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
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
出量
Vab = Va − Vb
平衡
R1/R2 = R3/R4
滑线电桥
R/Rx = l/(100 − l)
戴维南电阻
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
灵敏系数
ΔR/R = GF·ε
电桥输出
1/4 桥 Vs·GF·ε/4，半桥 Vs·GF·ε/2，全桥 Vs·GF·ε
小变化，一个臂
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
应力
σ = E·ε

方法

  1. 把电桥看作接在同一电源上的两个分压器。
  2. 要使电桥平衡，令 R₁/R₂ = R₃/R₄，并解出未知电阻。
  3. 对不平衡电桥，由分压器求出 Va 和 Vb 再相减；当仪表对输出端有负载时，用戴维南等效电路。
  4. 对应变片，把应变换算成 ΔR/R = GF·ε，再用 Vs·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
fs > 2·fmax, fN = fs/2
混叠频率
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
步长
1 LSB = VFSR/2ᴺ
量化误差（四舍五入）
±½ LSB
截断式 ADC 码值
D = ⌊Vin/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 × fs × N 比特/秒
多路复用 ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 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 = fclk/(16·D)

方法

  1. 先写出已知量：采样率、信号频率、位数、输入量程、波特率。
  2. 采样类题目，把每个频率与 fs/2 比较；更高的频率会出现在 fa = |f − k·fs|，其中取最接近的 fs 整数倍。
  3. 分辨率类题目，求 1 LSB = VFSR/2ᴺ，或求满足 2ᴺ ≥ 量程/分辨率 的最小 N。
  4. 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
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

串并联电阻

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

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加，并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 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
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth：所有独立源置零，从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

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

2练习题

1.惠斯通电桥与应变片中等
+−9 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 120 Ω，Vs = 9 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 0.12 Ω。用小变化近似求输出 Vab，单位为 mV。

Vs = 9 VR = 120 ΩΔR = 0.12 Ω
Vab = mV
2.惠斯通电桥与应变片困难
+−5 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

某称重传感器（应变片全桥）在额定载荷 200 kg 时的额定输出为 1 mV/V。激励电压为 5 V。求它在 80 kg 载荷下的输出 Vo。

1 mV/VFrated = 200 kgVs = 5 VF = 80 kg
Vo = mV
3.数据采集与采样中等
Vin​N = ?250 kPa2ᴺ − 10≤ 1 kPa

一个传感器在 250 kPa 的量程内测量压力，其输出充满 ADC 的整个输入范围。读数必须分辨出 1 kPa。求 ADC 所需的最小位数 N。

量程 = 250 kPa分辨率 = 1 kPa
N =
4.数据采集与采样困难
f0fs​/2fs​4.4 kHz3f₁?

一个 4.4 kHz 方波在没有抗混叠滤波器的情况下以 20 kHz 采样。方波含有奇次谐波 3f₁、5f₁、7f₁、…… 它的谐波 3f₁ 在采样数据中出现在哪个频率 fa？以 kHz 给出。

f₁ = 4.4 kHzfs = 20 kHz谐波: 3f₁
fa = kHz
5.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 0.3 V

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.3 VR1 = 4.7 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
6.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 2 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0.3 VR2​ = 10 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = 2 VV2 = 0.3 VR1 = 22 kΩR2 = 10 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
7.串并联电阻中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​3 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​20 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 ΩR5 = 3 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​0.5 ABRL​25 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 25 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 15 VIs = 0.5 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩRL = 25 Ω
PL = W

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 2.25 mV

惠斯通电桥：两个分压器共用一个电源 Vs。左侧分压器 R1–R2 给出 Va = Vs·R2/(R1 + R2)，右侧分压器 R3–R4 给出 Vb = Vs·R4/(R3 + R4)；输出为 Vab = Va − Vb。当 R1/R2 = R3/R4，即 R1·R4 = R2·R3 时，电桥平衡（Vab = 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 Rth = R1∥R2 + R3∥R4。

