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电子传感器设计:原理与方法

本书从理论基础和实战的角度出发,深入剖析电子传感器设计的基础理论,系统阐述传感器中信息与信号、信息转换与采集、信号处理的设计技术、方法和架构,并探讨电子传感器设计过程中的优化方法。全书分为四部分:第一部分(第1~5章)通过对设计变量、特征参数、信号和误差的定义阐述常用概念;第二部分(第6~8章)着重介绍噪声的物理来源以及它在电子接口设计中的作用;第三部分(第9~11章)精选光子转换、离子-电子转换以及机械和热转换这三个物理转换领域的典型应用示例,实践传感器设计优化;第四部分(第12章)提供了相关习题和解答,以巩固所学内容。本书内容丰富、全面,讲解循序渐进,不仅可以作为高等院校相关专业的教材,还可以作为传感器设计领域工程师及相关科研人员的参考书。

封面
前折页
书名页
版权
译者序
前言
第一部分 基础
 第1章 概述
  1.1 感知是一种认知过程
  1.2 针对电子传感器的一般定义
   1.2.1 信号和信息
   1.2.2 模拟-数字接口的最简单案例
   1.2.3 误差的作用
  1.3 电子传感器的基本模块
  1.4 不确定性的起源:热运动
  1.5 电子传感器设计的基本制约因素
  延伸阅读
 第2章 传感器建模与特性描述
  2.1 信号
  2.2 传感器接口:确定性模型
  2.3 准静态理想特性和灵敏度
  2.4 信号特性
   2.4.1 准静态特性和频域表示的极限
   2.4.2 信号的能量特性
  2.5 时间和振幅量化
  2.6 传感器采集链和传感器分类
  2.7 理想偏差:真实特性与饱和度
  2.8 理想偏差:误差
   2.8.1 单一误差的输入-输出二元性
   2.8.2 确定性模型和随机模型的合并
   2.8.3 均值估计和影响
   2.8.4 非线性引起的系统误差(失真)
   2.8.5 用分布描述随机误差与系统误差
   2.8.6 随机信号的能量特性
  2.9 随机误差分布的输入-输出关系
   2.9.1 随机误差引起的输入参考分辨率的概念
   2.9.2 不确定性概念及其与分辨率的关系
   2.9.3 在模拟域中用分辨率位数测量离散化
  2.10 非线性引起的系统误差:直流方法
  2.11 广义不确定性与误差的传播规律
  2.12 信号与误差的功率比较
   2.12.1 信噪比
   2.12.2 动态范围的概念
   2.12.3 动态范围是最大的信噪比吗
   2.12.4 工作范围定义的信噪比与动态范围的关系
  2.13 非线性引起的系统误差:交流方法
  2.14 量化过程
   2.14.1 随机性、量化噪声和扰动的组成
   2.14.2 A/D转换器中的直流分辨率
   2.14.3 有效位数对A/D转换器的交流特性描述
   2.14.4 分辨率与有效位数之间的关系
  2.15 精度、真实度和准确度
   2.15.1 工作范围定义的精度、准确度和动态范围之间的关系
   2.15.2 不准确度图形
   2.15.3 接口与A/D转换器链路分析
   2.15.4 A/D系统接口的设计
  2.16 附录:不同情况下的均值和方差
  延伸阅读
 第3章 传感器设计优化与折中
  3.1 求均值减少随机误差
  3.2 减少系统误差
   3.2.1 反馈传感
   3.2.2 虚拟差分传感
   3.2.3 电子校准
  3.3 传感器采集链中信息的作用
  3.4 采集链中的分辨率
   3.4.1 增益和分辨率
   3.4.2 采集链中的分辨率规则
   3.4.3 分辨率规则在采集链中的应用方法与示例
   3.4.4 从分辨率角度优化采集链
   3.4.5 A/D转换器的最佳选择
  3.5 采样、欠采样、过采样和混叠滤波器
   3.5.1 过采样和量化
   3.5.2 白噪声的过采样和欠采样
