"* 斯坦福大学授课教师撰写。
* 强调设计。
* 强调数据表阅读。
* 强调模块化设计分析。
* 完整项目开发经验分享。

"

本书是一本讲解机电一体化理论与实践的经典著作。全书分为五个部分32章，前四个部分主要讲解机电一体化涉及的专业知识，第五部分以项目开发为例，介绍机电一体化集成解决方案和组织管理方法。第一部分为概述，主要介绍本书的结构及使用方法。第二部分介绍软件，讨论了微控制器，微控制器的数学和数字操作，编程语言，嵌入式系统的程序结构，软件设计，处理器间通信，以及微控制器外设。第三部分讲解电子学，讨论了基本电路分析及无源元件，半导体，运算放大器，实际运算放大器与比较器，传感器，信号调理，有源数字滤波器，数字输入/输出，数字输出和电路驱动，数字逻辑和集成电路，A/D和D/A转换器，稳压器、电源和电池，以及噪声、接地和隔离。第四部分介绍执行器，讨论了永磁有刷直流电机的特性，永磁有刷直流电机的应用，螺线管，无刷直流电机，步进电机，其他执行器技术，以及基本闭环控制。第五部分讲解机电一体化项目与系统工程，讨论了快速原型制作，项目规划和管理，故障排查，以及机电一体化系统集成与融合。

第一部分概述
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
2.11.1FreescaleMC9S12C32微控制器15
2.11.2MicrochipPIC12F609微控制器17
2.12获取更多信息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高级语言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
7.4.1TTL/CMOS电平89
7.4.2RS-23289
7.4.3RS-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
7.7.1RF遥控器95
7.7.2RF数据链路95
7.7.3RF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
8.5PWM使用输出比较系统105
8.6模数(A/D)转换器子系统106
8.6.1A/D转换过程106
8.6.2A/D转换器时钟107
8.6.3自动A/D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
9.9.4RL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/超级电容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
第10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
10.2.2Vf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是优选(专享)的选择155
10.5.2何时MOSFET是优选(专享)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
第11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
第12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优选值、最小值和典型值185
12.2.2数据表首页185
12.2.3绝对优选定额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
第13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
第14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
第15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
第16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
第17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高端驱动器288
17.5.1高端驱动器数据表289
17.6半桥和全桥289
17.6.1击穿电流和死区时间290
17.6.2H桥数据表290
17.7温升问题291
17.8习题293
扩展阅读293
第18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
18.4.1D触发器298
18.4.2J-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
18.7555定时器305
18.7.1555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
第19章A/D和D/A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
19.3A/D和D/A转换器的性能311
19.3.1理想A/D转换器的性能313
19.3.2A/D转换器的误差314
19.3.3理想D/A转换器的性能315
19.3.4D/A转换器的误差316
19.4D/A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D/A转换器317
19.4.3串行D/A转换器319
19.4.4R-2R阶梯D/A转换器320
19.5A/D转换器设计321
19.5.1单斜率A/D转换器和双斜率A/D转换器322
19.5.2并行比较A/D转换器323
19.5.3串并行比较A/D转换器324
19.5.4逐次逼近寄存器A/D转换器325
19.5.5Σ-ΔA/D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隔离技术对比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
25.4BLDC电机驱动418
25.5无刷直流电机的换向419
25.6BLDC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
27.3RC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
28.8ad-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
29.5.3PCB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
32.4.2Ruff团队的基本设计构想526
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
32.7.1Ruff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
32.8.1Ruff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