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出版者:

作者:Kularatna, Nihal

出品人:

頁數:504

译者:

出版時間:2008-6

價格:$ 135.54

裝幀:

isbn號碼:9780849376177

叢書系列:

圖書標籤:

• 電子電路設計
• 電路分析
• 模擬電路
• 數字電路
• 電路理論
• 電子工程
• 電路
• 設計
• EDA
• 可編程邏輯

精密儀器與微觀世界：現代物理實驗技術導論 本書旨在為高等院校物理、電子工程及相關專業的本科生和研究生提供一本全麵、深入的現代物理實驗技術導論。它聚焦於支撐前沿科學研究的精密測量、信號處理以及先進儀器設備的操作與設計，強調理論與實踐的緊密結閤。 --- 第一部分：基礎測量原理與誤差分析 第一章：物理測量的基本概念與量化 本章首先確立瞭物理測量的核心地位，探討瞭什麼是“可測量”以及如何進行科學的量化描述。詳細闡述瞭測量過程中的係統性誤差與隨機誤差的來源、特性及區分方法。引入瞭不確定度分析的國際標準（如ISO GUM），強調從一次測量到最終結果報告的完整鏈條必須建立在可靠的誤差評估之上。討論瞭有效數字的選取規則，確保實驗數據的報告既精確又符閤實際測量能力。 第二章：經典信號的獲取與處理 本章深入講解瞭傳感器（Transducers）的工作原理，重點覆蓋瞭電阻、電容、電感、熱電效應、光電效應等物理量到電信號的轉換機製。詳細分析瞭不同類型傳感器的靈敏度、綫性度、遲滯現象和頻率響應特性。隨後，引入瞭基礎的模擬信號調理電路，如激勵源設計、放大電路（儀錶放大器、隔離放大器）的選擇與應用、濾波器的設計（RC、LC、有源濾波器）及其在去除噪聲和信號整形中的作用。 第三章：統計學在實驗數據分析中的應用 實驗數據的解讀離不開嚴格的統計學工具。本章係統介紹瞭描述性統計量（均值、方差、標準差、中位數）的計算。重點講解瞭概率分布（正態分布、泊鬆分布）在誤差分析中的地位。深入探討瞭假設檢驗方法（t檢驗、卡方檢驗），指導讀者如何客觀判斷實驗結果是否支持或推翻預設的物理模型。最後，詳述瞭綫性最小二乘法在綫性迴歸中的應用，以及如何通過殘差分析來評估模型的擬閤優度。 --- 第二部分：數字電子基礎與數據采集係統 第四章：現代儀器中的數字邏輯與微控製器 本章將實驗測量從純模擬領域帶入數字世界。詳細介紹瞭布爾代數、邏輯門、組閤邏輯電路（編碼器、譯碼器、多路選擇器）和時序邏輯電路（觸發器、計數器、寄存器）的設計與實現。隨後，係統介紹瞭微控製器（如STM32係列、Arduino平颱）的架構，包括CPU、內存結構、中斷機製和外設接口。通過實際案例，展示如何利用微控製器編程實現對外部物理量的周期性采集與初步處理。 第五章：模數轉換（ADC）與數模轉換（DAC）技術 數據采集係統的核心在於高效準確的數模和模數轉換。本章細緻剖析瞭不同ADC架構（如逐次逼近型、雙積分型、Σ-Δ型）的工作原理、轉換速度、有效位數（ENOB）與量化噪聲。講解瞭采樣定理（Nyquist-Shannon），並強調瞭過采樣技術在提升信噪比中的作用。DAC部分則側重於電流輸齣型與電壓輸齣型的性能對比及其在波形生成中的應用。 第六章：高速數據采集與接口標準 本章聚焦於復雜實驗中對數據傳輸速率和同步性的要求。詳細介紹瞭通用接口標準如GPIB（IEEE-488）、RS-232/485，並著重講解瞭現代高速數據總綫（如PCI Express, USB 3.0）在數據流控製中的應用。探討瞭數據緩衝區的管理策略，以及如何利用硬件觸發和軟件同步機製，確保跨多個傳感器數據采集的時間精度達到納秒級。 --- 第三部分：精密測量與前沿技術 第七章：噪聲理論與低噪聲電路設計 在涉及微弱信號的測量中，噪聲是主要限製因素。本章係統地引入瞭熱噪聲（Johnson-Nyquist）、散彈噪聲、閃爍噪聲（1/f噪聲）的物理起源和數學模型。通過分析傅裏葉變換和功率譜密度（PSD），解釋瞭噪聲在頻域的分布特性。核心內容在於低噪聲放大器（LNA）的設計原則，包括器件選擇、接地與屏蔽技術（法拉第籠、磁屏蔽）以及動態範圍的優化。 第八章：光學測量技術基礎 光學是現代物理實驗不可或缺的工具。本章覆蓋瞭激光器的基本工作原理（光泵浦、受激輻射、腔體設計）。重點講解瞭乾涉測量技術，包括邁剋爾遜乾涉儀、馬赫-曾德爾乾涉儀在位移、摺射率測量中的應用。此外，詳細介紹瞭光電探測器（光電二極管、光電倍增管）的響應特性，及其在光強與光子計數測量中的實現。 第九章：高級時域與頻域分析 本章將傅裏葉分析工具提升至實際應用層麵。深入講解瞭離散傅裏葉變換（DFT）及其快速算法FFT，包括窗函數選擇對頻譜泄漏的影響。介紹瞭鎖相放大器（Lock-in Amplifier）的工作原理，它是從極高噪聲環境中提取微弱周期性信號的“瑞士軍刀”，詳細分析瞭其調製、解調過程和時間常數對帶寬的影響。探討瞭時域反射計（TDR）在傳輸綫特性阻抗測量中的應用。 --- 第四部分：係統集成與真空/低溫環境 第十章：真空技術與痕量氣體分析 許多凝聚態物理、核物理實驗要求極高或極低的工作環境。本章係統介紹真空度的定義（高真空HV、超高真空UHV），各類真空泵（機械泵、渦輪分子泵、離子泵、低溫泵）的工作原理和選型標準。重點講解瞭漏氣檢測技術，如氦質譜檢漏儀的操作流程與靈敏度校準。 第十一章：低溫物理與製冷係統 低溫環境是探索量子現象的關鍵。本章介紹瞭不同溫區（液氦溫區、稀釋製冷溫區）的製冷原理，包括斯特林循環、脈管製冷機和稀釋製冷機的工作機製。講解瞭低溫電阻溫度計（如碳阻、鉑電阻）的校準與使用，並強調瞭低溫電路設計中必須考慮的熱負荷、熱沉設計及綫材選擇對測量穩定性的影響。 第十二章：實驗係統的集成、自動化與安全規範 本章將前述所有技術模塊整閤起來，指導讀者如何構建一個完整的、可重復的實驗係統。內容涵蓋儀器間的通信協議、數據同步與控製邏輯的編程實現。特彆強調瞭實驗安全規範，包括高壓防護、激光安全等級劃分、強磁場環境下的操作注意事項以及化學試劑的規範處理流程。 --- 附錄 常用數學公式與物理常數錶 LabVIEW/Python 在數據采集中的基礎編程示例 常用器件選型速查錶 本書的特色在於，它不僅停留在電路原理的介紹，而是緊密圍繞“如何精確地測量自然界中的微小變化”這一核心目標，為讀者構建一套完整的、從傳感器到數據處理、再到環境控製的現代實驗技術知識體係。

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