紧密结合大量应用实例,提高读者测控系统电路设计的总体能力。
本书以测控电路设计为重点,较全面地介绍测控电路中典型单元电路的基本概念、原理、设计方法及应用实例等。重点讲述电路的外部特性,按照基本元器件级、电路级、系统级循序渐进的思路,提出系统级实用电路设计步骤和实现过程,使读者学会如何与传感器、计算机紧密结合,围绕“精、快、灵”和测控系统的要求来选用电路、设计电路、调试电路,提高读者的电路综合设计能力和创新能力。本书体系完整,概念清楚,理论联系实际,叙述浅显易懂,对测控电路设计有较强的指导和参考作用。全书共12章,第1章介绍测控电路的组成、功用及设计方法;第2章介绍传感器的基本概念和典型传感器的接口电路;第3~8章以模拟电路、集成电路为重点,介绍测控电路的典型单元电路设计方法,包括信号的放大、滤波、运算、转换、调制解调和振荡电路;第9章介绍典型执行器件的驱动电路;第10章介绍电路设计中的抗干扰技术;第11章介绍测控电路与计算机接口电路及应用,第12章提供多种测控系统电路设计实例,以供读者借鉴。
郝晓剑教授,中北大学仪器与电子学院副院长,研究方向为光电仪器与动态测试技术;山西省高校工委、省教育厅党组联系的高级专家,中国计量测试学会会员;出版过多部著作和教材。
绪论 1
第1章 测控电路概述 4
1.1 测控系统组成 4
1.2 测试系统设计要求 6
1.3 测控电路的功用及要求 8
1.3.1 测控电路的功能 8
1.3.2 测控电路的主要要求 9
1.3.3 测控电路的发展趋势 11
1.4 测控电路设计及优化 13
1.5 部件之间的连接与匹配 16
1.5.1 电器性能相互匹配问题 16
1.5.2 信号耦合方式和时序配合 18
思考与练习 19
第2章 传感器与接口电路 20
2.1 传感器技术基础 20
2.1.1 传感器的分类 20
2.1.2 传感器的主要技术特性指标 21
2.1.3 传感器的接口电路 25
2.1.4 传感器的选择 30
2.2 阻性传感器的接口电路 31
2.2.1 电压驱动方式 31
2.2.2 电流驱动方式 34
2.2.3 振荡器驱动方式 34
2.3 容性传感器的接口电路 35
2.4 电压输出型传感器的接口电路 36
2.5 电荷输出型传感器的接口电路 36
2.6 电流输出型传感器的接口电路 38
2.7 新型传感器的接口电路 38
2.7.1 ICP传感器的接口电路 38
2.7.2 光纤传感器的接口电路 40
2.7.3 数字输出传感器的接口电路 40
思考与练习 41
第3章 集成运算放大器电路设计 42
3.1 运算放大器基本原理和主要性能指标 43
3.1.1 集成运算放大器基础 43
3.1.2 集成运算放大器的主要参数及分类 44
3.2 集成运放的分析方法 47
3.2.1 基本分析方法 47
3.2.2 典型电路设计 48
3.3 测量放大电路设计 58
3.3.1 低漂移直流放大器设计 58
3.3.2 高输入阻抗放大器和低输入阻抗放大器设计 61
3.3.3 仪用放大器 64
3.3.4 可编程增益放大电路 66
3.3.5 隔离放大电路 70
3.3.6 前置放大电路的设计 75
3.3.8 锁相放大电路的应用 77
本章附录:电阻电容值的E系列值 80
思考与练习 80
第4章 信号的滤波 82
4.1 滤波器的基本知识 82
4.1.1 滤波器的分类 82
4.1.2 滤波器的主要特性指标 85
4.2 滤波器特性的逼近 86
4.2.1 巴特沃兹逼近 86
4.2.2 切比雪夫逼近 87
4.2.3 贝塞尔逼近 89
4.3 常用滤波电路结构 90
4.3.1 一阶滤波器电路 90
4.3.2 二阶滤波器电路 94
4.4 有源滤波器的设计 97
4.4.1 公式法 98
4.4.2 滤波器辅助设计软件 102
4.5 集成滤波器 106
4.5.1 开关电容滤波器 106
4.5.2 状态变量滤波器 107
4.6 滤波器设计实例:冲击波超压 测试系统抗混叠滤波器设计 107
