A Practical Introduction to Electronic Instrumentation pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Rizzoni, Giorgio

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页数:0

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价格:355.00 元

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isbn号码:9780787235765

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• 电子仪器
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• 电路
• 传感器
• 数据采集
• 模拟电路
• 数字电路

电子测量与仪器：从理论基石到前沿应用 内容提要： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的电子测量与仪器领域的知识体系。它不仅仅关注单一的测量设备或技术，更侧重于理解测量的基本原理、信号的获取与处理过程，以及如何构建高效、可靠的测试系统。全书结构清晰，从电学基础知识的复习和巩固开始，逐步过渡到传感器、数据采集系统、信号调理电路的设计与分析，最终涵盖了现代仪器仪表的功能、性能评估以及复杂的系统集成。 第一部分：测量科学与电学基础回顾 (The Foundations of Measurement Science) 本部分是理解后续复杂仪器的理论基础。我们将首先探讨测量的本质——什么是测量、测量的目的以及测量的误差来源。误差分析是工程实践中的核心，书中将详细介绍系统的、随机的和偶然误差的统计学处理方法，包括高斯误差分布、置信区间计算以及不确定度评定（基于ISO/BIPM指南）。 随后，我们将回顾必要的电学基础。这部分内容侧重于工程应用而非纯理论推导，重点覆盖欧姆定律、基尔霍夫定律在复杂电路中的应用，交流（AC）电路中的相量分析，以及瞬态响应的分析方法。对傅里叶分析在周期信号分解中的作用进行深入探讨，为理解频谱分析仪的工作原理打下基础。此外，书中还将详细阐述基本元器件（电阻、电容、电感）的非理想特性及其对测量精度的影响。 第二部分：传感器与信号调理 (Sensors and Signal Conditioning) 传感器是连接物理世界与电子系统的桥梁。本章系统地介绍了各类常用传感器的类型、工作原理、静态与动态特性。内容涵盖： 1. 电阻式传感器： 应变计（Strain Gauges）的工作原理、温度系数补偿，以及RTD和热敏电阻在温度测量中的应用。 2. 电容与电感式传感器： 探讨电容的几何结构变化与测量对象的关联，以及电感式传感器的位移和振动测量。 3. 光学传感器： 光电倍增管（PMT）、光敏电阻（LDR）和光电二极管的响应特性及其在光强、距离测量中的应用。 4. 电化学传感器： 简要介绍pH电极和氧气传感器的基本工作机制。 信号调理是确保传感器输出的微弱信号能被后续数字系统有效处理的关键步骤。本部分深入讲解了信号调理电路的设计，包括： 线性化与补偿： 如何校正传感器的非线性输出。 滤波技术： 各种主动式和被动式滤波器（低通、高通、带通）的设计，重点讨论如何根据噪声特性选择合适的截止频率，以及在时域和频域对滤波器性能的评估。 放大电路： 详细分析仪表放大器（Instrumentation Amplifiers）的高共模抑制比（CMRR）特性及其在差分测量中的重要性，并讨论如何选择合适的增益以避免后续电路的饱和。 第三部分：数据采集系统（DAS）与模数转换 (Data Acquisition Systems and A/D Conversion) 现代电子测量高度依赖于数字化。本章聚焦于如何将连续的模拟信号转换为可供计算机处理的数字数据。 核心内容包括： 采样定理： 奈奎斯特-香农采样定理的严格阐述及其在实际工程中的应用限制（如混叠现象）。 模数转换器（ADC）： 深入分析不同类型的ADC架构，包括逐次逼近型（SAR）、双斜率型（Dual-Slope）和流水线型（Pipeline）ADC的优缺点、转换速度与分辨率的权衡。 量化误差与有效位数（ENOB）： 讲解量化噪声的产生及其对系统精度的影响，并介绍衡量实际ADC性能的指标。 数据采集板卡与接口： 讨论PCIe、USB和Ethernet接口在高速数据传输中的应用，以及多通道数据采集系统的同步采样问题。 第四部分：通用电子测量仪器原理 (Principles of Common Electronic Instruments) 本部分是对特定经典仪器的内部工作原理和应用场景的详尽剖析，强调“如何用好”而非“如何制造”。 1. 数字万用表（DMM）： 深入探讨其内部的电压测量（衰减器、缓冲器）、电阻测量（恒流源）和电流测量（分流器）电路，以及真有效值（True RMS）测量的必要性。 2. 示波器（Oscilloscope）： 详细讲解采样保持电路、时间基准、垂直系统增益控制。重点对比模拟示波器与数字存储示波器（DSO）的原理差异，特别强调DSO的垂直带宽、扫描速率与内存深度对波形重建精度的影响。 3. 频率与时间测量： 介绍通用频率计的工作原理，包括预分频器、门控技术和时间间隔测量。 4. 信号源（Signal Generators）： 区分函数发生器和任意波形发生器（AWG）。解析波形合成技术，如直接数字频率合成（DDS）在实现高精度、高稳定度频率输出中的作用。 第五部分：高级测试与系统集成 (Advanced Testing and System Integration) 在复杂的工程领域，单一仪器的局限性要求构建集成化的测试平台。本章面向系统级的设计与自动化。 仪器总线与编程： 详细介绍GPIB、LXI（基于以太网的仪器控制架构）和IVI-COM等标准接口，并提供使用SCPI（标准命令集）进行仪器程序化控制的实用示例。 自动测试设备（ATE）设计： 讨论ATE系统的架构，包括测试程序的开发、测试用例的管理以及结果的追溯性。强调在ATE中如何处理高通道数和高速度测试需求。 网络化测量与数据管理： 探讨云计算在远程监测和分布式测量中的潜力，以及如何确保测量数据的完整性和可追溯性。 系统级误差分析与校准： 讲解如何将单个仪器的误差传递到整个测试系统，并介绍系统级的开路、短路、负载（OSL）校准方法，以最大程度消除连接线和夹具引入的误差。 读者对象： 本书适合电子工程、仪器仪表、自动化控制、物理学和材料科学等相关专业的本科高年级学生、研究生以及需要进行系统级测量和数据采集的工程师和技术人员。对读者预期的基础知识要求是具备扎实的电路理论基础。

