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
+−15 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−357.1 mV

某电桥的四个臂均为 120 Ω，由 15 V 供电。当传感器 R₂ 变化时，输出读数为 Vab = 357.1 mV。求 R₂ 的精确变化量 ΔR。

Vs = 15 VR = 120 ΩVab = 357.1 mV
ΔR = Ω
2.惠斯通电桥与应变片困难
+−2.5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0.75 mV

某构件（E = 70 GPa）上的应变片（GF = 2）接成 1/4 桥，激励电压为 2.5 V。输出读数为 0.75 mV。求轴向应力 σ，单位为 MPa。

Vs = 2.5 VGF = 2Vo = 0.75 mVE = 70 GPa
σ = MPa
3.数据采集与采样中等
Vin​N = 82.5 V2ᴺ − 101 LSB1.322 V?

一个输入量程为 0 到 2.5 V 的 8 位 ADC 采用截断：其输出码为 ⌊Vin/LSB⌋，其中 1 LSB = VFSR/2ᴺ。求输入 1.322 V 时的十进制输出码 D。

N = 8VFSR = 2.5 VVin = 1.322 V
D =
4.数据采集与采样困难
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

一项音频测量要求满量程正弦波的理想信号量化噪声比至少为 100 dB。求 ADC 的最小位数 N。

SQNR ≥ 100 dB
N =
5.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源；其输出饱和电压为 ±12 V。 同相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max（峰值）。

R1 = 4.7 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
6.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1.2 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0.1 VR3​ = 1 kΩR4​ = 10 kΩ

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

V1 = 1.2 VV2 = 0.1 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩR3 = 1 kΩR4 = 10 kΩ
Vout = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩIR2​AR4​8 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
8.串并联电阻困难
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​15 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩARL​5 ΩIL​B

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 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAIs​2 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 = 10 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩRL = 25 Ω
PL = W

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: ΔR = 12 Ω

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 = 7.5 + 0.3571 = 7.857 V

解分压公式

R₂ = 120·7.857/(15 − 7.857) = 132 Ω
ΔR = 132 − 120 = 12 Ω

答案

ΔR = 12 Ω
2.惠斯通电桥与应变片

答案: σ = 42 MPa

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。

应变

ε = 4·0.00075/(2.5·2) = 0.0006

应力

σ = 70·10³ MPa·0.0006 = 42 MPa

答案

σ = 42 MPa
3.数据采集与采样

答案: D = 135

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。

步长

1 LSB = 2.5/28 = 9.766 mV

码值

Vin/LSB = 1322/9.766 = 135.4
码值 = ⌊135.4⌋ = 135

答案

D = 135

用二进制表示是 10000111。

4.数据采集与采样

答案: N = 17

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。

解出 N

N ≥ (100 − 1.76)/6.02 = 16.32

向上取整

N = 17
校核: 6.02·17 + 1.76 = 104.1 dB ≥ 100 dB

答案

N = 17
5.运放电路

答案: Vin,max = 1.091 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。

增益

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/4.7 = 11

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/11 = 1.091 V

答案

Vin,max = 1.091 V
6.运放电路

答案: Vout = −0.4304 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

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.1·10/(1 + 10) = 0.09091 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。

Vout = −(47/100)·1.2 + (1 + 47/100)·0.09091 = −0.564 + 0.1336 = −0.4304 V

答案

Vout = −0.4304 V
7.串并联电阻

答案: IR2 = 0.7674 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​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​8 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 10·11/(10+11) = 5.238 Ω
Req = R1 + 5.238 = 5 + 5.238 = 10.24 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 = 15/10.24 = 1.465 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 = 15 − 1.465·5 = 7.674 V
IR2 = VA/R2 = 7.674/10 = 0.7674 A

答案

IR2 = 0.7674 A
8.串并联电阻

答案: IR1 = 0.4129 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​15 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 = 25 + 15 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 17.14 Ω
R3 + 17.14 = 32.14 Ω
R2 ∥ 32.14 = 14.06 Ω
Req = R1 + 14.06 = 15 + 14.06 = 29.06 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 = 12/29.06 = 0.4129 A

答案

IR1 = 0.4129 A
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.6154 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 10 = 11.71 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​4 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) = 18·4/(3+4) = 10.29 V
Rth​ = 11.71 Ω+−Vth​10.29 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) = 10.29/(11.71 + 5) = 0.6154 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 24.16 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​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​25 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 = 30·25/(30+25) = 13.64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13.64 + 15 = 28.64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAIs​2 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) = 4.545 + (−2)·13.64 = −22.73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −22.73 + (−2)·15 = −52.73 V
Rth​ = 28.64 Ω−+Vth​52.73 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) = −52.73/(28.64 + 25) = −0.9831 A
PL = IL²·RL = −0.9831²·25 = 24.16 W

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