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
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vab​ = ?

Mostek ma cztery ramiona 350 Ω i Vs = 10 V. Czujnik R₂ zwiększa się o ΔR = 17,5 Ω. Wyznacz dokładne napięcie wyjściowe Vab w mV.

Vs = 10 VR = 350 ΩΔR = 17,5 Ω
Vab = mV
2.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−0,663 mV

Ćwierćmostek z jednym czynnym tensometrem (GF = 2,12) jest zasilany napięciem 5 V. Pod obciążeniem wyjście wskazuje 0,663 mV. Wyznacz odkształcenie ε w µε.

Vs = 5 VGF = 2,12Vo = 0,663 mV
ε = µε
3.Akwizycja danych i próbkowanieŚredni
Vin​N = ?200 °C2ᴺ − 10≤ 0,05 °C

Czujnik mierzy temperaturę w zakresie 200 °C, a jego wyjście wypełnia cały zakres wejściowy ADC. Odczyt ma rozróżniać 0,05 °C. Wyznacz najmniejszą liczbę bitów N potrzebną przetwornikowi.

zakres = 200 °Crozdzielczość = 0,05 °C
N =
4.Akwizycja danych i próbkowanieTrudny
f0fs​/2fs​240 Hz7f₁?

Fala prostokątna 240 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 7f₁? Podaj ją w Hz.

f₁ = 240 Hzfs = 2 kHzharmoniczna: 7f₁
fa = Hz
5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Dobierz rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, który da temu wzmacniaczowi nieodwracającemu wzmocnienie napięciowe 5.

R1 = 4,7 kΩAv = 5
Rf = kΩ
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,1 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,3 VR2​ = 22 kΩ

Wzmacniacz sumujący korzysta z idealnego wzmacniacza operacyjnego zasilanego napięciem ±15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.

V1 = −0,1 VV2 = 0,3 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​15 ΩB

Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​15 Ω

Wyznacz prąd IR2 płynący przez R2.

V1 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
9.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAIs​1,5 ABRL​12 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 12 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩRL = 12 Ω
IL = A

3Roztwory

1.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: Vab = 122 mV

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.

Napięcia węzłów

Va = 10·367,5/717,5 = 5,122 V
Vb = 5 V

Wydalone

Vab = 122 mV

Odpowiedź

Vab = 122 mV

Oszacowanie liniowe Vs·ΔR/(4R) = 125 mV jest o 2,5 % za wysokie: ćwierćmostek nie jest całkiem liniowy.

2.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: ε = 250,2 µε

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.

Rozwiąż równanie ćwierćmostka

ε = 4·0,000663/(5·2,12) = 0,0002502

W mikroodkształceniach

ε = 250,2 µε

Odpowiedź

ε = 250,2 µε
3.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: N = 12

Rozdzielczość ADC: N-bitowy przetwornik dzieli swój zakres pełnej skali VFSR na 2ᴺ kodów, od 0 do 2ᴺ − 1. Jeden krok to 1 LSB = VFSR/2ᴺ: najmniejsza zmiana, jaką przetwornik potrafi pokazać. ADC z obcinaniem podaje kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC z zaokrąglaniem nigdy nie odbiega od prawdziwej wartości o więcej niż ½ LSB, co jest jego błędem kwantyzacji. Każdy dodatkowy bit zmniejsza LSB o połowę i dodaje około 6 dB do idealnego stosunku sygnału do szumu kwantyzacji SQNR = 6,02·N + 1,76 dB dla sinusoidy o pełnej skali. Aby osiągnąć rozdzielczość r na danym zakresie, wybierz najmniejsze N, dla którego 2ᴺ ≥ zakres/r.

Potrzebna liczba kroków

200/0,05 = 4000

Bity

log₂(4000) = 11,97
211 = 2048 < 4000 ≤ 212 = 4096
N = 12

Odpowiedź

N = 12
4.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: fa = 320 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

7f₁ = 7·240 Hz = 1,68 kHz

Najbliższa wielokrotność częstotliwości próbkowania

m = round(0,84) = 1

Częstotliwość aliasu

fa = |1680 − 1·2000| = 320 Hz

Odpowiedź

fa = 320 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: Rf = 18,8 kΩ

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.

Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego

V₋ = V₊ = Vin, a prąd przez R₁ płynie też przez Rf, więc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (5 − 1)·4,7 = 18,8 kΩ

Odpowiedź

Rf = 18,8 kΩ
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: Vout = 0,3591 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.

Prądy wejściowe

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

I1 = V1/R1 = −0,1/4,7 = −0,02128 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/22 = 0,01364 mA
If = I1 + I2 = −0,00764 mA

Napięcie wyjściowe

Vout = −Rf·If = −47·(−0,00764) = 0,3591 V

Odpowiedź

Vout = 0,3591 V
7.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: Req = 13,57 Ω

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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​15 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 5 + 8,571 = 13,57 Ω

Odpowiedź

Req = 13,57 Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR2 = 1,073 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​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​15 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 = 3 + 15 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 5,538 Ω
R3 + 5,538 = 13,54 Ω
R2 ∥ 13,54 = 2,456 Ω
Req = R1 + 2,456 = 25 + 2,456 = 27,46 Ω

Prąd ze źródła

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

IR1 = V1/Req = 36/27,46 = 1,311 A

Prąd przez R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,311·25 = 3,22 V
IR2 = VA/R2 = 3,22/3 = 1,073 A

Odpowiedź

IR2 = 1,073 A
9.Thévenin i Norton

Odpowiedź: Vth = 2,571 V

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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩZWARCIER2​6 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 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) = 9·6/(15+6) = 2,571 V
10.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IL = 0,6346 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​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩZWARCIER2​4 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAIs​1,5 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) = 3 + 1,5·3,333 = 8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8 + 1,5·2 = 11 V
Rth​ = 5,333 Ω+−Vth​11 VRL​12 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) = 11/(5,333 + 12) = 0,6346 A

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