   3.5.3 信号与噪声的过采样和降采样
  3.6 传感器的功率、分辨率与带宽的折中
   3.6.1 时间的作用
   3.6.2 功率的作用
   3.6.3 动态范围的作用
   3.6.4 综合作用
   3.6.5 超越热噪声限制的优质因数
   3.6.6 采集链和全局优化中带宽的作用
   3.6.7 示例:两级传感器接口中的噪声优化
   3.6.8 灵敏度的作用
  3.7 传感器设计通则
  延伸阅读
 第4章 数学工具概述
  4.1 确定性信号和随机信号
   4.1.1 确定性电信号的特性分析
   4.1.2 随机信号的特性分析
  4.2 随机过程
  4.3 遍历性的概念
  4.4 确定性变量和随机变量之间的概念收敛性
  4.5 白噪声的低通滤波
  4.6 等效噪声带宽
  4.7 随机信号的加/减法
  4.8 交叉谱密度的物理解释
  4.9 洛伦兹形式
  4.10 坎贝尔和卡森定理
  4.11 功率谱密度和噪声密度符号
  4.12 采样过程
  4.13 附录A:随机游走过程
  4.14 附录B:重要关系总结
  延伸阅读
 第5章 压缩感知
  5.1 概述
   5.1.1 采样带限信号
   5.1.2 稀疏信号
  5.2 压缩感知的实现
   5.2.1 变换域中的稀疏信号
   5.2.2 压缩信号的有噪压缩感知
   5.2.3 稀疏恢复算法
  5.3 压缩感知总结
  5.4 应用
   5.4.1 模拟信息转换
   5.4.2 图像采集中的压缩感知:单像素相机
   5.4.3 压缩感知:磁共振成像和生物医学信号处理应用
  参考文献
第二部分 噪声与电子接口
 第6章 噪声起源
  6.1 热噪声
   6.1.1 简化的机械模型
   6.1.2 实验视角下的电子热噪声
   6.1.3 热噪声功率谱密度计算:奈奎斯特方法
   6.1.4 使用能量箱计算热噪声PSD
   6.1.5 kTC噪声
   6.1.6 电阻-电容瞬态热噪声
  6.2 电流(散粒)噪声
   6.2.1 实验视角下的电流(散粒)噪声
   6.2.2 服从泊松过程的电流(散粒)噪声的特征
   6.2.3 电流(散粒)噪声功率谱密度计算
   6.2.4 散粒噪声与热噪声的关系
  6.3 光学探测器中的噪声
   6.3.1 光电流噪声
   6.3.2 图素的散粒噪声
  6.4 闪烁噪声或1/f噪声
  6.5 色噪声
  6.6 机械热噪声
   6.6.1 对二阶系统的快速回顾
   6.6.2 带通函数的带宽和噪声带宽
   6.6.3 物理模型
   6.6.4 机械热噪声
  6.7 相位噪声
   6.7.1 总振荡器噪声
   6.7.2 调制视角下总噪声中相位噪声的特征
   6.7.3 抖动及其相位噪声估计
  延伸阅读
 第7章 电子器件和电路中的噪声
  7.1 限制了信噪比和带宽的热噪声
  7.2 粉红噪声和白噪声的组合
  7.3 线性电路中总噪声的计算
  7.4 电路中的输入参考噪声
  7.5 噪声系数和最佳噪声性能
  7.6 示例:结型晶体管的噪声
  7.7 示例:金属-氧化物-半导体晶体管的噪声
  7.8 频谱域中的输入参考噪声表示
  7.9 运算放大器配置中的噪声
   7.9.1 信号和噪声增益路径
   7.9.2 示例:运算放大器的噪声计算
   7.9.3 噪声效率因子和功率效率因子
  7.10 电容耦合放大器技术
   7.10.1 连续时间电压传感技术
   7.10.2 连续时间电流传感技术
   7.10.3 离散时间技术中的电容耦合放大器
   7.10.4 复位技术及相关问题
   7.10.5 使用电容耦合跨阻放大器的接口技术综述
  7.11 离散时间技术中的噪声混叠
   7.11.1 离散时间电容耦合放大器的噪声
   7.11.2 常见的离散时间接口中的输入参考噪声总结
   7.11.3 级联放大器的分辨率优化
  延伸阅读
 第8章 检测技术
