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 cảm biến biến dạng 1000 Ω là một nhánh (R₂) của cầu có bốn nhánh bằng nhau 1000 Ω và điện áp kích thích 3 V. Tìm công suất P_g tiêu tán trong cảm biến, theo mW. Sự tự nóng giới hạn điện áp kích thích.

V_s = 3 VR = 1000 Ω

P_g = mW

2.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó

Một load cell (một cầu đầy đủ gồm các cảm biến biến dạng) có đầu ra định mức 1,5 mV/V tại tải định mức 200 kg. Nó được kích thích bằng 5 V. Tìm đầu ra V_o của nó dưới tải 50 kg.

1,5 mV/VF_rated = 200 kgV_s = 5 VF = 50 kg

V_o = mV

3.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình

Một máy ghi lấy mẫu 2 kênh ở 20 kHz mỗi kênh với ADC 24 bit. Mỗi mẫu được lưu bằng số byte nguyên. Tìm bộ nhớ M cần cho một bản ghi 15 phút, theo MB (1 MB = 10⁶ byte).

n = 2f_s = 20 kHzN = 24t = 15 min

M = MB

4.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó

Một vi điều khiển có xung nhịp 4 MHz đặt tốc độ baud UART là f_clk/(16·D), với D là số nguyên được làm tròn đến giá trị gần nhất. Mục tiêu là 115200 baud. Tìm sai số phần trăm của tốc độ baud thực (dương khi nó quá nhanh).

f_clk = 4 MHzmục tiêu = 115200 Bd

e = %

5.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình

Chọn điện trở hồi tiếp R_f để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 4.

R₁ = 100 kΩA_v = 4

R_f = kΩ

6.Mạch khuếch đại thuật toánKhó

Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm dòng điện I_f qua điện trở hồi tiếp, chạy về phía ngõ ra.

V₁ = 1,2 VV₂ = −0,5 VR₁ = 10 kΩR₂ = 100 kΩR_f = 10 kΩ

I_f = mA

7.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình

Tìm điện trở tương đương R_eq mà nguồn V₁ nhìn thấy.

V₁ = 12 VR₁ = 6 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 12 Ω

R_eq = Ω

8.Điện trở nối tiếp và song songKhó

Tìm điện trở tương đương R_eq mà nguồn V₁ nhìn thấy.

V₁ = 36 VR₁ = 12 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 25 Ω

R_eq = Ω

9.Thévenin và NortonTrung bình

Tìm dòng Norton I_N: dòng điện chạy từ a đến b nếu nối tắt hai cực.

V₁ = 15 VR₁ = 12 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 15 Ω

I_N = A

10.Thévenin và NortonKhó

Một tải R_L = 15 Ω được nối giữa a–b. Dùng mạch tương đương Thévenin để tìm công suất P_L tải nhận được.

V₁ = 18 VI_s = 6 AR₁ = 30 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 12 ΩR_L = 15 Ω

P_L = W

3Dung dịch

1.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: P_g = 2,25 mW

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.

Điện áp trên cảm biến

V = 3/2 = 1,5 V

Công suất

P_g = 1,5²/1000 = 2,25 mW

Đáp số

P_g = 2,25 mW

2.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: V_o = 1,875 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.

Đầu ra toàn thang đo

1,5·5 = 7,5 mV

Đầu ra ở tải này

V_o = 7,5·50/200 = 1,875 mV

Đáp số

V_o = 1,875 mV

3.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: M = 108 MB

Tốc độ dữ liệu: mỗi kênh cung cấp f_s mẫu mỗi giây, mỗi mẫu N bit, nên tốc độ thô là số kênh × f_s × N bit/s. Trong bộ nhớ, một mẫu chiếm số byte nguyên (một mẫu 12 bit được lưu trong 2 byte), nên bộ nhớ cho một bản ghi là số kênh × f_s × số byte mỗi mẫu × thời gian. ADC ghép kênh chuyển đổi lần lượt các kênh: mỗi lần chuyển đổi (kể cả thời gian ổn định) mất t, nên một vòng n kênh mất n·t và mỗi kênh được lấy mẫu ở 1/(n·t).

