[正版]全2本电子系统设计 测量与控制系统设计篇+基础与测量仪器篇 电子系统设计制作赛题案例分析书基础电路测量设计制作

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本书是电子设计系列教材中的基础和测量仪器篇，侧重电路硬件，特别是模拟电路系统的基础和电学参量的测量。书中包含大量实用的电路单元，既有必要的理论推导，

也给出了许多设计和装调经验，并涉及了一些现代电路系统设计相关的主题，如电源完整性概念和单电源设计技术，*后结合全国大学生电子设计竞赛赛题列举了一些电路测量系统的设计和制作案例。

全书共8章，主要内容包括信号和连接、基本元器件及应用、信号与系统基础、运算放大器及应用、其他器件及应用、基本电学量的测量原理、常用电路单元模块、经典赛题案例。

本书是电子设计系列教材中的基础和测量仪器篇，侧重电路硬件，特别是模拟电路系统的基础和电学参量的测量。书中包含大量实用的电路单元，既有必要的理论推导，也给出了许多设计和装调经验，并涉及了一些现代电路系统设计相关的主题，如电源完整性概念和单电源设计技术，*后结合全国大学生电子设计竞赛赛题列举了一些电路测量系统的设计和制作案例。全书共8章，主要内容包括信号和连接、基本元器件及应用、信号与系统基础、运算放大器及应用、其他器件及应用、基本电学量的测量原理、常用电路单元模块、经典赛题案例。

目    录

 

