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 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−Vab​ = ?

Mostek ma cztery ramiona 220 Ω i Vs = 3 V. Czujnik R₂ zwiększa się o ΔR = 0,88 Ω. Używając przybliżenia małych zmian, wyznacz napięcie wyjściowe Vab w mV.

Vs = 3 VR = 220 ΩΔR = 0,88 Ω
Vab = mV
2.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
+−12 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Przetwornik tensometryczny (pełny mostek tensometrów) ma znamionowe napięcie wyjściowe 1,5 mV/V przy znamionowym obciążeniu 200 kg. Jest zasilany napięciem 12 V. Wyznacz jego napięcie wyjściowe Vo przy obciążeniu 40 kg.

1,5 mV/VFrated = 200 kgVs = 12 VF = 40 kg
Vo = mV
3.Akwizycja danych i próbkowanieŚredni
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​19200 Bd, 8E1

UART wysyła bajty z prędkością 19200 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 = 19200 Bd8E1
RB = B/s
4.Akwizycja danych i próbkowanieTrudny
T20 mV/°C×20∿01N = 10, 5 V? °C/LSB

Czujnik temperatury daje 20 mV/°C (0 V przy 0 °C). Jego sygnał jest wzmacniany 20 razy i podawany na 10-bitowy ADC o zakresie od 0 do 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Wyznacz zmianę temperatury ΔTLSB odpowiadającą jednemu LSB.

S = 20 mV/°CG = 20N = 10VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −3,5 VRa​ = 22 kΩRb​ = 1 kΩ

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

Vin = −3,5 VRa = 22 kΩRb = 1 kΩR1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 2,5 VR = 1 kΩ

Układ całkujący wykorzystuje idealny wzmacniacz operacyjny zasilany napięciem ±15 V; jego wyjście nasyca się przy ±14 V. Kondensator jest rozładowany, gdy w t = 0 zostaje przyłożone stałe napięcie wejściowe Vin = 2,5 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout w chwili t = 0,5 ms.

Vin = 2,5 VR = 1 kΩC = 1 µFVsat = ±14 Vt = 0,5 ms
Vout = V
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​15 Ω

Wyznacz prąd IR2 płynący przez R2.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
9.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAab

Wyznacz prąd Nortona IN: prąd płynący od a do b, gdy zaciski są zwarte.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
10.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAIs​0,5 ABab

Wyznacz prąd Nortona IN: prąd płynący od a do b, gdy zaciski są zwarte.

V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IN = A

3Roztwory

1.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: Vab = 3 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.

Zmiana względna

ΔR/R = 0,88/220 = 0,004

Wyjście zlinearyzowane

Vab ≈ 3·0,004/4 = 3 mV

Odpowiedź

Vab = 3 mV

Dokładna wartość to 2,994 mV; przybliżenie jest dobre, dopóki ΔR/R jest małe.

2.Mostek Wheatstone’a i tensometry

Odpowiedź: Vo = 3,6 mV

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.

Napięcie wyjściowe przy pełnym zakresie

1,5·12 = 18 mV

Napięcie wyjściowe przy tym obciążeniu

Vo = 18·40/200 = 3,6 mV

Odpowiedź

Vo = 3,6 mV
3.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: RB = 1745 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

19200/11 = 1745 B/s

Odpowiedź

RB = 1745 B/s
4.Akwizycja danych i próbkowanie

Odpowiedź: ΔTLSB = 0,01221 °C

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.

Wielkość kroku

1 LSB = 5000/1024 = 4,883 mV

Czułość na wejściu ADC

20·20 = 400 mV/°C

Rozdzielczość temperaturowa

ΔTLSB = 4,883/400 = 0,01221 °C

Odpowiedź

ΔTLSB = 0,01221 °C

ADC osiąga pełną skalę przy 12,5 °C.

5.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: Vout = −3,39 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −3,5·1/(22 + 1) = −0,1522 V

Wzmocnienie nieodwracające

V₋ = V₊, a prąd płynący przez R₁ płynie też przez Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,1522·(1 + 100/4,7) = −3,39 V

Odpowiedź

Vout = −3,39 V
6.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: Vout = −1,25 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.

Prąd wejściowy i szybkość narastania

kΩ razy µF daje milisekundy.

RC = 1 kΩ · 1 µF = 1 ms
szybkość narastania = −Vin/(RC) = −2,5/1 = −2,5 V/ms

Wyjście w podanej chwili

Wartość idealna leży w granicach ±Vsat, więc układ całkujący jeszcze nie obcina.

Vout = −Vin·t/(RC) = −2,5·0,5/1 = −1,25 V

Odpowiedź

Vout = −1,25 V
7.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: Req = 24,62 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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 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 + 8 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Req = R1 + 4,615 = 20 + 4,615 = 24,62 Ω

Odpowiedź

Req = 24,62 Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR2 = 1,429 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​6 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 5 Ω
R3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 2,667 Ω
Req = R1 + 2,667 = 2 + 2,667 = 4,667 Ω

Prąd ze źródła

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

IR1 = V1/Req = 10/4,667 = 2,143 A

Prąd przez R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 2,143·2 = 5,714 V
IR2 = VA/R2 = 5,714/4 = 1,429 A

Odpowiedź

IR2 = 1,429 A
9.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IN = 0,5714 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​ = 3 ΩR3​ = 12 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 12 = 14 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 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) = 12·6/(3+6) = 8 V
IN​0,5714 ARth​14 Ωab

Układ zastępczy Nortona

Źródło Nortona to ten sam obwód widziany jako źródło prądu równolegle z R_th. Jego prąd to prąd zwarcia na a–b.

IN = Vth/Rth = 8/14 = 0,5714 A
10.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IN = −0,1471 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​ = 25 ΩR3​ = 4 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 4 = 15,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAIs​0,5 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) = 5,333 + (−0,5)·11,11 = −0,2222 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,2222 + (−0,5)·4 = −2,222 V
IN​0,1471 ARth​15,11 Ωab

Układ zastępczy Nortona

Źródło Nortona to ten sam obwód widziany jako źródło prądu równolegle z R_th. Jego prąd to prąd zwarcia na a–b.

IN = Vth/Rth = −2,222/15,11 = −0,1471 A

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