Pengukuran dan Instrumentasi: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Voltan pembahagi
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Pengeluaran
Vab = Va − Vb
Imbangan
R1/R2 = R3/R4
Jambatan wayar gelongsor
R/Rx = l/(100 − l)
Rintangan Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Faktor tolok
ΔR/R = GF·ε
Output jambatan
suku Vs·GF·ε/4, separuh Vs·GF·ε/2, penuh Vs·GF·ε
Perubahan kecil, satu lengan
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tegasan
σ = E·ε

Kaedah

  1. Anggap jambatan sebagai dua pembahagi voltan merentasi bekalan yang sama.
  2. Untuk keseimbangan, tetapkan R₁/R₂ = R₃/R₄ dan selesaikan untuk perintang yang tidak diketahui.
  3. Untuk jambatan tak seimbang, cari Va dan Vb daripada pembahagi dan tolakkannya; gunakan setara Thévenin apabila meter membebani output.
  4. Untuk tolok terikan, tukarkan terikan kepada ΔR/R = GF·ε dan gunakan Vs·GF·ε/4, /2 atau ×1 bagi jambatan suku, separuh atau penuh.

Perolehan data & pensampelan

Kriteria Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frekuensi alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Saiz langkah
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Ralat pengkuantuman (pembundaran)
±½ LSB
Kod ADC pemangkasan
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bit untuk resolusi r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR unggul, sinus skala penuh
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
Kadar data
saluran × fs × N bit/s
ADC termultipleks
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit setiap bait; bait/s = baud/bit setiap bingkai
Pembahagi kadar baud
baud = fclk/(16·D)

Kaedah

  1. Tuliskan apa yang diberi: kadar pensampelan, frekuensi isyarat, bilangan bit, julat input, kadar baud.
  2. Untuk soalan pensampelan, bandingkan setiap frekuensi dengan fs/2; frekuensi yang lebih tinggi muncul pada fa = |f − k·fs| dengan gandaan fs yang terdekat.
  3. Untuk soalan resolusi, cari 1 LSB = VFSR/2ᴺ, atau N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/resolusi.
  4. Untuk kadar data dan pautan UART, kira semua yang dihantar: saluran, sampel sesaat, bit atau bait penuh setiap sampel, serta bit mula, pariti dan henti bagi setiap bingkai.

Litar op-amp

Penguat menyongsang
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Penguat tak menyongsang
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Penguat penambah
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Op-amp unggul
V+ = V−, Iin = 0

Perintang bersiri & selari

Perintang bersiri
Req = R1 + R2 + …
Perintang selari
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dua secara selari
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Hukum Ohm
V = I·R
Kuasa
P = V·I = I²R = V²/R

Kaedah

  1. Mulakan di hujung rangkaian yang paling jauh daripada terminal.
  2. Gabungkan perintang secara bersiri dengan menambahnya, dan perintang secara selari dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Lukis semula litar selepas setiap langkah.
  4. Ulang sehingga tinggal satu perintang antara terminal.

Thévenin & Norton

Voltan Thévenin
Vth = Vopen circuit
Rintangan Thévenin
Rth: semua sumber dimatikan, dilihat dari a–b
Arus Norton
IN = Vth/Rth
Arus beban
IL = Vth/(Rth + RL)
Pemindahan kuasa maksimum
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Kaedah

  1. Keluarkan beban dan tandakan dua terminal a dan b.
  2. Cari voltan litar buka antara a dan b: inilah Vth.
  3. Matikan semua sumber bebas dan cari rintangan yang dilihat dari a–b: inilah Rth.
  4. Pasang semula beban pada litar setara: Vth bersiri dengan Rth.
  5. Untuk setara Norton, tukarkan: IN = Vth/Rth, dengan RN = Rth secara selari.

2Soalan latihan

1.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−6 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 120 Ω dan Vs = 6 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 18 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.

Vs = 6 VR = 120 ΩΔR = 18 Ω
Vab = mV
2.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−3 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Jambatan dengan lengan 120 Ω diujakan dengan 3 V dan mempunyai dua tolok aktif pada lengan bersebelahan, satu dalam tegangan dan satu dalam mampatan (jambatan separuh). Faktor tolok ialah 2.1 dan terikan ialah 1500 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.

Vs = 3 VGF = 2.1ε = 1500 µε
Vo = mV
3.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Cari nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR bagi ADC 20-bit untuk gelombang sinus skala penuh.

N = 20
SQNR = dB
4.Perolehan data & pensampelanSukar
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​32 MHz / (16·D)

Mikropengawal dengan jam 32 MHz menetapkan kadar baud UART-nya sebagai fclk/(16·D), dengan D nombor bulat yang dibundarkan kepada nilai terdekat. Sasarannya ialah 19200 baud. Cari ralat peratusan bagi kadar baud sebenar (positif apabila terlalu laju).

fclk = 32 MHzsasaran = 19200 Bd
e = %
5.Litar op-ampSederhana
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 2.5 VRa​ = 1 kΩRb​ = 47 kΩ

Op-amp adalah unggul dan beroperasi daripada bekalan ±15 V. Cari voltan keluaran Vout.

