本書在對機電一體化各個領域的基礎知識進行精辟全面的介紹之外，系統論述了有關微控制器編程、數據采集、傳感器、執行器以及機電一體化系統的控制體系等方面的問題，增加了機電系統架構及案例內容。書中每章都引入了課堂討論項目和設計實例，有利于讀者對所學內容的深入思考和運用。本書可作為高等院校現代儀器和測量、電氣和機械工程以及機電一體化等相關專業的教材及教學參考書，同時也可供從事相關專業技術工作的廣大工程技術人員閱讀參考。
前 言方法伴隨著集成電路和計算機的出現，傳統工程學科的典型界限已經變得模糊。在機械與電氣工程領域尤為明顯，今天的產品包含著相互依存的電氣組件和機械組件之間的裝配關系。機電一體化領域擴大了傳統機電領域的范圍。機電一體化的定義為涉及系統分析、設計、合成和選擇的研究領域，其中系統把現代控制和微處理器與電子和機械組件相結合。
本書可用于以下課程的教學：（1）現代儀表測量課程；（2）取代傳統電路和儀器的混合機電工程的課程；（3）獨立的機電一體化課程；（4）機電一體化的第一門課程。第二門課程（即混合課程）有助于減少典型的機械工程課程的課時。第三、四門課程可能包括新的跨學科的課程和發展課程。
目前，許多學科不包括機電一體化課程，但包括其他元素和一些更傳統的課程。機電一體化課程的目的是為學生提供一個集中的跨學科體驗，其中包括傳統課程的重要部分以及現代電子和計算機控制技術的發展。重要的傳統部分包括測量理論、電子電路、計算機接口、傳感器、執行器及機電一體化系統的分析、設計和合成。這種跨學科的方法對學生是有價值的，因為幾乎所有新的工程產品都屬于機電一體化系統。
第4版中的新增內容本書對前一版進行了改進、更新與補充：
●新增部分實際考慮了機電系統的設計和實現，包括電路結構、電氣測量、電源選擇、通用集成電路的設計及PIC微控制器的電路設計。
●擴展了LabVIEW數據采集部分，包括一個完整的音樂采樣示例（具有網絡資源）。
●更多的網站資源，包括整本書引用及描述的網絡鏈接和在線視頻演示。
●可編程序邏輯控制器(PLC)的擴展部分，包括帶有基本示例的梯形邏輯。
●與課堂討論項目所對應的圖像可以幫助激發學生的想象力，使學生產生興趣并提高本書的視覺效果。
●章末的附加問題將給老師和學生提供更多作業和實踐的選擇。
●本書進行了修正和許多小的改進。
主要內容第1章介紹了機電一體化和測量系統的術語。第2章對基本的電氣關系、電氣元件和電路分析進行了回顧。第3章主要涉及半導體電子產品。第4章介紹分析機電一體化和測量系統響應特征的方法。第5章涵蓋了模擬信號處理的基本原理及運算放大器電路的設計與分析。第6章介紹了基本的數字設備和集成電路的使用。第7章介紹了微控制器的編程和接口，特別介紹了PIC微控制器和PicBasic Pro編程。第8章介紹了數據獲取以及如何將計算機與測量系統連接起來。第9章介紹了機電一體化系統中許多常見的傳感器。第10章介紹了用于驅動機電一體化系統的設備。最后，第11章介紹了機電一體化系統的控制架構，并給出了研究案例。同時，第11章還介紹了控制理論及其在機電一體化系統設計中的作用。附錄部分回顧了單位系統的基礎知識、數據統計、誤差分析及材料力學，用以支持和補充書中測量系統的主題。
在本書的編寫和修改過程中難免存在錯誤，盡管作者、編輯和其他相關人員在很大程度上已經注意到這些。發現錯誤時，他們會把錯誤注明在本書的網站：www.mechatronics.colostate.edu/book/corrections_4th_edition.html。讀者購書后可訪問這個頁面來查看本書是否有任何修正記錄。另外，如果讀者對本書未來版本的改進有一些建議和請求，請讓我們知道。作者郵箱：David.Alciatore@colostate edu。
