Modern Instrumentation for Scientists and Engineers [1 ed.] 0387950567, 9780387950563

Table of contents :
Front Matter......Page 1
Preface......Page 3
Table of Contents......Page 6
Part I. Electronics......Page 11
1.1 Charge, Potential, and Current......Page 12
1.3 Capacitance and Inductance......Page 14
2.1 Branch and Node Analysis......Page 16
2.2 Loop Analysis......Page 18
2.4 Problems......Page 19
3.1 Alternating Voltage and Current......Page 20
3.3 Capacitors as AC Components......Page 22
3.4 Inductors as AC Components......Page 24
3.5 Impedance......Page 25
3.5.1 Complex Algebra......Page 26
3.5.2 Complex Impedance......Page 27
3.6 Problems......Page 33
4.1 DC Bridges......Page 35
4.1.1 Wheatstone Bridge......Page 36
4.1.2 Unbalanced Bridge......Page 37
4.1.3 Sensitivity......Page 38
4.2 AC Bridges......Page 40
4.2.1 Nonideal Capacitance......Page 41
4.2.2 Nonideal Inductance......Page 42
4.3 Problems......Page 43
5. Amplifiers......Page 45
5.1 Noninverting Amplifier......Page 47
5.1.1 Input Resistance......Page 48
5.1.2 Output Resistance......Page 50
5.1.3 Remarks......Page 51
5.2 Inverting Amplifier......Page 52
5.2.1 Input Resistance......Page 53
5.2.2 Output Resistance......Page 54
5.3 Difference Amplifier......Page 55
5.4 Summing Amplifier......Page 56
5.5 Frequency Response......Page 57
5.5.1 Complex Gain......Page 61
5.5.2 Gain Bandwidth......Page 63
5.6 Problems......Page 64
6.1 Unity-Gain Buffer......Page 65
6.2 Instrumentation Amplifier......Page 67
6.3 Log and Antilog Amplifiers......Page 69
6.3.1 Log......Page 70
6.3.2 Antilog......Page 71
6.5 Voltage and Current Conversion......Page 72
6.5.1 Current-to-Voltage Converter......Page 73
6.6.1 Integrators......Page 74
6.6.2 Differentiators......Page 76
6.7 Problems......Page 78
7.1 Oscillators......Page 80
7.1.1 Wien-Bridge Oscillator......Page 81
7.1.2 Improved Wien-Bridge Oscillator......Page 84
7.1.3 Phase-Shift Oscillator......Page 86
7.2.1 Relaxation Oscillator......Page 88
7.2.2 555 Timer......Page 90
7.2.3 Sawtooth Waveform......Page 93
7.3 Crystal Oscillators......Page 95
7.4 Remarks......Page 96
7.5 Problems......Page 98
8. Filters......Page 99
8.1.1.1 Low-Pass RC Filter......Page 100
8.1.1.2 Low-Pass RL Filter......Page 102
8.1.1.3 Band-Pass Filter......Page 105
8.1.1.4 Band-Stop Filter......Page 107
8.1.2.1 Cascaded Filters......Page 109
8.1.2.2 Low-Pass RLC Filter......Page 111
8.2.1.1 Low-Pass......Page 113
8.2.1.2 Normalized Filters......Page 116
8.2.1.3 Design Example......Page 118
8.2.1.4 Band-Pass......Page 119
8.2.2 Third-Order Filters......Page 121
8.3 Remarks......Page 123
8.4 Problems......Page 125
8.5 Bibliography......Page 126
Part II. Sensors......Page 127
9. Temperature......Page 128
9.1 Thermistors......Page 129
9.1.1 Sensitivity......Page 132
9.1.2 Thermal Dynamics......Page 134
9.1.3 Voltage-Current Characteristic......Page 138
9.1.4 A Simple Thermometer......Page 139
9.1.5 Power Rating......Page 140
9.1.6 Linearization with Parallel Resistor......Page 142
9.1.7 Linearization with Series Resistor......Page 144
9.1.8 Inflection Point Optimization......Page 147
9.1.9 Sensitivity......Page 149
9.2 Resistance Temperature Detectors......Page 150
9.3 Thermocouples......Page 152
9.3.1 Single Probe Configuration......Page 155
9.4 Temperature-Sensitive Diodes......Page 157
9.4.1 Constant Bias......Page 159
9.5 Problems......Page 160
9.6 Bibliography......Page 161
10. Light......Page 162