第1章　信号和连接 1

1.1　线材和电缆 1

1.1.1　导线直径和电流 1

1.1.2　导线结构种类 2

1.1.3　电缆 3

1.1.4　绝缘 5

1.2　常用接插件 5

1.2.1　接线端子 5

1.2.2　接插端子 5

1.2.3　板对板连接器 7

1.2.4　卡和插座连接器 7

1.2.5　射频连接器 8

1.3　电源连接和去耦 8

1.4　信号及其传递 12

1.4.1　单端信号和地 12

1.4.2　串扰 14

1.4.3　集总系统和分布系统 15

1.4.4　传输线和阻抗匹配 16

1.4.5　差分信号 17

第2章　基本元器件及应用 19

2.1　元器件的值分布 19

2.2　电阻器 20

2.2.1　电阻值 20

2.2.2　耐受功率和电压 20

2.2.3　实际电阻器的等效电路 21

2.2.4　特殊电阻器 22

2.2.5　电阻器的封装 23

2.3　电容器 24

2.3.1　电容值 24

2.3.2　耐受电压 25

2.3.3　实际电容器的等效电路 25

2.3.4　电容器的种类和封装 27

2.4　电感器 29

2.4.1　电感值 29

2.4.2　耐受电流 30

2.4.3　实际电感的等效电路 30

2.4.4　电感器的类型和封装 31

2.4.5　自制电感器 32

2.5　RLC电路 34

2.5.1　RC、RL充放电电路 34

2.5.2　阻抗、导纳和串并联 35

2.5.3　串联分压电路 36

2.6　无源滤波器 36

2.6.1　一阶RC滤波器 36

2.6.2　LC带通滤波器 40

2.6.3　多阶LC滤波器 41

2.7　陶瓷振子和晶体振子 44

2.8　变压器 45

2.9　二极管 47

2.9.1　二极管的主要特性 47

2.9.2　稳压二极管 49

2.9.3　变容二极管 50

2.9.4　二极管的封装 51

2.10　二极管的典型应用 51

2.10.1　整流滤波电路 51

2.10.2　倍压整流和电荷泵 52

2.10.3　限幅 53

2.10.4　调幅检波 54

2.10.5　高频开关 54

2.11　双极结型晶体管 55

2.11.1　BJT的主要特性 55

2.11.2　BJT的等效电路 58

2.11.3　达林顿管 58

2.12　双极结型晶体管的应用电路 58

2.12.1　共射极放大电路 58

2.12.2　另外两种常用形式 60

2.12.3　共射极放大电路的设计方法 61

2.12.4　共射极放大电路的仿真设计 62

2.12.5　共集电极放大电路 66

2.12.6　共基极放大电路 67

2.12.7　电流源、电流镜 68

2.12.8　差分放大器 70

2.13　场效应晶体管 71

2.13.1　FET的分类 72

2.13.2　FET的主要特性 73

2.13.3　共源极放大电路及其设计 74

2.13.4　共漏极放大电路 75

2.13.5　共栅极放大电路 76

2.14　开关电路 77

2.14.1　共射极/共源极开关 77

2.14.2　共基极/共栅极开关 79

2.14.3　MOSFET高速开关 79

2.14.4　功率桥及其驱动 79

2.15　功率放大电路 82

2.15.1　线性功率放大器 82

2.15.2　简易运算放大器 86

第3章　信号与系统基础 88

3.1　信号与系统的基本概念 88

3.1.1　连续时间信号、系统和传输

函数 88

3.1.2　离散时间信号、系统和传输

函数 91

3.1.3　数字信号的采样率和

采样定律 93

3.1.4　基本元件和连接的传输

函数 96

3.2　模拟滤波器 98

3.2.1　传输函数的零极点和波特图 98

3.2.2　滤波器的指标和分类 103

3.2.3　低通滤波器的传输函数 104

3.2.4　转换为高通 109

3.2.5　转换为带通或带阻 111

3.2.6　全通滤波器 112

3.3　频谱 113

3.3.1　频谱的定义 113

