數字電子技術實驗教程(全國普通高等院校電子信息規劃教材) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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周素茵，章雲，李光輝著 著

圖書標籤:

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齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302360971

商品編碼：29729771409

包裝：平裝

齣版時間：2014-07-01

基本信息

書名：數字電子技術實驗教程(全國普通高等院校電子信息規劃教材)

定價：14.00元

作者：周素茵,章雲,李光輝著

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2014-07-01

ISBN：9787302360971

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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本書是《數字電子技術》的配套實驗教材，共包括三部分內容： 實驗基礎知識、基礎性實驗和綜閤性實驗。實驗基礎知識主要講述實驗中的操作規範和常見故障的檢查方法，數字集成電路中的相關概念、特點及使用時的注意事項等；基礎性實驗主要針對數字電子技術中常用的組閤電路模塊和時序電路模塊進行邏輯功能的驗證及基本應用的設計；綜閤性實驗主要圍繞幾個具體的應用實例將數字電子技術中的多個知識點有機地融閤在一起，以培養學生設計小型數字係統的能力。

目錄

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部分　實驗基礎知識
第2部分　基礎性實驗
　實驗一　TTL集成門的邏輯功能與參數測試
　實驗二　TTL集電極開路門和三態門邏輯功能的測試及應用
　實驗三　組閤邏輯電路的分析與設計
　實驗四　編碼器及其應用
　實驗五　譯碼器及其應用
　實驗六　數據選擇器及其應用
　實驗七　觸發器及其應用
　實驗八　計數器及其應用
　實驗九　移位寄存器及其應用
　實驗十　555定時器及其應用
第3部分　綜閤性實驗
　綜閤實驗一　計數譯碼顯示電路設計
　綜閤實驗二　脈衝序列發生器電路
　綜閤實驗三　多功能數字鍾設計
　綜閤實驗四　籃球比賽24秒倒計時及報警電路
　綜閤實驗五　汽車尾燈控製電路設計
附錄A　部分芯片引腳圖
參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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《微控製器嵌入式係統設計：原理、實踐與應用》 內容簡介 本書是一本係統介紹微控製器嵌入式係統設計原理、實踐方法及典型應用的高等院校教材。內容涵蓋微控製器硬件架構、指令集、存儲器組織、接口技術、中斷處理、實時操作係統、外圍設備驅動以及典型的嵌入式係統開發流程。旨在幫助讀者深入理解嵌入式係統的核心概念，掌握實際的開發技能，並能夠獨立設計和實現各類嵌入式應用。 第一部分：微控製器基礎 第一章：嵌入式係統概述 本章將帶領讀者走進嵌入式係統這個廣闊而迷人的領域。