测量与仪器仪表：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 10 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

惠斯通电桥与应变片

分压器电压: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
出量: V_ab = V_a − V_b
平衡: R₁/R₂ = R₃/R₄
滑线电桥: R/R_x = l/(100 − l)
戴维南电阻: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
灵敏系数: ΔR/R = GF·ε
电桥输出: 1/4 桥 V_s·GF·ε/4，半桥 V_s·GF·ε/2，全桥 V_s·GF·ε
小变化，一个臂: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
应力: σ = E·ε

方法

把电桥看作接在同一电源上的两个分压器。
要使电桥平衡，令 R₁/R₂ = R₃/R₄，并解出未知电阻。
对不平衡电桥，由分压器求出 V_a 和 V_b 再相减；当仪表对输出端有负载时，用戴维南等效电路。
对应变片，把应变换算成 ΔR/R = GF·ε，再用 V_s·GF·ε/4、/2 或 ×1 分别对应 1/4 桥、半桥或全桥。

数据采集与采样

奈奎斯特准则: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
混叠频率: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
步长: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
量化误差（四舍五入）: ±½ LSB
截断式 ADC 码值: D = ⌊V_in/LSB⌋
分辨率 r 所需的位数: 2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR，满量程正弦波: SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
数据速率: 通道数 × f_s × N 比特/秒
多路复用 ADC: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/波特率；8N1 = 每字节 10 位；字节/秒 = 波特率/每帧位数
波特率分频器: baud = f_clk/(16·D)

方法

先写出已知量：采样率、信号频率、位数、输入量程、波特率。
采样类题目，把每个频率与 f_s/2 比较；更高的频率会出现在 f_a = |f − k·f_s|，其中取最接近的 f_s 整数倍。
分辨率类题目，求 1 LSB = V_FSR/2ᴺ，或求满足 2ᴺ ≥ 量程/分辨率的最小 N。
数据速率和 UART 链路类题目，要数清所有发送的内容：通道数、每秒采样数、每个采样的位数或整字节数，以及每帧的起始位、校验位和停止位。

运放电路

反相放大器: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
同相放大器: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
加法放大器: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
理想运放: V₊ = V₋, I_in = 0

串并联电阻

电阻串联: R_eq = R₁ + R₂ + …
电阻并联: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
两个电阻并联: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
欧姆定律: V = I·R
功率: P = V·I = I²R = V²/R

方法

从离端子最远的网络末端开始。
串联电阻直接相加，并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
每一步之后重新画电路。
重复直到端子之间只剩一个电阻。

戴维南和诺顿

戴维南电压: V_th = V_{open circuit}
戴维南电阻: R_th：所有独立源置零，从 a–b 看进去
诺顿电流: I_N = V_th/R_th
负载电流: I_L = V_th/(R_th + R_L)
最大功率传输: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

方法

移去负载，并标出两个端子 a 和 b。
求 a、b 之间的开路电压：这就是 V_th。
将所有独立电源置零，求从 a–b 看进去的电阻：这就是 R_th。
把负载接回等效电路：V_th 与 R_th 串联。
求诺顿等效电路时进行变换：I_N = V_th/R_th，R_N = R_th 并联。

2练习题

1.惠斯通电桥与应变片中等

求图示电桥从输出端 a、b 看进去的戴维南电阻 R_th。

V_s = 2 VR₁ = 150 ΩR₂ = 40 ΩR₃ = 200 ΩR₄ = 100 Ω

R_th = Ω

2.惠斯通电桥与应变片困难

某称重传感器（应变片全桥）在额定载荷 500 kg 时的额定输出为 1 mV/V。激励电压为 10 V。求它在 125 kg 载荷下的输出 V_o。

1 mV/VF_rated = 500 kgV_s = 10 VF = 125 kg

V_o = mV

3.数据采集与采样中等

一条 UART 以 19200 波特、8N1 格式发送字节：8 个数据位、无校验和 1 个停止位，外加起始位。求它每秒最多能传输多少个数据字节。

baud = 19200 Bd8N1

R_B = B/s

4.数据采集与采样困难

一个温度传感器给出 5 mV/°C（0 °C 时为 0 V）。其信号被放大 2 倍后送入量程为 0 到 2.5 V 的 10 位 ADC（1 LSB = V_FSR/2ᴺ）。求对应一个 LSB 的温度变化 ΔT_LSB。

