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
+−3 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 100 Ω，Vs = 3 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 15 Ω。求精确输出 Vab，单位为 mV。

Vs = 3 VR = 100 ΩΔR = 15 Ω
Vab = mV
2.惠斯通电桥与应变片困难
+−5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

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 1.5 mV/V。激励电压为 5 V。求它在 375 kg 载荷下的输出 Vo。

1.5 mV/VFrated = 500 kgVs = 5 VF = 375 kg
Vo = mV
3.数据采集与采样中等
Vin​N = ?100 mm2ᴺ − 10≤ 0.05 mm

一个传感器在 100 mm 的量程内测量距离，其输出充满 ADC 的整个输入范围。读数必须分辨出 0.05 mm。求 ADC 所需的最小位数 N。

量程 = 100 mm分辨率 = 0.05 mm
N =
4.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​4 MHz / (16·D)

一个时钟为 4 MHz 的微控制器把其 UART 波特率设为 fclk/(16·D)，其中 D 是四舍五入到最接近值的整数。目标是 115200 波特。求实际波特率的百分比误差（偏快时为正）。

fclk = 4 MHz目标 = 115200 Bd
e = %
5.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4.7 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf，使该同相放大器的电压增益为 21。

R1 = 4.7 kΩAv = 21
Rf = kΩ
6.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级：反相R1​ = 10 kΩRf1​ = 47 kΩ第 2 级：同相R2​ = 10 kΩRf2​ = 1 kΩ

两个理想运放级级联连接：一个反相放大器（R1，Rf1），后接一个同相放大器（R2 接地，Rf2 在反馈支路中）。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = −0.8 V。求输出电压 Vout。

R1 = 10 kΩRf1 = 47 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 1 kΩVin = −0.8 V
Vout = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩIR2​AR4​5 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
8.串并联电阻困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​25 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​3 ABRL​5 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 5 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路，求负载电流 IL。

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩRL = 5 Ω
IL = A

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 104.7 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。

节点电压

Va = 3·115/215 = 1.605 V
Vb = 1.5 V

出量

Vab = 104.7 mV

答案

Vab = 104.7 mV

线性估计 Vs·ΔR/(4R) = 112.5 mV 偏高 7.5 %：1/4 桥并不完全是线性的。

2.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 5.625 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 = 7.5 mV

该载荷下的输出

Vo = 7.5·375/500 = 5.625 mV

答案

Vo = 5.625 mV
3.数据采集与采样

答案: N = 11

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

100/0.05 = 2000

位数

log₂(2000) = 10.97
210 = 1024 < 2000 ≤ 211 = 2048
N = 11

答案

N = 11
4.数据采集与采样

答案: e = 8.507 %

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 Tb = 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 = fclk/(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。

分频系数

D = 4·10⁶/(16·115200) = 2.17 → 2

实际波特率

4·10⁶/(16·2) = 125000 Bd

误差

(125000 − 115200)/115200·100 = 8.507 %

答案

e = 8.507 %

误差超过约 2 % 会使链路不可靠：请选择另一个时钟或波特率。

5.运放电路

答案: Rf = 94 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin，且流过 R₁ 的电流也流过 Rf，所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (21 − 1)·4.7 = 94 kΩ

答案

Rf = 94 kΩ
6.运放电路

答案: Vout = 4.136 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。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −47/10 = −4.7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1.1

逐级计算

V1 = −4.7·(−0.8) = 3.76 V
Vout = 1.1·3.76 = 4.136 V

答案

Vout = 4.136 V
7.串并联电阻

答案: IR2 = 1.4 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 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​5 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 2·7/(2+7) = 1.556 Ω
Req = R1 + 1.556 = 4 + 1.556 = 5.556 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 = 10/5.556 = 1.8 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 − 1.8·4 = 2.8 V
IR2 = VA/R2 = 2.8/2 = 1.4 A

答案

IR2 = 1.4 A
8.串并联电阻

答案: IR2 = 3.692 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​ = 3 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​8 ΩBR6​25 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 = 15 + 25 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 6.667 Ω
R3 + 6.667 = 10.67 Ω
R2 ∥ 10.67 = 2.909 Ω
Req = R1 + 2.909 = 3 + 2.909 = 5.909 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 = 30/5.909 = 5.077 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 = 30 − 5.077·3 = 14.77 V
IR2 = VA/R2 = 14.77/4 = 3.692 A

答案

IR2 = 3.692 A
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 15 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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​15 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 = 15·15/(15+15) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 4 = 11.5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 30·15/(15+15) = 15 V
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 2.295 A

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​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 2 = 3.765 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​3 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) = 8.824 + 3·1.765 = 14.12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14.12 + 3·2 = 20.12 V
Rth​ = 3.765 Ω+−Vth​20.12 VRL​5 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) = 20.12/(3.765 + 5) = 2.295 A

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