Вимірювання та вимірювальна техніка: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 10 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Міст Вітстона й тензорезистори

Напруги дільників
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Виведення
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордний міст
R/Rx = l/(100 − l)
Опір Тевенена
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коефіцієнт тензочутливості
ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту
чвертьміст Vs·GF·ε/4, напівміст Vs·GF·ε/2, повний міст Vs·GF·ε
Мала зміна, одне плече
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напруження
σ = E·ε

Метод

  1. Розглядайте міст як два дільники напруги на одному джерелі живлення.
  2. Для рівноваги покладіть R₁/R₂ = R₃/R₄ і розв’яжіть відносно невідомого резистора.
  3. Для незбалансованого мосту знайдіть Va і Vb з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
  4. Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся Vs·GF·ε/4, /2 або ×1 для чвертьмосту, напівмосту чи повного мосту.

Збір даних і дискретизація

Критерій Найквіста
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Частота аліасу
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Розмір кроку
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Похибка квантування (округлення)
±½ LSB
Код АЦП з відсіканням
D = ⌊Vin/LSB⌋
Кількість розрядів для роздільності r
2ᴺ ≥ span/r
Ідеальне SQNR, синус на повну шкалу
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Швидкість передавання даних
канали × fs × N біт/с
АЦП з мультиплексуванням
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/бод; 8N1 = 10 біт на байт; байт/с = бод/біт у кадрі
Дільник швидкості передавання (бод)
baud = fclk/(16·D)

Метод

  1. Випишіть, що дано: частоту дискретизації, частоти сигналу, кількість розрядів, вхідний діапазон, швидкість у бодах.
  2. У задачах на дискретизацію порівнюйте кожну частоту з fs/2; вища частота виглядає як fa = |f − k·fs| з найближчим кратним fs.
  3. У задачах на роздільність знайдіть 1 LSB = VFSR/2ᴺ або найменше N, для якого 2ᴺ ≥ діапазон/роздільність.
  4. У задачах на швидкість даних і лінії UART враховуйте все, що передається: канали, відліки за секунду, біти чи цілі байти на відлік, а також стартові, паритетні й стопові біти кожного кадру.

Схеми з операційними підсилювачами

Інвертувальний підсилювач
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неінвертувальний підсилювач
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Сумувальний підсилювач
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ідеальний ОП
V+ = V−, Iin = 0

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів
Req = R1 + R2 + …
Паралельне з’єднання резисторів
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два паралельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Потужність
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
  2. Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Перемальовуйте коло після кожного кроку.
  4. Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена
Vth = Vopen circuit
Опір Тевенена
Rth: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона
IN = Vth/Rth
Струм навантаження
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальної потужності
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
  2. Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це Vth.
  3. Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це Rth.
  4. Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: Vth послідовно з Rth.
  5. Для еквівалента Нортона перетворіть: IN = Vth/Rth, з паралельним RN = Rth.

2Задачі для практики

1.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−6 V200 Ω200 Ω200 Ω200 Ωab+−

Тензорезистор 200 Ω — це одне плече (R₂) мосту з чотирма однаковими плечима по 200 Ω і живленням 6 V. Знайдіть потужність Pg, що розсіюється в тензорезисторі, у mW. Саморозігрів обмежує живлення.

Vs = 6 VR = 200 Ω
Pg = mW
2.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1,969 mV

Тензорезистор (GF = 2,1) на елементі з E = 110 GPa утворює чвертьміст із живленням 5 V. Вихід показує 1,969 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.

Vs = 5 VGF = 2,1Vo = 1,969 mVE = 110 GPa
σ = MPa
3.Збір даних і дискретизаціяСередня
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​12·Tb​38400 Bd, 8E2

UART передає байти зі швидкістю 38400 бод у форматі 8E2: 8 біт даних, біт парності й 2 стопових біт(и), плюс стартовий біт. Знайдіть найбільшу кількість байт даних за секунду, яку він може передати.

baud = 38400 Bd8E2
RB = B/s
4.Збір даних і дискретизаціяСкладна
f0fs​/2fs​4,5 kHz3f₁?

Прямокутний сигнал 4,5 kHz дискретизується з частотою 10 kHz без антиаліасингового фільтра. Прямокутний сигнал містить непарні гармоніки 3f₁, 5f₁, 7f₁, … На якій частоті fa у дискретизованих даних з’являється його гармоніка 3f₁? Подайте в kHz.

f₁ = 4,5 kHzfs = 10 kHzгармоніка: 3f₁
fa = kHz
5.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = −1 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1,7 VR3​ = 10 kΩR4​ = 47 kΩ

Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = −1 VV2 = −1,7 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
Vout = V
6.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 0,9 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0,5 VR2​ = 4,7 kΩ

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 0,9 VV2 = 0,5 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
8.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 ΩR5 = 8 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩARL​20 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 20 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABRL​10 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 5 VIs = 0,5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A