S = 5 mV/°CG = 2N = 10V_FSR = 2.5 V

ΔT_LSB = °C

5.运放电路中等

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放，其中 R₃ = R₁，R₄ = R₂。求反相输入端的电压 V₋。

V₁ = 0.1 VV₂ = 0.2 VR₁ = R₃ = 1 kΩR₂ = R₄ = 10 kΩ

V₋ = V

6.运放电路困难

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源。电阻比不匹配。求输出电压 V_out。

V₁ = 1.4 VV₂ = 0.7 VR₁ = 100 kΩR₂ = 4.7 kΩR₃ = 10 kΩR₄ = 100 kΩ

V_out = V

7.串并联电阻中等

求电源 V₁ 看到的等效电阻 R_eq。

V₁ = 12 VR₁ = 4 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 3 Ω

R_eq = Ω

8.串并联电阻困难

求电源 V₁ 看到的等效电阻 R_eq。

V₁ = 5 VR₁ = 4 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 4 ΩR₆ = 15 Ω

R_eq = Ω

9.戴维南和诺顿中等

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 V_th。

V₁ = 30 VR₁ = 4 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 12 Ω

V_th = V

10.戴维南和诺顿困难

在 a–b 之间接入负载 R_L = 6 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 P_L。

V₁ = 6 VI_s = 3 AR₁ = 2 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 25 ΩR_L = 6 Ω

P_L = W

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: R_th = 98.25 Ω

惠斯通电桥：两个分压器共用一个电源 V_s。左侧分压器 R₁–R₂ 给出 V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂)，右侧分压器 R₃–R₄ 给出 V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄)；输出为 V_ab = V_a − V_b。当 R₁/R₂ = R₃/R₄，即 R₁·R₄ = R₂·R₃ 时，电桥平衡（V_ab = 0，检流计中没有电流）。从输出端看，电桥是一个戴维南电源，其 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄。

电源短路

R₁∥R₂ = 150·40/190 = 31.58 Ω

R₃∥R₄ = 200·100/300 = 66.67 Ω

戴维南电阻

R_th = 98.25 Ω

答案

R_th = 98.25 Ω

2.惠斯通电桥与应变片

答案: V_o = 2.5 mV

应变片：应变片的电阻随应变变化：ΔR/R = GF·ε，其中金属箔的灵敏系数 GF 约为 2。在各臂都等于 R 的电桥中，一个工作应变片（1/4 桥）给出 V_o ≈ V_s·GF·ε/4。相邻臂上两个应变相反的工作应变片（半桥）给出 V_s·GF·ε/2，四个（全桥）给出 V_s·GF·ε。应力由胡克定律得出，σ = E·ε。称重传感器的灵敏度以 mV/V 表示：每伏激励电压在满载时的输出。

满量程输出

1·10 = 10 mV

该载荷下的输出

V_o = 10·125/500 = 2.5 mV

答案

V_o = 2.5 mV

3.数据采集与采样

答案: R_B = 1920 B/s

UART：异步串行链路把每个字节作为一帧发送：一个起始位（低电平）、若干数据位、一个可选的校验位以及一个或两个停止位（高电平）。波特率是每秒的位数，所以一位持续 T_b = 1/波特率，n 位的一帧持续 n/波特率。常见的 8N1 格式每个字节占 10 位。波特率发生器对时钟分频：波特率 = f_clk/(16·D)，其中 D 为整数，因此实际波特率与目标值略有差别；误差在约 2 % 以内通常可以接受。

每帧位数

1 + 8 + 0 + 1 = 10

字节速率

19200/10 = 1920 B/s

答案

R_B = 1920 B/s

4.数据采集与采样

答案: ΔT_LSB = 0.2441 °C

ADC 分辨率：N 位转换器把满量程 V_FSR 分成 2ᴺ 个码，从 0 到 2ᴺ − 1。一个台阶为 1 LSB = V_FSR/2ᴺ：转换器能显示的最小变化。截断式 ADC 给出码 ⌊V_in/LSB⌋；四舍五入式 ADC 与真实值的偏差永远不超过 ½ LSB，即它的量化误差。每增加一位，LSB 减半，对满量程正弦波而言，理想信号量化噪声比 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB 约增加 6 dB。要在量程内达到分辨率 r，选取满足 2ᴺ ≥ 量程/r 的最小 N。

