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出版者:清华大学

作者:阎石 编

出品人:

页数:276

译者:

出版时间:2007-8

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787302152019

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《模拟信号处理与传感器接口技术》 内容简介 本书深入探讨了模拟信号在现实世界中的应用，以及如何有效地将其转化为数字系统可处理的信息。内容聚焦于模拟信号的产生、传输、滤波、放大等关键环节，并详细介绍了各种传感器的工作原理、特性参数以及如何将其与微控制器等数字处理单元进行接口设计。本书旨在为读者建立扎实的模拟信号处理基础，并掌握实用的传感器集成经验，使其能够设计和实现各种智能化、集成化的电子系统。 第一章 模拟信号的特性与表示 本章将从最基础的概念入手，为读者构建对模拟信号的全面认知。我们将首先阐述模拟信号的本质，即其连续的幅度和时间特性，并与数字信号的离散特性进行对比，以便读者清晰地理解两者的区别。接着，我们将详细介绍描述模拟信号的关键物理量，包括电压、电流、频率、相位、波形等，并解释它们在信号分析中的意义。 为了定量地理解和分析模拟信号，本章将重点介绍几种常用的表示方法。我们会深入讲解时域分析，包括正弦波、方波、三角波等基本波形的表示及其重要参数（如幅值、周期、频率、初相位）。同时，我们也会引入频域分析的概念，通过傅里叶级数和傅里叶变换，揭示信号的频率成分，为后续的滤波和信号调理打下理论基础。此外，本书还将介绍噪声在模拟信号中的表现形式，例如随机噪声、周期性干扰等，并初步探讨噪声对信号质量的影响。 第二章 模拟信号的产生与测量 本章将引导读者了解模拟信号的来源以及如何对其进行精确的测量。我们将首先介绍几种常见的模拟信号源，包括但不限于函数发生器、信号注入设备以及自然界中存在的模拟信号（如声波、光信号等）。对于这些信号源，我们将分析它们的输出特性、稳定性和准确性，以及如何选择合适的信号源来满足特定的实验或应用需求。 测量是理解和分析模拟信号的关键环节。因此，本章将详细介绍各种模拟信号测量仪器，重点讲解示波器、数字万用表、频谱分析仪等常用设备的原理、操作方法、测量精度以及误差分析。我们将指导读者如何正确连接仪器、设置参数，并解释从测量结果中获取有效信息的方法。此外，本章还会涉及一些特殊的测量技术，例如瞬态信号测量、高频信号测量等，以应对复杂的测量场景。 第三章 模拟信号的滤波技术 滤波是模拟信号处理中至关重要的一环，其目的是去除信号中的噪声和干扰，提取有用的信息。本章将系统地介绍各类模拟滤波器，从基本概念到实际应用。 我们将首先阐述滤波器的基本功能和分类，包括低通、高通、带通和带阻滤波器，并解释它们在不同应用场景下的作用。然后，我们将深入讲解几种经典的滤波器设计原理，包括无源滤波器（RC、RL、LC电路）和有源滤波器（基于运算放大器的滤波器）。