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智能儀器設計基礎(簡體書)
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商品簡介
作者簡介
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目次

商品簡介


1 緒論
1.1智能儀器的作用和發展歷史
1.2智能儀器的結構和主要特點
1.3智能儀器的發展趨勢
2.傳感器基礎
2.1傳感器的分類及物性型傳感器原理
2.2 結構型傳感器
2.3 傳感器的構成方式
2.4 傳感器的靜態特性及建模
2.5 傳感器的動態特性及建模
2.6 傳感器的輸出等效電路與接口原理
3. 基於理想運放的調理電路設計
3.1運放的電子學基礎
3.2對傳感器不同輸出信號的調理電路設計
3.3 模擬乘法器原理
3.4 通用阻抗的產生
3.5 有源濾波器設計
4.微弱信號的放大技術
4.1 調制解調放大技術和鎖相放大器
4.2 取樣積分技術
4.3相關測量技術
4.4傅立葉變換
4.5 小波變換與去噪技術
4.6卡爾曼濾波器
5.DAC與ADC的原理
5.1信號的采樣和量化的基本理論
5.2 DAC的構成原理
5.3 ADC的構成原理
5.4 DAC和ADC的非理想特性
5.5帶隙基準
6通用數字電路設計
6.1 數字電路基礎
6.2 FPGA的結構原理以及基於FPGA的數字邏輯電路設計
7微處理器的系統設計與外設接口技術
7.1 微處理器系統的設計與並行接口技術
7.2 基於可編程邏輯器件的微處理器接口電路設計
7.3微處理器系統的串行接口技術—串行外設總線
7.4微處理器系統的串行接口技術—點對點串行通訊總線
7.5 微處理器的串行網絡總線—CAN總線
7.6 其它網絡總線和無線網絡通訊簡介
8高速數字電路的信號完整性原理
8. 1 信號完整性問題的產生和特征
8. 2 傳輸線的阻抗匹配
8.3 傳輸線的串擾
8.4 電源的同步噪聲
8.5 差分傳輸線
8.6 有損傳輸線
8.7 信號完整性仿真工具
9智能儀器的功率放大、抗幹擾與保護技術
9.1信號的功率放大技術
9.2智能儀器的供電技術
9.3 智能儀器的抗幹擾技術

作者簡介

曾翔君,博士,1976年出生,現為西安交通大學電氣工程學院副教授,主要研究方向為智能儀器設計、電力電子技術以及新能源發電技術。長期從事電子技術、微處理器原理與應用以及智能儀器設計技術的教學工作。

名人/編輯推薦

(1)教材注重系統性 從智能儀器的總體結構出發,對各組成部分的基礎原理和硬件設計方法進行了系統介紹。另外,對於儀器應用中的抗幹擾和防護問題都進行了完整介紹。(2)教材注重基礎原理描述 電路的基礎是元件,例如運放、ADC和DAC以及存儲器等,本教材從電路應用者的角度對於這些器件的內部機理以及設計目的等內容進行了闡述,有助於設計者對此類器件在應用中的問題進行深層次思考。 (3)教材中的設計方法注重通用性 本教材中提到的電路設計方法注重通用性,例如對於數字電路設計提出了基於狀態方程構建的通用架構,並基於此架構對任意數字電路進行設計,這些內容是具有一定創新性的。 (4)教材注重實踐性 本教材的大量實例來自作者本人的科研項目或者實踐,對於有科研經歷的工程師可提供借鑒,同時,教材中除了介紹電路的理想特性,還對非理想特性等都進行了闡述,有助於解決實際中的問題。p class=MsoNormal>(4)教材注重實踐性 本教材的大量實例來自作者本人的科研項目或者實踐,對於有科研經歷的工程師可提供借鑒,同時,教材中除了介紹電路的理想特性,還對非理想特性等都進行了闡述,有助於解決實際中的問題。(5)教材圖文並茂且具有一定的原創性 本教材中含有大量的原理示意圖和電路圖,大多數均為作者親繪,引用較少,且很多電路圖都具有原創性。

