电路设计基础与专用系统构成

电路设计基础与专用系统构成 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:科学出版社发行部
作者:陈曾平
出品人:
页数:330
译者:
出版时间:2006-8
价格:30.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787030173683
丛书系列:
图书标签:
  • 电路设计基础与专用系统构成
  • 电路设计
  • 模拟电路
  • 数字电路
  • 嵌入式系统
  • 系统构成
  • 电子技术
  • 电路分析
  • Verilog
  • VHDL
  • FPGA
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具体描述

《电路设计基础与专用系统构成》是作者在多年电子系统设计的教学和科研工作基础上编著而成的。《电路设计基础与专用系统构成》共8章,由电路设计基本原理、大规模集成电路应用设计和复杂专用系统构建与设计等内容组成,将电子系统设计的基础知识、设计思路、应用技巧等有机结合,内容由浅入深且相互衔接。

现代传感器技术与智能系统集成 本书简介 本书深入探讨了现代传感器技术的发展脉络、核心原理以及在智能系统集成中的关键应用。内容聚焦于从基础物理量采集到复杂信号处理与决策的全流程,旨在为工程师、研究人员及高年级学生提供一套系统化、前沿性的知识体系。 第一部分:传感器基础理论与新型材料 本部分首先回顾了传感器科学的基本原理,涵盖了从物理效应到电学信号转换的数学模型。重点解析了经典传感器的工作机制,如电阻式、电容式、电感式和压电式传感器。随后,我们将目光投向新兴的微纳机电系统(MEMS)技术。详细阐述了硅基和非硅基微加工技术在传感器制造中的应用,特别是微谐振腔、微镜阵列以及微流控器件的结构设计与性能优化。 材料科学的进步是推动传感器性能飞跃的关键。本书专门辟章节讨论了功能性新材料在传感领域的前沿应用。深入分析了二维材料(如石墨烯、过渡金属硫化物)的独特电子特性如何应用于高灵敏度的气体传感器和生物传感器。同时,对智能高分子材料和纳米复合材料在应力、温度和湿度敏感元件中的集成潜力进行了详尽的讨论。这些材料不仅提供了更高的灵敏度和稳定性,还为实现柔性电子和可穿戴设备奠定了基础。 第二部分:信号调理、数字化与噪声抑制 传感器采集到的原始信号往往微弱、易受干扰,且需要高精度的量化。本部分将信号处理的理论基础与实际工程应用紧密结合。 信号调理电路的设计是确保数据准确性的核心环节。我们详细分析了低噪声放大器(LNA)的设计技巧,特别是斩波技术和自动归零技术在消除低频漂移方面的应用。对于阻抗式、电容式传感器,平衡电桥和激励信号源的设计至关重要,本书提供了多种高精度桥式驱动方案及相应的补偿技术。 模数转换(ADC)是连接模拟世界与数字系统的桥梁。本书深入剖析了不同类型ADC(如SAR、Sigma-Delta、流水线型)的架构、优缺点及其在不同采样率和分辨率要求下的选择策略。特别关注了欠采样技术在射频和高频信号采集中的应用。 数据在传输和存储过程中极易受到噪声影响。本章内容详细介绍了数字信号处理(DSP)中的滤波技术。从基础的FIR和IIR滤波器设计,到更高级的自适应滤波算法(如LMS算法),用于实时去除环境噪声和基线漂移。同时,探讨了在嵌入式系统中实现高效能耗的硬件加速滤波方法。 第三部分:特定功能传感器系统集成 本部分转向对高价值、高复杂度的特定功能传感系统的深入剖析。 1. 视觉与光学传感系统: 涵盖了从传统CCD/CMOS成像原理到先进的ToF(飞行时间)和事件驱动型视觉传感器(DVS)的技术细节。重点讨论了光学传感器的标定(如内参和外参标定)流程,以及如何利用计算光学方法实现超分辨率成像和深度感知。 2. 环境与化学传感: 聚焦于痕量物质检测和环境监测。对电化学传感器(如Clark电极、固体氧化物电解池)的工作机制进行了细致阐述。在气体传感方面,不仅涉及金属氧化物半导体(MOS)传感器,还包括了基于表面声波(SAW)和石英晶体微天平(QCM)的高选择性检测方案。 3. 惯性测量单元(IMU)与定位技术: 全面解析了三轴加速度计、陀螺仪和磁力计的工作原理,特别是激光陀螺仪和光纤陀螺仪在导航级精度上的优势。随后,重点讲解了如何利用卡尔曼滤波(KF)和扩展卡尔曼滤波(EKF)融合多传感器数据(如GPS、视觉里程计、IMU),实现高鲁棒性的姿态和航位推算。 第四部分:嵌入式处理与系统级优化 现代传感器系统不再是孤立的采集设备,而是需要与强大的处理单元协同工作。本部分关注传感器数据链的后端优化。 探讨了边缘计算(Edge Computing)在传感器网络中的重要性。分析了不同微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)在处理实时、大规模传感器数据流时的资源分配策略。对低功耗设计进行了专项讨论,包括电源门控、事件驱动唤醒机制以及在电池供电系统中实现传感器-处理器协同休眠的技巧。 最后,本书展望了人工智能(AI)在传感器数据处理中的集成趋势。介绍了如何利用轻量级卷积神经网络(CNN)在嵌入式平台上实现实时的特征提取和异常检测,从而将原始数据转化为可执行的决策信息,完成真正的智能闭环控制。 本书旨在提供一个全面而深入的技术框架,使读者能够掌握设计、实现和优化新一代高精度、高集成度智能传感系统的关键能力。