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关于配图和案例的选取，这本书的处理方式相当成熟和精到。很多技术书籍的插图要么过于简化，失去信息量；要么就是扫描自老旧的电路图，模糊不清。这本书的图表几乎都是原创的高质量矢量图，线条清晰，注释明确，特别是那些关于波形和电路拓扑的示意图，简直是教科书级别的范本。每一个重要的概念或公式，几乎都紧跟着一个或多个详细的、可操作的实验案例。这些案例的选取也非常贴近现代电子工程的实际需求，没有过多地纠缠于早已被淘汰的古董元器件，而是聚焦于当前市场上主流的、易于获取的组件。比如，它不仅讲解了如何使用传统晶体管搭建一个放大器，还提供了一个使用低成本、高集成度的单芯片运算放大器来快速实现相同功能的对比实验。更难得的是，每章末尾都有一个“项目挑战”环节，这些挑战并非简单的课后习题，而是要求读者综合运用本章及前章所学知识来解决一个小型、但结构完整的工程问题。这套“理论-解析-实践-挑战”的闭环设计，确保了知识的内化和技能的真正习得，让我感觉这不只是一本书，更像是一套完整的、高度浓缩的实践课程。

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从内容深度上来说，这本书的覆盖面非常广，但又不像百科全书那样浮于表面。它成功地在“足够深入”和“保持入门友好”之间找到了一个精妙的平衡点。例如，在讨论运算放大器（Op-Amp）的应用时，它没有止步于基本的电压跟随器或反相放大器，而是花了笔墨去讲解理想运放模型和实际运放参数（如输入偏置电流、失调电压）对电路精度的影响。对于初学者来说，一开始接触这些参数可能会感到晦涩，但作者巧妙地通过一个小小的案例——一个高精度数据采集前端的设计——来展示这些参数失真到底有多严重。这种“先给理论，再用实践打脸”的教学方法，极大地增强了读者对这些“枯燥”参数重要性的直观理解。再比如，当介绍 ADC/DAC 时，它不仅解释了分辨率和采样率，还花了一部分篇幅讨论了抗混叠滤波器的设计考量，这一点在很多同类书籍中常常被忽略。这种对细节的把控，让读者在学完这本书后，再去看更专业、更硬核的 DSP 或模拟前端设计资料时，会发现自己已经有了一个非常扎实的“脚手架”，许多复杂的概念都能迅速找到对应的基础支撑点，而不是凭空理解。

