本书取材于美国加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学系实验课程。详细描述用PC 机控制的实验过程，以及显示、分析、处理实验结果的方法，包括完整的实验电路图和实例代码。实验主题包括：模拟放大、数字信号处理、数/模和模/数转换、电子传感器和执行器、计算机编程、数据分析与控制等。所测试的物理量包括：位移、温度、力、声音、光以及生物学和医学上的电势等。本书实验题材范围广，注重实验方法，讲解实验思路。除了提供详细的27个实验外，还包括大量的实验习题，以及计算机体系结构和接口方面的实用信息。

无

本书从实用角度介绍了如何用微型计算机来测量实际的物理量，如温度、力、声音、光等，从而迅速地分析、处理数据，显示处理结果，或者利用结果来执行控制功能。本书供相关领域内的工程技术人员与研究人员阅读，也可作为电子传感器和微型计算机接口课程的大学实验教材。
　　我们的方法是充分利用微型计算机的价格相对便宜的优势。这些微型计算机有足够强的功能支持高速的并行输入/输出端口、数据采集电路板、图形操作系统、高级程序设计语言以及快速的双精度计算。本书从实用角度阐述问题，并用非常经济有效的方式解决在数据采集、分析、显示和控制方面问题，而且不涉及总线协议和特殊的微处理器本机语言（native language）。
　　本书包括5章，内容涵盖数字工具、模拟工具、模拟信号和数字信号的转换、传感器和执行器，以及数据分析与控制。还有27个实验练习，可用作大学程度的实验课程；或作为实际案例，供希望将传感器、初级放大和微型计算机原理直接用于实际工作中的工程技术人员和研究人员参考。
　　本书内容主要是为美国加州大学伯克利分校电子工程系和计算机科学系两门一学期的实验课程而设计的，两门课程是EECS 145L：“电子传感器实验”和EECS 145M：“微型计算机接口实验”。这两门课程的目的是让高年级本科生掌握如何检测和控制实际的物理量，如温度、力，而且将“实时”分析的结果显示出来，如最小平方拟合、“学生”t检测、快速傅里叶变换、数字滤波等。这要求学生对模拟电路、数字电路、微积分、线性代数、C语言程序设计有基本的了解。
　　数年来，我们在实验室使用了不同的微型计算机系统，并且在实验练习中，将系统尽可能地设计成独立于测控对象。对所用到的特定的计数器/定时器、并行I/O接口、数据采集板，提供专门介绍（如附录E和F）。最新的技术进展是对C语言调用驱动程序的软件支持，这使得在Windows NT环境下，对单个字和数据块的采集和传输变得相对容易。
　　由于C语言适用于几乎所有的微型计算机，而且非常适合于数据采集、分析与控制，因此本书采用了C编程语言。C语言提供了字和字节的输入/输出、位处理功能，并具有功能强大的条件分支和数据结构，对于整数和浮点数其精度和比特长度都有较大的选择范围，且执行速度快。
　　第1章“数字工具”，简要介绍了微型计算机的总体结构、二进制和二进制补码数字系统、以及需要执行的数据采集和控制，例如数字定时器、锁存器、寄存器、三态缓冲器，以及并行输入/输出接口。然后介绍若干数据采集过程的数字和控制方面，并讨论各类应用所需要的握手电平。
　　实验练习1介绍了Windows NT操作系统、C语言编译器/编辑器，以及将二进制位模式解释作为数字量的许多方式。实验练习2是使用微处理计时器测量人类反应时间的一个例子，实验练习3是介绍并行输入/输出接口、读出一组开关的数据和控制灯。
　　第2章“模拟工具”，包括：常用的运算放大器电路、对传感器信号进行初级差分放大的测量放大器、噪声源，以及用来提高信噪比的模拟信号的处理。还介绍可以驱动执行器的B类功率放大器。
