机电一体化设计导论【新华集团自营】

目 录
部分 概 述
第1章 全书概览2
1.1 写作理念3
1.2 内容结构3
1.3 读者范围3
1.4 本书的使用方法4
1.5 总结4
参考文献4
第二部分 软 件
第2章 微控制器6
2.1 引言6
2.2 什么是“微”设备6
2.3 微处理器、微控制器、数字信号处理器等6
2.4 微控制器架构7
2.5 中央处理单元8
2.5.1 在数字域中表示数字9
2.5.2 算术逻辑单元9
2.6 数据总线和地址总线10
2.7 内存10
2.8 子系统和外设11
2.9 冯?诺依曼架构12
2.10 哈佛架构14
2.11 实例15
2.11.1 Freescale MC9S12C32微控制器15
2.11.2 Microchip PIC12F609微控制器17
2.12 获取 多信息19
2.13 习题19
第3章 微控制器的数学和数字操作21
3.1 引言21
3.2 基数和计数21
3.3 表示负数24
3.4 数据类型25
3.5 常见数据类型的大小26
3.6 固定长度变量的计算方法26
3.7 模运算27
3.8 数学快捷键28
3.9 布尔代数28
3.10 操作单个字节29
3.11 测试单个位30
3.12 习题31
第4章 编程语言33
4.1 引言33
4.2 机器语言34
4.3 汇编语言34
4.4 语言35
4.5 解释器35
4.6 编译器36
4.7 混合编译解释器37
4.8 集成开发环境(IDE)39
4.9 选择一种编程语言39
4.10 习题40
参考文献40
第5章 嵌入式系统的程序结构41
5.1 背景41
5.2 事件驱动编程41
5.3 事件检测器42
5.4 服务44
5.5 事件驱动程序的建立45
5.6 示例46
5.7 事件驱动编程综述47
5.8 状态机48
5.9 软件状态机49
5.10 蟑螂示例的状态机51
5.11 习题52
参考文献53
第6章 软件设计54
6.1 引言54
6.2 软件设计与房屋建造54
6.3 软件设计技术简介55
6.3.1 分解55
6.3.2 抽象、信息隐藏55
6.3.3 伪代码56
6.4 软件设计流程57
6.4.1 需求分析58
6.4.2 定义程序结构58
6.4.3 性能规范59
6.4.4 接口规范59
6.4.5 详细设计59
6.4.6 实现59
6.4.7 单元测试61
6.4.8 集成61
6.5 示例61
6.5.1 莫尔斯码接收机的需求分析62
6.5.2 莫尔斯码接收机的系统架构62
6.5.3 莫尔斯码接收机的软件架构63
6.5.4 莫尔斯码接收机的性能规范65
6.5.5 莫尔斯码接收机的接口规范65
6.5.6 莫尔斯码接收机的详细设计67
6.5.7 莫尔斯码接收机的实现76
6.5.8 莫尔斯码接收机的单元测试76
6.5.9 莫尔斯码接收机的集成77
6.6 习题78
参考文献78
第7章 处理器间通信79
7.1 引言79
7.2 没有媒质就没有消息79
7.3 位并行和位串行通信80
7.3.1 位串行通信81
7.3.2 位并行通信88
7.4 信号电平89
7.4.1 TTLCMOS电平89
7.4.2 RS-23289
7.4.3 RS-48590
7.5 带限信道上的通信91
7.5.1 有限的带宽和调制解调器91
7.6 红外光通信93
7.7 无线电通信94
7.7.1 RF遥控器95
7.7.2 RF数据链路95
7.7.3 RF网络95
7.8 习题95
参考文献96
扩展阅读96
第8章 微控制器外设97
8.1 访问控制寄存器97
8.2 并行输入输出子系统97
8.2.1 数据方向存储器98
8.2.2 输入输出寄存器98
8.2.3 共享功能引脚99
8.3 定时器子系统99
8.3.1 定时器基础100
8.3.2 定时器溢出100
8.3.3 输出比较101
8.3.4 输入捕获102
8.3.5 基于输入捕获和输出比较的发动机控制103
8.4 脉冲宽度调制(PWM)104
8.5 PWM使用输出比较系统105
8.6 模数(AD)转换器子系统106
8.6.1 AD转换过程106
8.6.2 AD转换器时钟107
8.6.3 自动AD转换处理107
8.7 中断107
8.8 习题108
参考文献108
第三部分 电 子 学
第9章 基本电路分析及无源元件110
9.1 电压、电流和功率110
9.2 电路和地111