學習工具關于本書教輔資源，只有使用本書作為教材的教師才可以申請，需要的教師可向麥格勞·希爾教育出版公司北京代表處申請，電話010-5799 7618/7600，傳真010-5957 5582，電子郵件instructorchina@mheducation.com 。——編輯注本書中所包含的課堂討論(CDI)可供學生練習，并指導了課堂上的合作學習。每一章后面的練習也可以作為課外作業的補充。很多提示和CDI的部分答案都可以在網站www.mechatronics.colostate.edu中找到。在本書中提供的分析和例子可以提高學生的應用能力。為了加強學生的學習，伴隨本書精心設計了實驗室練習及配合講座。補充的實驗室練習手冊也出于這一目的(有關更多信息，請參見www.mechatronics.colostate.edu/lab_book. html)。課堂討論、設計實例及實驗室練習的結合可以給學生提供一個實用方法，為未來的設計工作提供一個有用的框架。
本書除了分析實例和設計實例以外，還包括漸進設計實例。實例包括微控制器、輸入和輸出設備、傳感器、執行器、電子支持產品和軟件的機電一體化系統。相關的設計材料覆蓋了全書。這樣可以讓學生利用“分而治之”的方法看到一個復雜設計的創建過程。此外，漸進設計幫助學生聯系并感受本書前面部分提出的電路原理和系統響應的價值。第1章的有趣實例應用可以幫助學生了解“整體的框架”。
致謝為了確保本書的準確性，本書已經在科羅拉多州立大學和懷俄明大學經過了課堂測試。感謝這兩所學校的學生，他們在整個過程中為本書提供了有價值的反饋。此外，還要感謝許多評論者及他們有價值的意見。
YangQuan Chen 猶他州立大學Meng-Sang Chew 利哈伊大學Mo-Yuen Chow 北卡羅來納州立大學Burford Furman 圣何塞州立大學Venkat N. Krovi 紐約州立大學布法羅分校Satish Nair
無
目 錄
出版者的話
譯者序
前言
第1章 引言1
1.1 機電一體化1
1.2 測量系統3
1.3 漸進設計實例4
參考文獻7
第2章 電路和元器件8
2.1 引言8
2.2 基本電氣元件10
2.2.1 電阻10
2.2.2 電容12
2.2.3 電感13
2.3 基爾霍夫定律14
2.3.1 串聯電阻電路15
2.3.2 并聯電阻電路16
2.4 電壓源、電流源和儀表18
2.5 戴維南和諾頓等效電路21
2.6 交流電路的分析22
2.7 電路中的功率26
2.8 變壓器27
2.9 阻抗匹配28
2.10 注意事項29
2.10.1 電容信息29
2.10.2 面包板和原型建議30
2.10.3 電壓和電流的測量32
2.10.4 焊接32
2.10.5 示波器34
2.10.6 接地和電氣干擾35
2.10.7 電氣安全37
問題和練習38
參考文獻42
第3章 半導體電子器件43
3.1 引言43
3.2 半導體物理是理解電子器件的基礎43
3.3 結型二極管44
3.3.1 齊納二極管47
3.3.2 穩壓器50
3.3.3 光敏二極管51
3.3.4 二極管電路分析52
3.4 雙極型晶體管53
3.4.1 雙極型晶體管物理特性53
3.4.2 共射極晶體管電路54
3.4.3 雙極型晶體管開關57
3.4.4 雙極型晶體管的封裝59
3.4.5 達林頓晶體管59
3.4.6 光敏晶體管和光隔離器59
3.5 場效應晶體管60
3.5.1 場效應晶體管的特性61
3.5.2 場效應晶體管的符號表示62
3.5.3 MOSFET的應用63
問題和練習64
參考文獻68
第4章 系統響應69
4.1 系統響應簡介69
4.2 幅值線性度70
4.3 信號的傅里葉級數表示70
4.4 帶寬和頻率響應73
4.5 相位線性度76
4.6 信號失真76
4.7 系統的動態特性77
4.8 零階系統78
