การวัดและเครื่องมือวัด: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจ

แรงดันตัวแบ่งแรงดัน: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
สารน้ำออก: V_ab = V_a − V_b
ดุล: R₁/R₂ = R₃/R₄
สไลด์ไวร์บริดจ์: R/R_x = l/(100 − l)
ความต้านทานเทวินิน: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
ตัวประกอบเกจ: ΔR/R = GF·ε
เอาต์พุตของบริดจ์: ควอเตอร์ V_s·GF·ε/4, ฮาล์ฟ V_s·GF·ε/2, ฟูล V_s·GF·ε
การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย แขนเดียว: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
ความเค้น: σ = E·ε

วิธีการ

ถือว่าบริดจ์คือตัวแบ่งแรงดันสองตัวที่ใช้แหล่งจ่ายเดียวกัน
สำหรับสมดุล ตั้ง R₁/R₂ = R₃/R₄ แล้วแก้หาตัวต้านทานที่ไม่ทราบค่า
สำหรับบริดจ์ที่ไม่สมดุล หา V_a และ V_b จากตัวแบ่งแรงดันแล้วลบกัน ใช้วงจรเทียบเท่าเทวินินเมื่อมิเตอร์เป็นโหลดของเอาต์พุต
สำหรับสเตรนเกจ แปลงความเครียดเป็น ΔR/R = GF·ε และใช้ V_s·GF·ε/4, /2 หรือ ×1 สำหรับควอเตอร์ ฮาล์ฟ หรือฟูลบริดจ์

การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่ม

เกณฑ์ไนควิสต์: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
ความถี่แอลลิอัส: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
ขนาดขั้น: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
ความคลาดเคลื่อนจากการควอนไทซ์ (ปัดเศษ): ±½ LSB
รหัส ADC แบบตัดทิ้ง: D = ⌊V_in/LSB⌋
จำนวนบิตสำหรับความละเอียด r: 2ᴺ ≥ span/r
SQNR ในอุดมคติ ไซน์เต็มสเกล: SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
อัตราข้อมูล: ช่อง × f_s × N บิต/วินาที
ADC แบบมัลติเพล็กซ์: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud; 8N1 = 10 บิตต่อไบต์; ไบต์/วินาที = baud/บิตต่อเฟรม
ตัวหารอัตราบอด: baud = f_clk/(16·D)

วิธีการ

เขียนสิ่งที่โจทย์ให้: อัตราการสุ่ม ความถี่ของสัญญาณ จำนวนบิต ช่วงอินพุต อัตราบอด
สำหรับโจทย์การสุ่ม ให้เปรียบเทียบแต่ละความถี่กับ f_s/2 ความถี่ที่สูงกว่าจะปรากฏที่ f_a = |f − k·f_s| โดยใช้พหุคูณของ f_s ที่ใกล้ที่สุด
สำหรับโจทย์ความละเอียด หา 1 LSB = V_FSR/2ᴺ หรือ N ที่น้อยที่สุดที่ 2ᴺ ≥ ช่วง/ความละเอียด
สำหรับอัตราข้อมูลและลิงก์ UART ให้นับทุกอย่างที่ส่ง: ช่อง จำนวนตัวอย่างต่อวินาที บิตหรือไบต์เต็มต่อตัวอย่าง และบิตเริ่ม บิตพาริตี และบิตหยุดของทุกเฟรม

วงจรออปแอมป์

เครื่องขยายแบบกลับเฟส: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
เครื่องขยายแบบไม่กลับเฟส: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
เครื่องขยายแบบรวมสัญญาณ: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
ออปแอมป์อุดมคติ: V₊ = V₋, I_in = 0

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

ตัวต้านทานอนุกรม: R_eq = R₁ + R₂ + …
ตัวต้านทานขนาน: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
สองตัวขนานกัน: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
กฎของโอห์ม: V = I·R
กำลัง: P = V·I = I²R = V²/R

วิธีการ

เริ่มจากปลายของโครงข่ายที่ไกลจากขั้วที่สุด
รวมตัวต้านทานอนุกรมโดยบวกกัน และตัวต้านทานขนานด้วย 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
วาดวงจรใหม่หลังทุกขั้นตอน
ทำซ้ำจนเหลือตัวต้านทานตัวเดียวระหว่างขั้ว

