から b へ流れる検流計電流 I_g を µA で求めなさい。

V_s = 2 VR₁ = 50 ΩR₂ = 50 ΩR₃ = 600 ΩR₄ = 200 ΩR_g = 200 Ω

I_g = µA

2.ホイートストンブリッジとひずみゲージむずかしい

ゲージ率 2 の 350 Ω のひずみゲージを鋼棒に接着します。荷重がかかると抵抗が 0.525 Ω 増加します。ひずみ ε をマイクロストレイン (µε) で求めなさい。

R = 350 ΩGF = 2ΔR = 0.525 Ω

ε = µε

3.データ収録とサンプリングふつう

UART が 38400 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 = 38400 Bd8N1

R_B = B/s

4.データ収録とサンプリングむずかしい

12 ビット ADC がすべてのサンプルを UART で 57600 baud、8E1 形式（スタートビット、データ 8 ビット、偶数パリティ、ストップビット 1 個）で送ります。各サンプルは 2 バイトの整数バイトで送られ、通信路は常にふさがっています。エイリアシングなしにサンプリングできる最高の信号周波数 f_max を Hz で求めなさい。

baud = 57600 BdN = 128E1

f_max = 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 = −0.1 VR₁ = 47 kΩR_f = 47 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。出力電圧 V_out を求めよ。

V₁ = −0.7 VV₂ = 1.7 VR₁ = 2 kΩR₂ = 1 kΩR_f = 4.7 kΩ

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 = 10 VR₁ = 4 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 12 Ω

I_R1 = A

8.抵抗の直列・並列むずかしい

電源 V₁ から見た合成抵抗 R_eq を求めよ。

V₁ = 15 VR₁ = 10 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 30 ΩR₄ = 3 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 12 Ω

R_eq = Ω

9.テブナン・ノートンふつう

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 = 15 VR₁ = 4 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 2 ΩR_L = 12 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 = 3 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 = 24 VI_s = 6 AR₁ = 10 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 2 ΩR_L = 3 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: I_g = 1333 µA

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。

テブナン電圧

V_th = 2·(50/100 − 200/800) = 0.5 V

テブナン抵抗

R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 175 Ω

検流計電流

I_g = 0.5/(175 + 200) = 1333 µA

答え

I_g = 1333 µA

2.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: ε = 750 µε

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 = 0.525/350 = 0.0015

ひずみ

ε = 0.0015/2 = 0.00075 = 750 µε

答え

ε = 750 µε

3.データ収録とサンプリング

答え: R_B = 3840 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

38400/10 = 3840 B/s

答え

R_B = 3840 B/s

4.データ収録とサンプリング

答え: f_max = 1309 Hz

回線上の 1 サンプルあたりのビット数

2·11 = 22 bit

最高サンプリング周波数

f_s,max = 57600/22 = 2618 Hz

ナイキストの限界

f_max = 2618/2 = 1309 Hz

答え

f_max = 1309 Hz

5.オペアンプ回路

答え: V_out = −0.2 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。

反転入力が入力に追従する

V₋ = V₊ = −0.1 V

I = V₋/R₁ = −0.1/47 = −0.002128 mA

出力電圧

R₁ の電流は R_f も流れます。

V_out = V₋ + I·R_f = −0.1 + (−0.002128)·47 = −0.2 V

答え

V_out = −0.2 V

6.オペアンプ回路

答え: V_out = −6.345 V

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 = −0.7/2 = −0.35 mA

I₂ = V₂/R₂ = 1.7/1 = 1.7 mA

I_f = I₁ + I₂ = 1.35 mA

出力電圧

V_out = −R_f·I_f = −4.7·1.35 = −6.345 V

答え

V_out = −6.345 V

7.抵抗の直列・並列

答え: I_R1 = 0.9831 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 = 15 + 12 = 27 Ω

R₂ ∥ 27 = 8·27/(8+27) = 6.171 Ω

R_eq = R₁ + 6.171 = 4 + 6.171 = 10.17 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 = 10/10.17 = 0.9831 A

答え

I_R1 = 0.9831 A

8.抵抗の直列・並列

答え: R_eq = 12.75 Ω

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 + 12 = 32 Ω

R₄ ∥ 32 = 2.743 Ω

R₃ + 2.743 = 32.74 Ω

R₂ ∥ 32.74 = 2.748 Ω

R_eq = R₁ + 2.748 = 10 + 2.748 = 12.75 Ω

答え

R_eq = 12.75 Ω

9.テブナン・ノートン

答え: I_L = 0.5488 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 = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.4 + 2 = 4.4 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) = 15·6/(4+6) = 9 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) = 9/(4.4 + 12) = 0.5488 A

10.テブナン・ノートン

答え: I_L = 5.224 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 = 10·8/(10+8) = 4.444 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4.444 + 2 = 6.444 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) = 10.67 + 6·4.444 = 37.33 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 37.33 + 6·2 = 49.33 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) = 49.33/(6.444 + 3) = 5.224 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

テブナン電圧

テブナン抵抗

検流計電流

答え

抵抗の相対変化

ひずみ

答え

1 フレームのビット数

バイトレート

答え

回線上の 1 サンプルあたりのビット数

最高サンプリング周波数

ナイキストの限界

答え

反転入力が入力に追従する

出力電圧

答え

入力電流

出力電圧

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

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