　　实验练习4 和实验练习5研究运算放大器电路、测量放大器、差分放大以及噪声源，还包括电磁干扰。实验练习6研究使用运算放大器的模拟信号处理，包括有源高通滤波器、低通滤波器以及陷波滤波器。
　　第3章“模/数转换、数/模转换以及采样”，包含需要执行数据采集与控制的数据转换器件，如D/A转换器和A/D转换器、采样和保持放大器、比较器。还介绍常用的数据采样方法，以及因不适当采样导致的频率混叠现象的概念（关于在傅里叶域的混叠现象将在第5章提到）。第3章编录和介绍了一些商业上可用的电路板。
　　对于那些没有做实验练习8和实验练习9的学生，实验练习7使用一个商用的模拟输入/输出板，提供了关于A/D转换和D/A转换的概念。有关模拟量和数字量之间的转换，将在实验练习8和实验练习9中通过使用A/D转换和D/A转换集成电路芯片进行探讨。实验练习8涉及将一个D/A转换器连接到一个并行输入端口和波形产生的知识。实验练习9是通过使用硬件“选通脉冲”与“数据就绪”及“数据有效”的握手协议，将A/D转换器连接到一个并行输出端口。实验练习10使用一个商用的数据采集板，对波形进行周期性采样，并且论证了在时间域内频率混叠的概念。
　　第4章“传感器和执行器”，涵盖传感器（在许多数据采集系统中的第一个元件）、传感器检测到的实际量、传感器产生信号（和噪声）的性质、执行器（在控制系统中的基本元件）。
　　实验练习11到实验练习14是研究用于测量位置、温度、张力、力和光的电子传感器。实验练习15探究热电热泵问题。实验练习16研究了关于裸金属和银（氯化银）电极的交流电和直流电的电性质。实验练习17到实验练习19研究心脏、骨骼肌肉和眼睛的生理学信号。
　　第5章“数据分析与控制”，涵盖了数据分析，包括统计分析；“学生”t检验；最小平方拟合和c2拟合；连续的、离散的和快速的傅里叶变换，以及用于控制实际量的某些运算法则。
　　实验练习20研究：对于模拟信号储存的模拟信号到数字信号的转换，对于那些信号恢复成模拟信号的数字信号到模拟信号的转换，以及决定了信号恢复精度的最小平方拟合。实验练习21涉及正弦波、方波和三角波的采样及其快速傅里叶变换（FFT）的计算。实验练习22是这些技术用在对人类声音的采样和快速傅里叶变换。实验练习23是将模拟信号与实时数字滤波进行比较，而实验练习24则是演示微型计算机如何测量线性的、不随时间变化的系统的冲激响应，以及如何使用快速傅里叶变换技术去确定数字滤波器，当系统的频率响应满足一定的要求时，这种数字滤波器能够补偿由于系统引起的信号失真。实验练习25提供了模拟温度信号的检测和控制。实验练习26是通过使用电阻加热器和若干的运算法则，使用计算机进行数字温度检测和控制。实验练习27与实验练习26相类似，只是使用了热电热泵，这里用的热电热泵能够灵活地加热和制冷。一个基本的元器件是LM12功率运算放大器。
　　在若干实验练习中，搭建和检测了许多相关的电路。在这些实验练习的开始部分都列出了器件清单，包括要求学生在进入实验室之前需要他们搭建的所有电路所需要的所有元器件。由于实验练习时间通常是非常有限的，这种方法比仅给学生提供实验时需要的最少量元器件，而且在实验练习期间让他们在开始下一个实验前要先拆除上一个电路的做法要好。
　　每一章都设有期中考试和期末考试将涉及的问题。
　　附录A提供一些物理和电子的单位和常量，可供各章习题练习中参考。附录B讨论误差传播的问题以及电子屏蔽和接地。附录C总结了在C编程中一些有价值的提示。附录D提供了C语言代码清单和一些数值方法的流程图，包括快速傅里叶变换、非线性函数的最小化（用于数值的曲线拟合）、用于自适应正交的数值积分以及使用牛顿方法和二次逼近的函数反演。作为一个例子，本书给出了一个程序，用以计算超出“学生”t的概率。