เทวินินและนอร์ตัน

แรงดันเทวินิน: V_th = V_{open circuit}
ความต้านทานเทวินิน: R_th: ปิดแหล่งจ่ายทั้งหมด มองจาก a–b
กระแสนอร์ตัน: I_N = V_th/R_th
กระแสโหลด: I_L = V_th/(R_th + R_L)
การถ่ายโอนกำลังสูงสุด: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

วิธีการ

ถอดโหลดออกและทำเครื่องหมายสองขั้วเป็น a และ b
หาแรงดันวงจรเปิดระหว่าง a และ b: นี่คือ V_th
ปิดแหล่งจ่ายอิสระทั้งหมดแล้วหาความต้านทานที่มองจาก a–b: นี่คือ R_th
ต่อโหลดกลับเข้ากับวงจรสมมูล: V_th อนุกรมกับ R_th
สำหรับวงจรสมมูลนอร์ตัน ให้แปลง: I_N = V_th/R_th โดยมี R_N = R_th ต่อขนาน

2โจทย์ฝึก

1.บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจปานกลาง

บริดจ์มีแขนสี่ข้างข้างละ 200 Ω และ V_s = 9 V เซนเซอร์ R₂ เพิ่มขึ้น ΔR = 1 Ω โดยใช้การประมาณการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จงหาเอาต์พุต V_ab ในหน่วย mV

V_s = 9 VR = 200 ΩΔR = 1 Ω

V_ab = mV

2.บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจยาก

สเตรนเกจ (GF = 2.05) บนชิ้นส่วนที่มี E = 210 GPa ประกอบเป็นควอเตอร์บริดจ์ที่ถูกกระตุ้นด้วย 5 V เอาต์พุตอ่านได้ 1.025 mV จงหาความเค้นตามแนวแกน σ ในหน่วย MPa

V_s = 5 VGF = 2.05V_o = 1.025 mVE = 210 GPa

σ = MPa

3.การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่มปานกลาง

คลื่นไซน์ 17 kHz ถูกสุ่มที่ 20 kHz โดยไม่มีฟิลเตอร์ป้องกันแอลลิอัส มันปรากฏในตัวอย่างที่ความถี่ f_a ใด จงตอบในหน่วย kHz

f = 17 kHzf_s = 20 kHz

f_a = kHz

4.การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่มยาก

การวัดเสียงต้องการอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนจากการควอนไทซ์ในอุดมคติอย่างน้อย 65 dB สำหรับคลื่นไซน์เต็มสเกล จงหาจำนวนบิตของ ADC ที่น้อยที่สุด N

SQNR ≥ 65 dB

N =

5.วงจรออปแอมป์ปานกลาง

ออปแอมป์เป็นแบบอุดมคติและใช้แหล่งจ่าย ±15 V หาแรงดันเอาต์พุต V_out

V_in = 0.3 VR₁ = 22 kΩR_f = 47 kΩ

V_out = V

6.วงจรออปแอมป์ยาก

เครื่องขยายแบบรวมสัญญาณใช้ออปแอมป์อุดมคติที่มีแหล่งจ่าย ±15 V หาแรงดันเอาต์พุต V_out

V₁ = 1.6 VV₂ = 1.8 VR₁ = 22 kΩR₂ = 47 kΩR_f = 22 kΩ

V_out = V

7.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง

หากระแส I_R2 ผ่าน R₂

V₁ = 9 VR₁ = 6 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 8 Ω

I_R2 = A

8.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก

หากระแส I_R2 ผ่าน R₂

V₁ = 30 VR₁ = 6 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 2 Ω

I_R2 = A

9.เทวินินและนอร์ตันปานกลาง

หาความต้านทานเทวินิน R_th เมื่อมองจากขั้ว a–b

V₁ = 30 VR₁ = 4 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 6 Ω

R_th = Ω

10.เทวินินและนอร์ตันยาก

ต่อโหลด R_L = 8 Ω คร่อม a–b แทนส่วนที่เหลือของวงจรด้วยวงจรสมมูลเทวินิน แล้วหากระแสโหลด I_L