  8.1 从单端到差分架构
   8.1.1 全差分方法的优点
   8.1.2 示例:全差分电荷放大器
  8.2 电阻传感
  8.3 电容传感
   8.3.1 示例:电容式加速度计
   8.3.2 交流电容传感
  8.4 利用瞬态技术读出电阻和电容
  8.5 采用Sigma-Delta调制器反馈的传感系统集成
   8.5.1 Sigma-Delta转换器的概念
   8.5.2 示例:静电反馈加速度计
  8.6 相关双采样技术
  8.7 锁定技术
  8.8 基于振荡器的传感
   8.8.1 时间-数字转换传感
   8.8.2 频率-数字转换传感
  8.9 基于时间的电阻和电容传感技术
   8.9.1 弛豫振荡器技术
   8.9.2 Bang-Bang锁相环传感技术
   8.9.3 频率锁定环传感技术
  延伸阅读
第三部分 关于物理转换的精选主题
 第9章 关于光子转换的精选主题
  9.1 基本概念概述
   9.1.1 电磁与可见光的频谱
   9.1.2 光度测量与辐射测量
   9.1.3 图像投影系统中的功率传输
  9.2 黑体辐射
  9.3 光子与半导体的相互作用
  9.4 图像传感器器件和系统
   9.4.1 图素示例:电荷耦合器件和光电二极管
   9.4.2 连续时间读出模式
   9.4.3 存储模式的概念
  9.5 光电二极管的噪声
  9.6 CMOS区域图像传感器架构
  9.7 附录:光度学/辐射学定义摘要
  延伸阅读
 第10章 关于离子-电子转换的精选主题
  10.1 统计热力学:背景概述
   10.1.1 麦克斯韦-玻尔兹曼统计
   10.1.2 麦克斯韦-玻尔兹曼统计的一些应用
   10.1.3 氧化还原反应中电势之间的关系
   10.1.4 漂移和扩散效应
  10.2 物质的电导和极化
   10.2.1 电导率
   10.2.2 物质极化
   10.2.3 复介电常数和德拜弛豫模型
   10.2.4 离子溶液中的双层界面
   10.2.5 电解电池中的法拉第过程
   10.2.6 电荷和质量传递效应
   10.2.7 扩散的复杂效应
   10.2.8 有限长度条件下的扩散
   10.2.9 兰德尔斯模型
   10.2.10 借助于科尔-科尔图和伯德图的模型分析
  10.3 生物化学传感
   10.3.1 基本原理
   10.3.2 电极极化方法
   10.3.3 稳压器的应用
  10.4 电生理学生物传感
   10.4.1 生物电势传感器
   10.4.2 细胞内记录的生物传感
  延伸阅读
 第11章 关于机械和热转换的精选主题
  11.1 基本概念概述
   11.1.1 一维结构中的应变和应力
   11.1.2 施加于正交轴上的应变和应力
   11.1.3 应力张量
   11.1.4 三维应变:应变张量
   11.1.5 三维剪切与应力之间的关系
   11.1.6 各向同性材料的弹性
   11.1.7 简单结构的形变
  11.2 压阻效应
   11.2.1 金属和合金的压阻效应
   11.2.2 晶体中的压阻效应
  11.3 压电效应
   11.3.1 正逆压电效应
   11.3.2 三维压电效应
  11.4 电阻温度传感
   11.4.1 电阻温度探测器
   11.4.2 热敏电阻
  11.5 力和温度电阻传感器的应用
   11.5.1 电阻传感器的实现与读出技术
   11.5.2 应变计中的误差和影响变量
   11.5.3 力传感器的传感技术和误差补偿技术
   11.5.4 微机电系统中的应用
   11.5.5 电阻温度传感器的误差
  11.6 附录:本章使用的符号
  延伸阅读
第四部分 知识巩固
 第12章 习题与解答
  12.1 习题
  12.2 解答
后折页
封底

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