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这本书的封面设计，说实话，第一眼并不会让人感到惊艳，它走的完全是那种教科书式的朴实路线，深蓝色调打底，配上白色和黄色的字体，简洁到甚至有些刻板。我当时在书店里翻看时，主要是被书名里“A Practical Introduction”这几个词吸引的。我当时正在努力搭建我的第一个业余电子项目，手头堆了不少理论知识，但一到实际操作，面对那些复杂的示波器波形、面包板上的飞线和不断跳变的万用表读数时，就感觉像隔了一层雾。这本书的排版非常注重实用性，章节间的过渡很自然，没有那种硬邦邦的理论堆砌感。比如，它在介绍电阻、电容这些基本元件时，并没有花大篇幅去推导麦克斯韦方程组的某个复杂推论，而是直接切入“你在实际电路中如何识别它们、如何用万用表测量它们的有效值，以及它们在不同频率下的表现差异”。这种直击痛点的叙事方式，对于像我这种希望快速上手、解决眼前工程问题的学习者来说，简直是雪中送炭。我尤其欣赏它对基础测量仪器的讲解部分，很多书会一带而过，但这本书花了整整两章的篇幅来深入剖析示波器的时间基准、触发电平设置，以及如何避免接地环路带来的“幽灵信号”。读完那部分，我感觉自己看示波器的眼神都专业了不少，不再是简单的“看个波形”了，而是知道如何去“解读”信号的真实含义。这种从理论到实践的无缝衔接，是这本书最宝贵的价值所在。

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拿到这本书后，我最大的惊喜在于它对“故障排除”这一环节的重视程度，这在很多入门级读物中是极其罕见的。很多教材热衷于展示“完美工作”的电路，但现实是，你的电路 90% 的时间都在“不完美工作”。这本书没有回避这个问题，反而把它作为核心教学内容之一。书中有一个专门的章节详细列举了十几种常见的电路故障现象，比如高频振荡、热漂移、电源纹波过大等等，并系统地给出了对应的排查步骤和工具使用策略。我记得有一次，我的一个音频放大电路出现了无法定位的交流声，无论我怎么换电容、换晶体管都无济于事。我半信半疑地按照书中的“三步走”策略进行系统性地排查——首先检查电源和地线布局，然后进行信号注入测试，最后对比理想波形。结果发现，问题出在一个意想不到的地方：两个运算放大器的反馈回路耦合了彼此的电源噪声。如果不是这本书的引导，我可能早就钻进死胡同了。它的讲解逻辑非常清晰，从宏观到微观，从现象到根源，像一个经验丰富的老工程师在耳边指导，而不是冷冰冰的文字。这种实战导向的思维训练，比单纯记住公式要有用得多，它教会我如何“像一个工程师一样思考”如何去解决一个未知的问题，而不是仅仅复制一个已知的解决方案。

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这本书的语言风格绝对是其一大亮点，它读起来更像是一场由一位非常耐心且略带幽默感的专家主导的研讨会，而不是传统的学术讲座。作者的遣词造句非常注重消除读者的畏难情绪。比如，在解释一些涉及复数运算或拉普拉斯变换的频率响应分析时，他会用非常生动的比喻来描述这些数学工具在电路分析中的实际意义，而不是直接抛出复杂的积分公式让读者望而却步。我可以想象，作者在撰写时，一定反复斟酌过如何用最直白的语言去描述最抽象的概念。例如，他形容反馈电路中的“相位裕度”时，将其比喻为“汽车在高速转弯时，方向盘转动和你实际转向之间存在一个可以接受的延迟，但如果延迟太大，你就会冲出赛道”。这种非技术性的类比，极大地降低了理解门槛。读起来的时候，我感觉不到时间的流逝，完全沉浸在那种被引导和被鼓励的学习氛围中。它成功地将原本充满数学障碍的电子工程，转化成了一场可以轻松参与的智力游戏，这对保持初学者的学习热情至关重要。

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