“十四五”普通高等教育本科重点规划教材 智能仪器设计基础

智能仪器是在现代社会的不同领域普遍应用的信息化装置，其设计技术涉及的学科领域非常广泛，包括材料、光学、精密机械、医学、计算机科学、自动控制、数字信号处理和计算方法以及软件工程等。因此，编写一本完全涵盖智能仪器设计各领域知识且具有足够深度的教材是非常困难的事。

目前已有的教材在内容选择上主要有两种不同的侧重点：一种主要介绍微处理器接口技术，而另外一种则主要介绍人工智能及专家系统等内容。实际上，把智能仪器设计的内容分为硬件和软件两个部分来审视，会发现硬件相对而言比较通用，而软件则因为智能仪器应用领域不同，往往差异巨大，特别是核心算法和数据处理方法更是如此，例如图像识别算法与电量检测算法之间就存在着显著的不同。智能仪器的硬件设计所包含的知识点分散在不同的课程中，如，传感器原理、电路理论、电磁场、电子学、自动控制原理、单片机与接口技术、电力电子技术以及电磁兼容等。虽然具有电气和电子背景的工科学生大多数都学习过这些内容，但是如何把这些琐碎的知识进行系统化的梳理，通过一条应用线索把它们融会贯通，则是很多学生均需要面对的问题。本书围绕智能仪器的硬件设计，尝试着把这些知识点串联起来，在已经先修过相关课程的基础上，从应用实际出发，对很多知识点进行了增删。

教材既介绍了理想情况下电路的分析和设计方法，又阐述了器件的实际非理想特性对设计带来的影响。需要着重说明的是，作为一本定位为应用基础类的教材，本书对器件原理的介绍占用了大量的篇幅，如，教材介绍了运算放大器的电子学基础、ＡＤＣ和ＤＡＣ原理以及存储器的结构和原理等内容。尽管在实际应用中，即使对于这些器件的基本原理不了解，似乎也不会影响对它们的使用，这也是很多应用性较强的课程和教材表现出来去基础化倾向的缘由。

但是，在一个强调创新和创业的时代，创新能力的养成是离不开扎实的理论和实践基础的，这也是衡量一个专业人士素养的基本要求。实际上，电子器件和集成电路是构成整个智能化应用大厦的地基，只有很好地掌握了基本原理，才能搞清楚器件的理想特性如何获得，其局限性在哪里以及非理想特性怎么产生和应对，*终设计出符合要求的应用电路。下面对本书各个章节的内容安排和特点做一个简单介绍。首先，本书基本上围绕智能仪器的典型结构展开论述，包括智能仪器的输入（传感器基础）、前向通道设计、微处理器系统设计和后向通道设计几个部分，*后阐述了智能仪器的抗干扰和保护技术。

第１章概述部分，主要阐述了智能仪器的概念、结构和作用。由于智能仪器是以微处理器为核心的仪器，因此基于不同微处理器系统所构造的仪器，其结构和开发方法也不尽相同，本章对此进行了比较。同时，对影响智能仪器形态的一些重要技术领域和方向，例如ＭＥＭＳ和纳米传感器、多核微处理器、人工智能（ＡＩ）、物联网、大数据和云计算等的概念及研究进展进行了介绍。

第２章主要阐述传感器的基本知识，本书选择了不同类型的物性型和结构型传感器，简述了其原理，然后对传感器的不同构成方式进行了总结。对于传感器的应用，关键是掌握其静态特性和动态特性，本章还介绍了对传感器的静态和动态特性进行建模及参数提取的数学和工程方法。

