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
+−3 VR1​ = 600 ΩR2​ = 500 ΩR3​ = 40 ΩR4​ = 200 Ωab+−Rth​ = ?

Wyznacz rezystancję Thévenina Rth pokazanego mostka, widzianą z zacisków wyjściowych a i b.

Vs = 3 VR1 = 600 ΩR2 = 500 ΩR3 = 40 ΩR4 = 200 Ω
Rth = Ω
2.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
+−2,5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0,53 mV

Ćwierćmostek z jednym czynnym tensometrem (GF = 2,12) jest zasilany napięciem 2,5 V. Pod obciążeniem wyjście wskazuje 0,53 mV. Wyznacz odkształcenie ε w µε.

Vs = 2,5 VGF = 2,12Vo = 0,53 mV
ε = µε
3.Akwizycja danych i próbkowanieŚredni
128⋮8 ch∿01N = 125 kHz? MB

Rejestrator próbkuje 8 kanałów z częstotliwością 5 kHz każdy, używając 12-bitowego ADC. Każda próbka jest zapisywana w całych bajtach. Wyznacz pamięć M potrzebną na zapis trwający 2 min, w MB (1 MB = 10⁶ bajtów).

n = 8fs = 5 kHzN = 12t = 2 min
M = MB
4.Akwizycja danych i próbkowanieTrudny
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​38400 Bd, 8N1

24-bitowy ADC przesyła każdą próbkę przez UART z prędkością 38400 bodów w formacie 8N1 (bit startu, 8 bitów danych, 1 bit stopu). Każda próbka jest wysyłana w pełnych bajtach, ich liczba to 3, a łącze jest zajęte przez cały czas. Wyznacz najwyższą częstotliwość sygnału fmax, którą można próbkować bez aliasingu, w Hz.

baud = 38400 BdN = 248N1
fmax = Hz
5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Dobierz rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, który da temu wzmacniaczowi nieodwracającemu wzmocnienie napięciowe 51.

R1 = 4,7 kΩAv = 51
Rf = kΩ
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 1,1 VR1​ = 22 kΩV2​ = −0,2 VR3​ = 22 kΩR4​ = 1 kΩ

Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Stosunki rezystorów nie są dopasowane. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.

V1 = 1,1 VV2 = −0,2 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 22 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Wyznacz prąd IR2 płynący przez R2.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​5 ΩBR6​6 Ω

Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
9.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAab

Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​15 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 15 Ω. Użyj układu zastępczego Thévenina, aby wyznaczyć moc PL dostarczaną do obciążenia.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩRL = 15 Ω
PL = W

3Roztwory

1.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: Rth = 306,1 Ω

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.

Zasilanie zwarte

R₁∥R₂ = 600·500/1100 = 272,7 Ω
R₃∥R₄ = 40·200/240 = 33,33 Ω

Rezystancja Thévenina

Rth = 306,1 Ω

Odpowiedź

Rth = 306,1 Ω
2.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: ε = 400 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 = 4·0,00053/(2,5·2,12) = 0,0004

W mikroodkształceniach

ε = 400 µε

Odpowiedź

ε = 400 µε
3.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: M = 9,6 MB

Szybkość danych: każdy kanał dostarcza fs próbek na sekundę po N bitów, więc surowa szybkość to kanały × fs × N bit/s. W pamięci próbka zajmuje całe bajty (próbka 12-bitowa jest zapisywana w 2 bajtach), więc pamięć potrzebna na zapis to kanały × fs × bajty na próbkę × czas. Multipleksowany ADC przetwarza kanały jeden po drugim: każda konwersja (z ustalaniem) trwa t, więc jedna runda n kanałów trwa n·t, a każdy kanał jest próbkowany z częstotliwością 1/(n·t).

Bajty na próbkę

⌈12/8⌉ = 2 B

Strumień bajtów

8·5000·2 = 80000 B/s

Pamięć

M = 80000·120 = 9,6 × 10⁶ B = 9,6 MB

Odpowiedź

M = 9,6 MB
4.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: fmax = 640 Hz

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 na próbkę na linii

3·10 = 30 bit

Najwyższa częstotliwość próbkowania

fs,max = 38400/30 = 1280 Hz

Granica Nyquista

fmax = 1280/2 = 640 Hz

Odpowiedź

fmax = 640 Hz
5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: Rf = 235 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 = (51 − 1)·4,7 = 235 kΩ

Odpowiedź

Rf = 235 kΩ
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: Vout = −0,2456 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.

Napięcie na wejściu +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −0,2·1/(22 + 1) = −0,008696 V

Superpozycja obu wejść

Przy V₂ = 0 V₁ widzi wzmacniacz odwracający. Przy V₁ = 0 V₊ jest wzmacniane przez wzmocnienie nieodwracające 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/22)·1,1 + (1 + 4,7/22)·(−0,008696) = −0,235 + (−0,01055) = −0,2456 V

Odpowiedź

Vout = −0,2456 V
7.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR2 = 0,4034 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​12 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 20·32/(20+32) = 12,31 Ω
Req = R1 + 12,31 = 6 + 12,31 = 18,31 Ω

Prąd ze źródła

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

IR1 = V1/Req = 12/18,31 = 0,6555 A

Prąd przez R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,6555·6 = 8,067 V
IR2 = VA/R2 = 8,067/20 = 0,4034 A

Odpowiedź

IR2 = 0,4034 A
8.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR1 = 0,9326 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​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​5 ΩBR6​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 4,038 Ω
R3 + 4,038 = 8,038 Ω
R2 ∥ 8,038 = 5,734 Ω
Req = R1 + 5,734 = 20 + 5,734 = 25,73 Ω

Prąd ze źródła

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

IR1 = V1/Req = 24/25,73 = 0,9326 A

Odpowiedź

IR1 = 0,9326 A
9.Thévenin i Norton

Odpowiedź: Vth = 10 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​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩZWARCIER2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 12 = 18,67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​20 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) = 15·20/(10+20) = 10 V
10.Thévenin i Norton

Odpowiedź: PL = 35,34 W

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​ = 4 ΩR3​ = 25 ΩZWARCIER2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 25 = 28 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​3 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) = 18 + (−3)·3 = 9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9 + (−3)·25 = −66 V
Rth​ = 28 Ω−+Vth​66 VRL​15 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) = −66/(28 + 15) = −1,535 A
PL = IL²·RL = −1,535²·15 = 35,34 W

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