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1 概述1

1.1 智能仪器的结构与特点1

1.1.1 智能仪器的基本结构1

1.1.2 智能仪器的主要特点2

1.2 推动智能仪器发展的新技术3

1.2.1 传感器技术4

1.2.2 DSP技术5

1.2.3 嵌入式计算机技术6

1.2.4 EDA技术及FPGA/CPLD10

1.2.5 网络技术14

1.2.6 标准化模块仪器技术15

1.2.7 虚拟仪器技术16

思考题22

2 智能仪器中数字量的输入／输出23

2.1 开关量输入／输出23

2.1.1 开关量输入24

2.1.2 开关量输出25

2.2 脉冲量输入／输出28

2.2.1 常用的数字化测频方法29

2.2.2 脉冲宽度调制（PWM）33

2.2.3 步进电机的驱动及控制36

思考题41

3 智能仪器中模拟量的输入／输出43

3.1 多通道数据采集系统的配置方案43

3.2 信号放大45

3.2.1 概述45

3.2.2 仪用放大器46

3.2.3 程控增益放大器47

3.3 信号滤波48

3.3.1 概述48

3.3.2 低通滤波器49

3.4 采样保持器和模拟多路开关53

3.4.1 采样保持器53

3.4.2 模拟多路开关55

3.5 模／数转换器58

3.5.1 ADC的理想传输特性58

3.5.2 ADC的特性参数59

3.5.3 ADC的种类及特点64

3.5.4 ∑-△型ADC的原理66

3.5.5 ∑-△型ADC AD771470

3.5.6 逐次逼近式ADC AD765682

3.6 数／模转换器97

3.6.1 概述97

3.6.2 MAX543及其与微处理器的接口102

思考题105

4 智能仪器的人机接口108

4.1 键盘108

4.1.1 去抖动109

4.1.2 独立式键盘和矩阵式键盘109

4.1.3 键盘信号的获取110

4.1.4 键盘接口设计111

4.2 LED显示器111

4.2.1 LED显示器的基本结构和工作原理112

4.2.2 LED数码显示器接口设计113

4.2.3 点阵LED显示器接口设计116

4.3 LCD118

4.3.1 段码式LCD及其接口设计118

4.3.2 点阵字符式LCD及其接口121

4.3.3 点阵图形液晶显示器127

4.4 触摸屏简介138

4.4.1 触摸屏的工作原理138

4.4.2 触摸屏的基本技术特性140

4.4.3 电阻式触摸屏141

思考题142

5 数据处理技术144

5.1 标度变换144

5.1.1 线性标度变换145

5.1.2 非线性参数的标度变换145

5.2 非线性校正146

5.2.1 代数插值法146

5.2.2 曲线拟合法151

5.3 自动测量补偿154

5.3.1 零位及零偏补偿155

5.3.2 标度漂移补偿156

5.3.3 传感器的温度补偿157

5.4 数字滤波技术158

5.4.1 程序判别法（限幅滤波法）158

5.4.2 莱特准则法（剔除粗大误差）159

5.4.3 中值滤波法160

5.4.4 算术平均滤波法160

5.4.5 去极值平均滤波法162

5.4.6 滑动平均滤波法164

5.4.7 加权滑动平均滤波164

思考题166

6 智能仪器的总线和通信技术167

6.1 串行外设接口总线SPI167

6.1.1 SPI概述168

6.1.2 SPI工作原理168

6.1.3 SPI的工作方式169

6.1.4 MCS51系列单片机的SPI模拟170

6.2 内部集成（I2C）总线172

6.2.1 I2C总线的特点173

6.2.2 I2C总线的基本工作原理174

6.2.3 I2C总线的数据传输方式177

6.2.4 MCS51系列单片机的I2C总线模拟177

6.3 RS-232标准和RS-422/485标准182

6.3.1 RS-232标准及应用182

6.3.2 RS-422/485标准及应用187

6.4 USB192

6.4.1 USB的主要特点192

6.4.2 USB的硬件和软件193

6.4.3 USB版本及数据率195

6.4.4 USB数据传输类型195

6.4.5 USB接口及应用199

6.5 以太网接口203

6.5.1 以太网和TCP/IP协议简述204

6.5.2 智能仪器的以太网接口206

思考题209

7 智能仪器的抗干扰技术213

7.1 干扰源和干扰的耦合方式213

7.1.1 干扰源214

7.1.2 干扰耦合方式214

7.2 差模干扰和共模干扰217

7.2.1 差模干扰217

7.2.2 共模干扰217

7.3 数字量输入／输出通道的电气隔离218

7.3.1 光电耦合器的特性及应用218

7.3.2 电磁式继电器的特性及应用220

7.3.3 固态继电器的原理、特性及应用221

7.4 模拟量输入／输出通道的电气隔离225

7.4.1 信号隔离设置在模拟量输入／输出通道的数字部分225

7.4.2 信号隔离设置在模拟输入端228

7.5 交流电源干扰及抑制235

7.5.1 电源干扰类型及其基本的抗干扰方法235

7.5.2 EMI电源滤波器236

7.5.3 电源变压器的屏蔽和隔离238

7.5.4 交流电源的供电抗干扰方案238

7.6 直流供电侧电源和开关电源干扰及抑制239

7.6.1 直流供电侧电源干扰抑制措施239

7.6.2 开关电源干扰的抑制措施241

7.7 数字系统的干扰和抑制241

7.7.1 数字电路中瞬态尖峰电流的抑制241

7.7.2 微处理器监控定时器和微处理器监控电路243

思考题248

8 智能仪器设计实例250

8.1 谐振式微机械加速度计数据采集系统设计250

8.1.1 系统主要功能及技术指标250

8.1.2 系统测量原理数据采集方案251

8.1.3 数据采集系统硬件设计252

8.1.4 数据采集系统软件设计255

8.1.5 数据采集系统的测试257

8.2 基于AD7656的微型惯性测量组合数据采集系统258

8.2.1 系统主要功能、技术指标及设计方案258

8.2.2 数据采集系统的硬件设计259

8.2.3 数据采集系统的软件设计261

8.2.4 数据采集系统的测试及应用263

8.3 继电保护测试仪265

8.3.1 仪器主要功能及技术指标265

8.3.2 仪器结构265

8.3.3 硬件设计要点266

8.3.4 主要参数的测量268

8.3.5 测试与数据分析270

8.3.6 抗干扰设计272

8.4 光学粉尘测量仪设计272

8.4.1 仪器的用途及设计原理272

8.4.2 仪器的组成及工作原理273

8.4.3 粉尘测量仪的软件设计275

8.4.4 测试及结论276

参考文献278