4.6.1 被处理信号的分析 107
4.6.2 滤波器的设计 110
思考与练习 111
第5章 信号运算电路 112
5.1 差分运算电路 112
5.2 加法运算电路 113
5.3 减法运算电路 114
5.4 积分、微分运算电路 115
5.5 对数、反对数运算电路 117
5.6 模拟乘法器组成的运算电路 118
5.7 信号运算电路典型应用 124
5.8 集成运算放大器的应用技术 132
思考与练习 134
第6章 信号转换电路 136
6.1 采样保持(S/H)电路 136
6.2 电压比较电路 141
6.2.1 过零比铰器 141
6.2.2 单限比较器 142
6.2.3 滞回比较器 143
6.2.4 双限比较器 144
6.2.5 集成电压比较器 144
6.2.6 比较器的主要参数 145
6.3 电压频率转换电路 145
6.4 电压电流转换电路 148
6.5 波形变换 151
6.6 比较器应用实例:电压比较器LM339的常用方法 152
思考与练习 154
第7章 信号调制与解调电路 155
7.1 调制解调的功用与类型 155
7.2 调幅式测量电路 156
7.2.1 幅值调制与解调概念 156
7.2.2 调幅原理与方法 156
7.2.3 调幅波的解调 161
7.3 调频式测量电路 174
7.3.1 调频原理和方法 175
7.3.2 鉴频电路 176
7.4 相位调制与解调 181
7.4.1 相位调制 181
7.4.2 相位调制的解调 182
7.5 集成锁相环 183
7.6 脉冲宽度调制 187
思考与练习 189
第8章 振荡电路与信号源 191
8.1 振荡电路的作用和分类 191
8.2 正弦波振荡电路的基本原理 192
8.2.1 RC串并联电路的选频特性 193
8.2.2 文氏电桥振荡器 194
8.3 非正弦波振荡器的组成 195
8.4 晶体振荡器 197
8.5 集成波形发生器 200
思考与练习 205
第9章 执行器件的驱动电路 206
9.1 继电器 206
9.2 直流电动机 212
9.3 无刷直流电动机 218
9.4 步进电动机 223
思考与练习 232
第10章 测控电路的抗干扰措施 233
10.1 干扰源简介 233
10.1.1 干扰与噪声源 234
10.1.2 干扰与噪声的耦合方式 234
10.1.3 干扰与噪声抑制的一般措施 237
10.2 干扰抑制技术的基础知识 237
10.2.1 屏蔽技术 237
10.2.2 接地技术 239
10.2.3 隔离技术 241
10.2.4 布线技术 242
10.2.5 灭弧技术 243
10.2.6 其他抗干扰技术 244
10.3 电源干扰的抑制 244
10.3.1 电网干扰抑制技术 245
10.3.2 电源稳定净化技术 246
10.4 干扰抑制常用方法 250
思考与练习 252
第11章 测控电路与计算机接口电路 254
11.1 串行通信接口 254
11.1.1 同步串行通信与异步串行通信的区别 254
11.1.2 UART简介 255
11.1.3 UART的基本特点 255
11.1.4 基于FPGA的UART接口电路 256
11.1.5 UART接收发送模块VHDL编程实例 257
11.1.6 串行通信接口 262
11.2 PCI总线 265
11.2.1 PCI总线概述 265
11.2.2 PCI内部结构及外围信号 265
11.2.3 基于PCI9054从模式的数据采集卡设计与应用 266
11.3 USB接口 269
11.3.1 USB接口简介 269
11.3.2 FT245BM与FPGA的接口设计 269
11.3.3 基于PL2303的USB接口设计 272
11.3.4 基于CY7C68013的USB接口设计 274
11.4 Internet接口 278
11.4.1 基本概念 278
11.4.2 目前常用以太网接口芯片 278
11.4.3 DM9000A与FPGA的接口 279