智能儀器是在現代社會的不同領域普遍應用的信息化裝置,其設計技術涉及的學科領域非常廣泛,包括材料、光學、精密機械、醫學、計算機科學、自動控制、數字信號處理和計算方法以及軟件工程等。因此,編寫一本完全涵蓋智能儀器設計各領域知識且具有足夠深度的教材是非常困難的事。目前已有的教材在內容選擇上主要有兩種不同的側重點:一種主要介紹微處理器接口技術,而另外一種則主要介紹人工智能及專家系統等內容。實際上,把智能儀器設計的內容分為硬件和軟件兩個部分來審視,會發現硬件相對而言比較通用,而軟件則因為智能儀器應用領域不同,往往差異巨大,特別是核心算法和數據處理方法更是如此,例如圖像識別算法與電量檢測算法之間就存在著顯著的不同。
智能儀器的硬件設計所包含的知識點分散在不同的課程中,如,傳感器原理、電路理論、電磁場、電子學、自動控制原理、單片機與接口技術、電力電子技術以及電磁兼容等。雖然具有電氣和電子背景的工科學生大多數都學習過這些內容,但是如何把這些瑣碎的知識進行系統化的梳理,通過一條應用線索把它們融會貫通,則是很多學生均需要面對的問題。本書圍繞智能儀器的硬件設計,嘗試著把這些知識點串聯起來,在已經先修過相關課程的基礎上,從應用實際出發,對很多知識點進行了增刪。教材既介紹了理想情況下電路的分析和設計方法,又闡述了器件的實際非理想特性對設計帶來的影響。需要著重說明的是,作為一本定位為應用基礎類的教材,本書對器件原理的介紹占用了大量的篇幅,如,教材介紹了運算放大器的電子學基礎、ADC和DAC原理以及存儲器的結構和原理等內容。盡管在實際應用中,即使對於這些器件的基本原理不了解,似乎也不會影響對它們的使用,這也是很多應用性較強的課程和教材表現出來去基礎化傾向的緣由。但是,在一個強調創新和創業的時代,創新能力的養成是離不開扎實的理論和實踐基礎的,這也是衡量一個專業人士素養的基本要求。實際上,電子器件和集成電路是構成整個智能化應用大廈的地基,只有很好地掌握了基本原理,才能搞清楚器件的理想特性如何獲得,其局限性在哪裡以及非理想特性怎麼產生和應對,最終設計出符合要求的應用電路。
下面對本書各個章節的內容安排和特點做一個簡單介紹。首先,本書基本上圍繞智能儀器的典型結構展開論述,包括智能儀器的輸入(傳感器基礎)、前向通道設計、微處理器系統設計和後向通道設計幾個部分,最後闡述了智能儀器的抗幹擾和保護技術。
第1章概述部分,主要闡述了智能儀器的概念、結構和作用。由於智能儀器是以微處理器為核心的儀器,因此基於不同微處理器系統所構造的儀器,其結構和開發方法也不盡相同,本章對此進行了比較。同時,對影響智能儀器形態的一些重要技術領域和方向,例如MEMS和納米傳感器、多核微處理器、人工智能(AI)、物聯網、大數據和云計算等的概念及研究進展進行了介紹。
第2章主要闡述傳感器的基本知識,本書選擇了不同類型的物性型和結構型傳感器,簡述了其原理,然後對傳感器的不同構成方式進行了總結。對於傳感器的應用,關鍵是掌握其靜態特性和動態特性,本章還介紹了對傳感器的靜態和動態特性進行建模及參數提取的數學和工程方法。
第3~6章介紹了智能儀器的前向通道設計。主要圍繞前向通道的兩個核心集成電路—運算放大器和ADC來展開論述。第3章從基本晶體管放大電路存在的問題出發逐步引出了運算放大器的設計思想。根據傳感器輸出的不同信號類型,分別介紹了基於理想運算放大器的電壓、電流、電荷放大電路、線性偏移電路以及差分放大器的原理和應用方法。由於數字技術和計算機的應用,電子學中的重要內容———模擬非線性運算電路和振蕩器在本書中涉及較少,只保留了模擬乘法器的原理,因為它們在調制解調和相敏檢波技術中被普遍應用。對於阻抗的測量,本章介紹了自動平衡電橋技術和微小電容測量技術。最後對於電路中通用阻抗的產生以及有源濾波器的設計進行了闡述。第4章主要介紹了運算放大器的靜態非理想特性和動態性能限制,其中還對電子電路中的噪聲模型、噪聲的表征和測量等問題進行了闡述,從而為第5章微弱信號的放大技術做了鋪墊。作為測量領域的重要內容,微弱信號的放大和噪聲消去技術涉及硬件和軟件的不同方法,且不完全屬於前向通道要解決的問題,本教材將之安排在噪聲的基本概念之後,銜接上比較合理。第6章介紹了各種類型的DAC 和ADC構成原理,其中高速和高分辨率ADC是目前研究的熱點領域。