9.3 相关定律112
9.4 电阻113
9.4.1 串联电阻和并联电阻114
9.4.2 分压器115
9.5 戴维南等效电路115
9.6 电容116
9.6.1 串联电容和并联电容117
9.6.2 电容和时变信号118
9.7 电感119
9.7.1 电感和时变信号120
9.8 时域法和频域法120
9.9 包含多种元件的电路分析121
9.9.1 基本RC电路结构121
9.9.2 低通RC滤波器的时域特性121
9.9.3 高通RC滤波器的时域特性123
9.9.4 RL电路的时域特性124
9.9.5 低通RC滤波器的频域特性125
9.9.6 高通RC滤波器的频域特性126
9.9.7 直流偏压的高通RC滤波器127
9.10 仿真工具128
9.10.1 仿真工具的局限性128
9.11 实际电压源128
9.12 实际测量129
9.12.1 电压测量129
9.12.2 电流测量130
9.13 实际电阻130
9.13.1 实际电阻模型130
9.13.2 电阻构造基础130
9.13.3 碳膜电阻131
9.13.4 金属膜电阻132
9.13.5 电阻的功耗132
9.13.6 电位器133
9.13.7 电阻的选择134
9.14 实际电容134
9.14.1 实际电容模型135
9.14.2 电容构造基础135
9.14.3 极性和非极性电容136
9.14.4 陶瓷圆盘电容136
9.14.5 多层陶瓷电容(独石电容)136
9.14.6 铝电解电容136
9.14.7 钽电容137
9.14.8 薄膜电容137
9.14.9 双电层电容 电容138
9.14.10 电容标识138
9.14.11 电容的选择140
9.15 习题140
扩展阅读142
0章 半导体143
10.1 掺杂、空穴和电子143
10.2 二极管144
10.2.1 二极管的V-I特性144
10.2.2 Vf的大小145
10.2.3 反向恢复145
10.2.4 肖特基二极管145
10.2.5 齐纳二极管146
10.2.6 发光二极管147
10.2.7 光电二极管147
10.3 双极结型晶体管(BJT)148
10.3.1 复合晶体管对(达林顿对)151
10.3.2 光电晶体管152
10.4 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)152
10.5 如何选择BJT和MOSFET155
10.5.1 何时BJT是 ( )的选择155
10.5.2 何时MOSFET是 ( )的选择155
10.5.3 当MOSFET和BJT均可行时如何选择156
10.6 多晶体管电路156
10.7 查阅晶体管数据表157
10.7.1 查阅BJT数据表157
10.7.2 查阅MOSFET数据表159
10.7.3 应用实例160
10.7.4 各种晶体管电路161
10.8 习题162
扩展阅读166
1章 运算放大器167
11.1 运算放大器的特征167
11.2 负反馈167
11.3 理想运算放大器168
11.4 分析运算放大器电路168
11.4.1 黄金准则168
11.4.2 同相运算放大器结构168
11.4.3 反相运算放大器结构169
11.4.4 单位增益缓冲器171
11.4.5 差分放大器结构172
11.4.6 求和器结构173
11.4.7 跨阻放大器结构174
11.4.8 运算放大器上的计算174
11.5 比较器175
11.5.1 比较器电路176
11.6 习题178
扩展阅读179
2章 实际运算放大器与比较器180
12.1 实际运算放大器的特性――理想假设的失效180
12.1.1 非无穷大增益180
12.1.2 开环增益随频率的变化181
12.1.3 输入电流不为零181
12.1.4 输出电压源的非理想特性182
12.1.5 其他非理想特性183
12.2 查阅运算放大器数据表185
12.2.1 值、 小值和典型值185
12.2.2 数据表首页185
12.2.3 定额186
12.2.4 电气特性187
12.2.5 封装189
12.2.6 典型应用189
12.3 比较器数据表的读取189
12.3.1 比较器封装190
12.4 运算放大器的对比190
12.5 习题192
扩展阅读193
3章 传感器194
13.1 引言194
13.2 传感器输出和微控制器输入194