Số byte mỗi mẫu

⌈24/8⌉ = 3 B

Tốc độ byte

2·20000·3 = 120000 B/s

Bộ nhớ

M = 120000·900 = 1,08 × 10⁸ B = 108 MB

Đáp số

M = 108 MB

4.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: e = 8,507 %

UART: một đường truyền nối tiếp không đồng bộ gửi mỗi byte thành một khung: một bit khởi đầu (mức thấp), các bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và một hoặc hai bit dừng (mức cao). Tốc độ baud là số bit mỗi giây, nên một bit kéo dài T_b = 1/baud và một khung n bit kéo dài n/baud. Định dạng 8N1 phổ biến có 10 bit cho mỗi byte. Bộ tạo baud chia tần số xung nhịp: baud = f_clk/(16·D) với D là số nguyên, nên tốc độ baud thực khác mục tiêu đôi chút; sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.

Bộ chia

D = 4·10⁶/(16·115200) = 2,17 → 2

Tốc độ baud thực

4·10⁶/(16·2) = 125000 Bd

Sai số

(125000 − 115200)/115200·100 = 8,507 %

Đáp số

e = 8,507 %

Sai số trên khoảng 2 % làm đường truyền không đáng tin cậy: hãy chọn xung nhịp hoặc tốc độ baud khác.

5.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: R_f = 300 kΩ

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.

Độ lợi của bộ khuếch đại không đảo

V₋ = V₊ = V_in, và dòng điện qua R₁ cũng chạy qua R_f, nên V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (4 − 1)·100 = 300 kΩ

Đáp số

R_f = 300 kΩ

6.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: I_f = 0,115 mA

Dòng điện ngõ vào

V₋ = 0, nên mỗi điện trở ngõ vào chịu toàn bộ điện áp ngõ vào của nó.

I₁ = V₁/R₁ = 1,2/10 = 0,12 mA

I₂ = V₂/R₂ = −0,5/100 = −0,005 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0,115 mA

Đáp số

I_f = 0,115 mA

7.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: R_eq = 7,862 Ω

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 = 15 + 12 = 27 Ω

R₂ ∥ 27 = 2·27/(2+27) = 1,862 Ω

R_eq = R₁ + 1,862 = 6 + 1,862 = 7,862 Ω

Đáp số

R_eq = 7,862 Ω

8.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: R_eq = 20,24 Ω

Gộp các điện trở từ đầu xa

R₅ + R₆ = 3 + 25 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 7,368 Ω

R₃ + 7,368 = 11,37 Ω

R₂ ∥ 11,37 = 8,244 Ω

R_eq = R₁ + 8,244 = 12 + 8,244 = 20,24 Ω

Đáp số

R_eq = 20,24 Ω

9.Thévenin và Norton

Đáp số: I_N = 0,303 A

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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4,8 + 15 = 19,8 Ω

Tìm V_th, điện áp hở mạch

Khi a–b hở, không có dòng điện qua R₃, nên không có sụt áp trên nó và V_b = V_A. R₁ và R₂ tạo thành một cầu chia áp.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 15·8/(12+8) = 6 V

Mạch tương đương Norton

Nguồn Norton là cùng mạch đó nhìn như một nguồn dòng song song với R_th. Dòng của nó là dòng ngắn mạch tại a–b.

I_N = V_th/R_th = 6/19,8 = 0,303 A

10.Thévenin và Norton

Đáp số: P_L = 146,1 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3,529 + 12 = 15,53 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) = 2,118 + 6·3,529 = 23,29 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 23,29 + 6·12 = 95,29 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) = 95,29/(15,53 + 15) = 3,121 A

P_L = I_L²·R_L = 3,121²·15 = 146,1 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

Điện áp trên cảm biến

Công suất

Đáp số

Đầu ra toàn thang đo

Đầu ra ở tải này

Đáp số

Số byte mỗi mẫu

Tốc độ byte

Bộ nhớ

Đáp số

Bộ chia

Tốc độ baud thực

Sai số

Đáp số

Độ lợi của bộ khuếch đại không đảo

Đáp số

Dòng điện ngõ vào

Đáp số

Gộp các điện trở từ đầu xa

Đáp số

Gộp các điện trở từ đầu xa

Đáp số

Tìm Rth khi tắt mọi nguồn

Tìm Vth, điện áp hở mạch

Mạch tương đương Norton

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 V_th, điện áp hở mạch

Tìm R_th khi tắt mọi nguồn

Tìm V_th, điện áp hở mạch