智能仪器设计(普通高等学校仪器科学与技术专业系列教材)
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作者编者:尚振东//张登攀//牛群峰
出版社清华大学
ISBN9787302527442
出版时间2019-05
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定价49.8元
货号30658468
上书时间2023-09-02
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目录
第1章绪论
1.1概述
1.1.1仪器仪表
1.1.2从传统仪器到智能仪器
1.1.3智能仪器的组成和结构
1.1.4智能仪器的主要特点和发展趋势
1.2课程的主要内容和学习方法
思考题与习题
第2章总体设计
2.1概述
2.1.1智能仪器设计过程
2.1.2总体设计及其内容
2.2设计任务来源和分析
2.2.1设计任务来源
2.2.2设计任务分析
2.3功能规划和指标确定
2.4设计原则与原理
2.4.1阿贝原则及其扩展
2.4.2平均读数与误差分离原理
2.4.3比较测量原理
2.4.4补偿原理
2.4.5标准量细分原理
2.4.6其他设计原则
2.5布局与结构设计
2.6数据采集系统设计
2.7智能仪器通信设计
2.8人机接口设计
2.9电源及功耗设计
2.9.1智能仪器的电源设计
2.9.2智能仪器低功耗设计
2.10总体设计的验证和评审
2.10.1总体设计的验证
2.10.2总体设计的评审
思考题与习题
第3章传感器与放大器设计
3.1概述
3.2传感器
3.2.1传感器组成
3.2.2传感器分类
3.2.3传感器的选择
3.2.4传感器的应用技术
3.3信号放大器
3.3.1前置放大器
3.3.2信号放大器的常见形式
3.3.3常用放大器器件及应用
思考题与习题
第4章模数转换电路设计
4.1A/D转换器
4.2比较型A/D转换器
4.2.1逐次比较型A/D转换器的工作原理
4.2.2ADC0809的工作原理及应用
4.2.3AD574A的工作原理及应用
4.3双积分型A/D转换器
4.3.1双积分型A/D转换器的工作原理
4.3.2双积分型A/D转换器的特点
4.3.35G14433的工作原理及应用
4.3.4ICL7135的工作原理及应用
4.4V/F型A/D转换器
4.4.1V/F型A/D转换器的特点
4.4.2LM331的工作原理及应用
4.5∑Δ型A/D转换器
4.5.1工作原理
4.5.2AD7703的工作原理及应用
4.5.3CS5360的工作原理及应用
4.6A/D转换器的选用
4.7信号输出与D/A转换器
4.7.1输出通道的信号种类
4.7.2D/A转换器的性能指标与选用
4.7.3常用D/A转换器
思考题与习题
第5章数据采集通道设计
5.1概述
5.1.1数据采集通道基本组成
5.1.2数据采集通道的特性
5.2数据采集通道的结构
5.2.1集中采集式
5.2.2分散采集式
5.2.3应用实例
5.3数据采集通道的误差分析
5.3.1采样误差
5.3.2模拟电路的误差
5.3.3A/D转换器的误差
5.3.4数据采集通道误差的计算
5.3.5数据采集通道的误差分配实例
思考题与习题
第6章微处理器与可编程器件设计
6.1微处理器
6.2单片机
6.2.1单片机的特点和选择
6.2.2MCS51系列单片机
6.2.3PIC系列单片机
6.2.468系列单片机
6.2.5MCS296系列单片机
6.2.6MSP430单片机
6.2.7ARM单片机
6.3DSP
6.3.1DSP的主要结构
6.3.2DSP的选择和应用
6.4多微处理器系统
6.4.1概述
6.4.2多单片机系统的结构
6.5可编程逻辑器件
6.5.1概述
6.5.2CPLD简介