3.3.2　失真、信噪比和信纳比 116

3.4　噪声 118

3.4.1　噪声的分类和指标 118

3.4.2　噪声的计算 120

3.4.3　白噪声的产生方法 125

3.4.4　滤波器的等效噪声带宽 127

3.4.5　其他“颜色”噪声的产生 128

3.5　直接数字频率合成 129

3.6　数字滤波器 130

3.6.1　IIR滤波器 130

3.6.2　FIR滤波器 132

3.7　离散傅里叶变换 133

3.7.1　快速傅里叶变换 134

3.7.2　频域滤波方法 136

第4章　运算放大器及应用 138

4.1　负反馈和运放 138

4.2　运放的基本应用电路 141

4.2.1　同相和反相放大 141

4.2.2　任意线性组合 142

4.2.3　差分-单端转换和共模抑制 145

4.2.4　扩展输出电流 146

4.2.5　电压控制电流源 147

4.2.6　电流-电压变换 150

4.2.7　积分器 151

4.2.8　微分器 153

4.2.9　绝对值（精密整流）电路 153

4.3　任意传输函数的实现 154

4.3.1　多输入加权求和积分 154

4.3.2　任意传输函数的系统结构 154

4.3.3　用运放实现任意传输函数 155

4.3.4　状态变量结构 157

4.4　非理想参数 159

4.4.1　输入失调电压 160

4.4.2　输入偏置电流和失调电流 161

4.4.3　开环增益 162

4.4.4　增益带宽积 164

4.4.5　共模抑制比 166

4.4.6　电源抑制比 167

4.4.7　输入阻抗和输出电阻 168

4.4.8　输入噪声密度 169

4.4.9　其他参数 172

4.5　稳定性和补偿 174

4.5.1　环路特性和稳定性 174

4.5.2　不稳定因素和补偿 176

4.6　偏置和单电源 180

4.6.1　信号和偏置 180

4.6.2　交流放大器的单电源设计 182

4.6.3　直流放大器的单电源设计 184

4.7　仪表放大器 186

4.7.1　三运放结构 186

4.7.2　双运放结构 189

4.8　全差分运放 191

4.8.1　全差分运放的电路模型和

参数 191

4.8.2　典型应用电路 192

4.8.3　全差分放大器的共模抑制 193

4.8.4　阻抗匹配的单端-差分转换 193

4.9　有源滤波器的实现 196

4.9.1　低通滤波器 196

4.9.2　高通滤波器 200

4.9.3　带通和带阻滤波器 203

4.9.4　全通滤波器 204

4.9.5　开关电容滤波器 205

4.10　电流反馈型运放 207

4.10.1　CF运放的电路模型 207

4.10.2　闭环特性 207

4.10.3　环路特性和稳定性 209

4.11　比较器及应用 212

4.11.1　迟滞比较器 212

4.11.2　专用比较器 214

4.12　振荡器 214

4.12.1　正弦波振荡器 214

4.12.2　方波发生器 217

4.12.3　三角波发生器 220

4.13　开关功率放大器 220

第5章　其他器件及应用 224

5.1　半导体光电器件 224

5.1.1　发光二极管和光敏二极管 224

5.1.2　光敏三极管 226

5.2　光电耦合器 227

5.2.1　开关应用 227

5.2.2　模拟信号隔离传输 228

5.3　继电器和模拟开关 231

5.3.1　继电器 231

5.3.2　固态继电器 232

5.3.3　模拟开关 233

5.4　对数放大器和指数放大器 234

5.5　模拟乘法器 237

5.5.1　模拟乘法器的原理 237

5.5.2　乘法器的失调 240

5.6　PGA和VGA 240

5.6.1　PGA和VGA简介 240

5.6.2　AGC 242

5.6.3　使用VGA构成乘法器 244

5.7　模拟锁相环 244

5.7.1　锁相环的原理 245

