Đo lường và thiết bị: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 10 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Điện áp bộ chia: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Lượng ra: V_ab = V_a − V_b
Cân bằng: R₁/R₂ = R₃/R₄
Cầu dây trượt: R/R_x = l/(100 − l)
Điện trở Thévenin: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Hệ số cảm biến: ΔR/R = GF·ε
Đầu ra của cầu: một phần tư V_s·GF·ε/4, một nửa V_s·GF·ε/2, đầy đủ V_s·GF·ε
Thay đổi nhỏ, một nhánh: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Ứng suất: σ = E·ε

Phương pháp

Coi cầu như hai bộ chia áp mắc song song trên cùng một nguồn.
Để cầu cân bằng, đặt R₁/R₂ = R₃/R₄ rồi giải tìm điện trở chưa biết.
Với cầu không cân bằng, tìm V_a và V_b từ các bộ chia áp rồi lấy hiệu; dùng mạch tương đương Thévenin khi đồng hồ đo làm tải đầu ra.
Với cảm biến biến dạng (strain gauge), đổi biến dạng sang ΔR/R = GF·ε rồi dùng V_s·GF·ε/4, /2 hoặc ×1 cho cầu một phần tư, nửa cầu hoặc cầu đầy đủ.

Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Tiêu chuẩn Nyquist: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
Tần số răng cưa (alias): f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
Kích thước bước lượng tử: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
Sai số lượng tử hóa (làm tròn): ±½ LSB
Mã ADC cắt cụt: D = ⌊V_in/LSB⌋
Số bit cho độ phân giải r: 2ᴺ ≥ span/r
SQNR lý tưởng, sóng sin toàn thang: SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tốc độ dữ liệu: số kênh × f_s × N bit/s
ADC ghép kênh: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud; 8N1 = 10 bit cho mỗi byte; byte/s = baud/số bit mỗi khung
Bộ chia tốc độ baud: baud = f_clk/(16·D)

Phương pháp

Ghi ra những gì đã cho: tốc độ lấy mẫu, các tần số tín hiệu, số bit, dải đầu vào, tốc độ baud.
Với các câu hỏi về lấy mẫu, so sánh từng tần số với f_s/2; tần số cao hơn xuất hiện tại f_a = |f − k·f_s| với bội số gần nhất của f_s.
Với các câu hỏi về độ phân giải, tìm 1 LSB = V_FSR/2ᴺ, hoặc N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/độ phân giải.
Với tốc độ dữ liệu và đường truyền UART, đếm mọi thứ được gửi đi: số kênh, số mẫu mỗi giây, số bit hoặc số byte nguyên mỗi mẫu, và các bit khởi đầu, chẵn lẻ và dừng của mỗi khung.

Mạch khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại đảo: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Bộ khuếch đại không đảo: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Bộ khuếch đại cộng: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Op-amp lý tưởng: V₊ = V₋, I_in = 0

Điện trở nối tiếp và song song

Điện trở nối tiếp: R_eq = R₁ + R₂ + …
Điện trở song song: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Hai điện trở song song: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Định luật Ohm: V = I·R
Công suất: P = V·I = I²R = V²/R

Phương pháp

Bắt đầu từ đầu của mạng xa các cực nhất.
Gộp các điện trở nối tiếp bằng cách cộng chúng, và các điện trở song song bằng 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vẽ lại mạch sau mỗi bước.
Lặp lại cho đến khi chỉ còn một điện trở giữa hai cực.

Thévenin và Norton

Điện áp Thévenin: V_th = V_{open circuit}
Điện trở Thévenin: R_th: tắt mọi nguồn, nhìn từ a–b
Dòng Norton: I_N = V_th/R_th
Dòng điện qua tải: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Truyền công suất cực đại: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Phương pháp

Bỏ tải ra và đánh dấu hai cực a và b.
Tìm điện áp hở mạch giữa a và b: đây là V_th.
Tắt mọi nguồn độc lập và tìm điện trở nhìn từ a–b: đây là R_th.
Đặt lại tải vào mạch tương đương: V_th nối tiếp với R_th.
Với mạch tương đương Norton, hãy chuyển đổi: I_N = V_th/R_th, với R_N = R_th mắc song song.