第7~9章介紹了智能儀器的微處理器系統設計。微處理器系統的基礎是數字電路,因此在第7章主要介紹了通用數字電路的設計方法,與傳統數字電路的教學內容不同,本教材提出了通用數字電路的設計方法,該方法把組合和時序邏輯電路用離散狀態方程來表征,如果物理上實現了該方程,那麼也就實現了數字電路的設計。離散狀態方程可用基本的門電路以及存儲單元(包括觸發器和存儲器)構造。在介紹了不同的數字電平標準以及各類存儲器原理的基礎上,闡述了基於宏單元和查找表模型的數字電路設計方法,並利用實例對ASIC和FPGA 內電路級和行為級硬件描述以及基於IP核的數字電路設計方法進行了說明。第8章則以MCS51單片機為例介紹了微處理器的最小系統設計及其並行和串行接口技術。在對並行接口進行闡述時,作者提出了LatchBuffer的I/O接口電路模型,對於如何構造並行外設並實現與微處理器的接口進行了闡述。同時,介紹了在ASIC或FPGA 內如何實現一個復雜外設控制器的通用技術。在對串行接口技術進行闡述時,作者將之分為串行外設接口(以常用的SPI、I2C和USB為例)和串行通信接口(包括點對點和網絡通信接口)兩類。點對點通信以RS232、RS422/485為例,而網絡通信接口則選擇了應用廣泛的CAN 總線為例,同時對以太網和無線通信網絡ZigBee進行了簡述。內容的選擇一方面是因為這些接口應用比較廣泛,另一方面則是為了使學生能夠學習基本的數字通信原理及網絡協議等內容。第9章對高速數字電路的信號完整性問題進行了闡述,對於完整性問題的產生原因、分析模型以及應對方法等進行了介紹。
第10章則介紹了智能儀器的後向通道,闡述了基本的功率放大電路設計問題,同時對智能儀器的分布式供電電源技術進行了論述。最後,結合工程實例對智能儀器的抗幹擾和瞬態防護問題進行了論述。
在本書編寫中,內容的實用性是基本出發點,對於電路分析,重在解釋其提出背景、作用和特點,至於所依據的公式一般均簡化或直接給出,不做詳細推導。另外,教材中所援引的觀點和工程實例很多都來自本人在科研實踐中的總結。盡管本教材是一本闡述硬件設計的書籍,但是仍然有大量的軟件或者數學處理方法的介紹,例如在介紹傳感器建模時,插值與最小二乘法擬合等都是必須要提到的,另外,在微弱信號的放大和去噪技術中,還提到了小波去噪以及卡爾曼濾波器,這些內容涉及一些數學推導,本教材對此並沒有省略,而是給出了詳細的過程。作者希望學生能夠從公式推導的過程中充分了解理論產生的背景和思想。總之,對本教材內容的理解需要讀者具有一定的背景和基礎,它也比較適合高年級本科生以及碩士研究生使用,當然如果能得到該領域硬件工程師們的贊同,則幸莫大焉。
全書的第7和8章由我的同事駱一萍老師編寫,其他章節以及全書的統稿則由本人來完成。在教材的編寫中,參考了一些碩博士論文以及網絡博客等,文中的圖大多數均為本人設計和繪制,也有部分來自參考文獻,我們已經盡可能進行了標注,但是如果有任何缺漏的地方,還希望讀者及時反映以免引起糾紛。最後,該教材的編寫耗時很久,雖不算窮經皓首,但是個中艱辛也不一而足,不過由於有個人能力的不足以及很多內容也超越了作者的背景和經歷,難免有錯誤和疏漏,敬請讀者批評和指正。
作者
2019年10月2日於西安交通大學