　　附录E介绍需要使用数据传输DT3010 PCI插板的硬件和软件，附录F介绍如何使用HP VEE去记录数字示波器上的波形。附录G讨论电的危害和预防的方法。附录H列出标准的电阻器和电容器的值，以及给出电阻器的颜色编码。附录I列出ASCII字符码。最后列出本书使用到的术语。

致教师
　　尽管整本书是用于全年课程的，但把它作为一个学期的课程也是可以的，在伯克利，我们是这样做的。
　　关于数字接口、数据分析和控制的一个学期课程可以包括第1、3、5章和实验练习1～3、8～10、20～24、26、27。
　　关于传感器、初级放大和模拟信号处理的一个学期课程可以包括第2、4章和实验练习4～6、11～19。第5章的一部分和实验习题25将提供模拟控制的介绍。
　　关于生物工程学的一个学期课程可以根据需要选讲第2、4、5章和实验练习2、4～7、11～19、20～22，实验可选做。
　　想对这本书作进一步详细了解，请发邮件至solutions @ cambridge.org。

致谢
　　衷心感谢Kenneth Krieg，他是微机接口实验EECS 145M课程的始创人之一，几年来一直是我的教学同事，他为多数实验练习做了非常重要的贡献！同时我还要感谢许多助教和学生，他们也为实验练习的改进做出了贡献！
　　在这里我还要非常感谢几位专家：Ted Lewis教授，本书第4章就是来自他的EECS 145A课程“传感器、执行器和电极”；Thomas Budinger博士，本书第5章就是来自他的EECS 145B课程“计算机在生物医学上的应用”。一些实验练习来自EECS 182课程“生物信号和传感器”，这些都是Ted Lewis教授和Ed Keller教授（20世纪70年代）在伯克利研究出来的，我衷心地感激他们。另外，我还要感谢John Cahoon、Matt Ho 和William Moses，他们为电路设计提出了很多建议，还有Ronald Huesman和Gerald Lynch也为统计分析和拟合提出了建议，Orin Dahl为伪随机数字发生器提出过建议。

第1章　 数字工具 1
1.1　 概述 1
1.2　 微型计算机 2
1.3　 数字系统 3
1.3.1　 二进制数的表示 3
1.3.2　 格雷码 5
1.4　 数字构件 6
1.4.1　 三态缓冲器 7
1.4.2　 边缘触发式D型触发器 8
1.4.3　 透明锁存器 8
1.4.4　 单稳态触发器 9
1.4.5　 与门、或门和异或门 9
1.4.6　 置位/复位锁存器 10
1.5　 数字计数器/定时器 10
1.5.1　 数字计数器/定时器的应用 11
1.5.2　 8253可编程定时器 11
1.5.3　 AM9513 系统定时控制器 12
1.6　 并行和串行输入/输出端口 14
1.6.1　 握手 15
1.6.2　 并行输出端口 16
1.6.3　 并行输入端口 19
1.7　 数字数据采集过程 22
1.7.1　 软件触发状态轮询法 22
1.7.2　 硬件触发状态轮询法 23
1.7.3　 硬件触发硬件中断法 24
1.7.4　 硬件触发直接存储器存取法 24
1.7.5　 嵌入式处理器方法 25
1.8　 去除开关抖动 25
1.8.1　 交叉耦合与非门 26
1.8.2　 单稳态触发器 26
1.8.3　 软件去抖动 26
1.9　 数字接口标准 26
1.9.1　 RS-232C 27
1.9.2　 RS-422和RS-423 30
1.9.3　 RS-485 31
1.9.4　 IEEE-488 31
1.9.5　 VME总线 33
1.9.6　 小型计算机标准接口 34
1.9.7　 通用串行总线 34
1.9.8　 IEEE-1394 34
1.9.9　 ISDN、ADSL和互联网电缆连接 34
1.9.10　 各种数字接口标准的相互比较 34
