本书第4版延续机电一体化各个领域的基础知识作了较精辟的全面介绍基础上，系统论述了有关微控制器编程、数据采集、传感器、执行器以及机电一体化系统的控制体系等方面的问题，增加了机械电子系统架构及案例。书中每章都引入了课堂讨论题目和设计实例，十分有利于读者对所述内容的深入思考和掌握运用。
　　本书可作为高等院校现代仪器和测量、电气和机械工程以及机电一体化等相关专业的教材和教学参考书，同时也可供从事相关专业技术工作的广大工程技术人员阅读参考。

无

方法
伴随着集成电路和计算机的出现，传统工程学科的典型界限已经变得模糊。在机械与电气工程领域尤为明显，今天的产品包含着相互依存的电气组件和机械组件之间的装配关系。机电一体化领域扩大了传统机电领域的范围。机电一体化的定义为涉及系统分析、设计、合成和选择的研究领域，其中系统把现代控制和微处理器与电子和机械组件相结合。
本书可用于以下课程的教学：（1）现代仪表测量课程；（2）取代传统电路和仪器的混合机电工程的课程；（3）独立的机电一体化课程；（4）机电一体化的第一门课程。第二门课程（即混合课程）有助于减少典型的机械工程课程的课时。第三、四门课程可能包括新的跨学科的课程和发展课程。
目前，许多学科不包括机电一体化课程，但包括其他元素和一些更传统的课程。机电一体化课程的目的是为学生提供一个集中的跨学科体验，其中包括传统课程的重要部分以及现代电子和计算机控制技术的发展。重要的传统部分包括测量理论、电子电路、计算机接口、传感器、执行器及机电一体化系统的分析、设计和合成。这种跨学科的方法对学生是有价值的，因为几乎所有新的工程产品都属于机电一体化系统。
第4版中的新增内容
本书对前一版进行了改进、更新与补充：
●新增部分实际考虑了机电系统的设计和实现，包括电路结构、电气测量、电源选择、通用集成电路的设计及PIC微控制器的电路设计。
●扩展了LabVIEW数据采集部分，包括一个完整的音乐采样示例（具有网络资源）。
●更多的网站资源，包括整本书引用及描述的网络链接和在线视频演示。
●可编程序逻辑控制器(PLC)的扩展部分，包括带有基本示例的梯形逻辑。
●与课堂讨论项目所对应的图像可以帮助激发学生的想象力，使学生产生兴趣并提高本书的视觉效果。
●章末的附加问题将给老师和学生提供更多作业和实践的选择。
●本书进行了修正和许多小的改进。
主要内容
第1章介绍了机电一体化和测量系统的术语。第2章对基本的电气关系、电气元件和电路分析进行了回顾。第3章主要涉及半导体电子产品。第4章介绍分析机电一体化和测量系统响应特征的方法。第5章涵盖了模拟信号处理的基本原理及运算放大器电路的设计与分析。第6章介绍了基本的数字设备和集成电路的使用。第7章介绍了微控制器的编程和接口，特别介绍了PIC微控制器和PicBasic Pro编程。第8章介绍了数据获取以及如何将计算机与测量系统连接起来。第9章介绍了机电一体化系统中许多常见的传感器。第10章介绍了用于驱动机电一体化系统的设备。最后，第11章介绍了机电一体化系统的控制架构，并给出了研究案例。同时，第11章还介绍了控制理论及其在机电一体化系统设计中的作用。附录部分回顾了单位系统的基础知识、数据统计、误差分析及材料力学，用以支持和补充书中测量系统的主题。
在本书的编写和修改过程中难免存在错误，尽管作者、编辑和其他相关人员在很大程度上已经注意到这些。发现错误时，他们会把错误注明在本书的网站：www.mechatronics.colostate.edu/book/corrections_4th_edition.html。读者购书后可访问这个页面来查看本书是否有任何修正记录。另外，如果读者对本书未来版本的改进有一些建议和请求，请让我们知道。作者邮箱：David.Alciatore@colostate edu。
学习工具
关于本书教辅资源，只有使用本书作为教材的教师才可以申请，需要的教师可向麦格劳·希尔教育出版公司北京代表处申请，电话010-5799 7618/7600，传真010-5957 5582，电子邮件instructorchina@mheducation.com 。——编辑注
本书中所包含的课堂讨论(CDI)可供学生练习，并指导了课堂上的合作学习。每一章后面的练习也可以作为课外作业的补充。很多提示和CDI的部分答案都可以在网站www.mechatronics.colostate.edu中找到。在本书中提供的分析和例子可以提高学生的应用能力。为了加强学生的学习，伴随本书精心设计了实验室练习及配合讲座。补充的实验室练习手册也出于这一目的(有关更多信息，请参见www.mechatronics.colostate.edu/lab_book. html)。课堂讨论、设计实例及实验室练习的结合可以给学生提供一个实用方法，为未来的设计工作提供一个有用的框架。
本书除了分析实例和设计实例以外，还包括渐进设计实例。实例包括微控制器、输入和输出设备、传感器、执行器、电子支持产品和软件的机电一体化系统。相关的设计材料覆盖了全书。这样可以让学生利用“分而治之”的方法看到一个复杂设计的创建过程。此外，渐进设计帮助学生联系并感受本书前面部分提出的电路原理和系统响应的价值。第1章的有趣实例应用可以帮助学生了解“整体的框架”。
致谢
为了确保本书的准确性，本书已经在科罗拉多州立大学和怀俄明大学经过了课堂测试。感谢这两所学校的学生，他们在整个过程中为本书提供了有价值的反馈。此外，还要感谢许多评论者及他们有价值的意见。
YangQuan Chen　犹他州立大学
Meng-Sang Chew　利哈伊大学
Mo-Yuen Chow　北卡罗来纳州立大学
Burford Furman　圣何塞州立大学
Venkat N. Krovi　纽约州立大学布法罗分校
Satish Nair　密苏里大学
Ramendra P. Roy　亚利桑那州立大学
Ahmad Smaili　黎马嫩哈里里加拿大大学
David Walrath　怀俄明大学
网络资源
出现在书中的交叉引用资源见网站www.mechatronics.colostate.edu。
下面为所提供的资源:
可以获取在线视频演示。在线视频是Windows媒体(WMV)文件格式的，可以在互联网浏览器中进行浏览。视频显示并描述了电子元器件、机电一体化设备、系统实例及实验室练习演示。