第３～６章介绍了智能仪器的前向通道设计。主要围绕前向通道的两个核心集成电路—运算放大器和ＡＤＣ来展开论述。

第３章从基本晶体管放大电路存在的问题出发逐步引出了运算放大器的设计思想。根据传感器输出的不同信号类型，分别介绍了基于理想运算放大器的电压、电流、电荷放大电路、线性偏移电路以及差分放大器的原理和应用方法。由于数字技术和计算机的应用，电子学中的重要内容———模拟非线性运算电路和振荡器在本书中涉及较少，只保留了模拟乘法器的原理，因为它们在调制解调和相敏检波技术中被普遍应用。对于阻抗的测量，本章介绍了自动平衡电桥技术和微小电容测量技术。*后对于电路中通用阻抗的产生以及有源滤波器的设计进行了阐述。

第４章主要介绍了运算放大器的静态非理想特性和动态性能限制，其中还对电子电路中的噪声模型、噪声的表征和测量等问题进行了阐述，从而为第５章微弱信号的放大技术做了铺垫。作为测量领域的重要内容，微弱信号的放大和噪声消去技术涉及硬件和软件的不同方法，且不完全属于前向通道要解决的问题，本教材将之安排在噪声的基本概念之后，衔接上比较合理。

第６章介绍了各种类型的ＤＡＣ 和ＡＤＣ构成原理，其中高速和高分辨率ＡＤＣ是目前研究的热点领域。

第７～９章介绍了智能仪器的微处理器系统设计。微处理器系统的基础是数字电路，因此在第７章主要介绍了通用数字电路的设计方法，与传统数字电路的教学内容不同，本教材提出了通用数字电路的设计方法，该方法把组合和时序逻辑电路用离散状态方程来表征，如果物理上实现了该方程，那么也就实现了数字电路的设计。离散状态方程可用基本的门电路以及存储单元（包括触发器和存储器）构造。在介绍了不同的数字电平标准以及各类存储器原理的基础上，阐述了基于宏单元和查找表模型的数字电路设计方法，并利用实例对ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ 内电路级和行为级硬件描述以及基于ＩＰ核的数字电路设计方法进行了说明。第８章则以ＭＣＳ５１单片机为例介绍了微处理器的*小系统设计及其并行和串行接口技术。在对并行接口进行阐述时，作者提出了ＬａｔｃｈＢｕｆｆｅｒ的Ｉ／Ｏ接口电路模型，对于如何构造并行外设并实现与微处理器的接口进行了阐述。同时，介绍了在ＡＳＩＣ或ＦＰＧＡ 内如何实现一个复杂外设控制器的通用技术。在对串行接口技术进行阐述时，作者将之分为串行外设接口（以常用的ＳＰＩ、Ｉ２Ｃ和ＵＳＢ为例）和串行通信接口（包括点对点和网络通信接口）两类。点对点通信以ＲＳ２３２、ＲＳ４２２／４８５为例，而网络通信接口则选择了应用广泛的ＣＡＮ 总线为例，同时对以太网和无线通信网络ＺｉｇＢｅｅ进行了简述。内容的选择一方面是因为这些接口应用比较广泛，另一方面则是为了使学生能够学习基本的数字通信原理及网络协议等内容。第９章对高速数字电路的信号完整性问题进行了阐述，对于完整性问题的产生原因、分析模型以及应对方法等进行了介绍。

第１０章则介绍了智能仪器的后向通道，阐述了基本的功率放大电路设计问题，同时对智能仪器的分布式供电电源技术进行了论述。

*后，结合工程实例对智能仪器的抗干扰和瞬态防护问题进行了论述。在本书编写中，内容的实用性是基本出发点，对于电路分析，重在解释其提出背景、作用和特点，至于所依据的公式一般均简化或直接给出，不做详细推导。另外，教材中所援引的观点和工程实例很多都来自本人在科研实践中的总结。尽管本教材是一本阐述硬件设计的书籍，但是仍然有大量的软件或者数学处理方法的介绍，例如在介绍传感器建模时，插值与*小二乘法拟合等都是必须要提到的，另外，在微弱信号的放大和去噪技术中，还提到了小波去噪以及卡尔曼滤波器，这些内容涉及一些数学推导，本教材对此并没有省略，而是给出了详细的过程。作者希望学生能够从公式推导的过程中充分了解理论产生的背景和思想。