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**第二段评价:** 作为一名在大学教授模拟电路设计的老师,我一直在寻找一本能够系统性地将电路理论与现代电子系统设计紧密结合的教材。这本书在“电路设计基础”部分,虽然篇幅不多,但其提炼出的核心概念和方法论,为理解复杂的专用系统奠定了坚实的基础。作者并没有陷入冗长的理论推导,而是聚焦于那些在实际电路设计中至关重要、能够直接指导实践的知识点。比如,在讲解运算放大器(Op-amp)的性能指标时,作者强调了带宽、压摆率、输入失调电压等参数对整个模拟前端设计的影响,并且通过对比不同类型的运算放大器(如双极性、CMOS)在噪声、功耗、速度等方面的差异,为学生选择合适的器件提供了清晰的指导。他还深入探讨了滤波器设计,从基本的RC、RLC滤波器到更复杂的巴特沃斯、切比雪夫滤波器,都给出了简洁的数学模型和设计步骤,并解释了它们在信号调理中的应用。最让我惊喜的是,作者将这些模拟基础知识巧妙地融入到“专用系统构成”的讲解中,比如在介绍医疗成像系统时,他阐述了如何设计低噪声放大器(LNA)来捕捉微弱的生物电信号,以及如何利用高性能ADC(模数转换器)来数字化这些信号,确保信息不丢失。他还提到了射频(RF)电路设计中的阻抗匹配、增益控制等关键技术,这些都是当前电子系统设计中不可或缺的部分。这本书能够帮助学生将枯燥的理论转化为生动的应用,非常有价值。

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**第四段评价:** 作为一个对电子学充满好奇心的爱好者,我一直想系统学习如何构建实际的电子系统。这本书的“电路设计基础”部分,用一种非常易于理解的方式,讲解了许多我之前只闻其名但不知其所以然的概念。例如,我一直对电源管理单元(PMU)的工作原理感到困惑,而这本书用通俗易懂的语言,解释了稳压器(linear regulator)和开关稳压器(switching regulator)的区别,以及它们在不同应用场景下的选择依据。作者还细致地讲解了时序控制、时钟分发和抖动(jitter)的影响,这对于理解数字电路的稳定运行至关重要。我特别喜欢书中关于信号完整性(SI)和电源完整性(PI)的讨论,作者通过生动的图示,说明了PCB走线中的寄生参数如何影响信号质量,以及如何通过良好的布局布线来避免这些问题。虽然这本书没有直接给出电路图,但它提供的设计思路和关键参数的权衡,让我在理解现有电路时有了更深层次的认识。例如,在分析一个音频放大电路时,我能够根据书中提到的噪声抑制和失真控制技巧,判断出设计者在哪些方面做了优化。这本书为我理解那些“看不见”的电路内部工作机制提供了强大的理论支撑。

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**第一段评价:** 这本书的出版,无疑为我这样在电子工程领域摸爬滚打多年的从业者带来了一股清新的空气。我尤其欣赏作者在“专用系统构成”部分所展现出的深度和广度。他不仅仅是罗列了各种现成的专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)的架构,而是深入剖析了它们的设计理念、性能权衡以及在不同应用场景下的最佳实践。例如,在谈到高性能数字信号处理(DSP)系统时,作者详细阐述了流水线技术、并行处理、缓存策略等关键概念,并结合实际案例,比如语音识别前端处理和图像压缩算法的硬件实现,展示了如何通过精巧的电路设计来优化吞吐量和降低延迟。他还讨论了低功耗设计在便携式设备中的重要性,并提供了诸如时钟门控、动态电压频率调整(DVFS)等多种实现技术。对于FPGA部分,作者更是花了大量篇幅介绍其在嵌入式系统开发中的灵活性,从基本的逻辑单元配置到复杂的IP核集成,再到最终的硬件加速实现,都进行了细致的讲解。我最感兴趣的是关于软核处理器(soft-core processor)的章节,作者通过对比不同软核架构的优劣,以及如何在FPGA上高效地实现和部署它们,为我解决了不少实际项目中的难题。书中的图示清晰,代码示例(虽然没有直接展示,但提到了设计流程和关键代码片段的思路)也极具指导意义,让我对如何从概念走向实际硬件有了更深刻的认识。

