电子传感器设计：原理与方法
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作者[意]马可·塔尔塔尼（Marco Tartagni）
出版社机械工业出版社
ISBN9787111749059
出版时间2024-05
装帧平装
开本16开
定价149元
货号1203274439
上书时间2024-05-31
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目录
<br />译者序<br />前言<br />第一部分 基础<br />第1章 概述2<br />1.1 感知是一种认知过程2<br />1.2 针对电子传感器的一般定义4<br />1.2.1 信号和信息5<br />1.2.2 模拟-数字接口的最简单<br />案例6<br />1.2.3 误差的作用7<br />1.3 电子传感器的基本模块10<br />1.4 不确定性的起源：热运动12<br />1.5 电子传感器设计的基本制约因素13<br />延伸阅读13<br />第2章 传感器建模与特性描述14<br />2.1 信号14<br />2.2 传感器接口：确定性模型16<br />2.3 准静态理想特性和灵敏度17<br />2.4 信号特性20<br />2.4.1 准静态特性和频域表示的<br />极限22<br />2.4.2 信号的能量特性25<br />2.5 时间和振幅量化30<br />2.6 传感器采集链和传感器分类32<br />2.7 理想偏差：真实特性与饱和度35<br />2.8 理想偏差：误差37<br />2.8.1 单一误差的输入-输出<br />二元性38<br />2.8.2 确定性模型和随机模型的<br />合并39<br />2.8.3 均值估计和影响41<br />2.8.4 非线性引起的系统误差<br />（失真）43<br />2.8.5 用分布描述随机误差与系统<br />误差44<br />2.8.6 随机信号的能量特性49<br />2.9 随机误差分布的输入-输出关系52<br />2.9.1 随机误差引起的输入参考<br />分辨率的概念55<br />2.9.2 不确定性概念及其与分辨率<br />的关系58<br />2.9.3 在模拟域中用分辨率位数<br />测量离散化60<br />2.10 非线性引起的系统误差：直流<br />方法62<br />2.11 广义不确定性与误差的传播规律66<br />2.12 信号与误差的功率比较67<br />2.12.1 信噪比67<br />2.12.2 动态范围的概念70<br />2.12.3 动态范围是优选的信噪比吗73<br />2.12.4 工作范围定义的信噪比与动态<br />范围的关系75<br />2.13 非线性引起的系统误差：交流<br />方法76<br />2.14 量化过程78<br />2.14.1 随机性、量化噪声和扰动的<br />组成81<br />2.14.2 A/D转换器中的直流分辨率89<br />2.14.3 有效位数对A/D转换器的<br />交流特性描述90<br />2.14.4 分辨率与有效位数之间的<br />关系92<br />2.15 精度、真实度和准确度94<br />2.15.1 工作范围定义的精度、准确度和动态范围之间的关系97<br />2.15.2 不准确度图形98<br />2.15.3 接口与A/D转换器链路<br />分析98<br />2.15.4 A/D系统接口的设计99<br />2.16 附录：不同情况下的均值和<br />方差100<br />延伸阅读101<br />第3章 传感器设计优化与折中102<br />3.1 求均值减少随机误差102<br />3.2 减少系统误差106<br />3.2.1 反馈传感106<br />3.2.2 虚拟差分传感108<br />3.2.3 电子校准110<br />3.3 传感器采集链中信息的作用110<br />3.4 采集链中的分辨率120<br />3.4.1 增益和分辨率120<br />3.4.2 采集链中的分辨率规则123<br />3.4.3 分辨率规则在采集链中的<br />应用方法与示例125<br />3.4.4 从分辨率角度优化采集链127<br />3.4.5 A/D转换器的很好选择130<br />3.5 采样、欠采样、过采样和混叠<br />滤波器132<br />3.5.1 过采样和量化132<br />3.5.2 白噪声的过采样和欠采样132<br />3.5.3 信号与噪声的过采样和<br />降采样133<br />3.6 传感器的功率、分辨率与带宽的<br />折中134<br />3.6.1 时间的作用135<br />3.6.2 功率的作用135<br />3.6.3 动态范围的作用136<br />3.6.4 综合作用137<br />3.6.5 超越热噪声的优质<br />因数139<br />3.6.6 采集链和全局优化中带宽的<br />作用140<br />3.6.7 示例：两级传感器接口中的<br />噪声优化140<br />3.6.8 灵敏度的作用142<br />3.7 传感器设计通则143<br />延伸阅读144<br />第4章 数学工具概述145<br />4.1 确定性信号和随机信号145<br />4.1.1 确定性电信号的特性分析145<br />4.1.2 随机信号的特性分析153<br />4.2 随机过程157<br />4.3 遍历性的概念161<br />4.4 确定性变量和随机变量之间的<br />概念收敛性164<br />4.5 白噪声的低通滤波166<br />4.6 等效噪声带宽167<br />4.7 随机信号的加/减法168<br />4.8 交叉谱密度的物理解释170<br />4.9 洛伦兹形式172<br />4.10 坎贝尔和卡森定理174<br />4.11 功率谱密度和噪声密度符号176<br />4.12 采样过程177<br />4.13 附录A：随机游走过程179<br />4.14 附录B：重要关系总结180<br />延伸阅读181<br />第5章 压缩感知182<br />5.1 概述182<br />5.1.1 采样带限信号182<br />5.1.2 稀疏信号184<br />5.2 压缩感知的实现185<br />5.2.1 变换域中的稀疏信号187<br />5.2.2 压缩信号的有噪压缩感知188<br />5.2.3 稀疏恢复算法188<br />5.3 压缩感知总结189<br />5.4 应用189<br />5.4.1 模拟信息转换189<br />5.4.2 图像采集中的压缩感知：<br />单像素相机190<br />5.4.3 压缩感知：磁共振成像和<br />生物医学信号处理应用190<br />参考文献190<br /><br />第二部分 噪声与电子接口<br />第6章 噪声起源194<br />6.1 热噪声194<br />6.1.1 简化的机械模型194<br />6.1.2 实验视角下的电子热噪声198<br />6.1.3 热噪声功率谱密度计算：<br />奈奎斯特方法199<br />6.1.4 使用能量箱计算热噪声<br />PSD201<br />6.1.5 kTC噪声202<br />6.1.6 电阻-电容瞬态热噪声204<br />6.2 电流（散粒）噪声206<br />6.2.1 实验视角下的电流（散粒）<br />噪声206<br />6.2.2 服从泊松过程的电流（散粒）<br />噪声的特征207<br />6.2.3 电流（散粒）噪声功率谱密度<br />计算209<br />6.2.4 散粒噪声与热噪声的关系210<br />6.3 光学探测器中的噪声211<br />6.3.1 光电流噪声211<br />6.3.2 图素的散粒噪声211<br />6.4 闪烁噪声或1/f噪声212<br />6.5 色噪声219<br />6.6 机械热噪声220<br />6.6.1 对二阶系统的快速回顾220<br />6.6.2 带通函数的带宽和噪声<br />带宽223<br />6.6.3 物理模型225<br />6.6.4 机械热噪声228<br />6.7 相位噪声229<br />6.7.1 总振荡器噪声237<br />6.7.2 调制视角下总噪声中相位<br />噪声的特征239<br />6.7.3 抖动及其相位噪声估计240<br />延伸阅读243<br />第7章 电子器件和电路中的<br />噪声245<br />7.1 了信噪比和带宽的热噪声245<br />7.2 粉红噪声和白噪声的组合246<br />7.3 线性电路中总噪声的计算249<br />7.4 电路中的输入参考噪声251<br />7.5 噪声系数和很好噪声性能255<br />7.6 示例：结型晶体管的噪声260<br />7.7 示例：金属-氧化物-半导体晶体管<br />的噪声263<br />7.8 频谱域中的输入参考噪声表示266<br />7.9 运算放大器配置中的噪声269<br />7.9.1 信号和噪声增益路径272<br />7.9.2 示例：运算放大器的噪声<br />计算273<br />7.9.3 噪声效率因子和功率效率<br />因子275<br />7.10 电容耦合放大器技术275<br />7.10.1 连续时间电压传感技术276<br />7.10.2 连续时间电流传感技术278<br />7.10.3 离散时间技术中的电容耦合<br />放大器280<br />7.10.4 复位技术及相关问题281<br />7.10.5 使用电容耦合跨阻放大器的<br />接口技术综述285<br />7.11 离散时间技术中的噪声混叠286<br />7.11.1 离散时间电容耦合放大器的<br />噪声289<br />7.11.2 常见的离散时间接口中的<br />输入参考噪声总结290<br />7.11.3 级联放大器的分辨率<br />优化291<br />延伸阅读293<br />第8章 检测技术295<br />8.1 从单端到差分架构295<br />8.1.1 全差分方法的优点295<br />8.1.2 示例：全差分电荷放大器296<br />8.2 电阻传感297<br />8.3 电容传感301<br />8.3.1 示例：电容式加速度计303<br />8.3.2 交流电容传感304<br />8.4 利用瞬态技术读出电阻和电容304<br />8.5 采用Sigma-Delta调制器反馈的<br />传感系统集成306<br />8.5.1 Sigma-Delta转换器的<br />概念306<br />8.5.2 示例：静电反馈加速度计310<br />8.6 相关双采样技术311<br />8.7 锁定技术313<br />8.8 基于振荡器的传感317<br />8.8.1 时间-数字转换传感320<br />8.8.2 频率-数字转换传感325<br />8.9 基于时间的电阻和电容传感<br />技术327<br />8.9.1 弛豫振荡器技术327<br />8.9.2 Bang-Bang锁相环传感<br />技术328<br />8.9.3 频率锁定环传感技术329<br />延伸阅读329<br />第三部分 关于物理转换的精选主题<br />第9章 关于光子转换的精选<br />主题332<br />9.1 基本概念概述332<br />9.1.1 电磁与可见光的频谱332<br />9.1.2 光度测量与辐射测量334<br />9.1.3 图像投影系统中的功率<br />传输342<br />9.2 黑体辐射344<br />9.3 光子与半导体的相互作用347<br />9.4 图像传感器器件和系统351<br />9.4.1 图素示例：电荷耦合器件和<br />光电二极管351<br />9.4.2 连续时间读出模式354<br />9.4.3 存储模式的概念355<br />9.5 光电二极管的噪声357<br />9.6 CMOS区域图像传感器架构360<br />9.7 附录：光度学/辐射学定义摘要363<br />延伸阅读363<br />第10章 关于离子-电子转换的<br />精选主题364<br />10.1 统计热力学：背景概述364<br />10.1.1 麦克斯韦-玻尔兹曼统计364<br />10.1.2 麦克斯韦-玻尔兹曼统计<br />的一些应用367<br />10.1.3 氧化还原反应中电势之间<br />的关系369<br />10.1.4 漂移和扩散效应370<br />10.2 物质的电导和极化374<br />10.2.1 电导率374<br />10.2.2 物质极化376<br />10.2.3 复介电常数和德拜弛豫<br />模型379<br />10.2.4 离子溶液中的双层界面384<br />10.2.5 电解电池中的法拉第过程389<br />10.2.6 电荷和质量传递效应390<br />10.2.7 扩散的复杂效应393<br />10.2.8 有限长度条件下的扩散396<br />10.2.9 兰德尔斯模型397<br />10.2.10 借助于科尔-科尔图和<br />伯德图的模型分析397<br />10.3 生物化学传感402<br />10.3.1 基本原理402<br />10.3.2 电极极化方法405<br />10.3.3 稳压器的应用407<br />10.4 电生理学生物传感409<br />10.4.1 生物电势传感器409<br />10.4.2 细胞内记录的生物传感415<br />延伸阅读418<br />第11章 关于机械和热转换的<br />精选主题419<br />11.1 基本概念概述419<br />11.1.1 一维结构中的应变和<br />应力419<br />11.1.2 施加于正交轴上的应变和<br />应力420<br />11.1.3 应力张量421<br />11.1.4 三维应变：应变张量426<br />11.1.5 三维剪切与应力之间的<br />关系427<br />11.1.6 各向同性材料的弹性428<br />11.1.7 简单结构的形变429<br />11.2 压阻效应430<br />11.2.1 金属和合金的压阻效应432<br />11.2.2 晶体中的压阻效应433<br />11.3 压电效应434<br />11.3.1 正逆压电效应437<br />11.3.2 三维压电效应443<br />11.4 电阻温度传感445<br />11.4.1 电阻温度探测器445<br />11.4.2 热敏电阻447<br />11.5 力和温度电阻传感器的应用448<br />11.5.1 电阻传感器的实现与读出<br />技术449<br />11.5.2 应变计中的误差和影响<br />变量451<br />11.5.3 力传感器的传感技术和误差<br />补偿技术452<br />11.5.4 微机电系统中的应用 454<br />11.5.5 电阻温度传感器的<br />误差 455<br />11.6 附录：本章使用的符号455<br />延伸阅读456<br />第四部分 知识巩固<br />第12章 习题与解答458<br />12.1 习题458<br />12.2 解答463
内容摘要
本书从理论基础和实战的角度出发，深入剖析电子传感器设计的基础理论，系统阐述传感器中信息与信号、信息转换与采集、信号处理的设计技术、方法和架构，并探讨电子传感器设计过程中的优化方法。全书分为四部分：第一部分（第1~5章）通过对设计变量、特征参数、信号和误差的定义阐述常用概念；第二部分（第6~8章）着重介绍噪声的物理来源以及它在电子接口设计中的作用；第三部分（第9~11章）精选光子转换、离子-电子转换以及机械和热转换这三个物理转换领域的典型应用示例，实践传感器设计优化；第四部分（第12章）提供了相关习题和解答
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