13.3 传感器设计195
13.3.1 用热敏电阻测量温度195
13.3.2 测量加速度195
13.3.3 传感器性能术语定义196
13.4 基本传感器与接口电路202
13.4.1 开关传感器202
13.4.2 开关接口203
13.4.3 电阻式传感器205
13.4.4 电阻式传感器接口205
13.4.5 电容式传感器208
13.4.6 电容式传感器接口208
13.5 传感器纵览209
13.5.1 光敏元件209
13.5.2 应变传感器215
13.5.3 温度传感器218
13.5.4 磁场传感器222
13.5.5 接近传感器224
13.5.6 位置传感器225
13.5.7 加速度传感器231
13.5.8 压力传感器232
13.5.9 压强传感器233
13.6 习题235
参考文献237
扩展阅读237
4章 信号调理238
14.1 信号调理的基本操作238
14.2 去除偏置238
14.2.1 放大值与偏置的相对值239
14.2.2 交流耦合的偏置去除240
14.3 放大241
14.3.1 直流耦合多级放大241
14.3.2 交流耦合多级放大242
14.4 滤波242
14.4.1 滤波器相关的专业术语242
14.4.2 噪声243
14.4.3 无源滤波器244
14.5 其他信号调理技术245
14.5.1 仪表放大器245
14.5.2 峰值检测246
14.6 实例分析247
14.6.1 幅度信息提取247
14.6.2 定时信息提取248
14.7 习题250
扩展阅读250
5章 有源数字滤波器251
15.1 有源滤波器251
15.1.1 相位延迟251
15.1.2 滤波器响应特性252
15.1.3 有源滤波器的拓扑结构252
15.2 数字技术256
15.2.1 数字滤波256
15.2.2 数字信号处理258
15.2.3 同步采样259
15.3 习题259
参考文献260
扩展阅读260
6章 数字输入输出261
16.1 引言261
16.2 逻辑状态表示261
16.3 数字器件的理想特性261
16.4 数字器件的实际特性262
16.5 查阅数据表263
16.6 数字输入263
16.6.1 输入电压要求264
16.6.2 输入电流要求266
16.6.3 上拉电阻和下拉电阻266
16.6.4 数字输入时序268
16.7 数字输出270
16.7.1 数字输出电压和电流270
16.7.2 数字输出的时序特性271
16.8 输入、输出匹配272
16.8.1 匹配特性评价272
16.8.2 悬空和不确定输入端的上拉和下拉273
16.8.3 不兼容器件276
16.9 习题279
7章 数字输出和电路驱动282
17.1 图腾柱输出282
17.1.1 图腾柱输出特性283
17.2 集电极开路漏极开路输出284
17.2.1 集电极开路漏极开路输出特性285
17.3 三态输出286
17.3.1 三态输出特性286
17.4 低端驱动器287
17.4.1 低端驱动器数据表288
17.5 驱动器288
17.5.1 驱动器数据表289
17.6 半桥和全桥289
17.6.1 击穿电流和死区时间290
17.6.2 H桥数据表290
17.7 温升问题291
17.8 习题293
扩展阅读293
8章 数字逻辑和集成电路294
18.1 基本组合逻辑294
18.1.1 真值表295
18.1.2 用组合逻辑描述微控制器子系统295
18.2 组合逻辑功能实现295
18.2.1 数字比较器296
18.2.2 数字多路复用器296
18.2.3 解码器297
18.3 时序逻辑297
18.4 时序逻辑功能实现298
18.4.1 D触发器298
18.4.2 J-K触发器298
18.4.3 计数器298
18.4.4 移位寄存器300
18.5 逻辑系列300
18.6 基于逻辑器件的微控制器功能扩展301
18.6.1 基于多路复用器的输入功能扩展301
18.6.2 基于解码器的输出功能扩展302
18.6.3 基于移位寄存器的输入功能扩展302
18.6.4 基于移位寄存器的输出功能扩展304
18.6.5 使用SPI子系统与移位寄存器305
18.7 555定时器305
18.7.1 555定时器的内部结构305
18.7.2 非稳态操作306
18.7.3 单稳态操作306
18.7.4 其他用途的555定时器307