3Розчини

1.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Pg = 45 mW

Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела Vs. Лівий дільник R1–R2 дає Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правий дільник R3–R4 дає Vb = Vs·R4/(R3 + R4); вихід — Vab = Va − Vb. Міст збалансований (Vab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R1/R2 = R3/R4, тобто R1·R4 = R2·R3. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Напруга на тензорезисторі

V = 6/2 = 3 V

Потужність

Pg = 3²/200 = 45 mW

Відповідь

Pg = 45 mW
2.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: σ = 82,51 MPa

Тензорезистори: тензорезистор змінює опір під дією деформації: ΔR/R = GF·ε, де коефіцієнт тензочутливості GF для металевої фольги близько 2. У мосту, всі плечі якого дорівнюють R, один активний тензорезистор (чвертьміст) дає Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають Vs·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — Vs·GF·ε. Напруження випливає із закону Гука, σ = E·ε. Тензометричні датчики сили вказують чутливість у mV/V: вихід при повному навантаженні на один вольт живлення.

Деформація

ε = 4·0,001969/(5·2,1) = 0,0007501

Напруження

σ = 110·10³ MPa·0,0007501 = 82,51 MPa

Відповідь

σ = 82,51 MPa
3.Збір даних і дискретизація

Відповідь: RB = 3200 B/s

UART: асинхронна послідовна лінія передає кожен байт як кадр: один стартовий біт (низький), біти даних, необов’язковий біт парності та один або два стопові біти (високі). Швидкість у бодах — це кількість біт за секунду, тож один біт триває Tb = 1/бод, а кадр із n біт — n/бод. Поширений формат 8N1 має 10 біт на байт. Генератор швидкості ділить тактову частоту: бод = fclk/(16·D) із цілим D, тож реальна швидкість трохи відрізняється від цільової; похибка менш ніж приблизно 2 % зазвичай прийнятна.

Біти в кадрі

1 + 8 + 1 + 2 = 12

Швидкість у байтах

38400/12 = 3200 B/s

Відповідь

RB = 3200 B/s
4.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fa = 3,5 kHz

Дискретизація: АЦП вимірює сигнал fs разів за секунду. За теоремою Найквіста–Шеннона частота f фіксується правильно лише доти, доки f < fs/2, частота Найквіста (згортання), тож частота дискретизації має перевищувати подвоєну найвищу частоту сигналу. Вища частота не втрачається: вона з’являється як аліас на fa = |f − k·fs|, де ціле k дає результат між 0 і fs/2. Відліки не розрізняють їх, тому аналоговий антиаліасинговий фільтр має прибрати все, що вище fs/2, перед АЦП.

Частота гармоніки

3f₁ = 3·4,5 kHz = 13,5 kHz

Найближче кратне частоти дискретизації

m = round(1,35) = 1

Частота аліасу

fa = |13,5 − 1·10| = 3,5 kHz

Відповідь

fa = 3,5 kHz

Аліас потрапляє всередину смуги сигналу, де жоден цифровий фільтр його не прибере. Допоможе лише аналоговий фільтр перед АЦП.

5.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −3,29 V

Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.

Напруга на входах

Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −1,7·47/(10 + 47) = −1,402 V
V₋ = V₊

ЗСК для інвертувального входу

(−1 − −1,402)/10 = (−1,402 − Vout)/47
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (47/10)·(−1,7 − (−1)) = −3,29 V

Відповідь

Vout = −3,29 V
6.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,6923 V

Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.

Вхідні струми

V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.

I1 = V1/R1 = 0,9/22 = 0,04091 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/4,7 = 0,1064 mA
If = I1 + I2 = 0,1473 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −4,7·0,1473 = −0,6923 V

Відповідь

Vout = −0,6923 V
7.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,8571 A

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R3 + R4 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 3 + 7,5 = 10,5 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

IR1 = V1/Req = 9/10,5 = 0,8571 A

Відповідь

IR1 = 0,8571 A
8.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 11,39 Ω

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R5 + R6 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 3,407 Ω
R3 + 3,407 = 8,407 Ω
R2 ∥ 8,407 = 5,388 Ω
Req = R1 + 5,388 = 6 + 5,388 = 11,39 Ω

Відповідь

Req = 11,39 Ω
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,2184 A

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​5 ΩAabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 8 = 9,429 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·5/(2+5) = 6,429 V
Rth​ = 9,429 Ω+−Vth​6,429 VRL​20 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 6,429/(9,429 + 20) = 0,2184 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = −0,1429 A

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​12 ΩAОБРИВBabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2,5 + (−0,5)·6 = −0,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,5 + (−0,5)·5 = −3 V
Rth​ = 11 Ω−+Vth​3 VRL​10 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = −3/(11 + 10) = −0,1429 A

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