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 VR1​ = 1000 ΩR2​ = 300 ΩR3​ = 200 ΩR4​ = 120 ΩabGRg​ = 200 Ω

一个电阻为 200 Ω 的检流计接在图示电桥的 a 和 b 之间（Vs = 3 V）。求从 a 流向 b 的检流计电流 Ig，单位为 µA。

Vs = 3 VR1 = 1000 ΩR2 = 300 ΩR3 = 200 ΩR4 = 120 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
2.惠斯通电桥与应变片困难
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

某 1/4 桥（一个工作应变片，GF = 2）的激励电压为 5 V。要测量的最大应变为 800 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 = 5 VGF = 2εmax = 800 µεVFS = 10 V
G =
3.数据采集与采样中等
Vin​N = 14VFSR​2ᴺ − 101 LSB

求 14 位 ADC 在满量程正弦波下的理想信号量化噪声比 SQNR。

N = 14
SQNR = dB
4.数据采集与采样困难
T20 mV/°C×4∿01N = 10, 2.5 V? °C/LSB

一个温度传感器给出 20 mV/°C（0 °C 时为 0 V）。其信号被放大 4 倍后送入量程为 0 到 2.5 V 的 10 位 ADC（1 LSB = VFSR/2ᴺ）。求对应一个 LSB 的温度变化 ΔTLSB。

S = 20 mV/°CG = 4N = 10VFSR = 2.5 V
ΔTLSB = °C
5.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −1.5 V

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.5 VR1 = 10 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
6.运放电路困难
−+Vout​C = 2.2 µFVin​ = 0.4 VR = 1 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放；其输出饱和电压为 ±12 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 0.4 V 时，电容未充电。 求 t = 10 ms 时的输出电压 Vout。

Vin = 0.4 VR = 1 kΩC = 2.2 µFVsat = ±12 Vt = 10 ms
Vout = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
8.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​15 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩARL​6 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 6 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 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​4 ABRL​20 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 20 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 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩRL = 20 Ω
IL = A

3溶液

1.惠斯通电桥与应变片

答案: Ig = −855.5 µA

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。

戴维南电压

Vth = 3·(300/1300 − 120/320) = −0.4327 V

戴维南电阻

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 305.8 Ω

检流计电流

Ig = −0.4327/(305.8 + 200) = −855.5 µA

答案

Ig = −855.5 µA
2.惠斯通电桥与应变片

答案: G = 5000

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 = 2 mV

增益

G = 10/0.002 = 5000

答案

G = 5000
3.数据采集与采样

答案: SQNR = 86.04 dB

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。

理想 SQNR

SQNR = 6.02·14 + 1.76 = 86.04 dB

答案

SQNR = 86.04 dB
4.数据采集与采样

答案: ΔTLSB = 0.03052 °C

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 = 2500/1024 = 2.441 mV

ADC 处的灵敏度

20·4 = 80 mV/°C

温度分辨率

ΔTLSB = 2.441/80 = 0.03052 °C

答案

ΔTLSB = 0.03052 °C

ADC 在 31.25 °C 时达到满量程。

5.运放电路

答案: Vout = −8.55 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = −1.5 V
I = V₋/R1 = −1.5/10 = −0.15 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −1.5 + (−0.15)·47 = −8.55 V

答案

Vout = −8.55 V
6.运放电路

答案: Vout = −1.818 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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 1 kΩ · 2.2 µF = 2.2 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −0.4/2.2 = −0.1818 V/ms

给定时刻的输出

理想值在 ±Vsat 以内，所以积分器尚未限幅。

Vout = −Vin·t/(RC) = −0.4·10/2.2 = −1.818 V

答案

Vout = −1.818 V
7.串并联电阻

答案: IR1 = 0.8333 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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​12 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 12 + 6 = 18 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 = 15/18 = 0.8333 A

答案

IR1 = 0.8333 A
8.串并联电阻

答案: IR2 = 1.46 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​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​6 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 4.839 Ω
R3 + 4.839 = 9.839 Ω
R2 ∥ 9.839 = 1.662 Ω
Req = R1 + 1.662 = 12 + 1.662 = 13.66 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 = 24/13.66 = 1.757 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 − 1.757·12 = 2.92 V
IR2 = VA/R2 = 2.92/2 = 1.46 A

答案

IR2 = 1.46 A
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.1161 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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2.182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.182 + 20 = 22.18 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​3 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) = 12·3/(8+3) = 3.273 V
Rth​ = 22.18 Ω+−Vth​3.273 VRL​6 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) = 3.273/(22.18 + 6) = 0.1161 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 2.494 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​ = 15 ΩR3​ = 20 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 = 15·25/(15+25) = 9.375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9.375 + 20 = 29.38 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​4 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) = 5.625 + 4·9.375 = 43.13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 43.13 + 4·20 = 123.1 V
Rth​ = 29.38 Ω+−Vth​123.1 VRL​20 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) = 123.1/(29.38 + 20) = 2.494 A

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