18.8 习题307
参考文献308
9章 AD和DA转换器309
19.1 数字域和模拟域的接口309
19.2 连续信号的数字化310
19.3 AD和DA转换器的性能311
19.3.1 理想AD转换器的性能313
19.3.2 AD转换器的误差314
19.3.3 理想DA转换器的性能315
19.3.4 DA转换器的误差316
19.4 DA转换器设计317
19.4.1 基于脉冲宽度调制生成模拟电压317
19.4.2 基于求和放大器的DA转换器317
19.4.3 串行DA转换器319
19.4.4 R-2R阶梯DA转换器320
19.5 AD转换器设计321
19.5.1 单斜率AD转换器和双斜率AD转换器322
19.5.2 并行比较AD转换器323
19.5.3 串并行比较AD转换器324
19.5.4 逐次逼近寄存器AD转换器325
19.5.5 Σ-Δ AD转换器326
19.6 习题327
扩展阅读328
第20章 稳压器、电源和电池329
20.1 引言329
20.2 功率需求与电源329
20.3 稳压器329
20.3.1 稳压器的相关指标与定义330
20.3.2 线性稳压器332
20.3.3 开关稳压器338
20.4 电源343
20.4.1 线性电源343
20.4.2 开关电源345
20.5 电池和电化学单电池347
20.5.1 电池性能和特性349
20.5.2 原电池351
20.5.3 二次电池352
20.5.4 电池的安全和环境问题356
20.6 习题357
扩展阅读358
第21章 噪声、接地和隔离359
21.1 噪声耦合通道359
21.2 传导耦合噪声360
21.2.1 传导耦合通道原型360
21.2.2 减少传导耦合噪声360
21.2.3 减少噪声源的影响：去耦361
21.2.4 减少传导噪声的耦合362
21.2.5 减少接收端的传导噪声：电源滤波362
21.2.6 减少传导噪声的有效方法362
21.3 电容耦合噪声363
21.3.1 电容耦合通道原型363
21.3.2 减少电容耦合噪声364
21.3.3 噪声源电容耦合噪声的消减365
21.3.4 减少电容耦合噪声的耦合365
21.3.5 屏蔽366
21.3.6 减少接收端的电容耦合噪声367
21.3.7 减少电容耦合噪声的有效方法367
21.4 电感耦合噪声368
21.4.1 电感耦合通道原型368
21.4.2 噪声源电感耦合噪声的消减368
21.4.3 减少电感耦合噪声的耦合369
21.4.4 减少接收端的电感耦合噪声369
21.4.5 减少电感耦合噪声的有效方法369
21.5 隔离369
21.5.1 光隔离369
21.5.2 电容隔离371
21.5.3 电感隔离371
21.5.4 隔技术对比371
21.6 习题371
扩展阅读373
第四部分 执 行 器
第22章 永磁有刷直流电机的特性376
22.1 引言376
22.2 次分马力永磁有刷直流电机376
22.3 电气模型379
22.4 反电动势与发电机效应379
22.5 永磁有刷直流电机的特性参数379
22.6 恒定电压特性方程380
22.7 功率特性383
22.8 直流电机效率385
22.9 减速器388
22.10 习题389
参考文献390
扩展阅读390
第23章 永磁有刷直流电机的应用391
23.1 引言391
23.2 电感反冲391
23.2.1 电感反冲小结396
23.3 电机的双向控制396
23.3.1 商用H桥集成电路398
23.3.2 用于大电流的H桥400
23.4 基于脉冲宽度调制的转速控制400
23.5 习题404
参考文献405
扩展阅读405
第24章 螺线管406
24.1 引言406
24.2 螺线管的结构406
24.3 螺线管的性能407
24.4 螺线管的驱动409
24.5 机械响应时间410
24.6 螺线管的应用410
24.7 习题411
扩展阅读414
第25章 无刷直流电机415
25.1 引言415
25.2 无刷直流电机的结构415
25.3 无刷直流电机的运行416
25.3.1 传感换向器417
25.3.2 无传感换向器417
25.4 BLDC 电机驱动418
25.5 无刷直流电机的换向419
25.6 BLDC电机驱动集成电路421
25.7 有刷直流电机和无刷直流电机的对比422
25.8 习题422