我們將首先闡釋嵌入式係統的定義，強調其“嵌入”於其他係統中的特性，以及由此帶來的對功耗、成本、體積、實時性、可靠性和安全性的特殊要求。通過對嵌入式係統典型應用場景的廣泛介紹，如消費電子（智能手機、傢用電器）、工業控製（自動化生産綫、機器人）、汽車電子（車載娛樂係統、ADAS）、醫療器械（監護儀、診斷設備）以及通信設備（基站、路由器）等，揭示嵌入式係統在現代社會中無處不在的重要性。 接著，我們將深入探討嵌入式係統的基本組成，分析其通常包含微控製器（MCU）或微處理器（MPU）作為核心處理器，配閤存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸齣（I/O）接口、定時器、通信接口（UART、SPI、I2C等）以及其他專用外圍設備（ADC、DAC、PWM等）。本書將重點關注以微控製器為核心的嵌入式係統設計，並明確指齣微控製器在集成度高、功耗低、成本適中等方麵的優勢，使其成為嵌入式領域的主流選擇。 此外，本章還將簡要介紹嵌入式係統與通用計算機係統的區彆，突齣嵌入式係統在專用性、實時性、資源受限性以及硬件軟件緊耦閤性等方麵的獨特之處。最後，我們將展望嵌入式技術的發展趨勢，如物聯網（IoT）、人工智能（AI）在嵌入式領域的應用、低功耗設計、安全設計以及軟硬件協同設計等，激發讀者對未來嵌入式技術的探索熱情。 第二章：微控製器體係結構與指令集 本章將聚焦於微控製器的核心——其內部體係結構。我們將以ARM Cortex-M係列微控製器為例，詳細解析其流水綫結構、寄存器組織、工作模式（用戶模式、特權模式）、堆棧操作以及中斷和異常處理機製。深入理解這些底層細節，對於編寫高效、可靠的嵌入式軟件至關重要。 我們將詳細介紹ARM Cortex-M係列微控製器的指令集架構（ISA），包括定長指令、可變長指令、數據處理指令（算術、邏輯、移位）、存儲器訪問指令（LDR, STR）、分支指令（B, BL）、條件執行指令以及協處理器指令等。我們將重點講解Thumb指令集，分析其相比於ARM指令集的優勢，如代碼密度高，尤其適用於資源受限的嵌入式環境。 在此基礎上，我們將進一步闡述尋址模式，如立即數尋址、寄存器尋址、寄存器偏移尋址、基址加偏移量尋址等，以及這些尋址模式在訪問不同類型數據時的應用。同時，本章還將深入講解中斷和異常處理流程，包括中斷嚮量錶、中斷優先級、中斷控製器（NVIC）的工作原理，以及如何編寫中斷服務程序（ISR）來響應外部事件。理解中斷機製是實現嵌入式係統實時響應的關鍵。 第三章：存儲器組織與訪問 本章將深入探討嵌入式係統中至關重要的存儲器組織與訪問技術。我們將首先介紹嵌入式係統常用的存儲器類型，包括易失性存儲器（RAM）和非易失性存儲器（ROM）。RAM主要包括靜態隨機存取存儲器（SRAM）和動態隨機存取存儲器（DRAM），我們將分析它們的結構、讀寫特性、功耗以及在嵌入式係統中的典型應用場景。 非易失性存儲器是存儲程序代碼和常量數據的關鍵，我們將重點介紹閃存（Flash Memory）的原理、讀寫操作（擦除、編程）、壽命以及其在嵌入式係統中作為程序存儲器的廣泛應用。此外，我們還將簡要介紹其他非易失性存儲器，如EEPROM（電可擦可編程隻讀存儲器），並分析其與Flash Memory在特性和應用上的差異。 本章將詳細解析微控製器內部存儲器的組織結構，包括寄存器、SRAM、Flash Memory的地址映射。我們將講解內存管理單元（MMU）或內存保護單元（MPU）的作用，以及它們如何支持更復雜的存儲器管理和保護機製。 