11.4.4 网络接口常用调试工具 281
11.4.5 基于网络接口的光栅解调仪实例 281
11.4.6 UDP与ARP数据包设计 282
思考与练习 286
第12章 测控电路设计实例 287
12.1 瞬态高温测量及校准仪 287
12.1.1 蓝宝石光纤瞬态表面高温仪 287
12.1.2 瞬态表面温度动态校准仪 291
12.2 运动物体速度测试仪 295
12.2.1 创伤弹道研究专用激光测速靶 295
12.2.2 激光光幕原向反射触发信号源 301
12.2.3 定距测速法的应用探索 305
12.3 爆炸冲击波超压测试系统 312
12.3.1 测试方法 313
12.3.2 无线冲击波场超压测试系统原理 313
12.3.3 测试电路 314
12.3.4 测试结果 320
12.4 NDVI测量仪 321
12.5 电子磁罗盘定向测试系统 323
附录 测控电路设计与应用实验 333
参考文献 363
测控电路是一个整机电路,本身就构成一个独立的电子电路系统(包括光、机、电、控制和计算机五部分),其源头传感器是一种检测装置,能感受到被测模拟量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。如何根据科学技术的飞速发展,补充和更新本课程的教学内容,将测控电路的发展趋势及前沿技术融入教学内容,是测控领域高校教师和科技工作者义不容辞的责任。
本书从第1版到第2版已使用10年,编者在综合考虑国内外电子技术新的发展成果与趋势的基础上,编写了第3版。综合国、内外测控领域教材的优缺点,使测控系统设计总体思想和测控电路的分析、设计与应用紧密结合。本书注重电路的外部特性,与前期侧重内部特性的基础专业课前后衔接,与同期专业课互相渗透,按照基本元器件级、电路级、系统级循序渐进的思路,结合编者在科研成果中采用的新器件、新技术、新软件,提出较为前沿的系统级实用电路设计步骤和实现过程,为提高学生的实践能力与创新能力提供电路分析、设计与应用平台,这样对于巩固所学知识,提高测控系统电路设计的总体能力和工程估算能力是有实用价值的。本书内容丰富,系统性强,深入浅出,难易结合,适用面广。
本书的绪论、第1、3、5、10章及12.1、12.2、12.4节由中北大学郝晓剑编写,第4、6章及12.3节由中北大学杜红棉编写,第7章由中北大学戴萧嫣编写,第2、9章及12.5节由中北大学高丽珍编写,第8章由中北大学文丰编写,第11章由中北大学马游春编写,郝晓剑负责统稿。
本书在编写过程中,参阅了相关文献,在此向这些文献的作者表示谢意。中北大学的潘德恒教授、周汉昌教授和祖静教授对本书的编写工作给予了帮助和支持,本书中应用了他们的科研成果,特向三位德高望重的老先生表示敬意和谢意。同时,要感谢电子工业出版社编辑郭穗娟及电子工业出版社工业技术分社其他编辑的辛勤工作和热情帮助。
尽管全体编者都尽心尽力,但终因水平有限,书中难免有不足或疏漏之处,恳请广大读者批评指正。
编 者
2017年1月
作为一名多年的测控系统爱好者,我已经阅读过不少相关的书籍,但《测控电路设计与应用(第3版)》依然能给我带来惊喜。这本书在数据采集系统设计方面的内容,给我留下了极其深刻的印象。它不仅仅是简单地介绍ADC,而是从整个数据采集链条出发,详细地阐述了从传感器信号的预处理、多路信号的复用、采样时序的控制,到数据存储和初步处理的整个过程。 让我尤其觉得价值的是,书中对不同数据采集架构的对比分析,例如并行采集、串行采集、同步采集和异步采集等,以及它们在不同应用场景下的优劣势。此外,关于如何设计高精度、高可靠性的数据采集系统,作者分享了一些非常宝贵的经验,比如如何进行系统校准、如何处理数据溢出和缺失、以及如何保证数据传输的完整性等等。这些内容对于我这样希望将爱好上升到更高水平的读者来说,无疑是锦上添花。