在本书网站上还可找到附加的网络资源链接。这些链接为学生和教师扩大他们的知识面提供了可靠的信息来源。

本书网站还提供了执行分析计算的MathCAD文件。这些文件可以编辑用于执行类似及扩展的分析。它的PDF版本也为那些无法获得MathCAD软件的群体提供了便利。

实验室练习资料可以在与本书匹配的补充的实验室练习手册中找到。实验室手册提供了有用的实践练习，它有助于学生巩固书中的知识，并让学生运用所学的知识。大部分的资源和短视频演示都可以在本书的网站中找到。实验室练习手册的信息，请访问www.mechatronics.colostate.edu/lab_book.html。

在本书的网站上还可找到一些额外的补充资源，包括：一个建议的课程大纲、一个典型的实验室教学大纲、课堂讨论项目提示及其他补充材料。
此外，一个包含所有章节问题答案的加密手册可在网站www.mhhe.com/alciatore中找到。
这些补充材料能够帮助学生和教师将书中的概念运用到实验室或实际情况中，以获取学习经验。

机电一体化

本书是关于电子元器件应用于机械装置中的书籍，对机电一体化各个领域的基础知识作了较精辟的全面介绍，先从简单的电路元器件和半导体器件入手，系统论述了有关电路和电子元件、半导体电子学、模拟信号处理、数字电路、微控制器编程、数据采集、传感器、执行器以及机电一体化系统的控制体系等方面的内容，并着重介绍了传感器、微控制器编程和执行器。每章都引入了课堂讨论题目和设计实例，十分有利于读者对所述内容的深入思考和掌握运用。本书可作为高等院校现代仪器和测量、电气和机械工程以及机电一体化等相关专业的教材和教学参考书，同时也可供从事相关专业技术工作的广大工程技术人员阅读参考。

本书特色
-理论知识扎实，循序渐进地介绍了全面的电气领域基础知识。
-理论与实际结合，着重于机械电子系统的设计和实现。
-扩展了可编程逻辑控制器(PLC)和虚拟仪器数据采集的内容。
-配有设计实例，有助于读者由浅入深地掌握所学知识。

