"* 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。
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书名 | 机电一体化设计导论 |
分类 | 教育考试-大中专教材-大学教材 |
作者 | (美)J.爱德华·卡里尔 等 |
出版社 | 电子工业出版社 |
下载 | ![]() |
简介 | 编辑推荐 "* 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。 " 内容推荐 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。 目录 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 |
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