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出版者:

作者:Kularatna, Nihal

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:2008-6

价格:$ 135.54

装帧:

isbn号码:9780849376177

丛书系列:

图书标签:

• 电子电路设计
• 电路分析
• 模拟电路
• 数字电路
• 电路理论
• 电子工程
• 电路
• 设计
• EDA
• 可编程逻辑

精密仪器与微观世界：现代物理实验技术导论 本书旨在为高等院校物理、电子工程及相关专业的本科生和研究生提供一本全面、深入的现代物理实验技术导论。它聚焦于支撑前沿科学研究的精密测量、信号处理以及先进仪器设备的操作与设计，强调理论与实践的紧密结合。 --- 第一部分：基础测量原理与误差分析 第一章：物理测量的基本概念与量化 本章首先确立了物理测量的核心地位，探讨了什么是“可测量”以及如何进行科学的量化描述。详细阐述了测量过程中的系统性误差与随机误差的来源、特性及区分方法。引入了不确定度分析的国际标准（如ISO GUM），强调从一次测量到最终结果报告的完整链条必须建立在可靠的误差评估之上。讨论了有效数字的选取规则，确保实验数据的报告既精确又符合实际测量能力。 第二章：经典信号的获取与处理 本章深入讲解了传感器（Transducers）的工作原理，重点覆盖了电阻、电容、电感、热电效应、光电效应等物理量到电信号的转换机制。详细分析了不同类型传感器的灵敏度、线性度、迟滞现象和频率响应特性。随后，引入了基础的模拟信号调理电路，如激励源设计、放大电路（仪表放大器、隔离放大器）的选择与应用、滤波器的设计（RC、LC、有源滤波器）及其在去除噪声和信号整形中的作用。 第三章：统计学在实验数据分析中的应用 实验数据的解读离不开严格的统计学工具。本章系统介绍了描述性统计量（均值、方差、标准差、中位数）的计算。重点讲解了概率分布（正态分布、泊松分布）在误差分析中的地位。深入探讨了假设检验方法（t检验、卡方检验），指导读者如何客观判断实验结果是否支持或推翻预设的物理模型。最后，详述了线性最小二乘法在线性回归中的应用，以及如何通过残差分析来评估模型的拟合优度。 --- 第二部分：数字电子基础与数据采集系统 第四章：现代仪器中的数字逻辑与微控制器 本章将实验测量从纯模拟领域带入数字世界。详细介绍了布尔代数、逻辑门、组合逻辑电路（编码器、译码器、多路选择器）和时序逻辑电路（触发器、计数器、寄存器）的设计与实现。随后，系统介绍了微控制器（如STM32系列、Arduino平台）的架构，包括CPU、内存结构、中断机制和外设接口。通过实际案例，展示如何利用微控制器编程实现对外部物理量的周期性采集与初步处理。 第五章：模数转换（ADC）与数模转换（DAC）技术 数据采集系统的核心在于高效准确的数模和模数转换。本章细致剖析了不同ADC架构（如逐次逼近型、双积分型、Σ-Δ型）的工作原理、转换速度、有效位数（ENOB）与量化噪声。讲解了采样定理（Nyquist-Shannon），并强调了过采样技术在提升信噪比中的作用。DAC部分则侧重于电流输出型与电压输出型的性能对比及其在波形生成中的应用。 第六章：高速数据采集与接口标准 本章聚焦于复杂实验中对数据传输速率和同步性的要求。详细介绍了通用接口标准如GPIB（IEEE-488）、RS-232/485，并着重讲解了现代高速数据总线（如PCI Express, USB 3.0）在数据流控制中的应用。探讨了数据缓冲区的管理策略，以及如何利用硬件触发和软件同步机制，确保跨多个传感器数据采集的时间精度达到纳秒级。 --- 第三部分：精密测量与前沿技术 第七章：噪声理论与低噪声电路设计 在涉及微弱信号的测量中，噪声是主要限制因素。本章系统地引入了热噪声（Johnson-Nyquist）、散弹噪声、闪烁噪声（1/f噪声）的物理起源和数学模型。通过分析傅里叶变换和功率谱密度（PSD），解释了噪声在频域的分布特性。核心内容在于低噪声放大器（LNA）的设计原则，包括器件选择、接地与屏蔽技术（法拉第笼、磁屏蔽）以及动态范围的优化。 第八章：光学测量技术基础 光学是现代物理实验不可或缺的工具。本章覆盖了激光器的基本工作原理（光泵浦、受激辐射、腔体设计）。重点讲解了干涉测量技术，包括迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪在位移、折射率测量中的应用。此外，详细介绍了光电探测器（光电二极管、光电倍增管）的响应特性，及其在光强与光子计数测量中的实现。 第九章：高级时域与频域分析 本章将傅里叶分析工具提升至实际应用层面。深入讲解了离散傅里叶变换（DFT）及其快速算法FFT，包括窗函数选择对频谱泄漏的影响。介绍了锁相放大器（Lock-in Amplifier）的工作原理，它是从极高噪声环境中提取微弱周期性信号的“瑞士军刀”，详细分析了其调制、解调过程和时间常数对带宽的影响。探讨了时域反射计（TDR）在传输线特性阻抗测量中的应用。 --- 第四部分：系统集成与真空/低温环境 第十章：真空技术与痕量气体分析 许多凝聚态物理、核物理实验要求极高或极低的工作环境。本章系统介绍真空度的定义（高真空HV、超高真空UHV），各类真空泵（机械泵、涡轮分子泵、离子泵、低温泵）的工作原理和选型标准。重点讲解了漏气检测技术，如氦质谱检漏仪的操作流程与灵敏度校准。 第十一章：低温物理与制冷系统 低温环境是探索量子现象的关键。本章介绍了不同温区（液氦温区、稀释制冷温区）的制冷原理，包括斯特林循环、脉管制冷机和稀释制冷机的工作机制。讲解了低温电阻温度计（如碳阻、铂电阻）的校准与使用，并强调了低温电路设计中必须考虑的热负荷、热沉设计及线材选择对测量稳定性的影响。 第十二章：实验系统的集成、自动化与安全规范 本章将前述所有技术模块整合起来，指导读者如何构建一个完整的、可重复的实验系统。内容涵盖仪器间的通信协议、数据同步与控制逻辑的编程实现。特别强调了实验安全规范，包括高压防护、激光安全等级划分、强磁场环境下的操作注意事项以及化学试剂的规范处理流程。 --- 附录 常用数学公式与物理常数表 LabVIEW/Python 在数据采集中的基础编程示例 常用器件选型速查表 本书的特色在于，它不仅停留在电路原理的介绍，而是紧密围绕“如何精确地测量自然界中的微小变化”这一核心目标，为读者构建一套完整的、从传感器到数据处理、再到环境控制的现代实验技术知识体系。

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