在理解存儲器結構的基礎上，我們將重點講解微控製器與外部存儲器（如SDRAM、NOR/NAND Flash）的接口技術。我們將分析各種存儲器接口的時序，以及如何通過GPIO（通用輸入輸齣）或專用的存儲器接口控製器來連接和訪問外部存儲器。還將探討內存映射I/O（Memory-Mapped I/O）和端口I/O（Port I/O）這兩種不同的I/O設備訪問方式，並分析它們在微控製器係統中的應用。 第四章：微控製器接口技術 本章將全麵介紹微控製器與外部世界進行信息交互的關鍵——接口技術。我們將重點講解幾種最常用的串行通信接口：UART（通用異步收發傳輸器）、SPI（串行外設接口）和I2C（集成電路總綫）。 對於UART，我們將詳細解析其工作原理，包括發送器、接收器、波特率、數據位、停止位、校驗位等參數的設置，以及如何在嵌入式係統中實現簡單的點對點通信，例如與PC機、GPS模塊等進行數據交換。 SPI接口作為一種全雙工、同步串行通信方式，將重點講解其主從設備結構、時鍾極性（CPOL）和相位（CPHA）的設置，以及如何通過SPI接口連接如EEPROM、SD卡、傳感器等外圍設備。 I2C總綫作為一種多主多從的總綫，我們將深入分析其通信協議，包括起始條件、停止條件、地址仲বলে（ACK/NACK）機製，以及如何通過I2C總綫連接多個傳感器、顯示器等設備，實現靈活的總綫通信。 除瞭串行接口，我們還將介紹並行通信接口，如GPIO（通用輸入輸齣）。我們將講解GPIO的配置（輸入/輸齣、上拉/下拉）、輸齣模式（推挽、開漏）以及如何通過GPIO控製LED、讀取按鈕狀態等基本操作。 此外，本章還將涉及其他重要的接口技術，如ADC（模數轉換器）和DAC（數模轉換器），分析它們的采樣率、分辨率以及在采集模擬信號和輸齣模擬信號方麵的應用。同時，還將簡要介紹PWM（脈衝寬度調製）技術，及其在電機控製、LED亮度調節等方麵的應用。 第二部分：嵌入式軟件開發 第五章：中斷與異常處理 本章將深入剖析微控製器係統中至關重要的一環——中斷與異常處理。我們將首先明確中斷（Interrupt）和異常（Exception）的概念，以及它們與正常程序執行流程的區彆。我們將詳細闡述中斷産生的時機，包括外部硬件中斷（如按鈕按下、傳感器數據就緒）、內部定時器中斷、通信接口中斷等，以及異常的産生，如非法指令、訪存越界等。 我們將重點講解中斷控製器（如ARM Cortex-M中的NVIC）的工作原理。這包括中斷嚮量錶的作用，以及CPU如何通過中斷嚮量錶跳轉到相應的中斷服務程序（ISR）。我們將深入分析中斷優先級機製，理解高優先級中斷如何搶占低優先級中斷，以及中斷嵌套的實現。 本章將指導讀者如何編寫高效、安全的中斷服務程序。我們將講解在ISR中應遵循的原則，如盡量縮短ISR執行時間、避免執行耗時操作、注意共享資源的訪問同步問題等。我們將演示如何通過設置中斷觸發條件、使能中斷、清除中斷標誌位等來管理中斷。 此外，我們還將探討異常處理機製，包括未定義指令異常、SVC（Supervisor Call）異常等。理解異常處理對於係統的穩定性和健壯性至關重要，例如如何通過異常處理來捕獲和報告程序錯誤。 第六章：實時操作係統（RTOS）基礎 本章將為讀者引入嵌入式係統開發中的一個重要概念——實時操作係統（RTOS）。我們將首先解釋RTOS的定義及其在嵌入式係統中的必要性，尤其是在需要多任務並發執行、嚴格時間約束的應用場景下。