评分这本《测控电路设计与应用(第3版)》真的让我眼前一亮,尤其是对于我这种初涉嵌入式和传感器技术领域的研究生来说。书中对各种经典和现代的传感器原理、信号调理电路的设计思路以及数据采集和处理方法的阐述,都非常深入且条理清晰。我特别欣赏作者在讲解时,不仅仅是罗列公式和原理,而是花了大量篇幅去分析实际应用中的挑战,比如噪声抑制、抗干扰以及不同工作环境下的传感器选型考量。书中提供的案例研究,从温度、压力、位移到光、声等多种传感器的具体设计实例,都包含了从概念到实现的完整流程,这一点对我们这些需要将理论知识转化为实际项目的人来说,简直是及时雨。 而且,这本书在理论深度和实践指导之间找到了一个非常好的平衡点。它没有像某些教材那样,把晦涩的理论讲得过于抽象,而是通过大量的图示、流程图和代码片段(虽然我还没来得及细看代码部分,但其结构和注释已经很吸引人了),让复杂的概念变得易于理解。我印象最深的是关于ADC和DAC章节的讲解,不同类型的转换器原理、优缺点以及在不同精度和速度要求下的选择策略,都讲解得非常透彻,还对比了常用的集成芯片型号,这对于我后续进行具体硬件选型非常有帮助。作者还分享了一些“坑”和注意事项,比如PCB布局的技巧、电源的设计以及如何优化测量精度,这些都是在课堂上很难学到的宝贵经验。
评分说实话,一开始我拿到《测控电路设计与应用(第3版)》的时候,并没有抱太大的期望,毕竟“测控电路”这个话题听起来就比较枯燥。但读了之后,我发现我的想法完全错了!这本书的写作风格非常生动有趣,虽然是技术书籍,但读起来一点都不费劲。作者的语言非常幽默,而且善于用类比来解释复杂的技术概念,比如他把运算放大器的负反馈比作“乐队指挥”,把ADC的采样率比作“拍照的速度”,这些形象的比喻一下子就抓住了核心。 更让我惊喜的是,书中穿插了许多作者在实际工作中遇到的趣事和教训,这些“故事”不仅增加了阅读的趣味性,更重要的是,它们往往包含了非常深刻的工程实践经验。比如,他讲到有一次因为一个微小的接地线错误,导致整个传感器系统失灵了好几天,最终花了大价钱请人来调试才解决。这样的真实案例,比单纯的理论讲解更能引起读者的共鸣,也更能让我们警醒,在设计中要注重细节。这本书让我觉得,原来技术也可以这么有意思!
评分作为一名有着几年硬件开发经验的工程师,我在翻阅《测控电路设计与应用(第3版)》时,被其内容的全面性和前瞻性所折服。不同于许多老旧的教科书,这本书在“应用”这个层面做得尤为出色,它紧密结合了当前工业自动化、物联网以及智能制造等领域的需求,介绍了许多前沿的测控技术和解决方案。例如,关于无线传感器网络的章节,详细介绍了低功耗设计、节点通信协议以及数据融合等关键技术,这对于我当前参与的智能家居项目来说,提供了不少灵感和技术支持。 此外,书中对于一些复杂系统的设计方法论的阐述,也让我受益匪浅。它不仅仅关注单个电路模块的设计,更强调了整个测控系统的整体架构、模块间的接口设计以及系统集成和调试的流程。作者通过剖析几个大型测控系统的设计案例,例如环境监测系统、医疗诊断设备中的测控部分等,展示了如何将各个子系统有机地结合起来,并解决了在实际工程中可能遇到的各种问题。这种宏观和微观相结合的视角,对于提升整个系统的设计水平非常有价值。
评分我是一名在读博士生,主要研究方向是精密仪器设计,因此对《测控电路设计与应用(第3版)》的内容有着非常高的要求。这本书在信号处理和滤波技术方面的深度给我留下了深刻的印象。它不仅讲解了各种经典的模拟和数字滤波器的原理,如巴特沃斯、切比雪夫等,还详细分析了它们在不同应用场景下的适用性和局限性。更令我称赞的是,书中对一些先进的自适应滤波和盲源分离技术也进行了介绍,并给出了相应的数学模型和算法实现思路。 书中在噪声分析和抑制方面的讨论也相当到位。它从噪声的来源、类型、测量方法到各种有效的抑制手段,都做了详尽的论述。特别是对于如何通过优化电路设计、器件选择以及PCB布局来降低噪声,提供了许多非常实用的指导。例如,关于差分信号的传输、屏蔽和接地技术的讲解,都达到了我预期的专业深度。这些内容对于我目前正在进行的高精度测量系统研究,提供了重要的理论基础和实践指导。
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