6.5.3FPGA简介
思考题与习题
第7章软件设计
7.1概述
7.2软件开发环境与编程语言
7.2.1软件开发环境
7.2.2编程语言
7.3结构化程序设计和软件系统结构分析
7.3.1层次结构
7.3.2功能结构
7.3.3进程结构
7.4软件系统的规划和设计步骤
7.4.1软件系统的规划
7.4.2软件系统的设计步骤
7.5数据处理算法
7.5.1概述
7.5.2常用数据处理算法
7.6软件设计实例
7.6.1系统功能
7.6.2硬件电路
7.6.3软件系统规划
7.6.4软件系统框架
思考题与习题
第8章人机界面设计
8.1人机界面
8.1.1人机界面设计概述
8.1.2可用性设计
8.2人机界面的设计原则
8.3人因工程学及其应用
8.3.1人因工程学
8.3.2视觉
8.3.3听觉
8.3.4触觉
8.3.5多感觉
8.3.6人体尺寸及肢体的能力
8.3.7人体对环境的要求
8.4人机界面硬件设计
8.4.1面板构成与布置
8.4.2键盘及其分类
8.4.3显示器
8.4.4显示设计
8.4.5微型打印机
8.5人机界面的软件设计
8.5.1概述
8.5.2直接编程法
8.5.3状态变量法
8.5.4图形用户界面法
8.6人机界面设计的评价
思考题与习题
第9章通信总线与接口设计
9.1数据通信
9.1.1数据通信的基本概念
9.1.2接口总线
9.2串行标准总线
9.2.1RS232C串行接口总线标准
9.2.2RS422、RS423、RS485接口总线标准
9.2.3USB接口总线
9.3并行标准总线
9.3.1GPIB并行接口总线
9.3.2VXI总线
9.3.3CompactPCI和PXI总线
9.4现场总线
9.4.1概述
9.4.2现场总线通信技术
9.5智能仪器上网与TCP/IP协议
9.5.1概述
9.5.2协议与标准
9.5.3以太网接口模块
思考题与习题
第10章结构设计
10.1概述
10.2智能仪器结构设计常用材料
10.2.1金属材料
10.2.2非金属材料
10.3造型设计
10.4常见机箱机柜类型
10.4.1机壳类
10.4.2机箱类
10.4.3机柜类
10.4.4机箱结构方案选择
10.5智能仪器热设计
10.5.1智能仪器的热环境
10.5.2智能仪器热控制的目的
10.5.3热控制的基本要求
10.5.4热控制的基本原则
10.5.5热控制的方法
10.6振动与冲击的隔离
10.7电磁兼容性结构设计
10.8结构的其他设计
思考题与习题
第11章电磁兼容设计
11.1电磁兼容
11.2硬件抗干扰技术
11.2.1屏蔽技术与传输技术
11.2.2接地技术
11.2.3隔离技术
11.2.4布线与配线
11.2.5滤波器
11.2.6灭弧技术
11.2.7电源干扰的抑制
11.3软件干扰抑制技术
11.3.1软件抗干扰的前提条件
11.3.2数据采集误差的软件对策
11.3.3控制状态失常的软件对策
11.3.4程序运行失常的软件对策
思考题与习题
第12章可测性设计
12.1故障诊断
12.1.1故障模型
12.1.2故障测试
12.1.3模拟电路故障检测
12.1.4数字电路的故障检测
12.1.5自检安排
12.2智能仪器的调试
12.2.1可测性设计
12.2.2智能仪器调试过程
12.2.3模拟电路的调试
12.2.4数字电路的调试
12.2.5软件程序的调试
12.2.6开发系统
12.2.7JTAG调试
12.2.8远程更新软件
12.3智能仪器的标定
12.3.1概述
12.3.2测控系统的静态标定
12.3.3测控系统的动态标定
12.3.4力测量装置的标定
12.3.5温度测量装置的标定
12.4智能仪器设计文件
思考题与习题
参考文献
内容摘要
全书共分十二章，内容包括：智能仪器的总体设计、信号测取与放大、信号的转换、数据采集系统、界面设计、测试总线技术、仪器结构设计、电磁兼容设计和智能仪器可测性设计等，每章均附有一定数量的习题与思考题。
