Pomiary i aparatura: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 10 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Mostek Wheatstone’a i tensometry

Napięcia dzielników
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Wydalone
Vab = Va − Vb
Bilans
R1/R2 = R3/R4
Mostek z drutem oporowym
R/Rx = l/(100 − l)
Rezystancja Thévenina
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Współczynnik czułości
ΔR/R = GF·ε
Napięcie wyjściowe mostka
ćwierćmostek Vs·GF·ε/4, półmostek Vs·GF·ε/2, mostek pełny Vs·GF·ε
Mała zmiana, jedno ramię
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Naprężenie
σ = E·ε

Metoda

  1. Potraktuj mostek jako dwa dzielniki napięcia na tym samym zasilaniu.
  2. Dla równowagi przyjmij R₁/R₂ = R₃/R₄ i wyznacz nieznany rezystor.
  3. Dla mostka niezrównoważonego wyznacz Va i Vb z dzielników i odejmij je; użyj układu zastępczego Thévenina, gdy miernik obciąża wyjście.
  4. Dla tensometrów zamień odkształcenie na ΔR/R = GF·ε i użyj Vs·GF·ε/4, /2 lub ×1 odpowiednio dla ćwierćmostka, półmostka i mostka pełnego.

Akwizycja danych i próbkowanie

Kryterium Nyquista
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Częstotliwość aliasu
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Wielkość kroku
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Błąd kwantyzacji (zaokrąglanie)
±½ LSB
Kod ADC przy obcinaniu
D = ⌊Vin/LSB⌋
Liczba bitów dla rozdzielczości r
2ᴺ ≥ span/r
Idealny SQNR, sinusoida o pełnej skali
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Szybkość transmisji danych
kanały × fs × N bit/s
Multipleksowany przetwornik ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bitów na bajt; bajty/s = baud/bity w ramce
Dzielnik szybkości transmisji
baud = fclk/(16·D)

Metoda

  1. Zapisz, co jest dane: częstotliwość próbkowania, częstotliwości sygnałów, liczbę bitów, zakres wejściowy, szybkość transmisji w bodach.
  2. W zadaniach o próbkowaniu porównaj każdą częstotliwość z fs/2; wyższa częstotliwość pojawia się jako fa = |f − k·fs| dla najbliższej wielokrotności fs.
  3. W zadaniach o rozdzielczości wyznacz 1 LSB = VFSR/2ᴺ albo najmniejsze N, dla którego 2ᴺ ≥ zakres/rozdzielczość.
  4. W zadaniach o szybkości danych i łączach UART policz wszystko, co jest wysyłane: kanały, próbki na sekundę, bity lub całe bajty na próbkę oraz bity startu, parzystości i stopu każdej ramki.

Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Wzmacniacz odwracający
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Wzmacniacz nieodwracający
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Wzmacniacz sumujący
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Idealny wzmacniacz operacyjny
V+ = V−, Iin = 0

Rezystory szeregowo i równolegle

Rezystory połączone szeregowo
Req = R1 + R2 + …
Rezystory połączone równolegle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dwa równolegle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Prawo Ohma
V = I·R
Moc
P = V·I = I²R = V²/R

Metoda

  1. Zacznij od końca sieci najdalszego od zacisków.
  2. Rezystory szeregowe łącz, dodając je, a równoległe ze wzoru 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Po każdym kroku narysuj obwód od nowa.
  4. Powtarzaj, aż między zaciskami zostanie jeden rezystor.

Thévenin i Norton

Napięcie Thévenina
Vth = Vopen circuit
Rezystancja Thévenina
Rth: wszystkie źródła wyłączone, widziana z a–b
Prąd Nortona
IN = Vth/Rth
Prąd obciążenia
IL = Vth/(Rth + RL)
Maksymalne przekazywanie mocy
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metoda

  1. Odłącz obciążenie i oznacz dwa zaciski a i b.
  2. Wyznacz napięcie stanu jałowego między a i b: to jest Vth.
  3. Wyłącz wszystkie niezależne źródła i wyznacz rezystancję widzianą z a–b: to jest Rth.
  4. Podłącz obciążenie z powrotem do obwodu zastępczego: Vth szeregowo z Rth.
  5. Dla obwodu zastępczego Nortona przelicz: IN = Vth/Rth, z RN = Rth równolegle.

2Zadania do ćwiczenia

1.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
+−2 VR1​ = 150 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 250 ΩR4​ = 600 ΩabGRg​ = 100 Ω

Galwanometr o rezystancji 100 Ω dołączono między a i b pokazanego mostka (Vs = 2 V). Wyznacz prąd galwanometru Ig od a do b, w µA.