相对变化

ΔR/R = 0.12/120 = 0.001

线性化输出

Vab ≈ 9·0.001/4 = 2.25 mV

答案

Vab = 2.25 mV

精确值为 2.249 mV；只要 ΔR/R 很小，这个近似就很好。

2.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 2 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 Vo ≈ Vs·GF·ε/4。相邻臂上两个应变相反的工作应变片（半桥）给出 Vs·GF·ε/2，四个（全桥）给出 Vs·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

1·5 = 5 mV

该载荷下的输出

Vo = 5·80/200 = 2 mV

答案

Vo = 2 mV
3.数据采集与采样

答案: N = 8

ADC 分辨率：N 位转换器把满量程 VFSR 分成 2ᴺ 个码，从 0 到 2ᴺ − 1。一个台阶为 1 LSB = VFSR/2ᴺ：转换器能显示的最小变化。截断式 ADC 给出码 ⌊Vin/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。

所需台阶数

250/1 = 250

位数

log₂(250) = 7.966
27 = 128 < 250 ≤ 28 = 256
N = 8

答案

N = 8
4.数据采集与采样

答案: fa = 6.8 kHz

采样：ADC 每秒测量信号 fs 次。根据奈奎斯特–香农定理，只有当 f < fs/2（奈奎斯特频率，也称折叠频率）时，频率 f 才能被正确采集，因此采样率必须超过最高信号频率的两倍。更高的频率不会丢失：它会作为混叠出现在 fa = |f − k·fs|，其中整数 k 使结果落在 0 到 fs/2 之间。采样点无法区分二者，因此必须在 ADC 之前用模拟抗混叠滤波器滤除 fs/2 以上的全部成分。

谐波频率

3f₁ = 3·4.4 kHz = 13.2 kHz

最接近的采样率整数倍

m = round(0.66) = 1

混叠频率

fa = |13.2 − 1·20| = 6.8 kHz

答案

fa = 6.8 kHz

混叠落在信号频带内，任何数字滤波器都无法去除它。只有在 ADC 之前使用模拟滤波器才有帮助。

5.运放电路

答案: Vout = 0.6 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 0.3 V
I = V₋/R1 = 0.3/4.7 = 0.06383 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.3 + 0.06383·4.7 = 0.6 V

答案

Vout = 0.6 V
6.运放电路

答案: If = 0.1209 mA

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。

输入电流

V₋ = 0，所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = 2/22 = 0.09091 mA
I2 = V2/R2 = 0.3/10 = 0.03 mA
If = I1 + I2 = 0.1209 mA

答案

If = 0.1209 mA
7.串并联电阻

答案: Req = 10.8 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。

R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​3 ΩB

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 = 5 + 3 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
Req = R1 + 4.8 = 6 + 4.8 = 10.8 Ω

答案

Req = 10.8 Ω
8.串并联电阻

答案: IR2 = 0.5056 A

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。

R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​20 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 10.7 Ω
R3 + 10.7 = 12.7 Ω
R2 ∥ 12.7 = 6.169 Ω
Req = R1 + 6.169 = 4 + 6.169 = 10.17 Ω

电源电流

电源只看到 Req，由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 10/10.17 = 0.9833 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压，即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0.9833·4 = 6.067 V
IR2 = VA/R2 = 6.067/12 = 0.5056 A

答案

IR2 = 0.5056 A
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 18.75 V

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​20 ΩAabRth​

将所有电源置零，求 Rth

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 = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 15 = 22.5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

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。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·20/(12+20) = 18.75 V
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 1.476 W

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​2 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零，求 Rth

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 = 15·2/(15+2) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 15 = 16.76 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​0.5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

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。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1.765 + 0.5·1.765 = 2.647 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2.647 + 0.5·15 = 10.15 V
Rth​ = 16.76 Ω+−Vth​10.15 VRL​25 ΩIL​

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。

IL = Vth/(Rth + RL) = 10.15/(16.76 + 25) = 0.243 A
PL = IL²·RL = 0.243²·25 = 1.476 W

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