精彩内容
第1章绪论本章概述仪器仪表及其分类和作用，介绍智能仪器的组成、结构、特点和发展趋势，并简要介绍本课程的主要内容和学习方法。
1.1概述1.1.1仪器仪表我们身边就有许多仪器仪表，如手表、电表、水表、燃气表、车载仪表、计量仪器、医疗检测仪器等。这些仪器仪表在我们日常生活和工作中发挥着巨大的作用，并会随着社会发展和科技进步扮演更加重要的角色。
仪器(instrumentation)是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。仪表(meter)属于仪器，一般是指具有指示或显示数据功能的小型仪器。仪器仪表的工作原理是用物理、化学或生物等方法，获取被检测对象运动或变化的信息，通过信息转换和处理，使其成为易于人们阅读和识别的量化形式，或进一步信号化、图像化，以利于观测、存档，或直接进入自动化、智能化控制系统。
仪器仪表种类繁多，按工作能量分为机械仪器仪表、电子仪器仪表，其中电子仪器仪表又分为模拟电子仪器仪表、数字电子仪器仪表和智能仪器。
根据应用领域仪器仪表分为计量测试仪器、分析仪器、生物医疗仪器、地球探测仪器、天文仪器、航空航天航海仪表、汽车仪表、电力仪表和石油化工仪表等，还可分为自动化仪表与控制系统、科学仪器(主要包括分析仪器、光学仪器、环保仪器等)、医疗仪器、电子测量仪器和各种专用仪器(如地质仪器、气象海洋仪器、航天航空仪器、汽车仪表等)等。
多年来，相关领域的专家学者对仪器仪表的作用进行了深入研究。当今世界经过新技术革命从工业时代进入信息时代并向知识经济时代迈进。钱学森曾指出：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通信技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。”王大珩也曾指出“仪器仪表是信息产业的重要组成部分，是信息工业的源头”。仪器仪表的作用是获取作为决策和控制依据的信息，它能延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉、嗅觉等感觉器官的功能。
仪器仪表是控制生产过程的工具，是工业生产的“倍增器”，在国民经济中具有“四两拨千斤”的作用。飞机没有航空仪表就不能安全飞行，发电厂、炼油厂、化工厂、钢铁厂等没有各种测量与控制仪器仪表就无法正常运转。据美国国家标准技术研究院(NIST)的统计，美国为了质量认证、质量控制、自动化生产及流程分析，每天要完成2.5亿次检测，而完成这些检测所需仪器仪表的数量肯定十分可观。我国在建设宝钢股份有限公司时，技术装备投资中有近1/3的经费用于购置自动化仪器仪表，而运载火箭试制费用中用于购置仪器仪表的费用更是占到50%左右。仪器仪表对国民经济的贡献不仅体现在其投入生产的仪器数量上，更体现在仪器仪表对国民经济的推动作用上。美国商务部国家标准局20世纪90年代中发布的调查数据表明，美国仪器仪表产业占社会总产值的4%，而它拉动的相关经济的产值达到社会总产值的66%。
仪器仪表是人们认识未知世界的科学研究工具，是科学研究的“先行官”。很多科研新领域的开辟是通过相关仪器仪表的创新突破而完成的。我国“两弹一星”的研制就是从相关科学仪器的开发开始的，例如前期高速摄影机的成功改装保证了核爆试验观测火球动态的顺利实施。1922年的诺贝尔化学奖得主、英国科学家弗朗西斯·阿斯顿于1919年研制成功第一台质谱仪，并用这台仪器发现了多种元素同位素，研究了53个非放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的212种，第一次证明原子质量亏损。到目前为止，约有1/4的诺贝尔物理学奖获得者的工作与仪器研制有关，如查尔斯·哈德·汤斯因发明激光器获得1964年诺贝尔物理学奖，阿瑟·伦纳德·肖洛因发明偏振光谱法并有效地提高了仪器的分辨率而获得1981年诺贝尔物理学奖等。诸如电子显微镜、质谱技术、CT断层扫描仪、X射线物质结构分析仪、光学相衬显微镜、扫描隧道显微镜等高端科学仪器，不仅用来探索自然规律、积累科学知识，而且在科学技术的重大成就和科学研究新领域的开辟方面发挥了重要作用。
