Direct Sensor to Microcontroller Interface Circuits/Direct Sensor to Microcontroller Interface Circu pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Pallas-Areny, Ramon/ Reverter, Ferran

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页数:0

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价格:29.95

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isbn号码:9788426713803

丛书系列:

图书标签:

• 传感器接口
• 微控制器
• 模拟电路
• 数字电路
• 信号调理
• 数据转换
• 嵌入式系统
• 电路设计
• 传感器技术
• 低功耗设计

嵌入式系统设计中的数据采集与信号调理：一套完整的实践指南 书名： 嵌入式系统中的模拟信号处理与传感器接口技术 内容简介： 本书旨在为电子工程、自动化、计算机科学以及相关领域的工程师、研究人员和高级学生提供一本全面且深入的参考手册，专注于在现代嵌入式系统中实现高精度、低噪声的传感器数据采集和信号调理技术。随着物联网（IoT）、工业自动化和消费电子设备的快速发展，如何有效地将物理世界中的连续、模拟信号转化为微控制器（MCU）可以理解和处理的数字数据，已成为嵌入式系统设计的核心挑战之一。 本书摒弃了对特定商品或品牌接口电路的简单罗列，而是聚焦于底层物理原理、信号完整性、噪声抑制策略以及系统级优化，为读者构建一个坚实的理论基础和广泛的工程实践知识库。 第一部分：模拟信号基础与传感器特性剖析 本部分首先对模拟信号处理的理论基础进行了系统性的梳理，确保读者对信号的本质特性有深刻的理解。 1. 物理量到电信号的转换： 深入探讨各种主流传感器（如热敏电阻、应变片、光电二极管、压电元件）的工作原理，重点分析其输出阻抗特性、非线性度、漂移（Drift）以及温度系数（TCR）。讨论如何利用传感器的等效电路模型来指导后续的调理电路设计。特别关注生物医学传感器和高精度工业传感器中信号的微弱性，例如微伏级（µV）的输出。 2. 噪声源的识别与建模： 噪声是模拟电路设计中无法回避的敌人。本章详细分类和量化了主要的噪声来源，包括热噪声（Johnson-Nyquist Noise）、散粒噪声（Shot Noise）、闪烁噪声（Flicker Noise，1/f Noise）以及环境噪声（如电磁干扰EMI和射频干扰RFI）。通过实例演示如何使用均方根（RMS）值来评估系统的本底噪声水平，并介绍分析工具如频谱分析仪和噪声图（Noise Figure）的概念。 3. 信号完整性与接地策略： 强调信号路径设计的重要性。讨论传输线效应、串扰（Crosstalk）的分析与预防，尤其是在高频或高速数据采集场景下。深入阐述了复杂的接地拓扑结构，包括单点接地、混合接地、以及“星形接地”在抑制地线回路（Ground Loop）噪声中的应用，以及关键的屏蔽技术（如法拉第笼的原理应用）。 第二部分：核心信号调理电路设计与优化 这是本书的核心部分，专注于将传感器原始信号优化到适合模数转换器（ADC）输入的要求。 4. 前置放大器设计与选型： 详尽分析了不同类型的运算放大器（Op-Amp）拓扑结构，包括反相放大器、同相放大器、仪表放大器（Instrumentation Amplifier）和跨阻放大器（Transimpedance Amplifier, TIA）。重点讲解如何根据应用需求（增益带宽积GBWP、压摆率Slew Rate、输入偏置电流、输入电压噪声密度）来选择合适的运算放大器，并提供实用的增益级联设计指南，以应对信号动态范围的变化。 5. 有源滤波技术在数据采集中的应用： 滤波是实现抗混叠和去噪的关键步骤。本书详细介绍了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和贝塞尔（Bessel）滤波器的设计原理、阶数选择和原型实现。更进一步，探讨了数字滤波与模拟滤波的结合策略（混合信号处理），以及如何利用开关电容（Switched-Capacitor）滤波器进行低功耗、可编程滤波设计。 6. 线性化与失真补偿技术： 许多传感器（如热敏电阻）的输出与被测物理量之间存在显著的非线性关系。本章提供了多种实现传感器线性化的技术，包括硬件多项式拟合电路、查表法（Look-Up Table）的硬件加速实现，以及使用斩波稳定（Chopper Stabilization）技术来消除低频失真和直流漂移。 第三部分：模数转换（ADC）的深度解析与系统集成 精确的采集依赖于高效的数字化过程。本部分深入探讨了ADC的内部机制和系统级优化。 7. ADC架构的深入比较与选择： 全面对比了逐次逼近寄存器型（SAR ADC）、Sigma-Delta（Σ-Δ）型、流水线（Pipelined）型和双斜率（Dual-Slope）ADC的优缺点。重点分析了有效位数（ENOB）、积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）等关键参数对最终系统精度的影响。讨论了过采样（Oversampling）在提高有效分辨率中的作用及其对数字滤波器设计的要求。 8. 采样时序与量化误差控制： 量化误差和时钟抖动（Jitter）是影响高精度测量的主要因素。本章详细分析了采样定理（Nyquist Criterion）在实际系统中的应用边界，并探讨了样本保持器（Sample-and-Hold Amplifier, SHA）在快速变化信号采集中的性能瓶颈。介绍了时钟源的纯净度对ADC性能的决定性影响。 9. 低功耗与自校准技术： 针对电池供电和便携式设备，本部分介绍了低功耗ADC的设计技巧，包括时钟门控、休眠模式管理以及使用低功耗运放的设计哲学。此外，还涉及现代高精度ADC中内置的系统自校准（Self-Calibration）和直流偏置消除技术。 第四部分：系统级考虑与设计验证 本部分着眼于将所有模拟和数字模块整合为一个稳定可靠的嵌入式系统。 10. 电源完整性对模拟性能的影响： 电源噪声直接耦合到信号路径，是模拟性能恶化的常见原因。本书详细阐述了低噪声线性稳压器（LDO）的选择标准，特别是其电源抑制比（PSRR）在不同频率下的表现。讨论了数字地与模拟地分离的必要性，以及如何通过铁氧体磁珠（Ferrite Bead）和旁路电容网络来隔离数字开关噪声对敏感模拟电路的干扰。 11. 嵌入式软件中的数据后处理： 介绍了在微控制器固件层面实现高级数据处理的方法，包括数字陷波滤波器（Notch Filter）的设计与实现，滑动平均滤波器（Moving Average）的参数优化，以及基于卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的动态状态估计，用于在存在大量随机噪声的环境中提高测量鲁棒性。 12. 实验验证与系统级调试方法： 提供了从原型到生产的调试流程，涵盖了使用示波器、逻辑分析仪和网络分析仪对模拟前端进行全面测试的实用技巧。强调了“分块调试”（Block-by-Block Debugging）的原则，并指导读者如何通过对比不同设计阶段的输出波形和频谱图，快速定位系统瓶颈是出在传感器、调理电路还是ADC环节。 目标读者： 本书面向所有需要深入理解和优化模拟信号采集链的电子工程师和嵌入式软件开发者。它为那些不满足于仅仅调用标准库函数、而渴望掌握信号链设计中每一个细节以达到最高系统性能的专业人士提供了详尽的蓝图。

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