5.7.2　频率合成 247

5.8　ADC和DAC的基础知识 247

5.8.1　采样和保持电路 247

5.8.2　分辨率和量化噪声 249

5.8.3　采样抖动和信噪比 251

5.8.4　ADC和DAC的常用参数 252

5.9　DAC的原理和应用 254

5.9.1　DAC的原理 254

5.9.2　DAC输出特性的均衡 258

5.9.3　DAC的输出重构滤波 260

5.9.4　DAC的输出调理 262

5.10　ADC的原理和应用 264

5.10.1　双斜积分型ADC原理 264

5.10.2　 调制型ADC原理 265

5.10.3　逐次比较型ADC原理 268

5.10.4　流水线型ADC原理 269

5.10.5　ADC的输入抗混叠滤波器 270

5.10.6　ADC的输入信号调理 271

第6章　基本电学量的测量原理 274

6.1　电压和电流测量 274

6.1.1　电压差测量 274

6.1.2　交流稳态参量测量 276

6.1.3　电流测量 278

6.2　频率、相差和占空比测量 279

6.2.1　等精度测频法 279

6.2.2　占空比和相位测量 281

6.3　混频、正交合成和分解 283

6.3.1　混频 283

6.3.2　正交合成 284

6.3.3　正交分解 284

6.4　锁相放大 285

6.5　阻抗测量 287

6.5.1　自平衡电桥法 287

6.5.2　自平衡电桥测量的矫正 290

6.6　频谱测量 291

6.6.1　混频检波法 291

6.6.2　傅里叶变换 293

6.7　矢量网络测量 296

6.7.1　散射参数 296

6.7.2　矢量网络测量的原理 297

6.7.3　矢量网络测量的矫正 299

6.8　测量系统中常用的数值处理方法 300

6.8.1　曲线拟合 300

6.8.2　过约束与优化 301

第7章　常用电路单元模块 306

7.1　低噪声线性稳压电源 306

7.1.1　线性电压调整器 306

7.1.2　低噪线性稳压模块 307

7.2　四象限稳压稳流电路 308

7.3　运放参数测量 310

7.4　高精度ADC、DAC 313

7.4.1　高精度ADC 314

7.4.2　高精度DAC 315

7.5　高速ADC和DAC 316

7.5.1　高速ADC 316

7.5.2　高速DAC 318

7.6　多功能乘法DAC 319

7.7　开关电容滤波 320

7.8　VGA、AGC和宽带乘法器 321

7.9　峰、谷值检测 322

7.9.1　低频峰值检测和比较 322

7.9.2　高频峰、谷值检测 323

7.10　模拟噪声发生器 324

第8章　经典赛题案例 326

8.1　简易数字信号传输特性分析仪（2011E） 326

8.1.1　背景知识介绍 326

8.1.2　同步信号恢复原理 328

8.1.3　方案设计 330

8.1.4　软硬件实现 330

8.2　简易频率特性测试仪（2013E） 336

8.2.1　原理分析 336

8.2.2　方案设计 338

8.2.3　硬件实现 339

8.3　数字频率计（2015F） 341

8.3.1　原理分析 341

8.3.2　方案设计 342

8.3.3　硬件实现 343

8.4　自适应滤波器（2017E） 346

8.4.1　自适应滤波器的原理 346

8.4.2　其他方案 349

8.4.3　方案设计 349

8.4.4　软硬件实现 350

8.5　增益可控射频放大器（2015D） 354

8.5.1　方案设计 354

8.5.2　硬件实现 356

8.6　80～100MHZ频谱仪（2015E） 359

8.6.1　方案设计 359

8.6.2　硬件实现 359

附录A　国际单位制词头 364

附录B　双端口网络的散射参数向其他参数的转换

　　　　　 365

附录C　使用E24电阻并联得到E96分布值 368

参考文献 370

目    录

 