V₁ = 9 VI_s = 6 AR₁ = 15 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 6 ΩR_L = 8 Ω

I_L = A

3สารละลาย

1.บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจ

คำตอบ: V_ab = 11.25 mV

บริดจ์วีตสโตน: ตัวแบ่งแรงดันสองตัวใช้แหล่งจ่าย V_s ร่วมกัน ตัวแบ่งซ้าย R₁–R₂ ให้ V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) และตัวแบ่งขวา R₃–R₄ ให้ V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄) เอาต์พุตคือ V_ab = V_a − V_b บริดจ์สมดุล (V_ab = 0 ไม่มีกระแสในมิเตอร์) เมื่อ R₁/R₂ = R₃/R₄ นั่นคือ R₁·R₄ = R₂·R₃ เมื่อมองจากเอาต์พุต บริดจ์คือแหล่งเทวินินที่มี R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄

การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์

ΔR/R = 1/200 = 0.005

เอาต์พุตแบบเชิงเส้น

V_ab ≈ 9·0.005/4 = 11.25 mV

คำตอบ

V_ab = 11.25 mV

ค่าที่แน่นอนคือ 11.22 mV การประมาณใช้ได้ดีเมื่อ ΔR/R เล็ก

2.บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจ

คำตอบ: σ = 84 MPa

สเตรนเกจ: เกจเปลี่ยนความต้านทานตามความเครียด: ΔR/R = GF·ε โดยตัวประกอบเกจ GF ประมาณ 2 สำหรับแผ่นโลหะบาง ในบริดจ์ที่แขนทุกข้างเท่ากับ R เกจที่ทำงานหนึ่งตัว (ควอเตอร์บริดจ์) ให้ V_o ≈ V_s·GF·ε/4 เกจที่ทำงานสองตัวที่มีความเครียดตรงข้ามกันในแขนที่อยู่ติดกัน (ฮาล์ฟบริดจ์) ให้ V_s·GF·ε/2 และสี่ตัว (ฟูลบริดจ์) ให้ V_s·GF·ε ความเค้นได้จากกฎของฮุก σ = E·ε โหลดเซลล์ระบุความไวเป็น mV/V คือเอาต์พุตที่โหลดเต็มต่อแรงดันกระตุ้นหนึ่งโวลต์

ความเครียด

ε = 4·0.001025/(5·2.05) = 0.0004

ความเค้น

σ = 210·10³ MPa·0.0004 = 84 MPa

คำตอบ

σ = 84 MPa

3.การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่ม

คำตอบ: f_a = 3 kHz

การสุ่ม: ADC วัดสัญญาณ f_s ครั้งต่อวินาที ตามทฤษฎีบทไนควิสต์–แชนนอน ความถี่ f ถูกจับได้ถูกต้องก็ต่อเมื่อ f < f_s/2 ซึ่งเป็นความถี่ไนควิสต์ (ความถี่พับ) ดังนั้นอัตราการสุ่มต้องเกินสองเท่าของความถี่สัญญาณสูงสุด ความถี่ที่สูงกว่าไม่ได้หายไป: มันปรากฏเป็นแอลลิอัสที่ f_a = |f − k·f_s| โดยจำนวนเต็ม k ทำให้ผลลัพธ์อยู่ระหว่าง 0 ถึง f_s/2 ตัวอย่างแยกทั้งสองไม่ออก ดังนั้นฟิลเตอร์ป้องกันแอลลิอัสแบบแอนะล็อกต้องกำจัดทุกอย่างเหนือ f_s/2 ก่อนเข้า ADC