2Bài tập

1.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình

Một cầu có bốn nhánh 470 Ω và V_s = 15 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 2,35 Ω. Dùng xấp xỉ thay đổi nhỏ, tìm đầu ra V_ab theo mV.

V_s = 15 VR = 470 ΩΔR = 2,35 Ω

V_ab = mV

2.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó

Một cầu có các nhánh 120 Ω được kích thích bằng 3 V và có bốn cảm biến hoạt động, hai chịu kéo và hai chịu nén (cầu đầy đủ). Hệ số cảm biến là 2,12 và biến dạng là 400 µε. Tìm đầu ra của cầu V_o theo mV.

V_s = 3 VGF = 2,12ε = 400 µε

V_o = mV

3.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình

Một sóng sin 9 kHz được lấy mẫu ở 10 kHz mà không có bộ lọc chống răng cưa. Nó xuất hiện ở tần số f_a nào trong các mẫu? Cho kết quả theo kHz.

f = 9 kHzf_s = 10 kHz

f_a = kHz

4.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó

Một sóng vuông 900 Hz được lấy mẫu ở 5 kHz mà không có bộ lọc chống răng cưa. Sóng vuông chứa các sóng hài lẻ 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Sóng hài 3f₁ của nó xuất hiện ở tần số f_a nào trong dữ liệu lấy mẫu? Cho kết quả theo Hz.

f₁ = 900 Hzf_s = 5 kHzsóng hài: 3f₁

f_a = Hz

5.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình

Op-amp là lý tưởng và chạy với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra V_out.

V_in = 0,5 VR_a = 1 kΩR_b = 47 kΩR₁ = 1 kΩR_f = 22 kΩ

V_out = V

6.Mạch khuếch đại thuật toánKhó

Hai tầng op-amp lý tưởng được mắc nối tiếp: một mạch khuếch đại đảo (R₁, R_f1) theo sau là một mạch khuếch đại không đảo (R₂ nối đất, R_f2 trong hồi tiếp). Cả hai chạy từ nguồn ±15 V. Tìm độ khuếch đại điện áp tổng A_v = V_out/V_in.

R₁ = 2 kΩR_f1 = 4,7 kΩR₂ = 10 kΩR_f2 = 2 kΩ

A_v =

7.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình

Tìm dòng điện I_R1 do nguồn cung cấp, chạy qua R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 3 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 8 Ω

I_R1 = A

8.Điện trở nối tiếp và song songKhó

Tìm dòng điện I_R1 do nguồn cung cấp, chạy qua R₁.

V₁ = 36 VR₁ = 12 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 10 Ω

I_R1 = A

9.Thévenin và NortonTrung bình

Tìm điện trở Thévenin R_th nhìn từ cặp cực a–b.

V₁ = 18 VR₁ = 3 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 20 Ω

R_th = Ω

10.Thévenin và NortonKhó

Một tải R_L = 12 Ω được nối giữa a–b. Dùng mạch tương đương Thévenin để tìm công suất P_L tải nhận được.

V₁ = 9 VI_s = 1 AR₁ = 12 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 6 ΩR_L = 12 Ω

P_L = W

3Dung dịch

1.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: V_ab = 18,75 mV

Cầu Wheatstone: hai bộ chia áp dùng chung một nguồn V_s. Bộ chia bên trái R₁–R₂ cho V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) và bộ chia bên phải R₃–R₄ cho V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); đầu ra là V_ab = V_a − V_b. Cầu cân bằng (V_ab = 0, không có dòng qua đồng hồ) khi R₁/R₂ = R₃/R₄, tức R₁·R₄ = R₂·R₃. Nhìn từ đầu ra, cầu là một nguồn Thévenin với R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Thay đổi tương đối

ΔR/R = 2,35/470 = 0,005

Đầu ra tuyến tính hóa

V_ab ≈ 15·0,005/4 = 18,75 mV

Đáp số

V_ab = 18,75 mV

Giá trị chính xác là 18,7 mV; xấp xỉ tốt khi ΔR/R còn nhỏ.