目次

前言
第1章 概述1
1.1 智能儀器的基本結構和特點1
1.2 智能儀器的歷史和發展現狀4
1.3 基於不同微處理器系統的智能儀器結構8
1.4 智能儀器的發展趨勢16
參考文獻24
第2章 智能儀器的輸入———傳感器基礎25
2.1 物性型傳感器原理25
2.2 結構型傳感器43
2.3 傳感器的構成方式47
2.4 傳感器的靜態特性及建模51
2.5 傳感器的動態特性62
2.6 傳感器動態模型的參數辨識66
2.7 傳感器的輸出等效電路72
參考文獻74
第3章 基於理想運算放大器的調理電路設計75
3.1 運算放大器的電子學基礎75
3.2 對傳感器不同輸出信號的調理電路設計88
3.3 模擬乘法器原理108
3.4 通用阻抗的產生112
3.5 有源濾波器設計114
參考文獻122
第4章 運算放大器的非理想特性及噪聲123
4.1 運算放大器的靜態非理想特性123
4.2 運算放大器的動態性能限制128
4.3 電路的噪聲137
參考文獻153
第5章 微弱信號的放大和去噪技術154
5.1 調制解調放大技術和鎖相放大器154
5.2 取樣積分技術158
5.3 數值濾波和消噪技術160
第6章 犇犃犆和犃犇犆的原理183
6.1 信號的采樣和量化的基本理論183
6.2 DAC的構成原理188
6.3 ADC的構成原理192
6.4 DAC和ADC的非理想特性201
6.5 帶隙基準204
第7章 數字電路基礎和通用數字電路的設計206
7.1 數字電路基礎206
7.2 通用數字電路的設計223
7.3 FPGA 的結構原理及基於IP核的數字邏輯電路設計233
參考文獻244
第8章 微處理器的系統設計與外部設備接口技術245
8.1 微處理器系統的設計和並行接口技術245
8.2 基於FPGA 的微處理器接口電路設計259
8.3 微處理器系統的串行接口技術———串行外部設備總線263
8.4 微處理器系統的串行接口技術———點對點串行通信總線272
8.5 微處理器的串行網絡通信總線———CAN 總線276
8.6 其他網絡總線和無線通信網絡286
第9章 高速數字電路信號完整性分析292
9.1 信號完整性問題的產生和特征292
9.2 傳輸線的阻抗匹配297
9.3 傳輸線的串擾301
9.4 電源的同步噪聲303
9.5 差分傳輸線308
9.6 有損傳輸線310
9.7 信號完整性仿真工具311
參考文獻312
第10章 智能儀器的後向通道和抗幹擾與保護技術313
10.1 信號的功率放大技術313
10.2 智能儀器的分布式供電技術315
10.3 智能儀器的抗幹擾技術323
10.4 智能儀器的瞬態防護349

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