总之，对本教材内容的理解需要读者具有一定的背景和基础，它也比较适合高年级本科生以及硕士研究生使用，当然如果能得到该领域硬件工程师们的赞同，则幸莫大焉。全书的第７和８章由我的同事骆一萍老师编写，其他章节以及全书的统稿则由本人来完成。在教材的编写中，参考了一些硕博士论文以及网络博客等，文中的图大多数均为本人设计和绘制，也有部分来自参考文献，我们已经尽可能进行了标注，但是如果有任何缺漏的地方，还希望读者及时反映以免引起纠纷。

*后，该教材的编写耗时很久，虽不算穷经皓首，但是个中艰辛也不一而足，不过由于有个人能力的不足以及很多内容也超越了作者的背景和经历，难免有错误和疏漏，敬请读者批评和指正。

作者

２０１９年１０月２日于西安交通大学

1 绪论
1.1智能仪器的作用和发展历史
1.2智能仪器的结构和主要特点
1.3智能仪器的发展趋势
2.传感器基础
2.1传感器的分类及物性型传感器原理
2.2 结构型传感器
2.3 传感器的构成方式
2.4 传感器的静态特性及建模
2.5 传感器的动态特性及建模
2.6 传感器的输出等效电路与接口原理
3. 基于理想运放的调理电路设计
3.1运放的电子学基础
3.2对传感器不同输出信号的调理电路设计
3.3 模拟乘法器原理
3.4 通用阻抗的产生
3.5 有源滤波器设计
4.微弱信号的放大技术
4.1 调制解调放大技术和锁相放大器
4.2 取样积分技术
4.3相关测量技术
4.4傅立叶变换
4.5 小波变换与去噪技术
4.6卡尔曼滤波器
5.DAC与ADC的原理
5.1信号的采样和量化的基本理论
5.2 DAC的构成原理
5.3 ADC的构成原理
5.4 DAC和ADC的非理想特性
5.5带隙基准
6通用数字电路设计
6.1 数字电路基础
6.2 FPGA的结构原理以及基于FPGA的数字逻辑电路设计
7微处理器的系统设计与外设接口技术
7.1 微处理器系统的设计与并行接口技术
7.2 基于可编程逻辑器件的微处理器接口电路设计
7.3微处理器系统的串行接口技术—串行外设总线
7.4微处理器系统的串行接口技术—点对点串行通讯总线
7.5 微处理器的串行网络总线—CAN总线
7.6 其它网络总线和无线网络通讯简介
8高速数字电路的信号完整性原理
8. 1 信号完整性问题的产生和特征
8. 2 传输线的阻抗匹配
8.3 传输线的串扰
8.4 电源的同步噪声
8.5 差分传输线
8.6 有损传输线
8.7 信号完整性仿真工具
9智能仪器的功率放大、抗干扰与保护技术
9.1信号的功率放大技术
9.2智能仪器的供电技术
9.3 智能仪器的抗干扰技术

曾翔君，博士，1976年出生，现为西安交通大学电气工程学院副教授，主要研究方向为智能仪器设计、电力电子技术以及新能源发电技术。长期从事电子技术、微处理器原理与应用以及智能仪器设计技术的教学工作。