ความถี่ไนควิสต์

f_s/2 = 10 kHz < f = 17 kHz

พหุคูณของอัตราการสุ่มที่ใกล้ที่สุด

k = round(17/20) = 1

ความถี่แอลลิอัส

f_a = |17 − 1·20| = 3 kHz

คำตอบ

f_a = 3 kHz

เส้นประในรูปคือแอลลิอัส: มันผ่านตัวอย่างชุดเดียวกันทุกประการ

4.การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่ม

คำตอบ: N = 11

ความละเอียดของ ADC: ตัวแปลง N บิตแบ่งช่วงเต็มสเกล V_FSR เป็น 2ᴺ รหัส จาก 0 ถึง 2ᴺ − 1 หนึ่งขั้นคือ 1 LSB = V_FSR/2ᴺ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดที่ตัวแปลงแสดงได้ ADC แบบตัดทิ้งให้รหัส ⌊V_in/LSB⌋ ส่วน ADC แบบปัดเศษห่างจากค่าจริงไม่เกิน ½ LSB ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนจากการควอนไทซ์ของมัน ทุกบิตที่เพิ่มทำให้ LSB ลดครึ่งหนึ่งและเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนจากการควอนไทซ์ในอุดมคติประมาณ 6 dB โดย SQNR = 6.02·N + 1.76 dB สำหรับไซน์เต็มสเกล เพื่อให้ได้ความละเอียด r ตลอดช่วงหนึ่ง ให้เลือก N ที่น้อยที่สุดที่ 2ᴺ ≥ ช่วง/r

แก้หา N

N ≥ (65 − 1.76)/6.02 = 10.5

ปัดขึ้น

N = 11

ตรวจสอบ: 6.02·11 + 1.76 = 67.98 dB ≥ 65 dB

คำตอบ

N = 11

5.วงจรออปแอมป์

คำตอบ: V_out = 0.9409 V

กฎของออปแอมป์อุดมคติ: เมื่อมีป้อนกลับลบ ออปแอมป์จะขับเอาต์พุตให้อินพุตทั้งสองมีแรงดันเท่ากัน (V₋ = V₊) และไม่มีกระแสไหลเข้าอินพุตใดเลย เขียน KCL ที่อินพุตกลับเฟสโดยใช้สองข้อนี้ก็จะได้เอาต์พุต

อินพุตกลับเฟสตามอินพุต

V₋ = V₊ = 0.3 V

I = V₋/R₁ = 0.3/22 = 0.01364 mA

แรงดันเอาต์พุต

กระแสผ่าน R₁ ไหลผ่าน R_f ด้วย

V_out = V₋ + I·R_f = 0.3 + 0.01364·47 = 0.9409 V

คำตอบ

V_out = 0.9409 V

6.วงจรออปแอมป์

คำตอบ: V_out = −2.443 V

กระแสอินพุต

V₋ = 0 ดังนั้นตัวต้านทานอินพุตแต่ละตัวมีแรงดันอินพุตเต็มค่าคร่อมอยู่

I₁ = V₁/R₁ = 1.6/22 = 0.07273 mA

I₂ = V₂/R₂ = 1.8/47 = 0.0383 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0.111 mA

แรงดันเอาต์พุต

V_out = −R_f·I_f = −22·0.111 = −2.443 V

คำตอบ

V_out = −2.443 V

7.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R2 = 0.3223 A

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน: ในการต่ออนุกรม กระแสเดียวกันไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว และ R = R₁ + R₂ + … ในการต่อขนาน ตัวต้านทานแต่ละตัวมีแรงดันเท่ากัน และ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … วงจรแบบบันไดลดรูปทีละคู่จนเหลือความต้านทานสมมูลเพียงค่าเดียว

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน

R₃ + R₄ = 5 + 8 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 15·13/(15+13) = 6.964 Ω

R_eq = R₁ + 6.964 = 6 + 6.964 = 12.96 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

แหล่งจ่ายเห็นเพียง R_eq ดังนั้นกฎของโอห์มจึงให้กระแสที่มันจ่ายออกมา กระแสนั้นไหลผ่าน R₁

I_R1 = V₁/R_eq = 9/12.96 = 0.6942 A

กระแสผ่าน R₂

ลบแรงดันตกคร่อม R₁ เพื่อให้ได้แรงดันที่โหนด A ซึ่งเป็นแรงดันคร่อม R₂

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 9 − 0.6942·6 = 4.835 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4.835/15 = 0.3223 A

คำตอบ

I_R2 = 0.3223 A

8.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R2 = 0.9433 A

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

R₅ + R₆ = 5 + 2 = 7 Ω

R₄ ∥ 7 = 5.676 Ω

R₃ + 5.676 = 20.68 Ω

R₂ ∥ 20.68 = 10.17 Ω

R_eq = R₁ + 10.17 = 6 + 10.17 = 16.17 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