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**第九段评价:** 作为一个在医疗电子领域工作的工程师,我对精密测量和高可靠性系统有着极高的关注。这本书的“专用系统构成”部分,为我提供了许多关于设计高精度传感器接口和稳定可靠的控制系统的思路。作者在讲解模拟前端设计时,详细阐述了如何设计低噪声、高线性度的放大器来精确捕捉生物信号,以及如何选择合适的ADC来保证信号的完整性。他还深入分析了滤波器的设计,包括如何抑制环境噪声和工频干扰,以及如何实现精确的信号调理。在数字部分,我对书中关于嵌入式系统在实时控制中的应用印象深刻,例如在医疗设备中,精确的定时和可靠的控制对于患者的安全至关重要。他还探讨了如何设计安全可靠的通信接口,如SPI、I2C,用于连接各种传感器和执行器。此外,作者还提及了在医疗设备设计中需要考虑的EMC(电磁兼容性)和EMI(电磁干扰)问题,以及如何通过良好的电路设计和PCB布局来解决这些问题。这本书为我理解如何在严苛的医疗环境下设计高性能、高可靠性的电子系统提供了坚实的理论基础。

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**第六段评价:** 我是一位对低功耗设计特别关注的嵌入式系统工程师,经常需要在有限的功耗预算下实现复杂的系统功能。这本书在“专用系统构成”部分,针对低功耗设计提供了详实而实用的指导。作者系统地阐述了多种降低功耗的方法,从器件选择到系统架构层面,都进行了深入的分析。他详细介绍了动态电压频率调整(DVFS)技术的原理和实现,以及如何根据系统负载智能地调整电压和频率来达到节能目的。此外,他还探讨了各种睡眠模式(sleep modes)和唤醒机制,以及如何最小化器件在待机状态下的功耗。我尤其对书中关于电源门控(power gating)的讲解印象深刻,作者解释了如何选择性地关闭部分电路模块,以在不需要时彻底断电,从而实现更极致的功耗节省。在FPGA设计方面,他也提供了一些关于时钟门控(clock gating)和逻辑优化的技巧,以减少不必要的功耗。书中还提到了闪存(Flash memory)和低功耗DRAM的设计考虑,以及如何优化存储器访问模式来降低功耗。对于我所在的需要长续航的移动设备开发领域,这些内容具有极高的实用价值。

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**第八段评价:** 我在一家专注于高性能计算(HPC)的公司工作,对并行处理和数据吞吐量有着极致的追求。这本书在“专用系统构成”部分,为我提供了许多关于如何设计高性能并行处理系统的宝贵见解。作者在讨论CPU和GPU架构时,深入分析了它们在指令集、内存模型和并行执行模型方面的差异,以及它们在不同计算任务中的优势。他还详细阐述了多核处理器之间的通信和同步机制,以及如何通过缓存一致性协议来保证数据的正确性。我最感兴趣的是,作者在讲解FPGA在加速计算中的应用时,详细介绍了如何将C/C++代码通过HLS工具转换为硬件,以及如何在FPGA上实现高性能的矩阵运算、图像处理和深度学习推理。书中还提到了专用加速器(如TPU、NPU)的设计理念,以及它们如何通过定制化的硬件架构来优化特定任务的性能。此外,作者还探讨了高速互联技术,如InfiniBand,在构建大规模HPC集群中的作用。整本书的论述具有前瞻性,为我理解下一代计算架构提供了重要的参考。

