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 задачі Назад до курсу

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

1Формули та методи

Міст Вітстона й тензорезистори

Напруги дільників: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Виведення: V_ab = V_a − V_b
Баланс: R₁/R₂ = R₃/R₄
Реохордний міст: R/R_x = l/(100 − l)
Опір Тевенена: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Коефіцієнт тензочутливості: ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту: чвертьміст V_s·GF·ε/4, напівміст V_s·GF·ε/2, повний міст V_s·GF·ε
Мала зміна, одне плече: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Напруження: σ = E·ε

Метод

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

Збір даних і дискретизація

Критерій Найквіста: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
Частота аліасу: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
Розмір кроку: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
Похибка квантування (округлення): ±½ LSB
Код АЦП з відсіканням: D = ⌊V_in/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 × f_s × N біт/с
АЦП з мультиплексуванням: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/бод; 8N1 = 10 біт на байт; байт/с = бод/біт у кадрі
Дільник швидкості передавання (бод): baud = f_clk/(16·D)

Метод

Випишіть, що дано: частоту дискретизації, частоти сигналу, кількість розрядів, вхідний діапазон, швидкість у бодах.
У задачах на дискретизацію порівнюйте кожну частоту з f_s/2; вища частота виглядає як f_a = |f − k·f_s| з найближчим кратним f_s.
У задачах на роздільність знайдіть 1 LSB = V_FSR/2ᴺ або найменше N, для якого 2ᴺ ≥ діапазон/роздільність.
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: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Неінвертувальний підсилювач: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Сумувальний підсилювач: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Ідеальний ОП: V₊ = V₋, I_in = 0

Послідовні й паралельні резистори

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

Метод

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

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена: V_th = V_{open circuit}
Опір Тевенена: R_th: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона: I_N = V_th/R_th
Струм навантаження: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Передача максимальної потужності: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Метод

Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це V_th.
Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це R_th.
Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: V_th послідовно з R_th.
Для еквівалента Нортона перетворіть: I_N = V_th/R_th, з паралельним R_N = R_th.

2Задачі для практики

1.Міст Вітстона й тензорезисториСередня

Міст із чотирма плечима по 500 Ω живиться від 15 V. Коли датчик R₂ змінюється, вихід показує V_ab = 424,5 mV. Знайдіть точну зміну ΔR опору R₂.

V_s = 15 VR = 500 ΩV_ab = 424,5 mV

ΔR = Ω

2.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна

Міст із плечима по 120 Ω живиться від 5 V і має один активний тензорезистор (чвертьміст). Коефіцієнт тензочутливості — 2,12, деформація — 250 µε. Знайдіть вихід мосту V_o у mV.

V_s = 5 VGF = 2,12ε = 250 µε

V_o = mV

3.Збір даних і дискретизаціяСередня

Синусоїда 5,2 kHz дискретизується з частотою 4 kHz без антиаліасингового фільтра. На якій частоті f_a вона з’являється у відліках? Подайте в Hz.

f = 5,2 kHzf_s = 4 kHz

f_a = Hz

4.Збір даних і дискретизаціяСкладна

12-розрядний АЦП передає кожен відлік через UART зі швидкістю 9600 бод, формат 8E1 (стартовий біт, 8 біт даних, парність за парним числом, 1 стоповий біт). Кожен відлік надсилається як 2 цілих байт(и), і лінія зайнята весь час. Знайдіть найвищу частоту сигналу f_max, яку можна дискретизувати без аліасингу, у Гц.

baud = 9600 BdN = 128E1

f_max = Hz

5.Схеми з операційними підсилювачамиСередня

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу V_out.

V_in = −1,9 VR₁ = 22 kΩR_f = 100 kΩ

V_out = V

6.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна

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

V₁ = −2 VV₂ = −0,4 VR₁ = 100 kΩR₂ = 4,7 kΩR_f = 47 kΩ

V_out = V

7.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть струм I_R1, який віддає джерело і який тече через R₁.

V₁ = 12 VR₁ = 6 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 10 Ω

I_R1 = A

8.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть струм I_R1, який віддає джерело і який тече через R₁.

V₁ = 10 VR₁ = 3 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 2 ΩR₆ = 12 Ω

I_R1 = A

9.Тевенен і НортонСередня

Знайдіть струм Нортона I_N: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V₁ = 9 VR₁ = 12 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 3 Ω

I_N = A

10.Тевенен і НортонСкладна

До a–b підключено навантаження R_L = 25 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження I_L.

V₁ = 10 VI_s = 3 AR₁ = 6 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 12 ΩR_L = 25 Ω

I_L = A

3Розчини

1.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: ΔR = 60 Ω

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

Напруга вузла

V_a = 7,5 + 0,4245 = 7,925 V

Розв’язати дільник

R₂ = 500·7,925/(15 − 7,925) = 560 Ω

ΔR = 560 − 500 = 60 Ω

Відповідь

ΔR = 60 Ω

2.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: V_o = 0,6625 mV

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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають V_s·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — V_s·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.

