计算机辅助电路分析

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出版者:高等教育出版社
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页数:0
译者:
出版时间:1900-01-01
价格:22.0
装帧:
isbn号码:9787040068559
丛书系列:
图书标签:
  • 电路分析
  • 计算机辅助设计
  • 模拟电路
  • 电路仿真
  • SPICE
  • MATLAB
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  • 电路理论
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具体描述

本书是配合计算机辅助教学软件《电

精密仪器设计与制造:从理论到实践的系统化指南 (一)前言:工业革命浪潮中的核心驱动力 在现代工业体系中,精密仪器是连接基础科学研究与高端制造业的桥梁。它们不仅是科学发现的“眼睛”和“触手”,更是实现高精度、高效率生产流程不可或缺的工具。本书旨在为工程技术人员、设计工程师以及高年级理工科学生提供一个全面而深入的知识体系,涵盖精密仪器从概念设计、材料选择、结构优化到制造装配和性能测试的全过程。我们避免了对通用力学或电子学原理的冗长回顾,而是将重点聚焦于“精密”二字所要求的特殊技术和工程挑战。 (二)理论基石:超越标准公差的考量 精密仪器设计的首要挑战在于对误差的极致控制。本书的理论部分将深入探讨误差的来源、传播路径及其量化模型。 1. 误差理论与误差预算: 我们将详细分析由热力学效应、机械振动、电磁干扰和制造公差引入的系统误差与随机误差。重点介绍如何建立严格的误差预算模型,将总误差分解至各个子系统和关键部件,并确立可接受的性能指标(如分辨率、重复性、漂移率)。不再局限于简单的“误差相加”或“方和根相加”,而是引入了基于敏感度分析的权重分配方法。 2. 动力学与静力学平衡: 精密测量设备(如纳米级位移台、高精度光谱仪)必须在动态加载和静止状态下保持极高的稳定性。本章将介绍如何应用有限元分析(FEA)对仪器结构进行模态分析,识别并抑制共振频率。同时,对于需要长时间稳定运行的设备,我们将深入研究蠕变(Creep)和应力松弛现象对长期精度的影响,并提出基于预应力设计和材料时效处理的解决方案。 3. 表面工程与界面科学: 在微米甚至纳米尺度上,材料的表面特性决定了仪器的最终性能。本书将专题讨论接触角、表面粗糙度(Ra, Rq, Rz的实际意义)、表面能控制对润滑、粘附、摩擦及磨损的影响。例如,在光学元件的镀膜设计中,如何通过多层膜系的干涉效应实现特定波段的高反射率或高透射率,以及这些镀膜层在环境温度和湿度变化下的稳定性分析。 (三)关键技术模块:实现超高精度的核心手段 精密仪器设计涉及一系列相互关联的专业技术模块。本书将这部分内容分为机械、电子/控制和光学/声学三大支柱进行详细阐述。 1. 超精密机械设计与驱动: 导轨与支撑系统: 抛弃传统的滚动轴承,重点研究空气静压轴承、磁悬浮导轨和柔性铰链(Flexure Hinges)的应用。特别关注柔性铰链的设计,如何通过几何形状优化实现无摩擦、无反冲的运动,并详细分析其在有限行程内的刚度特性。 驱动与反馈元件: 对比压电陶瓷驱动器(PZT)、音圈电机(VCM)和直线电机在速度、行程和分辨率上的优劣。深入探讨如何校准驱动系统的非线性(如迟滞和非线性效应),以及如何利用高精度编码器(激光干涉仪、高分辨率光栅)实现亚纳米级的闭环控制。 热管理与结构隔离: 详细介绍如何设计仪器内部的隔热结构(如多层真空屏蔽、热沉设计)来隔离外部环境热扰动,以及如何通过有限元仿真预测和补偿由温漂引起的几何形变。 2. 嵌入式控制与数据处理: 实时控制架构: 介绍基于FPGA和高性能微处理器的分布式控制系统,重点讨论如何实现纳秒级同步和低抖动(Jitter)的数据采集。 数字信号处理(DSP)在降噪中的应用: 深入讲解数字滤波器(如卡尔曼滤波、自适应滤波)在处理传感器数据中的实际部署,以有效抑制高频噪声和低频漂移。 系统辨识与参数自适应: 阐述如何通过在线辨识技术,实时修正模型参数以应对环境变化或部件老化带来的性能衰减。 3. 光学与计量技术集成: 精密光学元件的制造与装配: 探讨非球面和自由曲面元件的数控磨削(CNC Grinding)和磁流变抛光(MRF)技术。描述在洁净室环境下,如何通过接触式或非接触式测量手段(如白光干涉仪)对元件进行面形误差的实时反馈和控制。 光路设计与稳定化: 分析光路中关键元件的锁定机制(如超高真空下的光纤耦合、高精度反射镜的锁定机构),以及如何设计主动光学系统(如压电驱动的变形镜)来动态补偿大气扰动或机械振动引起的波前畸变。 (四)制造、装配与验证:将蓝图变为现实 理论设计只有通过精密的制造和严谨的装配才能转化为可靠的仪器。 1. 超精密加工工艺: 重点介绍超精密加工领域的前沿技术,包括电火花加工(EDM)中的精密控制、激光加工的损伤控制、以及特种材料(如零膨胀玻璃、单晶硅)的加工特性。强调刀具路径规划在减少表面残余应力中的作用。 2. 计量学在装配中的应用: 装配过程不再是简单的部件对接,而是持续的计量过程。介绍激光跟踪仪、三坐标测量机(CMM)在现场装配校准中的应用。深入讨论如何利用几何误差传递分析(GDT)来指导装配顺序,确保关键基准面的对准精度。 3. 环境标定与长期可靠性测试: 仪器的最终性能取决于其在实际工作环境下的表现。本章将指导读者设计符合ISO标准的长期漂移测试方案,包括温湿度循环测试、振动台测试和电磁兼容性(EMC)测试,确保仪器在预期的寿命周期内满足初始设计指标。 (五)案例分析:面向特定领域的集成实践 本书将以多个典型的高端精密仪器为例进行深入剖析,包括: 高分辨率扫描电子显微镜(SEM)的物镜系统设计: 聚焦于磁透镜的场形校正、电子束的束流稳定性控制和样品台的超精密定位。 纳米级三维坐标测量仪: 剖析其激光干涉仪的空气折射率补偿机制和多轴耦合误差的解耦算法。 高精度光谱仪的机械扫描机构: 探讨如何利用高精度蜗轮蜗杆或步进电机驱动的色散元件实现波长扫描的均匀性和重复性。 通过以上系统化的结构,本书旨在构建一个从基础原理到尖端应用的完整知识链条,赋能读者解决实际工程中遇到的复杂精密设计难题。