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**第五段评价:** 我是一名从事通信设备研发工程师,对高效的信号处理和数据传输有着极高的要求。这本书在“专用系统构成”部分,为我提供了许多关于高性能数字信号处理(DSP)和射频(RF)系统设计的新视角。作者在讨论DSP部分时,深入分析了乘累加(MAC)单元、快速傅里叶变换(FFT)算法的硬件实现,以及如何在FPGA或ASIC上高效地实现这些算法。他还讲解了量化(quantization)和噪声整形(noise shaping)技术在ADC/DAC中的应用,这对于提高信号动态范围和降低量化噪声至关重要。在RF部分,作者详细阐述了低噪声放大器(LNA)的设计、混频器(mixer)的镜像抑制技术,以及如何进行阻抗匹配以实现最大功率传输。我尤其欣赏他对S参数(Scattering Parameters)的讲解,这是一种在RF电路分析中不可或缺的工具,作者通过实例展示了如何利用S参数来评估电路的性能。书中还提及了超宽带(UWB)通信和5G通信系统中的关键技术,如多输入多输出(MIMO)和波束成形(beamforming),这些前沿技术的研究让我受益匪浅。整本书的知识体系严谨,论述深入,为我理解现代通信系统的核心技术提供了宝贵的参考。

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**第十段评价:** 我是一名对汽车电子系统充满热情的研究者,一直在关注如何将先进的电子技术应用于汽车的各个方面。这本书在“专用系统构成”部分,为我提供了许多关于车载通信、动力总成控制和ADAS(高级驾驶辅助系统)核心技术的宝贵见解。作者在讲解车载通信时,详细阐述了CAN总线、LIN总线等协议的设计和实现,以及它们在车辆诊断和控制中的作用。他还探讨了以太网在汽车电子中的应用,以及如何实现高速数据传输和车内网络连接。在动力总成控制部分,我对书中关于如何设计精确的传感器接口和高效的执行器控制系统印象深刻,例如如何通过PWM(脉冲宽度调制)技术来控制发动机和变速器的运行。此外,作者还详细介绍了ADAS系统中关键的硬件模块,如雷达、摄像头和激光雷达的接口设计,以及如何将这些传感器的数据融合并进行实时处理,以实现目标检测、路径规划和自主导航。书中还提到了车载信息娱乐系统(IVI)的设计,包括其人机交互界面和多媒体处理能力。整本书的内容非常贴合当前汽车电子技术的发展趋势,为我提供了深入研究的宝贵资料。

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**第三段评价:** 我在一个初创公司负责嵌入式硬件开发,对高性能、低功耗的集成电路设计一直有着浓厚的兴趣。这本书在“专用系统构成”部分,为我打开了一扇新的大门。我尤其对书中关于片上系统(SoC)架构的设计哲学印象深刻。作者不仅仅是描述了CPU、GPU、DSP等核心处理单元的组合,而是深入分析了它们之间的数据通信机制,比如AXI总线、AMBA协议的优势和局限性,以及如何通过片上网络(NoC)来优化数据流。他还详细介绍了内存管理单元(MMU)、缓存一致性等概念,这对于理解多核处理器系统的性能瓶颈至关重要。我最感兴趣的是,作者在讨论传感器接口和数据采集系统时,提供了一些关于如何设计低功耗ADC和DAC的方案,以及如何通过FPGA实现高效的采样率和数据预处理。书中还提及了物联网(IoT)设备中常用的低功耗微控制器(MCU)架构,如ARM Cortex-M系列,并分析了其在功耗优化、实时性保障等方面的特点。此外,关于USB、SPI、I2C等常用通信接口的设计和实现,作者也给出了深入的解析,这对我日常的硬件调试非常有帮助。整本书的论述逻辑清晰,案例丰富,能够帮助读者从宏观的系统架构到微观的接口细节都有全面的了解。

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**第七段评价:** 我是一名刚入行不久的数字IC设计工程师,这本书为我系统性地了解电路设计流程和专用系统构成提供了坚实的基础。在“电路设计基础”部分,我学到了许多重要的数字逻辑设计原则,比如时序约束、时钟域交叉(CDC)处理以及亚稳态(metastability)的规避方法。作者的讲解清晰易懂,而且非常注重实际工程中的应用。他详细介绍了HDL(硬件描述语言)在ASIC和FPGA设计中的作用,以及常用的设计流程,从规格定义、逻辑设计、综合、布局布线到时序收敛,都进行了概括性的介绍。我尤其对书中关于异步电路(asynchronous circuit)和同步电路(synchronous circuit)的对比分析感兴趣,虽然作者主要聚焦于同步设计,但他点出了异步设计的优点和挑战,让我对数字电路设计有了更全面的认识。在“专用系统构成”部分,他对各种标准总线接口,如PCIe、USB、Ethernet等的设计考虑和实现细节进行了阐述,这对我理解这些接口的物理层和协议层有很大的帮助。我还从书中了解到了如何将高级综合(High-Level Synthesis, HLS)技术应用于FPGA设计,以提高开发效率。这本书的知识密度很大,但结构合理,非常适合我这样的初学者。

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