Vs = 2 VR1 = 150 ΩR2 = 10 ΩR3 = 250 ΩR4 = 600 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
2.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1,281 mV

Tensometr (GF = 2,05) na elemencie o E = 70 GPa tworzy ćwierćmostek zasilany napięciem 2,5 V. Wyjście wskazuje 1,281 mV. Wyznacz naprężenie osiowe σ w MPa.

Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 1,281 mVE = 70 GPa
σ = MPa
3.Akwizycja danych i próbkowanieŚredni
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​38400 Bd, 8E1

UART wysyła bajty z prędkością 38400 bodów w formacie 8E1: 8 bitów danych, bit parzystości (even), bit startu oraz bity stopu w liczbie 1. Wyznacz największą liczbę bajtów danych na sekundę, jaką może przesłać.

baud = 38400 Bd8E1
RB = B/s
4.Akwizycja danych i próbkowanieTrudny
f0fs​/2fs​600 Hz3f₁?

Fala prostokątna 600 Hz jest próbkowana z częstotliwością 2 kHz bez filtra antyaliasingowego. Fala prostokątna zawiera nieparzyste harmoniczne 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Przy jakiej częstotliwości fa pojawia się w danych jej harmoniczna 3f₁? Podaj ją w Hz.

f₁ = 600 Hzfs = 2 kHzharmoniczna: 3f₁
fa = Hz
5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
−+Vout​Rf​ = 1 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 1,9 V

Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.

Vin = 1,9 VR1 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = 1,6 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0,8 VR2​ = 100 kΩIf​

Wzmacniacz sumujący korzysta z idealnego wzmacniacza operacyjnego zasilanego napięciem ±15 V. Wyznacz prąd If płynący przez rezystor sprzężenia zwrotnego w stronę wyjścia.

V1 = 1,6 VV2 = −0,8 VR1 = 10 kΩR2 = 100 kΩRf = 47 kΩ
If = mA
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩB

Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​20 Ω

Wyznacz prąd IR2 płynący przez R2.

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 ΩR5 = 2 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
9.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩARL​8 ΩIL​B

Między a–b podłączono obciążenie RL = 8 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​4 ABRL​10 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 10 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩRL = 10 Ω
IL = A

3Roztwory

1.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: Ig = −4502 µA

Mostek Wheatstone’a: dwa dzielniki napięcia mają wspólne zasilanie Vs. Lewy dzielnik R1–R2 daje Va = Vs·R2/(R1 + R2), a prawy dzielnik R3–R4 daje Vb = Vs·R4/(R3 + R4); wyjściem jest Vab = Va − Vb. Mostek jest zrównoważony (Vab = 0, brak prądu w mierniku), gdy R1/R2 = R3/R4, czyli R1·R4 = R2·R3. Widziany od strony wyjścia mostek jest źródłem Thévenina o Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Napięcie Thévenina

Vth = 2·(10/160 − 600/850) = −1,287 V

Rezystancja Thévenina

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 185,8 Ω

Prąd galwanometru

Ig = −1,287/(185,8 + 100) = −4502 µA

Odpowiedź

Ig = −4502 µA
2.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: σ = 69,99 MPa

Tensometry: tensometr zmienia rezystancję pod wpływem odkształcenia: ΔR/R = GF·ε, gdzie współczynnik czułości GF wynosi około 2 dla tensometrów foliowych metalowych. W mostku, w którym wszystkie ramiona mają rezystancję R, jeden czynny tensometr (ćwierćmostek) daje Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dwa czynne tensometry o przeciwnych odkształceniach w sąsiednich ramionach (półmostek) dają Vs·GF·ε/2, a cztery (mostek pełny) dają Vs·GF·ε. Naprężenie wynika z prawa Hooke’a, σ = E·ε. Przetworniki tensometryczne podają czułość w mV/V: napięcie wyjściowe przy pełnym obciążeniu na każdy wolt zasilania.

Odkształcenie

ε = 4·0,001281/(2,5·2,05) = 0,0009998

Naprężenie

σ = 70·10³ MPa·0,0009998 = 69,99 MPa

Odpowiedź

σ = 69,99 MPa
3.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: RB = 3491 B/s

UART: asynchroniczne łącze szeregowe wysyła każdy bajt w ramce: jeden bit startu (niski), bity danych, opcjonalny bit parzystości i jeden lub dwa bity stopu (wysokie). Szybkość transmisji w bodach to liczba bitów na sekundę, więc jeden bit trwa Tb = 1/baud, a ramka n bitów trwa n/baud. Popularny format 8N1 ma 10 bitów na bajt. Generator szybkości transmisji dzieli zegar: baud = fclk/(16·D) dla liczby całkowitej D, więc rzeczywista szybkość nieco różni się od zamierzonej; błąd poniżej około 2 % zwykle jest akceptowalny.