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这本书不仅仅是教我如何使用工具,更是引导我去理解“为什么”这样做。《计算机辅助电路分析》在介绍各种分析方法时,都尽可能地追溯到其背后的数学原理和物理意义。例如,在讲解如何利用傅里叶变换分析电路的频率响应时,书中并没有直接给出公式,而是先解释了傅里叶级数和傅里叶变换如何将复杂的周期信号或非周期信号分解成一系列简单正弦信号的叠加,以及这些正弦信号在电路中是如何响应的。这种从原理出发的讲解方式,让我能够理解,计算机软件提供的仿真结果,并非凭空而来,而是基于扎实的数学模型和物理定律。当我看到Simulink中一个复杂的滤波器模块,我能理解它是如何通过一系列的数学运算来模拟真实滤波器的行为的。这种对原理的深入理解,让我即使在遇到书中未涵盖的复杂电路,也能够触类旁通,找到合适的计算机辅助分析方法。这本书教会我的,不仅仅是操作技巧,更是分析问题的思路和对电路本质的洞察。

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说实话,我是一名非计算机专业背景的学生,在接触《计算机辅助电路分析》之前,对编程和软件的运用并没有太多的经验。这本书一开始也让我有些犹豫,担心会因为技术门槛而难以消化。然而,让我感到惊喜的是,本书在介绍各种计算机辅助分析方法时,对基础知识的讲解非常耐心且细致。无论是对于MATLAB/Simulink的介绍,还是对于Python在电路分析中的应用,书中都循序渐进地从最基本的操作讲起,逐步深入到更复杂的算法和应用。它并没有要求读者拥有深厚的编程功底,而是通过大量的实例,引导读者一步步掌握如何利用这些工具来解决实际的电路问题。我印象特别深刻的是,书中在讲解如何利用MATLAB的`circuit`工具箱进行电路仿真时,给出了非常清晰的命令行演示和代码注释,让我能够轻松地复制和修改这些代码,并成功地运行出结果。这种“零基础友好”的设计,让我逐渐建立起了使用计算机辅助分析的信心,并发现原来这些看似高深的工具,也并非遥不可及。这本书就像一位循循善诱的老师,带领我这个“门外汉”一步步走进了计算机辅助电路分析的殿堂。