仪器仪表是军事上的“战斗力”。一个国家仪器仪表研制水平的高低，决定了该国武器制造层次和武器性能的高低，最终决定了该国军队的战斗力。没有各种仪器仪表的帮助，武器装备在现代化战场上就像战士没有了眼睛和耳朵，只能被动挨打。近十几年来，国际上发生的历次局部战争中使用的高技术武器上都装有多种仪器仪表，在目标探测、精确制导、电子对抗、通信指挥、故障诊断和自我防护中发挥了重要作用。聂荣臻元帅当年领导研制“两弹一星”时提出必须抓好三件大事：一是新材料，二是仪器仪表，三是大型试验设备。近几年来，随着仪器仪表技术的不断发展进步，我国武器装备的研发能力不断提高，在中国人民解放军建军90周年大阅兵中有40%的装备是首次公开亮相的现代化高技术装备。
仪器仪表是确认证据的“物化法官”。现实生活中商品质检、环境监测、兴奋剂检测、罪证确认等均离不开仪器仪表。我国道路交通安全法将饮酒驾车分为饮酒后驾车和醉酒后驾车两个档次并进行不同程度的处罚。那么现实中如何区分这两种档次呢？国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》(GB19522—2010)规定：100mL血液中酒精含量大于等于20mg且不足80mg的驾驶员即为饮酒后驾车，80mg以上认定为醉酒后驾车。饮酒者若深吸一口气，以中等力度呼气达3s以上，呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量可以按一定公式换算。因此，交警可使用呼气式酒精检测仪对饮酒驾车司机进行现场检验，对照上述规定区分饮酒后驾车和醉酒后驾车。
综上，作为信息工业的源头的仪器仪表被广泛应用于“农轻重、海陆空、吃穿用”的各个领域并起着不可替代的重要作用。仪器仪表的发展水平是国家科技水平和综合国力的重要体现。
1.1.2从传统仪器到智能仪器回顾电子仪器的发展过程，从使用的元器件来看，它经历了从真空管时代晶体管时代集成电路时代三个阶段。若从电子仪器的工作原理来看，它经历了三代：第一代是模拟式电子仪器。其基本结构是电磁式的，基于电磁测量原理使用指针来显示最终的测量结果。大量指针式的电压表、电流表、功率表及一些通用的测试仪器，均是典型的模拟式仪器。这一代仪器功能简单，精度低，响应速度慢。
第二代是数字式电子仪器。它们的基本结构中离不开A/D转换环节，将待测的模拟信号转换为数字信号，测量结果以数字形式输出显示。它的精度高，速度快，读数清晰、直观，结果可打印输出，也容易与计算机技术相结合。同时因数字信号便于远距离传输，所以数字式电子仪器适用于遥测、遥控。
第三代就是智能仪器。它是在数字化的基础上用微处理器装备起来，是计算机技术与电子仪器相结合的产物。它具有数据存储、运算、逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自选量程，可自动校正、自动补偿、自寻故障等，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作，即具备了一定的智能，故称为智能仪器。本书讨论的智能仪器是指含有微处理器的电子测量仪器。
智能仪器属于仪器仪表，是仪器仪表发展到一定程度后的产物。智能仪器是一类新型的电子仪器，它由传统电子仪器发展而来，但又与传统电子仪器有很大区别，特别是微处理器的应用，使电子仪器发生了重大的变革。
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