前言
第１章　概述１ 
１１　智能仪器的基本结构和特点１ 
１２　智能仪器的历史和发展现状４ 
１３　基于不同微处理器系统的智能仪器结构８ 
１４　智能仪器的发展趋势１６ 
参考文献２４ 
第２章　智能仪器的输入———传感器基础２５ 
２１　物性型传感器原理２５ 
２２　结构型传感器４３ 
２３　传感器的构成方式４７ 
２４　传感器的静态特性及建模５１ 
２５　传感器的动态特性６２ 
２６　传感器动态模型的参数辨识６６ 
２７　传感器的输出等效电路７２ 
参考文献７４ 
第３章　基于理想运算放大器的调理电路设计７５ 
３１　运算放大器的电子学基础７５ 
３２　对传感器不同输出信号的调理电路设计８８ 
３３　模拟乘法器原理１０８ 
３４　通用阻抗的产生１１２ 
３５　有源滤波器设计１１４ 
参考文献１２２ 
第４章　运算放大器的非理想特性及噪声１２３ 
４１　运算放大器的静态非理想特性１２３ 
４２　运算放大器的动态性能限制１２８ 
４３　电路的噪声１３７ 
参考文献１５３ 
第５章　微弱信号的放大和去噪技术１５４ 
５１　调制解调放大技术和锁相放大器１５４ 
５２　取样积分技术１５８ 
５３　数值滤波和消噪技术１６０ 
第６章　犇犃犆和犃犇犆的原理１８３ 
６１　信号的采样和量化的基本理论１８３ 
６２　ＤＡＣ的构成原理１８８ 
６３　ＡＤＣ的构成原理１９２ 
６４　ＤＡＣ和ＡＤＣ的非理想特性２０１ 
６５　带隙基准２０４ 
第７章　数字电路基础和通用数字电路的设计２０６ 
７１　数字电路基础２０６ 
７２　通用数字电路的设计２２３ 
７３　ＦＰＧＡ 的结构原理及基于ＩＰ核的数字逻辑电路设计２３３ 
参考文献２４４ 
第８章　微处理器的系统设计与外部设备接口技术２４５ 
８１　微处理器系统的设计和并行接口技术２４５ 
８２　基于ＦＰＧＡ 的微处理器接口电路设计２５９ 
８３　微处理器系统的串行接口技术———串行外部设备总线２６３ 
８４　微处理器系统的串行接口技术———点对点串行通信总线２７２ 
８５　微处理器的串行网络通信总线———ＣＡＮ 总线２７６ 
８６　其他网络总线和无线通信网络２８６ 
第９章　高速数字电路信号完整性分析２９２ 
９１　信号完整性问题的产生和特征２９２ 
９２　传输线的阻抗匹配２９７ 
９３　传输线的串扰３０１ 
９４　电源的同步噪声３０３ 
９５　差分传输线３０８ 
９６　有损传输线３１０ 
９７　信号完整性仿真工具３１１ 
参考文献３１２ 
第１０章　智能仪器的后向通道和抗干扰与保护技术３１３ 
１０１　信号的功率放大技术３１３ 
１０２　智能仪器的分布式供电技术３１５ 
１０３　智能仪器的抗干扰技术３２３ 
１０４　智能仪器的瞬态防护３４９

（1）教材注重系统性 从智能仪器的总体结构出发，对各组成部分的基础原理和硬件设计方法进行了系统介绍。另外，对于仪器应用中的抗干扰和防护问题都进行了完整介绍。（2）教材注重基础原理描述 电路的基础是元件，例如运放、ADC和DAC以及存储器等，本教材从电路应用者的角度对于这些器件的内部机理以及设计目的等内容进行了阐述，有助于设计者对此类器件在应用中的问题进行深层次思考。 （3）教材中的设计方法注重通用性 本教材中提到的电路设计方法注重通用性，例如对于数字电路设计提出了基于状态方程构建的通用架构，并基于此架构对任意数字电路进行设计，这些内容是具有一定创新性的。 （4）教材注重实践性 本教材的大量实例来自作者本人的科研项目或者实践，对于有科研经历的工程师可提供借鉴，同时，教材中除了介绍电路的理想特性，还对非理想特性等都进行了阐述，有助于解决实际中的问题。p class=MsoNormal>（4）教材注重实践性 本教材的大量实例来自作者本人的科研项目或者实践，对于有科研经历的工程师可提供借鉴，同时，教材中除了介绍电路的理想特性，还对非理想特性等都进行了阐述，有助于解决实际中的问题。（5）教材图文并茂且具有一定的原创性 本教材中含有大量的原理示意图和电路图，大多数均为作者亲绘，引用较少，且很多电路图都具有原创性。