对于每种滤波器，我们将分析其传递函数、频率响应、阶数、截止频率等关键参数，并提供设计计算的实例。 本书还将重点介绍几种重要的滤波器实现方法。例如，萨伦-凯（Sallen-Key）滤波器和多重反馈（MFB）滤波器的结构和设计方法，以及它们在单极点和双极点滤波电路中的应用。此外，我们还将探讨巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和贝塞尔（Bessel）等不同类型滤波器在幅频响应和相频响应方面的特性差异，帮助读者根据具体需求选择最优的滤波器类型。最后，本章还会涉及滤波器在实际电路中的布局、元件选择以及性能优化等工程实践问题。 第四章 模拟信号的放大与衰减 在许多应用中，原始的模拟信号可能过弱或过强，需要进行放大或衰减才能满足后续处理的要求。本章将详细介绍模拟信号的放大与衰减技术。 我们将首先讲解放大器的基本概念，包括增益、带宽、输入阻抗、输出阻抗等关键参数，以及它们对信号质量的影响。然后，我们将详细介绍几种常见的放大器电路，包括同相放大器、反相放大器、差分放大器以及运算放大器（Op-Amp）的应用。对于运算放大器，我们将深入分析其理想模型和实际模型的特性，以及如何利用其构建各种功能的放大电路，例如可编程增益放大器（PGA）。 除了电压放大，本章还将介绍电流放大和跨导放大等概念。我们还会讨论反馈技术在放大器设计中的重要作用，包括负反馈和正反馈，以及它们对放大器稳定性、带宽和失真的影响。 在衰减方面，我们将介绍电阻分压器、可变电阻器（电位器）以及步进衰减器等实现方式。我们会分析不同衰减器电路的衰减特性、插入损耗以及频率响应，并给出相应的计算和设计方法。此外，本章还会涉及信号的电平转换和阻抗匹配技术，以确保信号在传输过程中的完整性和能量有效传递。 第五章 传感器的工作原理与分类 传感器是将物理量（如温度、压力、光、声音、位移等）转化为电信号的关键器件。本章将深入剖析各类传感器的基本工作原理和分类。 我们将从物理传感原理出发，介绍电阻式、电容式、电感式、压电式、热电效应、光电效应等多种传感机制。例如，我们将详细讲解热敏电阻（NTC/PTC）在温度测量中的应用，以及其与温度的关系曲线；介绍应变片如何通过形变改变电阻值来测量力或压力；讲解光敏电阻和光电二极管如何响应光照强度变化。 根据被测量量的不同，我们将传感器分为多种类型。例如，温度传感器（热电偶、RTD、集成温度传感器）、压力传感器（压阻式、电容式）、位移传感器（LVDT、光学尺）、力传感器（测力电阻、压电陶瓷）、湿度传感器、气体传感器、声音传感器、生物传感器等。对于每种类型的传感器，我们将介绍其核心工作原理、性能指标（如灵敏度、精度、线性度、响应时间、量程）、选择标准以及典型应用场景。 第六章 传感器与微控制器的接口设计 将传感器采集到的模拟信号有效地接入微控制器（MCU）是构建智能系统的核心环节。本章将详细讲解传感器与MCU之间的接口设计技术。 首先，我们将介绍模拟-数字转换器（ADC）的基本原理和类型，包括逐次逼近型ADC、Σ-Δ型ADC、双斜率型ADC等。