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第1章 绪论1

1.1 概述1

1.1.1 仪器仪表1

1.1.2 从传统仪器到智能仪器3

1.1.3 智能仪器的组成和结构3

1.1.4 智能仪器的主要特点和发展趋势5

1.2 课程的主要内容和学习方法7

思考题与习题8

第2章 总体设计9

2.1 概述9

2.1.1 智能仪器设计过程9

2.1.2 总体设计及其内容10

2.2 设计任务来源和分析11

2.2.1 设计任务来源11

2.2.2 设计任务分析12

2.3 功能规划和指标确定14

2.4 设计原则与原理18

2.4.1 阿贝原则及其扩展19

2.4.2 平均读数与误差分离原理21

2.4.3 比较测量原理22

2.4.4 补偿原理24

2.4.5 标准量细分原理25

2.4.6 其他设计原则26

2.5 布局与结构设计29

2.6 数据采集系统设计29

2.7 智能仪器通信设计29

2.8 人机接口设计30

2.9 电源及功耗设计32

2.9.1 智能仪器的电源设计32

2.9.2 智能仪器低功耗设计32

2.10 总体设计的验证和评审32

2.10.1 总体设计的验证32

2.10.2 总体设计的评审33

思考题与习题33

第3章 传感器与放大器设计34

3.1 概述34

3.2 传感器34

3.2.1 传感器组成35

3.2.2 传感器分类35

3.2.3 传感器的选择41

3.2.4 传感器的应用技术42

3.3 信号放大器44

3.3.1 前置放大器44

3.3.2 信号放大器的常见形式45

3.3.3 常用放大器器件及应用48

思考题与习题56

第4章 模数转换电路设计57

4.1 A巭D转换器57

4.2 比较型A巭D转换器59

4.2.1 逐次比较型A巭D转换器的工作原理59

4.2.2 ADC0809的工作原理及应用60

4.2.3 AD574A的工作原理及应用64

4.3 双积分型A巭D转换器66

4.3.1 双积分型A巭D转换器的工作原理66

4.3.2 双积分型A巭D转换器的特点68

4.3.3 5G14433的工作原理及应用68

4.3.4 ICL7135的工作原理及应用70

4.4 V巭F型A巭D转换器71

4.4.1 V巭F型A巭D转换器的特点71

4.4.2 LM331的工作原理及应用71

4.5 ∑-△型A巭D转换器73

4.5.1 工作原理73

4.5.2 AD7703的工作原理及应用74

4.5.3 CS5360的工作原理及应用77

4.6 A巭D转换器的选用81

4.7 信号输出与D巭A转换器84

4.7.1 输出通道的信号种类84

4.7.2 D巭A转换器的性能指标与选用85

4.7.3 常用D巭A转换器86

思考题与习题92

第5章 数据采集通道设计93

5.1 概述93

5.1.1 数据采集通道基本组成93

5.1.2 数据采集通道的特性94

5.2 数据采集通道的结构94

5.2.1 集中采集式94

5.2.2 分散采集式95

5.2.3 应用实例96

5.3 数据采集通道的误差分析97

5.3.1 采样误差97

5.3.2 模拟电路的误差99

5.3.3 A巭D转换器的误差100

5.3.4 数据采集通道误差的计算100

5.3.5 数据采集通道的误差分配实例101

思考题与习题104

第6章 微处理器与可编程器件设计105

6.1 微处理器105

6.2 单片机107

6.2.1 单片机的特点和选择107

6.2.2 MCS-51系列单片机109

6.2.3 PIC系列单片机111

6.2.4 68系列单片机113

6.2.5 MCS-296系列单片机113

6.2.6 MSP430单片机114

6.2.7 ARM单片机116

6.3 DSP119

6.3.1 DSP的主要结构120

6.3.2 DSP的选择和应用120

6.4 多微处理器系统122

6.4.1 概述122

6.4.2 多单片机系统的结构122

6.5 可编程逻辑器件127

6.5.1 概述127

6.5.2 CPLD简介128

6.5.3 FPGA简介131

思考题与习题133

第7章 软件设计134

7.1 概述134

7.2 软件开发环境与编程语言135

7.2.1 软件开发环境135

7.2.2 编程语言135

7.3 结构化程序设计和软件系统结构分析136

7.3.1 层次结构136

7.3.2 功能结构137

7.3.3 进程结构138

7.4 软件系统的规划和设计步骤139