我們將對比RTOS與普通操作係統的區彆，強調RTOS的實時性、確定性、資源占用率低等特性。 我們將詳細介紹RTOS的核心概念，包括任務（Task）或綫程（Thread）、任務狀態（就緒、運行、阻塞、掛起）、任務調度算法（如優先級調度、時間片輪轉調度）、任務間通信機製（如信號量、互斥鎖、消息隊列、事件標誌）以及中斷處理與RTOS的結閤。 本章將選取一款經典的嵌入式RTOS（例如FreeRTOS）作為示例，對其關鍵API進行介紹和講解。我們將演示如何創建、刪除任務，如何進行任務的同步與通信，以及如何使用定時器和事件等RTOS提供的功能。我們將通過具體的代碼示例，幫助讀者理解如何在RTOS環境下進行嵌入式軟件的設計與開發。 第七章：外圍設備驅動程序設計 本章將聚焦於嵌入式係統開發中不可或缺的一部分——外圍設備驅動程序的設計。我們將以常見的微控製器外圍設備為例，講解驅動程序的開發流程和關鍵技術。 我們將首先以LED作為最簡單的輸齣設備為例，講解如何編寫控製LED點亮、熄滅、閃爍的驅動程序。接著，以按鍵作為輸入設備，講解如何編寫讀取按鍵狀態（按下、釋放）、實現消抖的驅動程序。 然後，我們將深入講解如何為串行通信接口（UART、SPI、I2C）編寫驅動程序。這包括如何配置接口參數、發送和接收數據、處理發送/接收緩衝區、以及如何實現阻塞式或非阻塞式的通信方式。 對於ADC和DAC，我們將講解如何配置ADC的采樣通道、采樣速率，讀取ADC轉換結果；以及如何配置DAC的輸齣值，生成模擬信號。 此外，本章還將介紹如何為更復雜的外圍設備編寫驅動，例如LCD顯示屏、傳感器（溫度、濕度、光照等）。我們將強調驅動程序的可移植性、模塊化設計，以及如何通過抽象層來隱藏硬件細節，提高代碼的復用性。 第八章：嵌入式係統開發流程與工具鏈 本章將為讀者梳理完整的嵌入式係統開發流程，並介紹常用的開發工具鏈。我們將從需求分析、係統設計、硬件選型、軟件開發、集成測試到産品發布，詳細講解每個階段的關鍵任務和注意事項。 我們將介紹交叉編譯（Cross-compilation）的概念，以及嵌入式開發中為何需要交叉編譯。我們將重點介紹嵌入式開發常用的工具鏈，包括交叉編譯器（如GCC for ARM）、匯編器、鏈接器、調試器（如GDB）以及目標闆調試工具（如JTAG、SWD仿真器）。 本章將詳細講解集成開發環境（IDE）的使用，例如Keil MDK、IAR Embedded Workbench、STM32CubeIDE等。我們將演示如何在一個典型的IDE中創建項目、編寫代碼、進行編譯、鏈接、下載到目標闆，以及如何使用調試器進行代碼調試，包括設置斷點、單步執行、查看變量值、內存內容等。 我們還將介紹版本控製係統（如Git）在嵌入式項目中的應用，以及代碼管理的重要性。此外，還將簡要介紹固件更新（Firmware Update）的幾種常見方式。 第三部分：嵌入式係統應用 第九章：數據采集與處理係統設計 本章將帶領讀者設計一個典型的數據采集與處理係統。我們將以溫度、濕度傳感器為例，講解如何利用微控製器的ADC接口和串行通信接口（如UART或I2C）來采集傳感器數據。 我們將詳細講解數據采集的周期性觸發、中斷式采集等方式。在數據采集完成後，我們將探討如何對采集到的數據進行預處理，例如濾波（移動平均濾波、中值濾波）、校準、單位轉換等，以提高數據的準確性和可用性。 接著，我們將介紹如何將處理後的數據存儲到本地存儲器（如Flash）或通過通信接口發送到上位機進行進一步分析。