I_R1 = V₁/R_eq = 30/16.17 = 1.856 A

กระแสผ่าน R₂

ลบแรงดันตกคร่อม R₁ เพื่อให้ได้แรงดันที่โหนด A ซึ่งเป็นแรงดันคร่อม R₂

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 30 − 1.856·6 = 18.87 V

I_R2 = V_A/R₂ = 18.87/20 = 0.9433 A

คำตอบ

I_R2 = 0.9433 A

9.เทวินินและนอร์ตัน

คำตอบ: R_th = 9.158 Ω

ทฤษฎีบทของเทวินิน: โครงข่ายเชิงเส้นสองขั้วใด ๆ ทำงานเหมือนแหล่งจ่ายแรงดัน V_th หนึ่งตัวต่ออนุกรมกับความต้านทาน R_th ทฤษฎีบทของนอร์ตัน ให้โครงข่ายเดียวกันในรูปแหล่งจ่ายกระแส I_N = V_th/R_th ต่อขนานกับ R_th

หา R_th โดยปิดแหล่งจ่ายทุกตัว

แทนแหล่งจ่ายแรงดันด้วยลัดวงจรและแหล่งจ่ายกระแสด้วยวงจรเปิด แล้วมองเข้าไปในวงจรจาก a–b

R₁ ∥ R₂ = 4·15/(4+15) = 3.158 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3.158 + 6 = 9.158 Ω

10.เทวินินและนอร์ตัน

คำตอบ: I_L = 3.182 A

หา R_th โดยปิดแหล่งจ่ายทุกตัว

R₁ ∥ R₂ = 15·3/(15+3) = 2.5 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.5 + 6 = 8.5 Ω

หา V_th คือแรงดันวงจรเปิด

เมื่อ a–b เปิดอยู่ เส้นทางเดียวของ Iₛ คือผ่าน R₃ เข้าโหนด A หา V_A ด้วยการซ้อนทับของ V₁ และ Iₛ แล้วบวกแรงดันตกคร่อม R₃

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 1.5 + 6·2.5 = 16.5 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 16.5 + 6·6 = 52.5 V

ต่อโหลดเข้ากับวงจรสมมูลเทวินิน

แหล่งจ่ายเทวินินกับ R_th ที่ต่ออนุกรมกันทำงานเหมือนวงจรเดิมที่ a–b ทุกประการ โหลดจึงเห็นเป็นลูปอนุกรมอย่างง่าย

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 52.5/(8.5 + 8) = 3.182 A

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

การวัดและเครื่องมือวัด: ชุดสรุปเร่งรัด

1สูตรและวิธีทำ

บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจ

วิธีการ

การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่ม

วิธีการ

วงจรออปแอมป์

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

วิธีการ

เทวินินและนอร์ตัน

วิธีการ

2โจทย์ฝึก

3สารละลาย

การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์

เอาต์พุตแบบเชิงเส้น

คำตอบ

ความเครียด

ความเค้น

คำตอบ

ความถี่ไนควิสต์

พหุคูณของอัตราการสุ่มที่ใกล้ที่สุด

ความถี่แอลลิอัส

คำตอบ

แก้หา N

ปัดขึ้น

คำตอบ

อินพุตกลับเฟสตามอินพุต

แรงดันเอาต์พุต

คำตอบ

กระแสอินพุต

แรงดันเอาต์พุต

คำตอบ

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

กระแสจากแหล่งจ่าย

กระแสผ่าน R₂

คำตอบ

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

กระแสจากแหล่งจ่าย

กระแสผ่าน R₂

คำตอบ

หา Rth โดยปิดแหล่งจ่ายทุกตัว

หา Rth โดยปิดแหล่งจ่ายทุกตัว

หา Vth คือแรงดันวงจรเปิด

ต่อโหลดเข้ากับวงจรสมมูลเทวินิน

หา R_th โดยปิดแหล่งจ่ายทุกตัว

หา R_th โดยปิดแหล่งจ่ายทุกตัว

หา V_th คือแรงดันวงจรเปิด