我们将详细分析ADC的关键参数，如分辨率、采样率、转换时间、精度等，并指导读者如何根据传感器输出信号的特性和应用要求选择合适的ADC。 接着，我们将重点讲解不同传感器与MCU的典型接口方式。对于模拟输出的传感器，我们将介绍如何通过ADC直接读取其输出电压或电流，并进行数据采集。我们会详细讲解信号调理电路的设计，例如使用运算放大器构建信号放大、滤波、偏置电路，以确保传感器输出信号能够匹配ADC的输入范围，并去除噪声。 对于数字输出的传感器，我们将介绍串行通信接口（如I2C、SPI、UART）的应用。我们将讲解这些通信协议的工作原理、时序图以及如何通过MCU的相应硬件接口与之进行通信，读取传感器数据。此外，本章还将介绍一些专用的传感器接口技术，例如PWM输出的传感器、集成数字接口的传感器等。 第七章 信号调理与噪声抑制 在传感器数据传输和处理过程中，信号调理和噪声抑制是保证数据准确性和系统稳定性的关键。本章将聚焦于这些重要技术。 我们将详细介绍信号调理电路的设计原则和方法，包括直流偏置的引入与消除、信号的增益控制、信号的线性化处理等。我们将分析不同信号调理电路的优缺点，以及如何根据具体应用需求进行优化。 噪声抑制是模拟信号处理中的一个重要挑战。本章将深入探讨各种噪声的来源，包括热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、外部电磁干扰（EMI）等。我们将介绍多种有效的噪声抑制技术，例如滤波（包括模拟滤波器和数字滤波器）、屏蔽、接地、差分信号传输以及信号平均技术。我们将分析这些技术的原理和适用范围，并提供具体的电路设计案例。 此外，本章还将介绍电磁兼容性（EMC）的基本概念，以及如何在电路设计和布局中采取措施，减少电磁干扰的产生和耦合，提高系统的抗干扰能力。 第八章 实际应用案例分析 为了巩固理论知识并加深对传感器接口技术的理解，本章将通过一系列实际应用案例进行深入分析。 我们将选择一些典型且具有代表性的应用场景，例如： 环境监测系统： 如何集成温湿度传感器、光照传感器、气体传感器，并通过ADC和MCU实现环境参数的实时采集和显示。 工业自动化： 如何使用压力传感器、位移传感器、液位传感器，结合PLC或嵌入式系统，实现对生产过程的精确控制。 医疗仪器： 如何设计脉搏传感器、心电信号采集电路，并进行信号调理和处理，以实现对生理参数的监测。 智能家居： 如何集成 PIR 运动传感器、声控传感器，实现对家居环境的智能化感知和响应。 对于每一个案例，我们将详细剖析其系统架构、关键元器件的选择、接口电路的设计、信号处理流程以及软件控制策略。我们将分析在实际设计过程中可能遇到的挑战，并提供相应的解决方案。通过这些案例分析，读者将能够将所学知识融会贯通，掌握实际工程设计中的关键技术和方法。 总结 《模拟信号处理与传感器接口技术》一书，通过系统性的讲解和丰富的实践案例，为读者提供了深入理解模拟信号世界以及将其与数字世界高效连接的宝贵知识。本书不仅着重于理论的阐述，更强调工程实践的应用，旨在培养读者独立设计和实现复杂模拟信号处理与传感器集成系统的能力，为他们在人工智能、物联网、嵌入式系统等前沿领域的发展奠定坚实的基础。