步长

1 LSB = 2500/1024 = 2.441 mV

ADC 处的灵敏度

5·2 = 10 mV/°C

温度分辨率

ΔT_LSB = 2.441/10 = 0.2441 °C

答案

ΔT_LSB = 0.2441 °C

ADC 在 250 °C 时达到满量程。

5.运放电路

答案: V₋ = 0.1818 V

理想运放规则：在负反馈下，运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊)，且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入端的电压

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流，所以构成分压器；反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 0.2·10/(1 + 10) = 0.1818 V

V₋ = V₊

答案

V₋ = 0.1818 V

6.运放电路

答案: V_out = 0.6005 V

+ 输入端的电压

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 0.7·100/(10 + 100) = 0.6364 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时，V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时，V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

V_out = −(4.7/100)·1.4 + (1 + 4.7/100)·0.6364 = −0.0658 + 0.6663 = 0.6005 V

答案

V_out = 0.6005 V

7.串并联电阻

答案: R_eq = 7.059 Ω

串联和并联电阻：串联时每个电阻流过相同电流，R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同，1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对，直到只剩一个等效电阻。

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始，逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联；接在同一对节点之间的电阻为并联。

R₃ + R₄ = 10 + 3 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 4·13/(4+13) = 3.059 Ω

R_eq = R₁ + 3.059 = 4 + 3.059 = 7.059 Ω

答案

R_eq = 7.059 Ω

8.串并联电阻

答案: R_eq = 15.62 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始，逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联；接在同一对节点之间的电阻为并联。

R₅ + R₆ = 4 + 15 = 19 Ω

R₄ ∥ 19 = 3.958 Ω

R₃ + 3.958 = 18.96 Ω

R₂ ∥ 18.96 = 11.62 Ω

R_eq = R₁ + 11.62 = 4 + 11.62 = 15.62 Ω

答案

R_eq = 15.62 Ω

9.戴维南和诺顿

答案: V_th = 12.86 V

戴维南定理：任何线性二端网络都等效为一个电压源 V_th 串联一个电阻 R_th。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 I_N = V_th/R_th 与 R_th 并联。

将所有电源置零，求 R_th

电压源换成短路，电流源换成开路，然后从 a–b 看进电路。

R₁ ∥ R₂ = 4·3/(4+3) = 1.714 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1.714 + 12 = 13.71 Ω

求开路电压 V_th

a–b 开路时 R₃ 中没有电流，因此其上无压降，V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 30·3/(4+3) = 12.86 V

10.戴维南和诺顿

答案: P_L = 40.78 W

戴维南定理：任何线性二端网络都等效为一个电压源 V_th 串联一个电阻 R_th。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 I_N = V_th/R_th 与 R_th 并联。

将所有电源置零，求 R_th

电压源换成短路，电流源换成开路，然后从 a–b 看进电路。

R₁ ∥ R₂ = 2·12/(2+12) = 1.714 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1.714 + 25 = 26.71 Ω

求开路电压 V_th

a–b 开路时，Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A，再加上 R₃ 上的压降。

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 5.143 + 3·1.714 = 10.29 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 10.29 + 3·25 = 85.29 V

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同，因此负载看到的是一个简单串联回路。

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 85.29/(26.71 + 6) = 2.607 A

P_L = I_L²·R_L = 2.607²·6 = 40.78 W

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测量与仪器仪表：速成包

1公式与方法

惠斯通电桥与应变片

方法

数据采集与采样

方法

运放电路

串并联电阻

方法

戴维南和诺顿

方法

2练习题

3溶液

电源短路

戴维南电阻

答案

满量程输出

该载荷下的输出

答案

每帧位数

字节速率

答案

步长

ADC 处的灵敏度

温度分辨率

答案

输入端的电压

答案

+ 输入端的电压

叠加两个输入

答案

从远端开始合并电阻

答案

从远端开始合并电阻

答案

将所有电源置零，求 Rth

求开路电压 Vth

将所有电源置零，求 Rth

求开路电压 Vth

将负载接到戴维南等效电路上

将所有电源置零，求 R_th

求开路电压 V_th

将所有电源置零，求 R_th

求开路电压 V_th