第1章　信号和连接 1

1.1　线材和电缆 1

1.1.1　导线直径和电流 1

1.1.2　导线结构种类 2

1.1.3　电缆 3

1.1.4　绝缘 5

1.2　常用接插件 5

1.2.1　接线端子 5

1.2.2　接插端子 5

1.2.3　板对板连接器 7

1.2.4　卡和插座连接器 7

1.2.5　射频连接器 8

1.3　电源连接和去耦 8

1.4　信号及其传递 12

1.4.1　单端信号和地 12

1.4.2　串扰 14

1.4.3　集总系统和分布系统 15

1.4.4　传输线和阻抗匹配 16

1.4.5　差分信号 17

第2章　基本元器件及应用 19

2.1　元器件的值分布 19

2.2　电阻器 20

2.2.1　电阻值 20

2.2.2　耐受功率和电压 20

2.2.3　实际电阻器的等效电路 21

2.2.4　特殊电阻器 22

2.2.5　电阻器的封装 23

2.3　电容器 24

2.3.1　电容值 24

2.3.2　耐受电压 25

2.3.3　实际电容器的等效电路 25

2.3.4　电容器的种类和封装 27

2.4　电感器 29

2.4.1　电感值 29

2.4.2　耐受电流 30

2.4.3　实际电感的等效电路 30

2.4.4　电感器的类型和封装 31

2.4.5　自制电感器 32

2.5　RLC电路 34

2.5.1　RC、RL充放电电路 34

2.5.2　阻抗、导纳和串并联 35

2.5.3　串联分压电路 36

2.6　无源滤波器 36

2.6.1　一阶RC滤波器 36

2.6.2　LC带通滤波器 40

2.6.3　多阶LC滤波器 41

2.7　陶瓷振子和晶体振子 44

2.8　变压器 45

2.9　二极管 47

2.9.1　二极管的主要特性 47

2.9.2　稳压二极管 49

2.9.3　变容二极管 50

2.9.4　二极管的封装 51

2.10　二极管的典型应用 51

2.10.1　整流滤波电路 51

2.10.2　倍压整流和电荷泵 52

2.10.3　限幅 53

2.10.4　调幅检波 54

2.10.5　高频开关 54

2.11　双极结型晶体管 55

2.11.1　BJT的主要特性 55

2.11.2　BJT的等效电路 58

2.11.3　达林顿管 58

2.12　双极结型晶体管的应用电路 58

2.12.1　共射极放大电路 58

2.12.2　另外两种常用形式 60

2.12.3　共射极放大电路的设计方法 61

2.12.4　共射极放大电路的仿真设计 62

2.12.5　共集电极放大电路 66

2.12.6　共基极放大电路 67

2.12.7　电流源、电流镜 68

2.12.8　差分放大器 70

2.13　场效应晶体管 71

2.13.1　FET的分类 72

2.13.2　FET的主要特性 73

2.13.3　共源极放大电路及其设计 74

2.13.4　共漏极放大电路 75

2.13.5　共栅极放大电路 76

2.14　开关电路 77

2.14.1　共射极/共源极开关 77

2.14.2　共基极/共栅极开关 79

2.14.3　MOSFET高速开关 79

2.14.4　功率桥及其驱动 79

2.15　功率放大电路 82

2.15.1　线性功率放大器 82

2.15.2　简易运算放大器 86

第3章　信号与系统基础 88

3.1　信号与系统的基本概念 88

3.1.1　连续时间信号、系统和传输

函数 88

3.1.2　离散时间信号、系统和传输

函数 91

3.1.3　数字信号的采样率和

采样定律 93

3.1.4　基本元件和连接的传输

函数 96

3.2　模拟滤波器 98

3.2.1　传输函数的零极点和波特图 98

3.2.2　滤波器的指标和分类 103

3.2.3　低通滤波器的传输函数 104

3.2.4　转换为高通 109

3.2.5　转换为带通或带阻 111

3.2.6　全通滤波器 112

3.3　频谱 113

3.3.1　频谱的定义 113

3.3.2　失真、信噪比和信纳比 116

3.4　噪声 118

3.4.1　噪声的分类和指标 118

3.4.2　噪声的计算 120

3.4.3　白噪声的产生方法 125

3.4.4　滤波器的等效噪声带宽 127

3.4.5　其他“颜色”噪声的产生 128

3.5　直接数字频率合成 129

3.6　数字滤波器 130

3.6.1　IIR滤波器 130

3.6.2　FIR滤波器 132

3.7　离散傅里叶变换 133

3.7.1　快速傅里叶变换 134

3.7.2　频域滤波方法 136

第4章　运算放大器及应用 138

4.1　负反馈和运放 138

4.2　运放的基本应用电路 141

4.2.1　同相和反相放大 141

4.2.2　任意线性组合 142

4.2.3　差分-单端转换和共模抑制 145

4.2.4　扩展输出电流 146

4.2.5　电压控制电流源 147

4.2.6　电流-电压变换 150

4.2.7　积分器 151

4.2.8　微分器 153

4.2.9　绝对值（精密整流）电路 153

4.3　任意传输函数的实现 154

4.3.1　多输入加权求和积分 154

4.3.2　任意传输函数的系统结构 154

4.3.3　用运放实现任意传输函数 155

4.3.4　状态变量结构 157

4.4　非理想参数 159

4.4.1　输入失调电压 160

4.4.2　输入偏置电流和失调电流 161

4.4.3　开环增益 162

4.4.4　增益带宽积 164

4.4.5　共模抑制比 166

4.4.6　电源抑制比 167

4.4.7　输入阻抗和输出电阻 168

4.4.8　输入噪声密度 169

4.4.9　其他参数 172

4.5　稳定性和补偿 174

4.5.1　环路特性和稳定性 174

4.5.2　不稳定因素和补偿 176

4.6　偏置和单电源 180

4.6.1　信号和偏置 180

4.6.2　交流放大器的单电源设计 182

4.6.3　直流放大器的单电源设计 184