1.10　 习题 35
1.11　 参考阅读资料 40
实验练习1　 C语言程序设计简介 41
实验练习2　 测量事件次数 45
实验练习3　 数字接口：开关和灯 50
第2章　 模拟工具 57
2.1　 概述 57
2.2　 运算放大器电路 57
2.2.1　 反向放大器 58
2.2.2　 同相放大器 59
2.2.3　 差动放大器 60
2.2.4　 电压跟随器 60
2.2.5　 电流－电压转换器 60
2.2.6　 求和放大器 61
2.2.7　 全波整流器 61
2.2.8　 峰值检波器 63
2.2.9　 曲线整形放大器 63
2.3　 运算放大器特性 63
2.3.1　 输入偏移电压和输出偏移电压 63
2.3.2　 运算放大器的动态响应 65
2.3.3　 具有负反馈的动态响应 66
2.3.4　 RC时间常数、上升时间、和带宽之间的关系 66
2.4　 测量放大器与隔离放大器 67
2.4.1　 测量放大器 67
2.4.2　 隔离放大器 70
2.5　 噪声源 71
2.5.1　 约翰逊噪声 71
2.5.2　 散射噪声 71
2.5.3　 放大器噪声 72
2.5.4　 电干扰 72
2.5.5　 不适当的接地 73
2.6　 模拟滤波 73
2.6.1　 简易无源滤波器 75
2.6.2　 计算运放滤波器的伯德图 78
2.6.3　 单极点低通滤波器 78
2.6.4　 高通单极点滤波器 79
2.6.5　 陷波滤波器 80
2.6.6　 高阶低通滤波器 81
2.6.7　 高阶高通滤波器 86
2.7　 功率放大器 87
2.8　 习题 87
2.9　 参考阅读资料 94
实验练习4　 运算放大器 95
实验练习5　 测量放大器 100
实验练习6　 模拟滤波器 106
第3章　 数/模转换、模/数转换以及采样 111
3.1　 概述 111
3.2　 数/模转换电路 111
3.2.1　 D/A转换器的特性 111
3.2.2　 使用加权加法器的D/A转换器 113
3.2.3　 运用R-2R电阻梯形网络的D/A转换器 115
3.2.4　 分段D/A转换器 116
3.3　 模/数转换器电路 117
3.3.1　 A/D转换器的特性 117
3.3.2　 A/D转换和D/A转换之间的关系 119
3.3.3　 比较器 119
3.3.4　 跟踪式A/D转换器 120
3.3.5　 积分式A/D转换器 121
3.3.6　 逐次逼近式A/D转换器 122
3.3.7　 快速A/D转换器 123
3.3.8　 分段快速A/D转换器 124
3.3.9　 1位重复采样西格马－德尔塔（罚）A/D转换器 125
3.3.10　 常用的A/D转换器 126
3.4　 采样/保持放大器 126
3.4.1　 采样模式 126
3.4.2　 保持模式 127
3.4.3　 采样/保持转换 128
3.4.4　 保持/采样转换 129
3.4.5　 采样/保持放大器的作用 130
3.4.6　 用采样/保持放大器消除D/A转换器的尖峰脉冲 130
3.5　 模拟波形采样 131
3.5.1　 软件控制的采样 131
3.5.2　 硬件控制的DMA采样 131
3.5.3　 使用数据采集子系统的采样 131
3.5.4　 脉冲幅度分析 132
3.6　 频率混叠 133
3.7　 常用的数据采集系统 135
3.7.1　 HP 54501A 135
3.7.2　 几种特殊用途的外部数据采集系统 136
3.7.3　 接口软件 136
3.8　 习题 136
3.9　 参考阅读资料 145
实验练习7　 A/D和D/A转换简介 146
实验练习8　 D/A转换和波形产生 150