7.4.1 软件系统的规划139

7.4.2 软件系统的设计步骤141

7.5 数据处理算法143

7.5.1 概述143

7.5.2 常用数据处理算法144

7.6 软件设计实例150

7.6.1 系统功能150

7.6.2 硬件电路151

7.6.3 软件系统规划152

7.6.4 软件系统框架152

思考题与习题154

第8章 人机界面设计155

8.1 人机界面155

8.1.1 人机界面设计概述155

8.1.2 可用性设计156

8.2 人机界面的设计原则157

8.3 人因工程学及其应用159

8.3.1 人因工程学159

8.3.2 视觉160

8.3.3 听觉161

8.3.4 触觉162

8.3.5 多感觉162

8.3.6 人体尺寸及肢体的能力163

8.3.7 人体对环境的要求163

8.4 人机界面硬件设计164

8.4.1 面板构成与布置164

8.4.2 键盘及其分类164

8.4.3 显示器166

8.4.4 显示设计167

8.4.5 微型打印机169

8.5 人机界面的软件设计171

8.5.1 概述171

8.5.2 直接编程法172

8.5.3 状态变量法175

8.5.4 图形用户界面法183

8.6 人机界面设计的评价185

思考题与习题185

第9章 通信总线与接口设计186

9.1 数据通信186

9.1.1 数据通信的基本概念186

9.1.2 接口总线187

9.2 串行标准总线189

9.2.1 RS-232C串行接口总线标准189

9.2.2 RS-422、RS-423、RS-485接口总线标准191

9.2.3 USB接口总线193

9.3 并行标准总线195

9.3.1 GPIB并行接口总线195

9.3.2 VXI总线199

9.3.3 CompactPCI和PXI总线205

9.4 现场总线211

9.4.1 概述211

9.4.2 现场总线通信技术212

9.5 智能仪器上网与TCP巭IP协议213

9.5.1 概述213

9.5.2 协议与标准213

9.5.3 以太网接口模块215

思考题与习题216

第10章 结构设计217

10.1 概述217

10.2 智能仪器结构设计常用材料219

10.2.1 金属材料219

10.2.2 非金属材料220

10.3 造型设计220

10.4 常见机箱机柜类型222

10.4.1 机壳类222

10.4.2 机箱类222

10.4.3 机柜类223

10.4.4 机箱结构方案选择225

10.5 智能仪器热设计228

10.5.1 智能仪器的热环境228

10.5.2 智能仪器热控制的目的229

10.5.3 热控制的基本要求230

10.5.4 热控制的基本原则230

10.5.5 热控制的方法230

10.6 振动与冲击的隔离234

10.7 电磁兼容性结构设计234

10.8 结构的其他设计235

思考题与习题237

第11章 电磁兼容设计238

11.1 电磁兼容238

11.2 硬件抗干扰技术243

11.2.1 屏蔽技术与传输技术243

11.2.2 接地技术247

11.2.3 隔离技术249

11.2.4 布线与配线250

11.2.5 滤波器252

11.2.6 灭弧技术253

11.2.7 电源干扰的抑制254

11.3 软件干扰抑制技术257

11.3.1 软件抗干扰的前提条件257

11.3.2 数据采集误差的软件对策257

11.3.3 控制状态失常的软件对策258

11.3.4 程序运行失常的软件对策259

思考题与习题259

第12章 可测性设计261

12.1 故障诊断261

12.1.1 故障模型261

12.1.2 故障测试261

12.1.3 模拟电路故障检测263

12.1.4 数字电路的故障检测265

12.1.5 自检安排270

12.2 智能仪器的调试270

12.2.1 可测性设计270

12.2.2 智能仪器调试过程271

12.2.3 模拟电路的调试272

12.2.4 数字电路的调试273

12.2.5 软件程序的调试273

12.2.6 开发系统275

12.2.7 JTAG调试276

12.2.8 远程更新软件278

12.3 智能仪器的标定279

12.3.1 概述279

12.3.2 测控系统的静态标定280

12.3.3 测控系统的动态标定280

12.3.4 力测量装置的标定280

12.3.5 温度测量装置的标定281

12.4 智能仪器设计文件282

思考题与习题282

参考文献283