2.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: V_o = 2,544 mV

Cảm biến biến dạng (strain gauge): một cảm biến thay đổi điện trở theo biến dạng: ΔR/R = GF·ε, trong đó hệ số cảm biến GF khoảng 2 với lá kim loại. Trong cầu có mọi nhánh bằng R, một cảm biến hoạt động (cầu một phần tư) cho V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Hai cảm biến hoạt động có biến dạng ngược chiều ở các nhánh kề nhau (nửa cầu) cho V_s·GF·ε/2, và bốn cảm biến (cầu đầy đủ) cho V_s·GF·ε. Ứng suất suy ra từ định luật Hooke, σ = E·ε. Các cảm biến lực (load cell) nêu độ nhạy theo mV/V: đầu ra ở đầy tải trên mỗi vôn kích thích.

Thay đổi điện trở tương đối

ΔR/R = 2,12·400·10⁻⁶ = 0,000848

Đầu ra của cầu

V_o = V_s·GF·ε = 3·0,000848 = 2,544 mV

Đáp số

V_o = 2,544 mV

3.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: f_a = 1 kHz

Lấy mẫu: một ADC đo tín hiệu f_s lần mỗi giây. Theo định lý Nyquist–Shannon, một tần số f chỉ được thu đúng khi f < f_s/2, tức tần số Nyquist (tần số gập), nên tốc độ lấy mẫu phải vượt quá hai lần tần số tín hiệu cao nhất. Một tần số cao hơn không bị mất: nó xuất hiện dưới dạng tần số răng cưa tại f_a = |f − k·f_s|, với số nguyên k đưa kết quả vào khoảng từ 0 đến f_s/2. Các mẫu không thể phân biệt hai tần số đó, nên một bộ lọc chống răng cưa tương tự phải loại bỏ mọi thứ trên f_s/2 trước ADC.

Tần số Nyquist

f_s/2 = 5 kHz < f = 9 kHz

Bội số gần nhất của tốc độ lấy mẫu

k = round(9/10) = 1

Tần số răng cưa (alias)

f_a = |9 − 1·10| = 1 kHz

Đáp số

f_a = 1 kHz

Đường nét đứt trong hình là tần số răng cưa: nó đi qua đúng các mẫu giống nhau.

4.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: f_a = 2300 Hz

Tần số sóng hài

3f₁ = 3·900 Hz = 2,7 kHz

Bội số gần nhất của tốc độ lấy mẫu

m = round(0,54) = 1

Tần số răng cưa (alias)

f_a = |2700 − 1·5000| = 2300 Hz

Đáp số

f_a = 2300 Hz

Tần số răng cưa rơi vào trong dải tín hiệu, nơi không bộ lọc số nào loại bỏ được nó. Chỉ có bộ lọc tương tự trước ADC mới giúp được.

5.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: V_out = 11,26 V

Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.

Điện áp tại đầu vào +

V₊ = V_in·R_b/(R_a + R_b) = 0,5·47/(1 + 47) = 0,4896 V

Độ khuếch đại không đảo

V₋ = V₊, và dòng điện qua R₁ cũng chạy qua R_f.

V_out = V₊·(1 + R_f/R₁) = 0,4896·(1 + 22/1) = 11,26 V

Đáp số

V_out = 11,26 V

6.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: A_v = −2,82

Độ khuếch đại của mỗi tầng

A₁ = −R_f1/R₁ = −4,7/2 = −2,35

A₂ = 1 + R_f2/R₂ = 1 + 2/10 = 1,2

Độ khuếch đại tổng

A_v = A₁·A₂ = −2,35·1,2 = −2,82

Đáp số

A_v = −2,82

7.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: I_R1 = 4,359 A

Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.