Vin = 2.5 VRa = 1 kΩRb = 47 kΩR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
6.Litar op-ampSukar
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1.2 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1.8 VR3​ = 1 kΩR4​ = 10 kΩ

Op-amp adalah unggul dan beroperasi daripada bekalan ±15 V. Nisbah perintang tidak sepadan. Cari voltan keluaran Vout.

V1 = 1.2 VV2 = 1.8 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩR3 = 1 kΩR4 = 10 kΩ
Vout = V
7.Perintang bersiri & selariSederhana
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​10 ΩB

Cari rintangan setara Req yang dilihat oleh sumber V1.

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
8.Perintang bersiri & selariSukar
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBR6​5 Ω

Cari arus IR1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R1.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
9.Thévenin & NortonSederhana
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAab

Cari arus Norton IN: arus yang mengalir dari a ke b jika terminal dilitar pintaskan.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Thévenin & NortonSukar
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​1.5 ABab

Cari voltan Thévenin Vth yang dilihat dari terminal a–b.

V1 = 5 VIs = 1.5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V

3Larutan

1.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vab = 209.3 mV

Jambatan Wheatstone: dua pembahagi voltan berkongsi satu bekalan Vs. Pembahagi kiri R1–R2 memberikan Va = Vs·R2/(R1 + R2) dan pembahagi kanan R3–R4 memberikan Vb = Vs·R4/(R3 + R4); outputnya ialah Vab = Va − Vb. Jambatan seimbang (Vab = 0, tiada arus dalam meter) apabila R1/R2 = R3/R4, iaitu R1·R4 = R2·R3. Dilihat dari output, jambatan ialah sumber Thévenin dengan Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Voltan nod

Va = 6·138/258 = 3.209 V
Vb = 3 V

Pengeluaran

Vab = 209.3 mV

Jawapan

Vab = 209.3 mV

Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 225 mV adalah 7.5 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.

2.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 4.725 mV

Tolok terikan: tolok mengubah rintangannya dengan terikan: ΔR/R = GF·ε, dengan faktor tolok GF kira-kira 2 untuk kerajang logam. Dalam jambatan dengan semua lengan sama dengan R, satu tolok aktif (jambatan suku) memberikan Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dua tolok aktif dengan terikan bertentangan pada lengan bersebelahan (jambatan separuh) memberikan Vs·GF·ε/2, dan empat (jambatan penuh) memberikan Vs·GF·ε. Tegasan diperoleh daripada hukum Hooke, σ = E·ε. Sel beban menyatakan kepekaannya dalam mV/V: output pada beban penuh bagi setiap volt pengujaan.

Perubahan rintangan relatif

ΔR/R = 2.1·1500·10⁻⁶ = 0.00315

Output jambatan

Vo = Vs·GF·ε/2 = 3·0.00315/2 = 4.725 mV

Jawapan

Vo = 4.725 mV
3.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: SQNR = 122.2 dB

Resolusi ADC: penukar N-bit membahagikan julat skala penuh VFSR kepada 2ᴺ kod, dari 0 hingga 2ᴺ − 1. Satu langkah ialah 1 LSB = VFSR/2ᴺ: perubahan terkecil yang dapat ditunjukkan oleh penukar. ADC pemangkasan memberikan kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC pembundaran tidak pernah lebih daripada ½ LSB daripada nilai sebenar, iaitu ralat pengkuantumannya. Setiap bit tambahan mengurangkan LSB separuh dan menambah kira-kira 6 dB pada nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR = 6.02·N + 1.76 dB untuk sinus skala penuh. Untuk mencapai resolusi r pada suatu julat, pilih N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/r.

SQNR unggul

SQNR = 6.02·20 + 1.76 = 122.2 dB

Jawapan

SQNR = 122.2 dB
4.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: e = 0.1603 %

UART: pautan bersiri tak segerak menghantar setiap bait sebagai bingkai: satu bit mula (rendah), bit data, satu bit pariti pilihan dan satu atau dua bit henti (tinggi). Kadar baud ialah bilangan bit sesaat, jadi satu bit berlangsung Tb = 1/baud dan bingkai n bit berlangsung n/baud. Format 8N1 yang biasa mempunyai 10 bit setiap bait. Penjana baud membahagikan jam: baud = fclk/(16·D) dengan nombor bulat D, jadi kadar baud sebenar berbeza sedikit daripada sasaran; ralat di bawah kira-kira 2 % biasanya boleh diterima.

