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

某电桥的四个臂均为 400 Ω，V_s = 5 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 0.4 Ω。用小变化近似求输出 V_ab，单位为 mV。

V_s = 5 VR = 400 ΩΔR = 0.4 Ω

V_ab = mV

2.惠斯通电桥与应变片困难

某 1/4 桥有一个工作应变片（GF = 2），激励电压为 10 V。受载时输出读数为 1.25 mV。求应变 ε，单位为 µε。

V_s = 10 VGF = 2V_o = 1.25 mV

ε = µε

3.数据采集与采样中等

一个输入量程为 0 到 2.5 V 的 10 位 ADC 采用截断：其输出码为 ⌊V_in/LSB⌋，其中 1 LSB = V_FSR/2ᴺ。求输入 0.692 V 时的十进制输出码 D。

N = 10V_FSR = 2.5 VV_in = 0.692 V

D =

4.数据采集与采样困难

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 90 dB。求 ADC 的最小位数 N。

SQNR ≥ 90 dB

N =

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 = 1.1 VV₂ = −2.6 VR₁ = R₃ = 47 kΩR₂ = R₄ = 22 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 = −0.7 VV₂ = 0.6 VR₁ = 22 kΩR₂ = 47 kΩR₃ = 1 kΩR₄ = 4.7 kΩ

V_out = V

7.串并联电阻中等

求流过 R₂ 的电流 I_R2。

V₁ = 30 VR₁ = 6 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 15 Ω

I_R2 = A

8.串并联电阻困难

求电源输出并流过 R₁ 的电流 I_R1。

V₁ = 10 VR₁ = 8 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 2 Ω

I_R1 = A

9.戴维南和诺顿中等

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 R_th。

V₁ = 15 VR₁ = 15 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 10 Ω

R_th = Ω

10.戴维南和诺顿困难

求诺顿电流 I_N：端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V₁ = 24 VI_s = 4 AR₁ = 8 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 8 Ω

I_N = A

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: V_ab = 1.25 mV

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。

相对变化

ΔR/R = 0.4/400 = 0.001

线性化输出

V_ab ≈ 5·0.001/4 = 1.25 mV

答案

V_ab = 1.25 mV

精确值为 1.249 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: ε = 250 µε

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。

解 1/4 桥方程

ε = 4·0.00125/(10·2) = 0.00025

以微应变表示

ε = 250 µε

答案

ε = 250 µε

3.数据采集与采样

答案: D = 283

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 = 2.5/2¹⁰ = 2.441 mV

码值

V_in/LSB = 692/2.441 = 283.4

码值 = ⌊283.4⌋ = 283

答案

D = 283

用二进制表示是 0100011011。

4.数据采集与采样

答案: N = 15

解出 N

N ≥ (90 − 1.76)/6.02 = 14.66

向上取整

N = 15

校核: 6.02·15 + 1.76 = 92.06 dB ≥ 90 dB

答案

N = 15

5.运放电路

答案: V₋ = −0.829 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) = −2.6·22/(47 + 22) = −0.829 V

V₋ = V₊

答案

V₋ = −0.829 V

6.运放电路

答案: V_out = 3.047 V

+ 输入端的电压

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 0.6·4.7/(1 + 4.7) = 0.4947 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 = −(47/22)·(−0.7) + (1 + 47/22)·0.4947 = 1.495 + 1.552 = 3.047 V

答案

V_out = 3.047 V

7.串并联电阻

答案: I_R2 = 3.553 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。

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 = 12 + 15 = 27 Ω

R₂ ∥ 27 = 2·27/(2+27) = 1.862 Ω

R_eq = R₁ + 1.862 = 6 + 1.862 = 7.862 Ω

电源电流

电源只看到 R_eq，由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

I_R1 = V₁/R_eq = 30/7.862 = 3.816 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。

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 30 − 3.816·6 = 7.105 V

I_R2 = V_A/R₂ = 7.105/2 = 3.553 A

答案

I_R2 = 3.553 A

8.串并联电阻

答案: I_R1 = 0.7588 A

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 = 12 + 2 = 14 Ω

R₄ ∥ 14 = 3.111 Ω

R₃ + 3.111 = 9.111 Ω

R₂ ∥ 9.111 = 5.179 Ω

R_eq = R₁ + 5.179 = 8 + 5.179 = 13.18 Ω

电源电流

电源只看到 R_eq，由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

I_R1 = V₁/R_eq = 10/13.18 = 0.7588 A

答案

I_R1 = 0.7588 A

9.戴维南和诺顿

答案: R_th = 13.75 Ω

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 = 15·5/(15+5) = 3.75 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3.75 + 10 = 13.75 Ω

10.戴维南和诺顿

答案: I_N = 4.833 A

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 = 8·5/(8+5) = 3.077 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3.077 + 8 = 11.08 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) = 9.231 + 4·3.077 = 21.54 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 21.54 + 4·8 = 53.54 V

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。

I_N = V_th/R_th = 53.54/11.08 = 4.833 A

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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

相对变化

线性化输出

答案

解 1/4 桥方程

以微应变表示

答案

步长

码值

答案

解出 N

向上取整

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

电源电流

流过 R₂ 的电流

答案

从远端开始合并电阻

电源电流

答案

将所有电源置零，求 Rth

将所有电源置零，求 Rth

求开路电压 Vth

诺顿等效

将所有电源置零，求 R_th

将所有电源置零，求 R_th

求开路电压 V_th