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 Ω250 Ω250 Ωab+−

一个 250 Ω 的应变片是电桥的一个臂（R₂），电桥四个臂均为 250 Ω，激励电压为 6 V。求应变片上消耗的功率 Pg，单位为 mW。自热限制了激励电压。

Vs = 6 VR = 250 Ω
Pg = mW
2.惠斯通电桥与应变片困难
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−2.625 mV

某构件（E = 200 GPa）上的应变片（GF = 2.1）接成 1/4 桥，激励电压为 5 V。输出读数为 2.625 mV。求轴向应力 σ，单位为 MPa。

Vs = 5 VGF = 2.1Vo = 2.625 mVE = 200 GPa
σ = MPa
3.数据采集与采样中等
122 ch∿01N = 1020 kHz? MB

一台记录仪用 10 位 ADC 对 2 个通道各以 20 kHz 采样。每个采样点以整数个字节存储。求 10 min 记录所需的内存 M，单位 MB（1 MB = 10⁶ 字节）。

n = 2fs = 20 kHzN = 10t = 10 min
M = MB
4.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​38400 Bd, 8N1

一个 16 位 ADC 通过 UART 以 38400 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 = 38400 BdN = 168N1
fmax = Hz
5.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 1.1 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0.8 VR3​ = 2 kΩR4​ = 10 kΩ

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 = 0.8 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
V− = V
6.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = 0.5 VR1​ = 1 kΩV2​ = −0.3 VR2​ = 22 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.5 VV2 = −0.3 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
8.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​2 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 12 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩARL​8 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 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 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAIs​0.5 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 10 VIs = 0.5 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 36 mW

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。

应变片两端的电压

V = 6/2 = 3 V

功率

Pg = 3²/250 = 36 mW

答案

Pg = 36 mW
2.惠斯通电桥与应变片

答案: σ = 200 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 = 4·0.002625/(5·2.1) = 0.001

应力

σ = 200·10³ MPa·0.001 = 200 MPa

答案

σ = 200 MPa
3.数据采集与采样

答案: M = 48 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

⌈10/8⌉ = 2 B

字节速率

2·20000·2 = 80000 B/s

内存

M = 80000·600 = 4.8 × 10⁷ B = 48 MB

答案

M = 48 MB
4.数据采集与采样

答案: fmax = 960 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 = 38400/20 = 1920 Hz

奈奎斯特极限

fmax = 1920/2 = 960 Hz

答案

fmax = 960 Hz
5.运放电路

答案: V− = 0.6667 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) = 0.8·10/(2 + 10) = 0.6667 V
V₋ = V₊

答案

V− = 0.6667 V
6.运放电路

答案: Vout = −2.286 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 = 0.5/1 = 0.5 mA
I2 = V2/R2 = −0.3/22 = −0.01364 mA
If = I1 + I2 = 0.4864 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −4.7·0.4864 = −2.286 V

答案

Vout = −2.286 V
7.串并联电阻

答案: IR1 = 0.9591 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​15 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 8·35/(8+35) = 6.512 Ω
Req = R1 + 6.512 = 6 + 6.512 = 12.51 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 = 12/12.51 = 0.9591 A

答案

IR1 = 0.9591 A
8.串并联电阻

答案: IR2 = 1.718 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​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBR6​2 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 8.235 Ω
R3 + 8.235 = 16.24 Ω
R2 ∥ 16.24 = 5.359 Ω
Req = R1 + 5.359 = 4 + 5.359 = 9.359 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 = 24/9.359 = 2.564 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 = 24 − 2.564·4 = 13.74 V
IR2 = VA/R2 = 13.74/8 = 1.718 A

答案

IR2 = 1.718 A
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.3543 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​ = 6 Ω短路R2​5 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 = 3·5/(3+5) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 6 = 7.875 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​5 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) = 9·5/(3+5) = 5.625 V
Rth​ = 7.875 Ω+−Vth​5.625 VRL​8 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) = 5.625/(7.875 + 8) = 0.3543 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = 11.34 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​ = 4 ΩR3​ = 2 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 = 4·25/(4+25) = 3.448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.448 + 2 = 5.448 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​25 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) = 8.621 + 0.5·3.448 = 10.34 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10.34 + 0.5·2 = 11.34 V

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