本书为“十五五”高等学校新工科电子信息类专业系列教材之一。本书从数学与测量科学的本源出发,深度融合经典误差理论与现代数字信号处理技术,重构高精度电子测量系统的理论框架与实践路径。内容涵盖过采样、数字锁相解调、高速数字相敏解调、多输入多输出误差抑制、深度学习建模等多个前沿方向。 本书体现了作者多项原创性技术在实际应用中的成效,深入剖析提升电子测量系统精度的关键机制与方法。 本书适合作为电子信息、自动化、测控等专业高年级本科生和研究生的教材,也可作为高精度测量系统研发领域科研工作者与工程技术人员的参考书。

马克思认为:一门科学成熟的标志是数学的充分运用。意味着任何一门成熟的科学必须具备用数学来描述其规律和预测其可能的结果。科学家门捷列夫也认为:科学就是测量,至少是从测量开始。关于电子电路和电子系统的教材与专著汗牛充栋,但如何设计高精度电子测量系统的教材与专著虽然不能说没有,但也凤毛麟角,极为少见。很难相信,现在大多数的教师、工程技术人员会认为电子电路或电子系统与测量是风马牛不相及的事情。


模/ 数转换器(ADC)和微控制器的发展,为电子测量系统提高测量精度带来强有力的手段和革命性的变革,但又不被大家充分认识。本书的核心内容在于揭示ADC 和微控制器提高电子测量系统测量精度的表现形式。


本书为“十五五”高等学校新工科电子信息类专业系列教材之一。编者基于其几十年在仪器仪表及生物医学信号检测与处理领域的科研与教学积淀,总结并凝练了大量理论成果与工程经验。电子测量系统绝对不可以与“ 误差理论与数据处理” 脱节,特别在微电子技术和计算机技术高度发展的今天,给信号检测与处理带来了革命性的变化:


(1)误差理论与数据处理本身没有多大的变化,但手段却发生了根本性的变化,如传统分析系统误差(趋势项)已完全由计算机来实现对数据的分析,且既快又好。


(2)信息论提示我们:所谓模拟信号处理和数字信号处理只能提高“信噪比”,不能提高“信息量”,至多是少损失一些信息。编者提出的“两段论”就是要回答此类问题。


(3)从抑制噪声的角度看,建模或拟合测量方程的方法不仅是找出测量方程的事情,还有抑制随机噪声和系统噪声的重要作用。


(4)“过采样”应该是提高电子测量系统精度的强大武器,特别是抑制“随机噪声”,可以达到把系统精度提高“数个量级”的效果。


(5)“调制与解调”这一古老技术,在微电子技术和计算机技术高度发展的今天,数字锁相解调使之焕发了崭新的生机。编者提出的“ 高速数字锁相解调算法” 不仅精度高,而且速度快到了极致,更加不可思议的是,实施( 计算) 简单,最普通的微处理器也可以毫无困难地实现。


(6)多输入、多输出和多干扰测量系统将越来越多地出现。为满足这类系统的“ 高精度”要求,编者提出“M + N”理论,并在应用中获得极好的效果。


(7)“相机”,特别是手机配置的相机,无人不晓,但把它作为“高灵敏度光敏传感器”,把精度轻而易举地提高数个量级,可能产生“脑洞大开”的冲击。(8)深度学习是目前极为时髦的技术,但从测量方程或逼近函数的观点来看,能够更准确、恰当地把“深度学习”应用到电子测量系统中,以期获得更高精度的分析与测量。


本书内容系统、全面,各章具体内容如下:


第1 章测量、精度与误差,介绍了相关的基础知识,并结合了当代科技的发展和电子系统的特点。由于生物医学信号微弱、各种干扰强,是其他领域信号测量难以遇见的,但又可以为其他领域信号测量提供有益的借鉴。


第2 章“随机噪声”的抑制与过采样技术,明确了提高电子测量系统的精度就在于抑制各种干扰和噪声,包括任何一个环节、任何一种类型的“噪声”。


第3 章系统误差的抑制,顾名思义,针对系统误差的抑制介绍了基本但又极为有效的方法,这些方法既有坚实的理论基础又经实践的充分验证。


第4 章测量中的调制解调技术及其复用方式,介绍了结合数字信号处理的调制解调技术及其复用方式,更为重要的是从误差( 噪声和干扰) 的角度,结合了过采样技术,以一种更高、更全面的视野来看待调制解调技术。本章中的实例均取得超乎想象的高精度,且实现的系统简单、可靠。