Bity w ramce

1 + 8 + 1 + 1 = 11

Strumień bajtów

38400/11 = 3491 B/s

Odpowiedź

RB = 3491 B/s
4.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: fa = 200 Hz

Próbkowanie: ADC mierzy sygnał fs razy na sekundę. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista–Shannona częstotliwość f jest rejestrowana poprawnie tylko wtedy, gdy f < fs/2, czyli poniżej częstotliwości Nyquista (zawijania), więc częstotliwość próbkowania musi przekraczać dwukrotność najwyższej częstotliwości sygnału. Wyższa częstotliwość nie przepada: pojawia się jako alias przy fa = |f − k·fs|, gdzie liczba całkowita k daje wynik między 0 a fs/2. Próbki nie pozwalają odróżnić tych dwóch sygnałów, dlatego analogowy filtr antyaliasingowy musi usunąć wszystko powyżej fs/2 przed przetwornikiem ADC.

Częstotliwość harmonicznej

3f₁ = 3·600 Hz = 1,8 kHz

Najbliższa wielokrotność częstotliwości próbkowania

m = round(0,9) = 1

Częstotliwość aliasu

fa = |1800 − 1·2000| = 200 Hz

Odpowiedź

fa = 200 Hz

Alias ląduje wewnątrz pasma sygnału, gdzie żaden filtr cyfrowy go nie usunie. Pomaga tylko filtr analogowy przed ADC.

5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: Vout = 3,8 V

Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.

Wejście odwracające podąża za wejściem

V₋ = V₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/1 = 1,9 mA

Napięcie wyjściowe

Prąd przez R₁ płynie też przez Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 1,9·1 = 3,8 V

Odpowiedź

Vout = 3,8 V
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: If = 0,152 mA

Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.

Prądy wejściowe

V₋ = 0, więc na każdym rezystorze wejściowym jest całe jego napięcie wejściowe.

I1 = V1/R1 = 1,6/10 = 0,16 mA
I2 = V2/R2 = −0,8/100 = −0,008 mA
If = I1 + I2 = 0,152 mA

Odpowiedź

If = 0,152 mA
7.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR1 = 0,5305 A

Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.

R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩB

Łącz rezystory od najdalszego końca

Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.

R3 + R4 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 10·32/(10+32) = 7,619 Ω
Req = R1 + 7,619 = 15 + 7,619 = 22,62 Ω

Prąd ze źródła

Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.

IR1 = V1/Req = 12/22,62 = 0,5305 A

Odpowiedź

IR1 = 0,5305 A
8.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR2 = 0,1276 A

Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.

R1​ = 30 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBR6​20 Ω

Łącz rezystory od najdalszego końca

Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.

R5 + R6 = 2 + 20 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 10,48 Ω
R3 + 10,48 = 12,48 Ω
R2 ∥ 12,48 = 3,569 Ω
Req = R1 + 3,569 = 30 + 3,569 = 33,57 Ω

Prąd ze źródła

Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.

IR1 = V1/Req = 6/33,57 = 0,1787 A

Prąd przez R₂

Odejmij spadek na R₁, aby dostać potencjał węzła A, czyli napięcie na R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,1787·30 = 0,638 V
IR2 = VA/R2 = 0,638/5 = 0,1276 A

Odpowiedź

IR2 = 0,1276 A
9.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IL = 0,5769 A

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩZWARCIER2​12 ΩAabRth​

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAab+−Vth​

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Przy rozwartych a–b przez R₃ nie płynie prąd, więc nie ma na nim spadku i V_b = V_A. R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·12/(12+12) = 15 V
Rth​ = 18 Ω+−Vth​15 VRL​8 ΩIL​

Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina

Źródło Thévenina i R_th szeregowo zachowują się na a–b dokładnie jak pierwotny obwód, więc obciążenie widzi prostą pętlę szeregową.

IL = Vth/(Rth + RL) = 15/(18 + 8) = 0,5769 A
10.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IL = 3,308 A

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.

R1​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩZWARCIER2​20 ΩAROZWARCIEBabRth​

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R1 ∥ R2 = 30·20/(30+20) = 12 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12 + 15 = 27 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Przy rozwartych a–b jedyną drogą dla Iₛ jest R₃ do węzła A. Wyznacz V_A z superpozycji V₁ i Iₛ, a potem dodaj spadek na R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 14,4 + 4·12 = 62,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 62,4 + 4·15 = 122,4 V
Rth​ = 27 Ω+−Vth​122,4 VRL​10 ΩIL​

Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina

Źródło Thévenina i R_th szeregowo zachowują się na a–b dokładnie jak pierwotny obwód, więc obciążenie widzi prostą pętlę szeregową.

IL = Vth/(Rth + RL) = 122,4/(27 + 10) = 3,308 A

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