10.1 Photoconductive Sensors......Page 164
10.2 Photodiodes......Page 167
10.2.2 Speed......Page 170
10.2.3 Interface Circuits......Page 172
10.3 Problems......Page 173
10.4 Bibliography......Page 174
11. Magnetic Fields......Page 175
11.1 Hall-Effect Sensors......Page 176
11.2.1 Fundamentals......Page 179
11.2.2 Fluxgate Principle......Page 180
11.3 Comparative Performance......Page 182
11.4 Bibliography......Page 183
12.1 Strain......Page 184
12.2 Resistive Strain Gages......Page 187
12.2.1 Bonded Metal Films......Page 188
12.2.1.1 Single Gage, Quarter Bridge......Page 189
12.2.1.2 Two Gages, Half Bridge......Page 190
12.2.2 Piezoresistive Devices......Page 192
12.4 Bibliography......Page 195
13. Pressure......Page 197
13.1 Piezoresistive Gages......Page 198
13.1.1 Gage Sensitivity......Page 199
13.1.2 Diaphragm Deflection......Page 201
13.1.4 Sensor Specifications......Page 202
13.2 Piezoelectric Gages......Page 203
13.2.1 Charge Amplifier......Page 205
13.3 Bibliography......Page 208
14.1.1 Mutual Inductance......Page 210
14.1.2 LVDT......Page 211
14.2.1 Resolver......Page 215
14.2.2 Sensor Specifications......Page 217
14.2.3 Incremental Optical Shaft Encoders......Page 218
14.3 Bibliography......Page 219
15. Acceleration......Page 221
15.1 Micromachined Sensors......Page 227
15.2 Piezoelectric Sensors......Page 231
15.2.1 Bimorph Beam......Page 232
15.2.3 Shear Mode......Page 233
15.3 Bibliography......Page 234
Part III. Measurements......Page 236
16.1 Introduction......Page 237
16.2.1 R-2R Ladder......Page 238
16.2.2 Current Sources......Page 240
16.2.3 Input Codes......Page 241
16.3.1 Successive Approximation Converters......Page 242
16.3.2 Output Codes......Page 244
16.3.3 Tracking Converters......Page 245
16.3.4 Voltage-to-Frequency Converters......Page 246
16.3.5 Charge-Balance Converters......Page 248
16.3.6 Dual-Slope Converters......Page 251
16.3.6.1 Resolution......Page 252
16.3.6.2 Performance......Page 253
16.3.7 Multislope......Page 254
16.3.8 Flash Converters......Page 256
16.4 Current Measurement......Page 258
16.5 Resistance Measurement......Page 259
16.6 Problems......Page 260
16.7 Bibliography......Page 261
17. AC Measurements......Page 262
17.1 Estimated RMS......Page 266
17.1.1.1 n = 2: Second-Harmonic Distortion......Page 267
17.1.1.2 n = 3: Third-Harmonic Distortion......Page 268
17.2 True RMS......Page 269
17.2.1 Thermal Technique......Page 270
17.2.2 Analog Computation......Page 271
17.2.4 Implicit Analog Computation......Page 272
17.3 Problems......Page 274
17.4 Bibliography......Page 275
18.1 Sample and Hold......Page 276
18.1.2 Sample-to-Hold Transition......Page 277
18.1.3 During Hold......Page 278
18.2 Sampled Waveforms......Page 279
18.2.1 Sample Rate and Aliasing......Page 280
18.2.3 Preamplifiers......Page 283
18.3.1 Multiplexers......Page 284
18.4.1 Data Acquisition Cards......Page 285
18.4.2 Signal Conditioning......Page 286
18.4.3 Software......Page 287
18.6 Bibliography......Page 288
19. Data-Acquisition Systems......Page 290
19.1 GPIB Bus......Page 291
19.1.1 Bus Organization......Page 292
19.1.2 Handshake......Page 293
19.1.2.2 Checkpoint #2......Page 294
19.1.4 Untalk and Unlisten......Page 296
19.1.5 Interrupts......Page 298
19.2.1 Instrument Commands......Page 302
19.2.2 Software......Page 303
19.3 VXI......Page 307
19.4 PXI......Page 310
19.5 Bibliography......Page 312
B......Page 314
F......Page 315
L......Page 316
P......Page 317
T......Page 318
W......Page 319