Відносна зміна опору

ΔR/R = 2,12·250·10⁻⁶ = 0,00053

Вихід мосту

V_o ≈ V_s·GF·ε/4 = 5·0,00053/4 = 0,6625 mV

Відповідь

V_o = 0,6625 mV

3.Збір даних і дискретизація

Відповідь: f_a = 1200 Hz

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

Частота Найквіста

f_s/2 = 2 kHz < f = 5,2 kHz

Найближче кратне частоти дискретизації

k = round(5200/4000) = 1

Частота аліасу

f_a = |5200 − 1·4000| = 1200 Hz

Відповідь

f_a = 1200 Hz

Штрихова крива на рисунку — це аліас: вона проходить через ті самі відліки.

4.Збір даних і дискретизація

Відповідь: f_max = 218,2 Hz

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 T_b = 1/бод, а кадр із n біт — n/бод. Поширений формат 8N1 має 10 біт на байт. Генератор швидкості ділить тактову частоту: бод = f_clk/(16·D) із цілим D, тож реальна швидкість трохи відрізняється від цільової; похибка менш ніж приблизно 2 % зазвичай прийнятна.

Біти на відлік на лінії

2·11 = 22 bit

Найвища частота дискретизації

f_s,max = 9600/22 = 436,4 Hz

Межа Найквіста

f_max = 436,4/2 = 218,2 Hz

Відповідь

f_max = 218,2 Hz

5.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: V_out = −10,54 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.

Інвертувальний вхід повторює вхід

V₋ = V₊ = −1,9 V

I = V₋/R₁ = −1,9/22 = −0,08636 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через R_f.

V_out = V₋ + I·R_f = −1,9 + (−0,08636)·100 = −10,54 V

Відповідь

V_out = −10,54 V

6.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: V_out = 4,94 V

Вхідні струми

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

I₁ = V₁/R₁ = −2/100 = −0,02 mA

I₂ = V₂/R₂ = −0,4/4,7 = −0,08511 mA

I_f = I₁ + I₂ = −0,1051 mA

Вихідна напруга

V_out = −R_f·I_f = −47·(−0,1051) = 4,94 V

Відповідь

V_out = 4,94 V

7.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 1,259 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.

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 = 20 + 10 = 30 Ω

R₂ ∥ 30 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω

R_eq = R₁ + 3,529 = 6 + 3,529 = 9,529 Ω

Струм джерела

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

I_R1 = V₁/R_eq = 12/9,529 = 1,259 A

Відповідь

I_R1 = 1,259 A

8.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 0,963 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 2 + 12 = 14 Ω

R₄ ∥ 14 = 8,235 Ω

R₃ + 8,235 = 28,24 Ω

R₂ ∥ 28,24 = 7,385 Ω

R_eq = R₁ + 7,385 = 3 + 7,385 = 10,38 Ω

Струм джерела

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

I_R1 = V₁/R_eq = 10/10,38 = 0,963 A

Відповідь

I_R1 = 0,963 A

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: I_N = 0,4054 A

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

Знайдіть R_th з усіма вимкненими джерелами

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

R₁ ∥ R₂ = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3,529 + 3 = 6,529 Ω

Знайдіть V_th — 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.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 9·5/(12+5) = 2,647 V

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

I_N = V_th/R_th = 2,647/6,529 = 0,4054 A

10.Тевенен і Нортон

Відповідь: I_L = −1,015 A

Знайдіть R_th з усіма вимкненими джерелами

R₁ ∥ R₂ = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4,839 + 12 = 16,84 Ω

Знайдіть V_th — 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 8,065 + (−3)·4,839 = −6,452 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −6,452 + (−3)·12 = −42,45 V

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.

I_L = V_th/(R_th + R_L) = −42,45/(16,84 + 25) = −1,015 A

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

Вимірювання та вимірювальна техніка: шпаргалка-підсумок

1Формули та методи

Міст Вітстона й тензорезистори

Метод

Збір даних і дискретизація

Метод

Схеми з операційними підсилювачами

Послідовні й паралельні резистори

Метод

Тевенен і Нортон

Метод

2Задачі для практики

3Розчини

Напруга вузла

Розв’язати дільник

Відповідь

Відносна зміна опору

Вихід мосту

Відповідь

Частота Найквіста

Найближче кратне частоти дискретизації

Частота аліасу

Відповідь

Біти на відлік на лінії

Найвища частота дискретизації

Межа Найквіста

Відповідь

Інвертувальний вхід повторює вхід

Вихідна напруга

Відповідь

Вхідні струми

Вихідна напруга

Відповідь

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Струм джерела

Відповідь

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Струм джерела

Відповідь

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Еквівалент Нортона

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Знайдіть R_th з усіма вимкненими джерелами

Знайдіть V_th — напругу холостого ходу

Знайдіть R_th з усіма вимкненими джерелами

Знайдіть V_th — напругу холостого ходу