我們還將討論如何設計一個簡單的數據顯示界麵（例如通過LCD屏幕）來實時顯示采集到的數據。 本章將結閤實際的硬件平颱和傳感器，提供完整的硬件連接圖和軟件代碼示例，幫助讀者動手實踐，理解數據采集與處理係統的設計思路。 第十章：電機控製係統設計 本章將深入探討嵌入式係統中常見的應用——電機控製。我們將以直流電機和步進電機為例，講解不同的控製方法和實現技術。 對於直流電機，我們將重點講解PWM（脈衝寬度調製）技術在調速方麵的應用，以及如何通過PWM信號控製電機轉速。我們還將介紹H橋電路，以及如何利用H橋實現直流電機的正反轉控製。 對於步進電機，我們將介紹其工作原理，包括定子綫圈的勵磁順序，以及如何通過微控製器輸齣一係列的脈衝信號來驅動步進電機按照預設方嚮和步數轉動。我們將討論全步、半步、微步等不同的驅動模式，並分析它們的優缺點。 本章還將介紹如何結閤編碼器反饋，實現電機的閉環控製，例如PID（比例-積分-微分）控製算法，以達到更精確的轉速或位置控製。我們將提供相應的電路設計和嵌入式程序實現。 第十一章：通信協議與網絡應用 本章將聚焦於嵌入式係統中的通信協議和網絡應用。我們將從基礎的通信協議講起，逐步過渡到更復雜的網絡應用。 我們將再次迴顧UART、SPI、I2C等串口通信協議，並講解它們在不同場景下的應用，例如通過UART連接GPS模塊獲取位置信息，通過SPI連接SD卡存儲數據，通過I2C連接各種傳感器。 接著，我們將介紹常見的有綫和無綫通信網絡協議。對於有綫網絡，我們將簡要介紹以太網接口（Ethernet）及其TCP/IP協議棧在嵌入式設備中的應用，例如連接工業控製網絡或作為IoT設備接入互聯網。 對於無綫通信，我們將重點介紹Wi-Fi和藍牙（Bluetooth）在嵌入式係統中的應用。我們將講解如何配置Wi-Fi模塊實現設備聯網，以及如何利用藍牙進行短距離的設備間通信或與手機進行數據交換。 此外，本章還將介紹一些新興的物聯網通信協議，如MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），並探討其在構建低功耗、高效率的物聯網應用中的優勢。我們將提供相關的實例，幫助讀者理解如何將嵌入式設備接入網絡，實現遠程監控和控製。 第十二章：嵌入式係統項目實戰 本章將通過一個綜閤性的項目實戰，引導讀者將前麵章節所學的知識融會貫通。我們將選擇一個具有代錶性的嵌入式應用場景，例如一個智能傢居控製終端。 該項目將涵蓋從需求分析到最終實現的完整過程。我們將規劃係統功能，包括控製燈光、監測室內環境（溫度、濕度、光照）、接收遠程指令等。然後，我們將進行硬件選型，例如選擇一款閤適的微控製器，以及相關的傳感器、執行器（繼電器）、通信模塊（Wi-Fi）。 在軟件開發階段，我們將設計係統的軟件架構，包括操作係統的選擇（如果需要）、各功能模塊的劃分、驅動程序的編寫、以及應用程序的邏輯實現。我們將重點講解如何整閤各個模塊，實現係統的整體功能，例如如何利用RTOS管理多任務，如何通過Wi-Fi模塊實現遠程控製，如何處理用戶輸入等。 最後，我們將進行係統的集成測試和調試，確保各個功能模塊協同工作正常，並最終完成整個智能傢居控製終端的開發。本章的實戰項目旨在提供一個完整的學習閉環，讓讀者在實踐中鞏固理論知識，提升解決實際問題的能力。 本書通過理論講解與實踐相結閤的方式，旨在為讀者打下堅實的嵌入式係統設計基礎，培養獨立解決嵌入式開發問題的能力，為將來在嵌入式領域從事研發、設計、應用等工作做好充分準備。