实验练习9　 A/D转换与周期采样 155
实验练习10　 频率混叠 161
第4章　 传感器和执行器 165
4.1　 概述 165
4.2　 位置传感器与角度传感器 166
4.2.1　 电位计 166
4.2.2　 数字编码器 168
4.2.3　 步进电机 169
4.3　 温度传感器 170
4.3.1　 温度标准 171
4.3.2　 铂电阻温度计 172
4.3.3　 双金属开关和表盘式温度计 172
4.3.4　 热电偶 173
4.3.5　 热敏电阻器 179
4.3.6　 固态温度传感器 182
4.3.7　 热电偶参考结点的自动补偿（电子“冰点”） 183
4.3.8　 红外线温度传感器 183
4.3.9　 温度传感器小结 183
4.4　 应变敏感元件 184
4.5　 力传感器和压力传感器 185
4.5.1　 力传感器 185
4.5.2　 压力传感器 187
4.5.3　 压电传感器 187
4.5.4　 真空传感器和真空泵 188
4.6　 测量光 189
4.6.1　 硅光电二极管 189
4.6.2　 郎伯－比尔定律 193
4.6.3　 固态光电探测器小结 193
4.6.4　 真空光电倍增管 193
4.7　 产生可见光 194
4.7.1　 白炽光 194
4.7.2　 发光 195
4.7.3　 发光效率 196
4.8　 离子电势 197
4.8.1　 离子电势的产生 197
4.8.2　 裸金属电极 197
4.8.3　 银/氯化银电极 197
4.9　 电离辐射的检测与测量 198
4.9.1　 电磁波谱 198
4.9.2　 辐射的应用 198
4.9.3　 X 射线 199
4.9.4　 g 射线 199
4.9.5　 中子 199
4.9.6　 b射线 199
4.9.7　 a射线 200
4.9.8　 放射性同位素 200
4.9.9　 辐射探测器 200
4.10　 测量时间 201
4.10.1　 传统的时间测量方法 201
4.10.2　 现代的时间测量方法 201
4.11　 习题 201
4.12　 参考阅读资料 214
实验练习11　 测量角度位置 216
实验练习12　 测量温度 220
实验练习13　 测量应变和力 224
实验练习14　 用光电二极管测量光 228
实验练习15　 热电热泵 233
实验练习16　 电极与离子介质 238
实验练习17　 人的心脏 242
实验练习18　 肌动电流图 250
实验练习19　 眼动电流图 256
第5章　 数据分析与控制 261
5.1　 概述 261
5.2　 高斯误差分布 261
5.2.1　 相同量的重复测量 261
5.2.2　 估计样本均值和标准差 264
5.2.3　 估计均值的标准误差 265
5.2.4　 估计标准差的标准误差 265
5.3　 使用“学生”t 检验 266
5.3.1　 不配对数据 266
5.3.2　 成对数据 267
5.3.3 “学生”t 检验的运用 267
5.3.4　 计算超过｜t｜的概率 269
5.4　 最小平方拟合 270
5.4.1　 用所测量的数据拟合一条直线 270
5.4.2　 用所测量的数据拟合一条曲线 272
5.5　 c2统计 273
5.5.1　 数据拟合模型中c2的使用 273
5.5.2　 计算超过c2的概率 275
5.6　 解非线性方程 276
5.6.1　 牛顿法解 f (x) =0 276
5.6.2　 二次迭代法解 f (x)= 0 277
5.6.3　 数值最小化 277
5.7　 蒙特卡罗模拟 278
5.8　 傅里叶变换 280
5.8.1　 积分傅里叶变换的例子 281
5.8.2　 周期波形的傅里叶变换 285