4.7　仪表放大器 186

4.7.1　三运放结构 186

4.7.2　双运放结构 189

4.8　全差分运放 191

4.8.1　全差分运放的电路模型和

参数 191

4.8.2　典型应用电路 192

4.8.3　全差分放大器的共模抑制 193

4.8.4　阻抗匹配的单端-差分转换 193

4.9　有源滤波器的实现 196

4.9.1　低通滤波器 196

4.9.2　高通滤波器 200

4.9.3　带通和带阻滤波器 203

4.9.4　全通滤波器 204

4.9.5　开关电容滤波器 205

4.10　电流反馈型运放 207

4.10.1　CF运放的电路模型 207

4.10.2　闭环特性 207

4.10.3　环路特性和稳定性 209

4.11　比较器及应用 212

4.11.1　迟滞比较器 212

4.11.2　专用比较器 214

4.12　振荡器 214

4.12.1　正弦波振荡器 214

4.12.2　方波发生器 217

4.12.3　三角波发生器 220

4.13　开关功率放大器 220

第5章　其他器件及应用 224

5.1　半导体光电器件 224

5.1.1　发光二极管和光敏二极管 224

5.1.2　光敏三极管 226

5.2　光电耦合器 227

5.2.1　开关应用 227

5.2.2　模拟信号隔离传输 228

5.3　继电器和模拟开关 231

5.3.1　继电器 231

5.3.2　固态继电器 232

5.3.3　模拟开关 233

5.4　对数放大器和指数放大器 234

5.5　模拟乘法器 237

5.5.1　模拟乘法器的原理 237

5.5.2　乘法器的失调 240

5.6　PGA和VGA 240

5.6.1　PGA和VGA简介 240

5.6.2　AGC 242

5.6.3　使用VGA构成乘法器 244

5.7　模拟锁相环 244

5.7.1　锁相环的原理 245

5.7.2　频率合成 247

5.8　ADC和DAC的基础知识 247

5.8.1　采样和保持电路 247

5.8.2　分辨率和量化噪声 249

5.8.3　采样抖动和信噪比 251

5.8.4　ADC和DAC的常用参数 252

5.9　DAC的原理和应用 254

5.9.1　DAC的原理 254

5.9.2　DAC输出特性的均衡 258

5.9.3　DAC的输出重构滤波 260

5.9.4　DAC的输出调理 262

5.10　ADC的原理和应用 264

5.10.1　双斜积分型ADC原理 264

5.10.2　 调制型ADC原理 265

5.10.3　逐次比较型ADC原理 268

5.10.4　流水线型ADC原理 269

5.10.5　ADC的输入抗混叠滤波器 270

5.10.6　ADC的输入信号调理 271

第6章　基本电学量的测量原理 274

6.1　电压和电流测量 274

6.1.1　电压差测量 274

6.1.2　交流稳态参量测量 276

6.1.3　电流测量 278

6.2　频率、相差和占空比测量 279

6.2.1　等精度测频法 279

6.2.2　占空比和相位测量 281

6.3　混频、正交合成和分解 283

6.3.1　混频 283

6.3.2　正交合成 284

6.3.3　正交分解 284

6.4　锁相放大 285

6.5　阻抗测量 287

6.5.1　自平衡电桥法 287

6.5.2　自平衡电桥测量的矫正 290

6.6　频谱测量 291

6.6.1　混频检波法 291

6.6.2　傅里叶变换 293

6.7　矢量网络测量 296

6.7.1　散射参数 296

6.7.2　矢量网络测量的原理 297

6.7.3　矢量网络测量的矫正 299

6.8　测量系统中常用的数值处理方法 300

6.8.1　曲线拟合 300

6.8.2　过约束与优化 301

第7章　常用电路单元模块 306

7.1　低噪声线性稳压电源 306

7.1.1　线性电压调整器 306

7.1.2　低噪线性稳压模块 307

7.2　四象限稳压稳流电路 308

7.3　运放参数测量 310

7.4　高精度ADC、DAC 313

7.4.1　高精度ADC 314

7.4.2　高精度DAC 315

7.5　高速ADC和DAC 316

7.5.1　高速ADC 316

7.5.2　高速DAC 318

7.6　多功能乘法DAC 319

7.7　开关电容滤波 320

7.8　VGA、AGC和宽带乘法器 321

7.9　峰、谷值检测 322

7.9.1　低频峰值检测和比较 322

7.9.2　高频峰、谷值检测 323

7.10　模拟噪声发生器 324

第8章　经典赛题案例 326

8.1　简易数字信号传输特性分析仪（2011E） 326

8.1.1　背景知识介绍 326

8.1.2　同步信号恢复原理 328

8.1.3　方案设计 330

8.1.4　软硬件实现 330

8.2　简易频率特性测试仪（2013E） 336

8.2.1　原理分析 336

8.2.2　方案设计 338

8.2.3　硬件实现 339

8.3　数字频率计（2015F） 341

8.3.1　原理分析 341

8.3.2　方案设计 342

8.3.3　硬件实现 343

8.4　自适应滤波器（2017E） 346

8.4.1　自适应滤波器的原理 346

8.4.2　其他方案 349

8.4.3　方案设计 349

8.4.4　软硬件实现 350

8.5　增益可控射频放大器（2015D） 354

8.5.1　方案设计 354

8.5.2　硬件实现 356

8.6　80～100MHZ频谱仪（2015E） 359

8.6.1　方案设计 359

8.6.2　硬件实现 359

附录A　国际单位制词头 364

附录B　双端口网络的散射参数向其他参数的转换

　　　　　 365

附录C　使用E24电阻并联得到E96分布值 368

参考文献 370

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