Gộp các điện trở từ đầu xa

Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.

R₃ + R₄ = 3 + 8 = 11 Ω

R₂ ∥ 11 = 6·11/(6+11) = 3,882 Ω

R_eq = R₁ + 3,882 = 3 + 3,882 = 6,882 Ω

Dòng điện từ nguồn

Nguồn chỉ thấy R_eq, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 30/6,882 = 4,359 A

Đáp số

I_R1 = 4,359 A

8.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: I_R1 = 2,33 A

Gộp các điện trở từ đầu xa

R₅ + R₆ = 3 + 10 = 13 Ω

R₄ ∥ 13 = 3,059 Ω

R₃ + 3,059 = 6,059 Ω

R₂ ∥ 6,059 = 3,448 Ω

R_eq = R₁ + 3,448 = 12 + 3,448 = 15,45 Ω

Dòng điện từ nguồn

Nguồn chỉ thấy R_eq, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 36/15,45 = 2,33 A

Đáp số

I_R1 = 2,33 A

9.Thévenin và Norton

Đáp số: R_th = 22,61 Ω

Định lý Thévenin: mọi mạng tuyến tính hai cực đều hoạt động như một nguồn điện áp V_th duy nhất nối tiếp với điện trở R_th. Định lý Norton cho cùng mạng đó dưới dạng nguồn dòng I_N = V_th/R_th song song với R_th.

Tìm R_th khi tắt mọi nguồn

Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.

R₁ ∥ R₂ = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2,609 + 20 = 22,61 Ω

10.Thévenin và Norton

Đáp số: P_L = 3 W

Tìm R_th khi tắt mọi nguồn

Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.

R₁ ∥ R₂ = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2,4 + 6 = 8,4 Ω

Tìm V_th, điện áp hở mạch

Khi a–b hở, đường duy nhất cho Iₛ là qua R₃ vào nút A. Tìm V_A bằng xếp chồng V₁ và Iₛ, rồi cộng thêm độ sụt áp trên R₃.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 1,8 + 1·2,4 = 4,2 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 4,2 + 1·6 = 10,2 V

Nối tải vào mạch tương đương Thévenin

Nguồn Thévenin nối tiếp với R_th hoạt động giống hệt mạch gốc tại a–b, nên tải thấy một mạch vòng nối tiếp đơn giản.

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 10,2/(8,4 + 12) = 0,5 A

P_L = I_L²·R_L = 0,5²·12 = 3 W

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

Đo lường và thiết bị: gói ôn nước rút

1Công thức và phương pháp

Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Phương pháp

Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Phương pháp

Mạch khuếch đại thuật toán

Điện trở nối tiếp và song song

Phương pháp

Thévenin và Norton

Phương pháp

2Bài tập

3Dung dịch

Thay đổi tương đối

Đầu ra tuyến tính hóa

Đáp số

Thay đổi điện trở tương đối

Đầu ra của cầu

Đáp số

Tần số Nyquist

Bội số gần nhất của tốc độ lấy mẫu

Tần số răng cưa (alias)

Đáp số

Tần số sóng hài

Bội số gần nhất của tốc độ lấy mẫu

Tần số răng cưa (alias)

Đáp số

Điện áp tại đầu vào +

Độ khuếch đại không đảo

Đáp số

Độ khuếch đại của mỗi tầng

Độ khuếch đại tổng

Đáp số

Gộp các điện trở từ đầu xa

Dòng điện từ nguồn

Đáp số

Gộp các điện trở từ đầu xa

Dòng điện từ nguồn

Đáp số

Tìm Rth khi tắt mọi nguồn

Tìm Rth khi tắt mọi nguồn

Tìm Vth, điện áp hở mạch

Nối tải vào mạch tương đương Thévenin

Tìm R_th khi tắt mọi nguồn

Tìm R_th khi tắt mọi nguồn

Tìm V_th, điện áp hở mạch