Pembahagi

D = 32·10⁶/(16·19200) = 104.2 → 104

Kadar baud sebenar

32·10⁶/(16·104) = 19231 Bd

Ralat

(19231 − 19200)/19200·100 = 0.1603 %

Jawapan

e = 0.1603 %

Ralat di bawah kira-kira 2 % biasanya boleh diterima.

5.Litar op-amp

Jawapan: Vout = 4.896 V

Peraturan op-amp unggul: dengan suap balik negatif, op-amp memacu keluarannya supaya kedua-dua masukannya berada pada voltan yang sama (V₋ = V₊), dan tiada arus mengalir ke dalam mana-mana masukan. Menulis KCL pada masukan songsang dengan dua fakta ini memberikan keluaran.

Voltan pada masukan +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2.5·47/(1 + 47) = 2.448 V

Gandaan tidak menyongsang

V₋ = V₊, dan arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2.448·(1 + 22/22) = 4.896 V

Jawapan

Vout = 4.896 V
6.Litar op-amp

Jawapan: Vout = 3.687 V

Peraturan op-amp unggul: dengan suap balik negatif, op-amp memacu keluarannya supaya kedua-dua masukannya berada pada voltan yang sama (V₋ = V₊), dan tiada arus mengalir ke dalam mana-mana masukan. Menulis KCL pada masukan songsang dengan dua fakta ini memberikan keluaran.

Voltan pada masukan +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.8·10/(1 + 10) = 1.636 V

Superposisikan kedua-dua masukan

Dengan V₂ = 0, V₁ melihat penguat menyongsang. Dengan V₁ = 0, V₊ dikuatkan oleh gandaan tidak menyongsang 1 + R₂/R₁.

Vout = −(47/10)·1.2 + (1 + 47/10)·1.636 = −5.64 + 9.327 = 3.687 V

Jawapan

Vout = 3.687 V
7.Perintang bersiri & selari

Jawapan: Req = 8.714 Ω

Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.

R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​10 ΩB

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R3 + R4 = 12 + 10 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 6·22/(6+22) = 4.714 Ω
Req = R1 + 4.714 = 4 + 4.714 = 8.714 Ω

Jawapan

Req = 8.714 Ω
8.Perintang bersiri & selari

Jawapan: IR1 = 3.281 A

Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.

R1​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBR6​5 Ω

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R5 + R6 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 10 Ω
R3 + 10 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 2.571 Ω
Req = R1 + 2.571 = 2 + 2.571 = 4.571 Ω

Arus daripada sumber

Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

IR1 = V1/Req = 15/4.571 = 3.281 A

Jawapan

IR1 = 3.281 A
9.Thévenin & Norton

Jawapan: IN = 0.1446 A

Teorem Thévenin: mana-mana rangkaian linear dua terminal berkelakuan seperti satu sumber voltan Vth secara bersiri dengan rintangan Rth. Teorem Norton memberikan rangkaian yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth selari dengan Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩPINTASR2​2 ΩAabRth​

Cari Rth dengan semua sumber dimatikan

Gantikan sumber voltan dengan litar pintas dan sumber arus dengan litar buka, kemudian lihat ke dalam litar dari a–b.

R1 ∥ R2 = 15·2/(15+2) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 8 = 9.765 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAab+−Vth​

Cari Vth, voltan litar buka

Dengan a–b terbuka, tiada arus mengalir melalui R₃, jadi tiada susutan merentasinya dan V_b = V_A. R₁ dan R₂ membentuk pembahagi voltan.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·2/(15+2) = 1.412 V
IN​0.1446 ARth​9.765 Ωab

Setara Norton

Sumber Norton ialah litar yang sama dilihat sebagai sumber arus selari dengan R_th. Arusnya ialah arus litar pintas pada a–b.

IN = Vth/Rth = 1.412/9.765 = 0.1446 A
10.Thévenin & Norton

Jawapan: Vth = 24.22 V

Teorem Thévenin: mana-mana rangkaian linear dua terminal berkelakuan seperti satu sumber voltan Vth secara bersiri dengan rintangan Rth. Teorem Norton memberikan rangkaian yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth selari dengan Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩPINTASR2​12 ΩABUKABabRth​

Cari Rth dengan semua sumber dimatikan

Gantikan sumber voltan dengan litar pintas dan sumber arus dengan litar buka, kemudian lihat ke dalam litar dari a–b.

R1 ∥ R2 = 15·12/(15+12) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 8 = 14.67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​1.5 ABab+−Vth​

Cari Vth, voltan litar buka

Dengan a–b terbuka, satu-satunya laluan untuk Iₛ ialah melalui R₃ ke nod A. Cari V_A dengan superposisi V₁ dan Iₛ, kemudian tambah susutan merentasi R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2.222 + 1.5·6.667 = 12.22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12.22 + 1.5·8 = 24.22 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/measurement-and-instrumentation