扩展阅读423
第26章 步进电机424
26.1 引言424
26.2 步进电机的结构424
26.3 可变反应式步进电机426
26.4 混合式步进电机427
26.5 不同类型步进电机的对比427
26.6 步进电机的内部接线428
26.7 步进电机的驱动429
26.8 步进电机的步进顺序430
26.9 步进电机驱动顺序的产生433
26.10 步进电机的动态特性434
26.11 步进电机性能定义436
26.12 基于驱动部件的步进电机性能优化437
26.13 减速439
26.14 习题440
扩展阅读441
第27章 其他执行器技术442
27.1 引言442
27.2 气动液压系统442
27.2.1 电磁阀443
27.2.2 伺服阀445
27.2.3 气动和液压执行器446
27.3 RC伺服系统449
27.4 压电执行器451
27.4.1 压电执行器的类型452
27.5 形状记忆合金执行器455
27.6 总结458
27.7 习题459
扩展阅读459
第28章 基本闭环控制460
28.1 引言460
28.2 相关术语460
28.3 开环控制461
28.4 开关闭环控制462
28.5 线性闭环控制462
28.5.1 开始设计463
28.5.2 智能化464
28.5.3 干扰抑制466
28.5.4 引入微分控制进一步提高性能468
28.5.5 增益选择469
28.6 系统类型与积分控制的必要性471
28.7 控制环路率的选择472
28.8 ad-hoc法473
28.9 习题475
参考文献477
扩展阅读477
第五部分 机电一体化项目与系统工程
第29章 快速原型制作480
29.1 引言480
29.2 为什么要制作原型样机480
29.3 原型制作理念：搭建或者仿真481
29.4 机械系统的快速原型制作482
29.4.1 实体建模工具482
29.4.2 系统动力学建模482
29.4.3 泡沫塑料板、美工刀、热熔胶483
29.4.4 二维快速成型激光切割机激光刀模机485
29.4.5 廉价的二维快速成型486
29.4.6 凸舌凹槽结构486
29.4.7 玩具行业486
29.4.8 三维快速成型(SLA、SLS、FDM)和软模铸件487
29.5 电气系统的快速原型制作489
29.5.1 原理图和电路仿真工具490
29.5.2 电路原型制作：面包板、绕线和性能板491
29.5.3 PCB原型493
29.5.4 焊接494
29.6 供应商和资源选择496
29.7 习题497
参考文献497
第30章 项目规划和管理498
30.1 引言498
30.2 日益复杂的系统需要过程管理498
30.3 项目规划与实施499
30.3.1 系统需求500
30.3.2 设计备选方案遴选501
30.3.3 设计概念评价：原型和迭代504
30.3.4 规范504
30.4 管理工具505
30.4.1 项目管理505
30.4.2 系统工程507
30.4.3 协同设计507
30.5 沟通与文档化508
30.6 问题与建议509
30.7 习题510
参考文献511
扩展阅读511
第31章 故障排查512
31.1 引言512
31.2 追根溯源找漏洞512
31.3 预防为主，事半功倍514
31.4 如何对待故障排查519
31.5 总结520
31.6 习题520
第32章 机电一体化系统集成与融合521
32.1 引言521
32.2 项目描述521
32.3 系统需求分析522
32.4 设计方案及备选方案523
32.4.1 零号团队的基本设计构想523
32.4.2 Ruff团队的基本设计构想26
32.4.3 备选方案的审查528
32.5 形态图529
32.6 设计概念评价：原型与优化530
32.7 项目实施阶段532
32.7.1 Ruff团队的驱动电机选择532
32.7.2 零号团队的球释放电机选择533
32.7.3 零号团队的信标传感器电路演进533
32.7.4 零号团队的支撑刚度问题534
32.7.5 零号团队的罗盘传感器故障535
32.8 设计成品535
32.8.1 Ruff团队的设计成品535
32.8.2 零号团队的设计成品536
32.9 性能结果537
32.10 学生的智慧结晶537
致谢538
附录A 电阻色码和标称值539
附录B 示例C代码540
附录C 第32章项目描述551