5.8.3　 周期采样时间函数的傅里叶变换 287
5.8.4　 有效地使用混叠—采样示波器 289
5.8.5　 截尾时间函数的傅里叶变换 291
5.8.6　 离散傅里叶变换 292
5.8.7　 快速傅里叶变换 296
5.8.8　 快速傅里叶变换函数和开窗术的应用 299
5.8.9　 采样系统设计因数的总结 303
5.9　 数字滤波器 304
5.9.1　 有限冲激响应滤波器 305
5.9.2　 无限冲激响应滤波器 305
5.9.3　 用FIR和IIR滤波器进行离散傅里叶变换 306
5.10　 控制技术 307
5.10.1　 傅里叶控制 307
5.10.2　 模拟控制 308
5.10.3　 基于计算机的数字控制 308
5.10.4　 开环系统响应 309
5.10.5　 控制算法的性能标准 309
5.10.6　 温度控制 311
5.10.7　 开关控制 311
5.10.8　 比例控制 312
5.10.9　 比例积分微分控制 313
5.11　 习题 313
5.12　 参考阅读资料 329
实验练习20　 模/数转换器和最小平方拟合 330
实验练习21　 样本数据的快速傅里叶变换 333
实验练习22　 语音的快速傅里叶变换 338
实验练习23　 数字滤波 346
实验练习24　 用傅里叶反卷积和数字滤波处理补偿问题 350
实验练习25　 使用电阻加热器的模拟温度控制 356
实验练习26　 使用计算机和电阻加热器的温度控制 360
实验练习27　 使用计算机和热电热泵的温度控制 365
附录A　 接地与屏蔽 370
附录B　 实验中的不定度 373
附录C　 C语言编程技巧 375
附录D　 数值方法与C函数 381
附录E　 数据转换插卡DT3010 PCI简介 411
附录F　 用数字示波器记录波形 415
附录G　电的危险与安全 416
附录H　电阻与电容的标准值 420
附录I　　ASCII字符码 423
术语表 426

随着科技的飞速发展，计算机性能不断提高，计算机的尺寸和价格不断下降，这就使得用通用计算机做自动检测和控制的市场越来越大。本书详细介绍如何使用通用计算机实现数据检测、分析、处理和控制。本书既可以作为大学有关课程（计算机接口技术、电子电路、传感器和执行器、数字信号处理、自动检测技术、计算机控制、控制系统抗干扰技术、生物工程学、物理化学、电化学、流体力学与传热、化工过程控制原理与仪表、热工测量与仪表等）的实验教材或实验参考书，也可以供相关领域内的专业工程技术人员和研究人员实际使用中参考。书中提供了计算机接口技术在自动检测与控制、物理、机械、电化学、分析化学、流体力学、热能工程、医学、考古等领域的应用实例，包括计算机程序、完整的电路图表和元器件列表。
　　本书的英文原著作者Stephen E. Derenzo是美国加州大学伯克利分校电子工程学和计算机科学系教授、Lawrence伯克利国际实验室的资深科学家。他为学生讲授电子电路、电子传感器和微机接口技术15年余，这本书就是他从这些课程的教授中总结出来的教学经验的结晶。
　　本书译者在翻译时对书中若干处明显的错误做了修改和更正，因时间紧张，未来得及联系和征求原著作者的意见。
　　蔡梅琳组织并参加了本书的翻译和审校工作。蔡梅琳翻译了第1、2、3章、目录、索引，伍拓琦翻译了第5章和第4章的实验练习，罗晃华翻译了第4章的正文，蔡梅琳、伍钦、李艳斌翻译了术语表，伍钦翻译了序、书和作者介绍、致谢等，张今宁、田丹翻译了附录，曾淑勤等参与了部分实验练习翻译。全书的最后审校和修改由蔡梅琳、伍钦完成（罗晃华参与了部分校改）。
　　限于译者的水平，译文中难免有疏漏和错误，敬请读者批评指正。

蔡梅琳　
2006年1月16日于华南理工大学