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我一直觉得,理论知识的学习,最终还是要落到实践应用上来。而《计算机辅助电路分析》这本书,恰恰在这方面做得非常出色。它并没有止步于枯燥的理论推导,而是将抽象的数学模型与具体的电路应用场景紧密结合。我尤其喜欢书中对各种经典电路,如RC滤波电路、RLC振荡电路、以及各种放大器电路的深入分析。通过书中提供的示例代码和仿真案例,我得以亲手“搭建”这些电路,并在计算机环境中对它们的动态响应、稳态特性进行详尽的观察和分析。这种“动手”式的学习体验,让我对电路的理解更加直观和深刻。当我输入不同的参数,或者改变电路结构时,计算机模拟出的结果能够即时地反馈给我,让我能够清晰地看到参数变化对电路性能的影响,甚至能够发现一些在理论分析中不易察觉的细微之处。这种实时反馈的学习模式,极大地增强了我的学习兴趣和主动性。我不再是被动地接受知识,而是成为了一个主动的探索者,通过与计算机的互动,不断地验证和深化我对电路原理的理解。这本书让我认识到,计算机辅助分析不仅是提高效率的工具,更是提升学习效果和掌握知识深度的重要手段。

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作为一名对信号处理领域充满兴趣的学生,《计算机辅助电路分析》为我打开了新的视野。书中关于离散时间信号分析和数字滤波器设计的部分,给我留下了深刻的印象。我了解到,许多在时域分析中难以处理的问题,通过Z变换和离散傅里叶变换(DFT)等数学工具,可以转化为在复频率域或者频域的简单运算。而计算机,尤其是MATLAB等强大的数值计算平台,正是实现这些变换的理想工具。书中详细介绍了如何利用MATLAB的信号处理工具箱来设计IIR和FIR滤波器,并对这些滤波器的性能进行评估,如幅频响应、相频响应、阶数等。我亲手设计了一个简单的低通滤波器,并用噪声信号进行测试,看到滤波后的信号明显变得平滑,我由衷地感叹计算机辅助分析在信号处理领域的强大威力。这本书让我明白,在信号处理的世界里,计算机不仅仅是分析工具,更是创造和改造信号的得力助手。

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这本书的书名叫做《计算机辅助电路分析》,但说实话,在翻开这本书之前,我对于“计算机辅助”这个词的理解还比较模糊,以为它仅仅是在纸质电路图之外,提供了一些辅助性的图表或者软件连接。然而,当我真正沉浸其中后,才发现它所描绘的世界远比我想象的要宏大和深刻。它不仅仅是将计算机作为一个工具来辅助分析,而是将计算机的强大计算能力、模拟仿真能力以及数据处理能力,深度地融入了电路分析的每一个环节。从最基础的欧姆定律、基尔霍夫定律的数值计算,到复杂的节点电压法、网孔电流法的系统求解,再到各种高级的分析技术,如傅里叶变换、拉普拉斯变换在电路中的应用,这本书都为我一一揭示了如何运用计算机的强大力量来处理这些曾经可能令人头痛的数学模型。我惊喜地发现,过去那些需要反复手动计算、容易出错的繁琐步骤,如今可以通过简洁的代码或者成熟的软件界面轻松完成。更重要的是,计算机的介入让我能够以前所未有的精度和速度,对电路的行为进行预测和评估,从而大大提升了设计效率和电路性能。它让我深刻理解到,在现代电子工程领域,不懂得利用计算机进行分析,就如同在信息时代还只使用算盘一样,已经跟不上时代的步伐了。这本书的出版,无疑为我打开了一扇通往更高效、更精准的电路设计与分析之门。