4.9 一階系統79
4.10 二階系統81
4.10.1 二階系統的階躍響應83
4.10.2 系統的頻率響應84
4.11 系統建模與分析88
問題和練習91
參考文獻94
第5章 使用運算放大器的模擬信號處理95
5.1 引言95
5.2 放大器96
5.3 運算放大器96
5.4 運算放大器的理想模型97
5.5 反相放大器99
5.6 同相放大器100
5.7 加法器102
5.8 差分放大器102
5.9 測量放大器103
5.10 積分器104
5.11 微分器105
5.12 采樣和保持電路105
5.13 比較器106
5.14 實際的運算放大器106
問題和練習113
參考文獻116
第6章 數字電路117
6.1 引言117
6.2 數字表示118
6.3 組合邏輯與邏輯分類120
6.4 時序圖122
6.5 布爾代數122
6.6 邏輯網絡設計124
6.6.1 用文字定義問題124
6.6.2 寫出偽邏輯語句125
6.6.3 寫出布爾表達式125
6.6.4 邏輯與實現125
6.6.5 繪制電路圖125
6.7 確定真值表對應的布爾表達式126
6.8 時序邏輯128
6.9 觸發器128
6.9.1 觸發器的觸發129
6.9.2 異步輸入130
6.9.3 D觸發器130
6.9.4 JK觸發器131
6.10 觸發器的應用132
6.10.1 消除開關抖動132
6.10.2 數據寄存器133
6.10.3 二進制計數器和分頻器133
6.10.4 串行和并行接口134
6.11 TTL和CMOS集成電路134
6.11.1 使用制造商IC數據手冊136
6.11.2 數字集成電路的輸出配置139
6.11.3 TTL和CMOS器件的接口139
6.12 專用數字集成電路140
6.12.1 十進制計數器140
6.12.2 施密特觸發器143
6.12.3 555定時器143
6.13 集成電路系統設計146
問題和練習149
參考文獻154
第7章 微控制器編程和接口155
7.1 微處理器和微型計算機155
7.2 微控制器157
7.3 PIC16F84微控制器159
7.4 PIC編程161
7.5 PicBasic Pro165
7.5.1 PicBasic Pro編程基礎165
7.5.2 PicBasic編程示例171
7.6 使用中斷179
7.7 連接常見的PIC外圍設備182
7.7.1 數字鍵盤182
7.7.2 液晶顯示器184
7.8 與PIC的連接187
7.8.1 PIC數字輸入的連接188
7.8.2 PIC的數字輸出190
7.9 基于微控制器系統的設計方法190
7.10 實際應用的注意事項210
7.10.1 PIC項目的調試過程211
7.10.2 PIC的電源211
7.10.3 電池特性213
7.10.4 其他項目原型和設計方面的注意事項214
問題和練習215
參考文獻216
第8章 數據采集217
8.1 引言217
8.2 量化理論220
8.3 模數轉換221
8.3.1 引言221
8.3.2 模數轉換器223
8.4 數模轉換225
8.5 虛擬儀器、數據采集和控制227
8.6 實際應用中的注意事項228
8.6.1 LabVIEW程序概述229
8.6.2 USB 6009數據采集卡230
8.6.3 創建一個VI和采樣音樂232
問題和練習235
參考文獻235
第9章 傳感器236
9.1 引言236
9.2 位置和速度測量237
9.2.1 接近傳感器和開關237
9.2.2 電位器239
9.2.3 線性可變差動變壓器239
9.2.4 數字光電編碼器241
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