評分☆☆☆☆☆

這本書的編排邏輯簡直可以稱得上是教科書級彆的典範，它深諳學習的規律，知道我們的大腦是如何吸收和處理信息流的。它並不是把所有知識點一股腦地砸給你，而是采用瞭一種“模塊化遞增”的策略。比如，在講解完基本的觸發器原理後，緊接著就會齣現一個涉及多個觸發器級聯的計數器實驗，這樣，你對理論的理解立馬就得到瞭驗證和深化。我發現，這本書最大的優點在於它對實驗環境的描述極其細緻。它不僅告訴你用什麼芯片（比如常用的74係列芯片），還細緻到建議使用哪種萬用錶、示波器的基本設置參數，甚至連焊接時需要注意的溫度範圍都有提及。這種對細節的極緻關注，極大地減少瞭我們在動手過程中因工具使用不當而産生的挫敗感。很多其他教材隻會告訴你“搭建電路”，但這本書會告訴你“如何安全、高效地搭建電路”。這種對工程實踐細節的尊重，使得這本書從一本普通的教材，升華為一本實用的操作手冊，對於那些渴望真正掌握“動手能力”的學生來說，無疑是一份寶貴的財富，它教會的不僅是知識，更是嚴謹的工程態度。

評分☆☆☆☆☆

老實說，第一次翻閱這本書時，我有些擔心它會不會因為篇幅適中而流於錶麵，畢竟“數字電子技術”的內容量是相當可觀的。然而，深入閱讀後，我發現它的“精簡”並非“縮水”，而是一種高度的提純和聚焦。它巧妙地避開瞭那些在現代集成電路應用中已經不那麼主流的復雜理論模型，而是將筆墨集中在瞭當前工業界和高校教學中最常使用的那批核心元器件和設計範式上。這種“抓大放小”的策略，使得學習路徑異常高效。書中對一些關鍵概念的解釋，比如競爭與冒險、時序邏輯的同步化處理等，往往用一兩個生動的類比就能點透，那種豁然開朗的感覺是閱讀純理論書籍時很難獲得的。我尤其欣賞它在每個章節末尾設置的“思考題”，這些問題往往不是簡單的計算或記憶，而是需要你綜閤運用本章和前幾章知識進行小型的係統設計或分析，這有效地訓練瞭我們從零開始構建數字係統的能力。這本書就像一位經驗豐富的導師，他知道哪些知識是必須精通的，哪些是可以在未來工作中慢慢探索的，目標明確，直擊要害。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書最深刻的感受是它對“工程思維”的培養。它不隻是讓你學會“怎麼做”，更讓你思考“為什麼這麼做最好”。在處理像晶振電路、復位電路這些看似簡單的基礎模塊時，書中會深入探討不同元器件選型對穩定性的影響，以及如何通過修改幾個電阻電容值來優化電路的性能，而不是直接給齣“標準答案”。這在我後來的項目實踐中證明瞭其價值，因為現實中的電子設計總是充滿妥協和優化，沒有絕對的標準答案。書中提供瞭一係列的設計約束和優化思路，這些都是書本知識無法直接給予的“軟技能”。我記得有一次實驗，我按照書上的推薦參數仿真通過瞭，但實際搭建時卻齣現瞭不穩定的時鍾信號，我迴去翻閱書中關於電源去耦電容和地綫處理的章節，纔意識到實際布綫的復雜性遠超仿真環境。正是這種對真實世界復雜性的預見和指導，讓這本書的價值遠超一般的理論或實驗手冊，它是在培養一個未來的工程師，而不是一個簡單的電路裝配工。

評分☆☆☆☆☆

這本書在視覺傳達和可讀性方麵也做得相當齣色，這一點對於長時間麵對電路圖和波形圖的學習者來說，非常重要。它的插圖清晰度非常高，無論是邏輯符號、引腳定義圖還是實驗接綫圖，都使用瞭高質量的矢量圖形，放大後依然銳利無比，這在排查接綫錯誤時簡直是神助攻。更值得稱贊的是，它在不同知識點之間的過渡非常自然流暢，就像一條條精心鋪設的軌道，將你平穩地從一個概念帶到下一個更深層次的概念。例如，在講解瞭基本的編碼器和譯碼器的實現後，它會很自然地引齣如何用這些模塊來構建一個簡單的地址譯碼器，這種結構的關聯性讓人感覺整個數字係統是一個緊密相連的整體，而不是一堆孤立的知識點。很多教材在理論部分和實驗部分之間存在明顯的“斷層”，但這本書在這方麵做得非常好，理論推導和實際操作之間的銜接幾乎是無縫的，真正做到瞭理論指導實踐，實踐反哺理論的良性循環。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計給我留下瞭深刻的第一印象，那種嚴謹中不失活潑的排版風格，讓人感覺這本書不僅僅是一本教科書，更像是一本充滿實踐精神的指導手冊。我記得當初拿到它的時候，就被其中豐富的實驗項目所吸引，每一個實驗都圍繞著數字電子技術的核心概念展開，從最基礎的邏輯門電路到稍微復雜的組閤邏輯和時序邏輯設計，循序漸進，毫無跳躍感。對於我們這些初次接觸硬件實驗的學生來說，這種“手把手”的教學方式簡直是救星。作者在每個實驗的講解中，都會詳細剖析電路原理，告訴你“為什麼”要這麼設計，而不是簡單地給齣電路圖和操作步驟。特彆是那些關於故障排查的章節，簡直是實戰經驗的結晶，把我們在實驗室裏經常遇到的各種“疑難雜癥”都預判到瞭，並給齣瞭清晰的解決思路。我特彆喜歡它在理論與實踐之間的平衡把握，沒有過度堆砌復雜的數學公式，而是把重點放在瞭如何用這些理論知識去搭建一個可以實際運行的係統上，這對於培養工程師的實踐能力至關重要。總而言之，這本書的結構清晰，內容詳實，是一本非常值得信賴的入門級實驗指南。