第5 章高灵敏度光敏传感器———相机,把习惯上作为“面阵” 的传感器用作“ 单点” 的光电传感器,得到超乎想象的超高灵敏度和精度,体现了“ 大平均” 的重要意义,可视为高精度电子测量系统的创新性设计。


第6 章多输入、多输出和多干扰测量系统,给出了“ M + N” 理论及其有效的抑制误差的多种“策略”,不仅为多输入、多输出和多干扰测量系统提供了抑制误差的“锦囊妙计”,也同样适用于经典的单输入高精度电子测量系统设计。


第7 章测量方程、逼近函数与建模测量,涉及深度学习、神经网络在电子测量系统中的应用,特别指明了深度学习、神经网络的本质,一扫深度学习、神经网络在电子测量系统中应用的误解和迷思,为正确使用深度学习、神经网络指明了方向。


本书由天津大学林凌、李刚,天津工业大学王慧泉,广州医科大学陈妮任主编,由广东技术师范大学罗永顺、苏州大学乔文、山东中医药大学张梦秋、天津工业大学陈瑞娟、华东师范大学周梅、天津工业大学李春婵、安徽医科大学张盛昭、天津工业大学东磊、天津大学王康、天津工业大学刘近贞任副主编。全书由林凌、李刚、王慧泉和陈妮统稿。


本书是编者几十年的研究成果和体会,然而,毕竟水平有限,疏漏之处在所难免,但抛砖引玉:一则或多或少能够提供给读者他山之石,二则也能得到读者的指教,更加完善我们自己。


编 者


2025 年元旦


于天津大学北洋园

第1章测量、精度与误差11.1测量的基本知识11.1.1测量的概念11.1.2测量方法的分类21.1.3测量系统的性能参数41.2误差理论的基本知识91.2.1误差的基本概念91.2.2误差的来源161.2.3精度与不确定度171.2.4有效数字及其运算规则181.2.5误差的合成与分配191.3信号、噪声与干扰231.3.1信号231.3.2噪声241.3.3干扰291.4电子测量系统的“两段论”与“信息(精度)空间”301.4.1电子测量系统的两个阶段301.4.2信道编码与信息(精度)空间321.5医学诊断与医学研究中的测量35第2章“随机噪声”的抑制与过采样技术382.1ADC的量化噪声382.2

马克思认为:一门科学成熟的标志是数学的充分运用。意味着任何一门成熟的科学必须具备用数学来描述其规律和预测其可能的结果。科学家门捷列夫也认为:科学就是测量,至少是从测量开始。关于电子电路和电子系统的教材与专著汗牛充栋,但如何设计高精度电子测量系统的教材与专著虽然不能说没有,但也凤毛麟角,极为少见。很难相信,现在大多数的教师、工程技术人员会认为电子电路或电子系统与测量是风马牛不相及的事情。


模/ 数转换器(ADC)和微控制器的发展,为电子测量系统提高测量精度带来强有力的手段和革命性的变革,但又不被大家充分认识。本书的核心内容在于揭示ADC 和微控制器提高电子测量系统测量精度的表现形式。


本书为“十五五”高等学校新工科电子信息类专业系列教材之一。编者基于其几十年在仪器仪表及生物医学信号检测与处理领域的科研与教学积淀,总结并凝练了大量理论成果与工程经验。电子测量系统绝对不可以与“ 误差理论与数据处理” 脱节,特别在微电子技术和计算机技术高度发展的今天,给信号检测与处理带来了革命性的变化:


(1)误差理论与数据处理本身没有多大的变化,但手段却发生了根本性的变化,如传统分析系统误差(趋势项)已完全由计算机来实现对数据的分析,且既快又好。


(2)信息论提示我们:所谓模拟信号处理和数字信号处理只能提高“信噪比”,不能提高“信息量”,至多是少损失一些信息。编者提出的“两段论”就是要回答此类问题。


(3)从抑制噪声的角度看,建模或拟合测量方程的方法不仅是找出测量方程的事情,还有抑制随机噪声和系统噪声的重要作用。


(4)“过采样”应该是提高电子测量系统精度的强大武器,特别是抑制“随机噪声”,可以达到把系统精度提高“数个量级”的效果。


(5)“调制与解调”这一古老技术,在微电子技术和计算机技术高度发展的今天,数字锁相解调使之焕发了崭新的生机。编者提出的“ 高速数字锁相解调算法” 不仅精度高,而且速度快到了极致,更加不可思议的是,实施( 计算) 简单,最普通的微处理器也可以毫无困难地实现。


(6)多输入、多输出和多干扰测量系统将越来越多地出现。为满足这类系统的“ 高精度”要求,编者提出“M + N”理论,并在应用中获得极好的效果。


(7)“相机”,特别是手机配置的相机,无人不晓,但把它作为“高灵敏度光敏传感器”,把精度轻而易举地提高数个量级,可能产生“脑洞大开”的冲击。(8)深度学习是目前极为时髦的技术,但从测量方程或逼近函数的观点来看,能够更准确、恰当地把“深度学习”应用到电子测量系统中,以期获得更高精度的分析与测量。


本书内容系统、全面,各章具体内容如下:


第1 章测量、精度与误差,介绍了相关的基础知识,并结合了当代科技的发展和电子系统的特点。由于生物医学信号微弱、各种干扰强,是其他领域信号测量难以遇见的,但又可以为其他领域信号测量提供有益的借鉴。


第2 章“随机噪声”的抑制与过采样技术,明确了提高电子测量系统的精度就在于抑制各种干扰和噪声,包括任何一个环节、任何一种类型的“噪声”。


第3 章系统误差的抑制,顾名思义,针对系统误差的抑制介绍了基本但又极为有效的方法,这些方法既有坚实的理论基础又经实践的充分验证。


第4 章测量中的调制解调技术及其复用方式,介绍了结合数字信号处理的调制解调技术及其复用方式,更为重要的是从误差( 噪声和干扰) 的角度,结合了过采样技术,以一种更高、更全面的视野来看待调制解调技术。本章中的实例均取得超乎想象的高精度,且实现的系统简单、可靠。


第5 章高灵敏度光敏传感器———相机,把习惯上作为“面阵” 的传感器用作“ 单点” 的光电传感器,得到超乎想象的超高灵敏度和精度,体现了“ 大平均” 的重要意义,可视为高精度电子测量系统的创新性设计。


第6 章多输入、多输出和多干扰测量系统,给出了“ M + N” 理论及其有效的抑制误差的多种“策略”,不仅为多输入、多输出和多干扰测量系统提供了抑制误差的“锦囊妙计”,也同样适用于经典的单输入高精度电子测量系统设计。


第7 章测量方程、逼近函数与建模测量,涉及深度学习、神经网络在电子测量系统中的应用,特别指明了深度学习、神经网络的本质,一扫深度学习、神经网络在电子测量系统中应用的误解和迷思,为正确使用深度学习、神经网络指明了方向。


本书由天津大学林凌、李刚,天津工业大学王慧泉,广州医科大学陈妮任主编,由广东技术师范大学罗永顺、苏州大学乔文、山东中医药大学张梦秋、天津工业大学陈瑞娟、华东师范大学周梅、天津工业大学李春婵、安徽医科大学张盛昭、天津工业大学东磊、天津大学王康、天津工业大学刘近贞任副主编。全书由林凌、李刚、王慧泉和陈妮统稿。


本书是编者几十年的研究成果和体会,然而,毕竟水平有限,疏漏之处在所难免,但抛砖引玉:一则或多或少能够提供给读者他山之石,二则也能得到读者的指教,更加完善我们自己。


编 者


2025 年元旦


于天津大学北洋园

本书为“十五五”高等学校新工科电子信息类专业系列教材之一。本书从数学与测量科学的本源出发,深度融合经典误差理论与现代数字信号处理技术,重构高精度电子测量系统的理论框架与实践路径。内容涵盖过采样、数字锁相解调、高速数字相敏解调、多输入多输出误差抑制、深度学习建模等多个前沿方向。


本书体现了作者多项原创性技术在实际应用中的成效,深入剖析提升电子测量系统精度的关键机制与方法。