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这本书的实战导向性让我印象非常深刻，它完全没有停留在理论的象牙塔里空谈，而是紧密结合工程实践中的具体问题展开讨论。我特别欣赏它对实验环节的重视，书中的每一个理论章节后面，几乎都附带着精心设计的实验项目，这些项目从小规模的逻辑功能验证，到相对复杂的计数器和寄存器设计，难度梯度设置得非常合理。我按照书中的步骤一步步操作下来，遇到的每一个“坑”——比如元器件选型上的细微差别、焊接时的注意事项，甚至是仿真软件设置的陷阱——作者似乎都预料到了，并在注释中给出了明确的规避方法或调试思路。这使得学习过程中的挫败感大大降低。最让我觉得贴心的是，它没有将理论和实践割裂开来，而是强调“为什么这么设计”背后的工程取舍，例如在速度、功耗和成本之间如何权衡，这才是真正的工程思维。读完后，我感觉自己不仅仅是学会了电路的构成，更是学会了如何像一个工程师那样去思考和解决实际问题。这本书绝对不是那种只适合应试的“死记硬背”型教材，它更像是为你准备了一个装备齐全的工具箱，让你即刻就能上手干活。

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这本书的讲解方式真是让人耳目一新，特别是在那些看似枯燥的逻辑门和时序电路部分，作者居然能用这么生动形象的比喻来阐述复杂的概念。我记得以前看别的教材时，常常被那些布尔代数公式绕得晕头转向，但这本书里，作者仿佛是一位经验丰富的老教师，总能找到最贴近生活、最直观的切入点。比如讲到组合逻辑电路时，他不是直接抛出真值表，而是先描绘一个实际的应用场景，让我们自己去体会为什么需要这种特定的逻辑组合。这种由浅入深的教学方法，极大地降低了初学者的入门门槛。而且，书中对不同半导体器件特性的剖析也极其细致，从PN结的形成到实际晶体管的工作原理，层层递进，逻辑清晰。更值得称赞的是，书中的插图质量非常高，线条清晰，标注准确，很多时候，一张图胜过千言万语，让人一眼就能把握住电路的结构和信号的流向。对于那些想系统、深入地理解数字电路底层逻辑的读者来说，这绝对是一本不可多得的良师益友。它不仅仅是一本教科书，更像是一份详细的实践指南，为后续学习更高级的数字系统设计打下了极其坚实的基础。

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我对这本书的排版设计和内容组织架构赞赏有加，这在技术书籍中是难得的品质。整体阅读下来，流畅度极高，根本不会出现章节之间衔接突兀或者知识点跳跃的问题。作者显然是花费了大量心血在结构化的梳理上，使得整个数字电子技术知识体系呈现出一种非常优雅的层级关系。初级的基本逻辑单元被扎实地建立起来后，作者很自然地过渡到了更复杂的时序逻辑，再到存储器和总线结构，整个逻辑链条环环相扣，浑然一体。书中的术语定义清晰，初次出现时都有详细的解释，并且在后续引用时保持了一致性，这对于理解晦涩的专业术语至关重要。此外，书中的示例代码和电路图的规范性也值得称道，所有符号都符合行业标准，阅读起来非常舒适，极大地减轻了大脑对图形解析的负担。这种高质量的编辑和排版，让原本就略显深奥的电子技术学习过程，变成了一种享受而非煎熬。它成功地将一本严谨的学术著作，转化成了一本具有高度可读性的专业读物。

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让我印象深刻的是这本书在处理电路故障分析和排除方面的独到见解。很多教材只教你如何构建一个能工作的电路，但这本书却花了不少篇幅去探讨“当它不工作时该怎么办”。作者提供了一套系统化的排故流程和思维导图，比如从电源检查到信号输入输出的逐级比对，再到关键节点的电压和波形测量分析。书中列举了大量典型故障案例，这些案例都取材于实际工程中经常遇到的问题，例如时钟信号丢失、反馈回路错误、或者由于电平不匹配导致的逻辑错误等。对于每一个案例，作者不仅指出了现象，更重要的是剖析了背后的根本原因，并提供了验证性的实验方法来确认故障点。这种注重故障诊断能力的训练，极大地提升了作为读者的解决问题的综合能力。它教会我们不要满足于电路“能跑起来”的表象，而是要理解其在各种工况下的鲁棒性，这对于未来从事硬件维护或系统集成工作的人来说，无疑是一笔宝贵的财富。这本书真正做到了理论指导实践，并且延伸到了实践中更关键的一环——维修与优化。

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这本书的深度和广度达到了一个非常令人满意的平衡点，它既能满足初学者建立基础的需要，又能为有一定背景的读者提供深入研究的素材。我特别欣赏它对一些前沿概念的适度引入，比如在讨论大规模集成电路（LSI/VLSI）时，作者没有仅仅停留在基本的门电路层面，而是简要地介绍了CMOS反相器的工作特性、逻辑族的特性，甚至触及了简单的可编程逻辑器件（PLD）的基本思想。这些内容的出现，既拓宽了读者的视野，又不会因为过于深入而冲淡了对核心基础知识的掌握。更重要的是，作者在讲解每一个模块时，都会适当地穿插一些历史背景或关键人物的贡献，这使得冰冷的电路原理变得有血有肉，充满了人文色彩。这种处理方式，让读者在学习技术的同时，也能感受到这门学科的发展脉络和创新精神。它不是那种只教你“怎么做”的书，它还努力告诉你“为什么是现在这样”，这种对知识体系的宏观把握能力，是很多同类书籍所欠缺的。

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越看越有趣。。。

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