[美]戴维·G. 阿尔恰托雷（David G. Alciatore） 迈克尔·B. 希斯坦德（ Michael B. Histand） 著：无

伴随着集成电路和计算机的出现，传统工程学科的界限已经变得越来越模糊，机械与电子工程领域尤为明显。机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术有机地结合起来，并综合应用到实际中的综合技术。工业生产由“机械电气化”迈入“机电一体化 ”阶段。
工业4.0受益于多学科交叉的机电一体化技术，可以降低不断融合的信息技术和运营技术的复杂性。通过简化设计、调试和运行，机电一体化可以开发出更好的设备。通过让机械设备制造商来调试、编程和连接设备，机械的自我优化、选型合适的先进电动机和变频器系统可以使生产制造和供应链自动化更灵活、效率更高。
本书为学生提供测量理论、电子电路、计算机接口、传感器、执行器及机电整合系统的分析、设计和综合跨学科知识与方法，这种跨学科方法对学生是很有价值的，因为几乎所有新设计的工程产品都属于某一种机电一体化系统。在内容编排上，本书从基础层面向应用层面逐渐深化，初学者可以边学边用，循序渐进。书中提供的大量课堂讨论项目与实际示例，为读者掌握本课程提供了非常有用的帮助。
正是本书的独特性，使我们决定翻译并奉献给读者，希望能为涉及机电一体化专业的本科生提供学习和参考教材，也为从事机电一体化开发应用的工程师提供帮助。
本书由东南大学的贾民平、许飞云、胡建中翻译，其中贾民平负责前言、网络资源的补充材料、第5～8章以及附录的翻译，许飞云负责第1、2、3、9章的翻译，胡建中负责第4、10、11章的翻译。博士生朱林、张菀、鄢小安参与了部分章节的翻译工作。由于时间紧张和译者的水平有限，难免存在偏差和失误，恳请读者批评指正。

