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
+−6 V250 Ω250 Ω + ΔR250 Ω250 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 250 Ω，Vs = 6 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 20 Ω。求精确输出 Vab，单位为 mV。

Vs = 6 VR = 250 ΩΔR = 20 Ω
Vab = mV
2.惠斯通电桥与应变片困难
+−2.5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

某 1/4 桥（一个工作应变片，GF = 2.05）的激励电压为 2.5 V。要测量的最大应变为 1200 µε，它在模数转换器输入端必须给出 10 V。求放大器增益 G。

Vs = 2.5 VGF = 2.05εmax = 1200 µεVFS = 10 V
G =
3.数据采集与采样中等
∿01N = 1410 kHz? MB

一台记录仪用 14 位 ADC 对一个通道以 10 kHz 采样。每个采样点以整数个字节存储。求 5 min 记录所需的内存 M，单位 MB（1 MB = 10⁶ 字节）。

n = 1fs = 10 kHzN = 14t = 5 min
M = MB
4.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​57600 Bd, 8N1

一个 16 位 ADC 通过 UART 以 57600 波特、8N1 格式（起始位、8 个数据位、1 个停止位）发送每个采样点。每个采样点以 2 个整字节发送，且链路一直处于忙碌状态。求能无混叠采样的最高信号频率 fmax，单位 Hz。

baud = 57600 BdN = 168N1
fmax = Hz
5.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 2 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源；其输出饱和电压为 ±12 V。 反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 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
6.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1.5 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1.5 VR3​ = 47 kΩR4​ = 2 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 = 1.5 VV2 = 1.5 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩR3 = 47 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​10 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 ΩR5 = 3 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩARL​12 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 12 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 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩRL = 12 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​6 ABab

求诺顿电流 IN：端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
IN = A

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 115.4 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 = 6·270/520 = 3.115 V
Vb = 3 V

出量

Vab = 115.4 mV

答案

Vab = 115.4 mV

线性估计 Vs·ΔR/(4R) = 120 mV 偏高 4 %：1/4 桥并不完全是线性的。

2.惠斯通电桥与应变片

答案: G = 6504

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。

满量程时的电桥输出

Vo = 1.537 mV

增益

G = 10/0.001537 = 6504

答案

G = 6504
3.数据采集与采样

答案: M = 6 MB

数据速率：每个通道每秒提供 fs 个 N 位的采样，因此原始速率为 通道数 × fs × N bit/s。在内存中一个采样占用整数个字节（12 位采样存为 2 个字节），因此一段记录的内存为 通道数 × fs × 每个采样的字节数 × 时间。多路复用 ADC 依次转换各通道：每次转换（含建立时间）需要 t，所以 n 个通道转一轮需要 n·t，每个通道的采样频率为 1/(n·t)。

每个采样的字节数

⌈14/8⌉ = 2 B

字节速率

1·10000·2 = 20000 B/s

内存

M = 20000·300 = 6 × 10⁶ B = 6 MB

答案

M = 6 MB
4.数据采集与采样

答案: fmax = 1440 Hz

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。

线路上每个采样点的位数

2·10 = 20 bit

最高采样率

fs,max = 57600/20 = 2880 Hz

奈奎斯特极限

fmax = 2880/2 = 1440 Hz

答案

fmax = 1440 Hz
5.运放电路

答案: Vin,max = 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。

增益

|Av| = Rf/R1 = 2/1 = 2

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2 = 6 V

答案

Vin,max = 6 V
6.运放电路

答案: Vout = −6.701 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) = 1.5·2/(47 + 2) = 0.06122 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 = −(47/10)·1.5 + (1 + 47/10)·0.06122 = −7.05 + 0.349 = −6.701 V

答案

Vout = −6.701 V
7.串并联电阻

答案: Req = 7.75 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​6 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 = 2 + 8 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω
Req = R1 + 3.75 = 4 + 3.75 = 7.75 Ω

答案

Req = 7.75 Ω
8.串并联电阻

答案: Req = 20.74 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​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​10 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 + 10 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 3.059 Ω
R3 + 3.059 = 8.059 Ω
R2 ∥ 8.059 = 5.744 Ω
Req = R1 + 5.744 = 15 + 5.744 = 20.74 Ω

答案

Req = 20.74 Ω
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.165 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​ = 12 ΩR3​ = 15 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 = 12·15/(12+15) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 15 = 21.67 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 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) = 10·15/(12+15) = 5.556 V
Rth​ = 21.67 Ω+−Vth​5.556 VRL​12 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) = 5.556/(21.67 + 12) = 0.165 A
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 6.044 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​ = 30 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 = 30·2/(30+2) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 15 = 16.88 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​6 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) = 0.75 + 6·1.875 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 6·15 = 102 V
IN​6.044 ARth​16.88 Ωab

诺顿等效

诺顿电源是同一电路看作与 R_th 并联的电流源。其电流就是 a–b 的短路电流。

IN = Vth/Rth = 102/16.88 = 6.044 A

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