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在学习《计算机辅助电路分析》的过程中,我最直观的感受就是效率的巨大提升。过去,当我们需要分析一个复杂的电路,比如含有多个受控源、多个耦合电感的电路时,手动进行网孔电流法或节点电压法的求解,往往需要耗费大量的时间和精力,而且出错的概率也相当高。然而,通过本书介绍的计算机辅助分析方法,例如利用SPICE类仿真软件进行瞬态分析、交流稳态分析,或者利用MATLAB进行符号计算和矩阵求解,我可以轻松地输入电路拓扑和元件参数,然后在极短的时间内获得精确的分析结果。更让我兴奋的是,这些软件能够模拟出各种不同工况下的电路行为,例如在不同频率下的幅频特性和相频特性,或者在不同输入信号下的输出波形,这些都是手动分析难以实现的。我曾经花了好几个小时手动计算一个复杂滤波器的单位阶冲响应,结果在用了书中介绍的Simulink仿真工具后,几分钟就得到了准确且直观的波形图。这种效率的飞跃,不仅节省了宝贵的学习和研究时间,更重要的是,它允许我去探索更多更复杂的电路设计,而不再受限于计算能力的瓶颈。

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在阅读《计算机辅助电路分析》的过程中,我不仅学习了如何使用工具,更重要的是,这本书激发了我对电路分析方法本身的思考。它让我意识到,虽然计算机可以自动化很多计算过程,但理解算法背后的数学原理,以及如何根据不同的电路特性选择最合适的分析方法,仍然至关重要。例如,在处理大型稀疏矩阵时,传统的直接求解方法可能效率不高,而书中所介绍的迭代法(如共轭梯度法)在某些情况下会更加高效。这本书鼓励我去探索这些更高级的算法,并理解它们在特定场景下的优势。它让我明白,计算机辅助分析并非简单的“一键搞定”,而是需要智慧的选择和灵活的应用。这种对方法论的深入探讨,让这本书的价值远远超出了简单的“软件操作指南”。

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《计算机辅助电路分析》这本书让我对电路分析的“鲁棒性”有了更深刻的理解。在实际的电路设计中,元器件的参数往往存在一定的误差,环境因素也可能对其产生影响。传统的手动分析往往只能基于理想模型进行,难以考虑这些不确定性。而本书介绍的计算机辅助分析方法,例如蒙特卡洛仿真,允许我在电路中引入随机的参数变化,并通过大量的仿真迭代,来评估电路在各种可能条件下的性能表现。我通过学习书中的实例,尝试对一个放大电路进行参数的随机扰动,然后观察输出电压的变动范围。这种方法让我能够更全面地了解电路设计的潜在风险,并有针对性地进行优化,以确保电路在实际应用中的稳定性和可靠性。这不仅仅是提高了分析的精度,更是提升了设计工作的严谨性。

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我一直在寻找一种能够系统性学习电路理论和实践相结合的方法,而《计算机辅助电路分析》恰好满足了我的需求。书中对各种经典电路拓扑的分析,例如开关电源、数模混合电路的某些基本原理,虽然不涉及非常深奥的理论,但其通过计算机辅助分析所展现出的系统化方法,让我受益匪浅。它不仅仅是讲解具体的分析步骤,更重要的是,它引导我建立起一种“从系统层面思考问题”的思维模式。我开始理解,一个完整的电路系统,其性能不仅仅取决于单个元件,更重要的是它们之间的相互作用和整体的组织结构。通过计算机仿真,我可以很容易地对一个复杂系统的不同子模块进行单独分析,然后再将它们集成起来观察整体表现。这种自顶向下、自底向上相结合的分析思路,对于理解和设计复杂的电子系统至关重要。

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《计算机辅助电路分析》这本书为我提供了一个宝贵的平台,让我能够将课堂上学到的理论知识,与现代工程实践紧密地联系起来。通过书中介绍的各种仿真工具和编程技术,我能够将抽象的电路模型转化为具体的、可操作的“数字孪生”,并在计算机环境中对其进行精确的模拟和验证。我曾经用书中介绍的CircuitLab在线仿真平台,对一个自己设计的简单RC振荡电路进行了反复的参数调整和波形观察,这比单纯在草稿纸上计算要直观和高效得多。这种“所学即所用”的学习体验,极大地增强了我的学习动力和成就感。它让我深刻体会到,在当今这个技术日新月异的时代,掌握计算机辅助分析能力,不仅是提升自身技能的关键,更是未来从事电子工程领域工作的必备素质。

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