出版者的话
译者序
前言
第1章　引言1
　1.1　机电一体化1
　1.2　测量系统3
　1.3　渐进设计实例4
　参考文献7
第2章　电路和元器件8
　2.1　引言8
　2.2　基本电气元件10
　　2.2.1　电阻10
　　2.2.2　电容12
　　2.2.3　电感13
　2.3　基尔霍夫定律14
　　2.3.1　串联电阻电路15
　　2.3.2　并联电阻电路16
　2.4　电压源、电流源和仪表18
　2.5　戴维南和诺顿等效电路21
　2.6　交流电路的分析22
　2.7　电路中的功率26
　2.8　变压器27
　2.9　阻抗匹配28
　2.10　注意事项29
　　2.10.1　电容信息29
　　2.10.2　面包板和原型建议30
　　2.10.3　电压和电流的测量32
　　2.10.4　焊接32
　　2.10.5　示波器34
　　2.10.6　接地和电气干扰35
　　2.10.7　电气安全37
　问题和练习38
　参考文献42
第3章　半导体电子器件43
　3.1　引言43
　3.2　半导体物理是理解电子器件的基础43
　3.3　结型二极管44
　　3.3.1　齐纳二极管47
　　3.3.2　稳压器50
　　3.3.3　光敏二极管51
　　3.3.4　二极管电路分析52
　3.4　双极型晶体管53
　　3.4.1　双极型晶体管物理特性53
　　3.4.2　共射极晶体管电路54
　　3.4.3　双极型晶体管开关57
　　3.4.4　双极型晶体管的封装59
　　3.4.5　达林顿晶体管59
　　3.4.6　光敏晶体管和光隔离器59
　3.5　场效应晶体管60
　　3.5.1　场效应晶体管的特性61
　　3.5.2　场效应晶体管的符号表示62
　　3.5.3　MOSFET的应用63
　问题和练习64
　参考文献68
第4章　系统响应69
　4.1　系统响应简介69
　4.2　幅值线性度70
　4.3　信号的傅里叶级数表示70
　4.4　带宽和频率响应73
　4.5　相位线性度76
　4.6　信号失真76
　4.7　系统的动态特性77
　4.8　零阶系统78
　4.9　一阶系统79
　4.10　二阶系统81
　　4.10.1　二阶系统的阶跃响应83
　　4.10.2　系统的频率响应84
　4.11　系统建模与分析88
　问题和练习91
　参考文献94
第5章　使用运算放大器的模拟信号处理95
　5.1　引言95
　5.2　放大器96
　5.3　运算放大器96
　5.4　运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　测量放大器103
　5.10　积分器104
　5.11　微分器105
　5.12　采样和保持电路105
　5.13　比较器106
　5.14　实际的运算放大器106
　问题和练习113
　参考文献116
第6章　数字电路117
　6.1　引言117
　6.2　数字表示118
　6.3　组合逻辑与逻辑分类120
　6.4　时序图122
　6.5　布尔代数122
　6.6　逻辑网络设计124
　　6.6.1　用文字定义问题124
　　6.6.2　写出伪逻辑语句125
　　6.6.3　写出布尔表达式125
　　6.6.4　逻辑与实现125
　　6.6.5　绘制电路图125
　6.7　确定真值表对应的布尔表达式126
　6.8　时序逻辑128
　6.9　触发器128
　　6.9.1　触发器的触发129
　　6.9.2　异步输入130
　　6.9.3　D触发器130
　　6.9.4　JK触发器131
　6.10　触发器的应用132
　　6.10.1　消除开关抖动132
　　6.10.2　数据寄存器133
　　6.10.3　二进制计数器和分频器133
　　6.10.4　串行和并行接口134
　6.11　TTL和CMOS集成电路134
　　6.11.1　使用制造商IC数据手册136
　　6.11.2　数字集成电路的输出配置139
　　6.11.3　TTL和CMOS器件的接口139
　6.12　专用数字集成电路140
　　6.12.1　十进制计数器140
　　6.12.2　施密特触发器143
　　6.12.3　555定时器143
　6.13　集成电路系统设计146
　问题和练习149
　参考文献154
第7章　微控制器编程和接口155
　7.1　微处理器和微型计算机155
　7.2　微控制器157
　7.3　PIC16F84微控制器159
　7.4　PIC编程161
　7.5　PicBasic Pro165
　　7.5.1　PicBasic Pro编程基础165
　　7.5.2　PicBasic编程示例171
　7.6　使用中断179
　7.7　连接常见的PIC外围设备182
　　7.7.1　数字键盘182
　　7.7.2　液晶显示器184
　7.8　与PIC的连接187
　　7.8.1　PIC数字输入的连接188
　　7.8.2　PIC的数字输出190
　7.9　基于微控制器系统的设计方法190
　7.10　实际应用的注意事项210
　　7.10.1　PIC项目的调试过程211
　　7.10.2　PIC的电源211
　　7.10.3　电池特性213
　　7.10.4　其他项目原型和设计方面的注意事项214
　问题和练习215
　参考文献216
第8章　数据采集217
　8.1　引言217
　8.2　量化理论220
　8.3　模数转换221
　　8.3.1　引言221
　　8.3.2　模数转换器223
　8.4　数模转换225
　8.5　虚拟仪器、数据采集和控制227
　8.6　实际应用中的注意事项228
　　8.6.1　LabVIEW程序概述229
　　8.6.2　USB 6009数据采集卡230
　　8.6.3　创建一个VI和采样音乐232
　问题和练习235
　参考文献235
第9章　传感器236
　9.1　引言236
　9.2　位置和速度测量237
　　9.2.1　接近传感器和开关237
　　9.2.2　电位器239
　　9.2.3　线性可变差动变压器239
　　9.2.4　数字光电编码器241
　9.3　应力与应变测量246
　　9.3.1　电阻应变计246
　　9.3.2　采用惠斯顿电桥测量电阻的变化249
　　9.3.3　应变计测量不同状态下的应力251
　　9.3.4　负载传感器测力254
　9.4　温度测量255
　　9.4.1　玻璃管液体温度计256
　　9.4.2　双金属片256
　　9.4.3　电阻温度计256
　　9.4.4　热电偶256
　9.5　振动和加速度测量260
　9.6　压力和流量测量265
　9.7　半导体传感器和微机电装置265
　问题和练习266
　参考文献268
第10章　执行器269
　10.1　引言269
　10.2　电磁原理270
　10.3　电磁线圈和继电器270
　10.4　电动机271
　10.5　直流电动机275
　　10.5.1　直流电动机的电气方程276
　　10.5.2　永磁直流电动机的动态方程277
　　10.5.3　永磁直流电动机电气控制278
　10.6　步进电动机282
　10.7　选择电动机289
　10.8　液压系统292
　　10.8.1　液压阀293
　　10.8.2　液压执行器295
　10.9　气动系统295
　问题和练习296
　参考文献297
第11章　机电一体化系统——控制架构和案例研究298
　11.1　引言298
　11.2　控制架构299
　　11.2.1　模拟电路299
　　11.2.2　数字电路299
　　11.2.3　可编程序逻辑控制器299
　　11.2.4　微控制器和数字信号处理器300
　　11.2.5　单板计算机301
　　11.2.6　个人计算机301
　11.3　控制理论简介301
　　11.3.1　电枢可控直流电动机301
　　11.3.2　开环响应303
　　11.3.3　直流电动机的反馈控制303
　　11.3.4　控制器经验设计306
　　11.3.5　控制器的实现306
　　11.3.6　结论307
　11.4　案例研究1——肌电控制机械手臂308
　11.5　案例研究2——硬币计数器的设计316
　11.6　案例研究3——机器人步行机的机电一体化设计323
　11.7　各种机电一体化系统的示例327
　问题和练习327
　参考文献327
附录A　测量基础328
附录B　物理原理337
附录C　材料力学340