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第1章 超低功耗单片机MSP4301

1.1单片机概述1

1.1.1 MSP430系列单片机的特点1

1.1.2 MSP430系列单片机在系统中的应用2

1.2片内主要模块介绍2

1.2.1时钟模块2

1.2.1.1 MSP430F449的3个时钟源可以提供的4种时钟信号3

1.2.1.2 MSP430F449时钟模块寄存器3

1.2.1.3 FLIL＋模块应用举例6

1.2.2低功耗结构7

1.2.2.1系统工作模式7

1.2.2.2低功耗应用原则8

1.2.3 I/O端口8

1.2.3.1 MSP430的端口8

1.2.3.2端口数据输出特性8

1.2.3.3端口P1和P28

1.2.3.4端口P3、P4、P5和P69

1.2.3.5端口COM和S9

1.2.4定时器10

1.2.4.1看门狗定时器10

1.2.4.2定时器A12

1.2.4.3定时器应用举例21

1.2.5液晶驱动25

1.2.5.1 MSP430液晶驱动模块主要特点25

1.2.5.2液晶驱动方法25

1.2.5.3液晶驱动模块应用举例26

1.2.6串行通信模块的异步模式26

1.2.6.1 MSP430串行通信概述26

1.2.6.2异步操作27

1.2.6.3异步通信寄存器29

1.2.6.4异步操作应用举例33

1.2.7模数转换33

1.2.7.1 ADC12结构34

1.2.7.2 ADC12寄存器34

1.2.7.3 ADC12转换模式38

1.2.8 Flash存储器模块40

1.2.8.1 Flash存储器结构41

1.2.8.2 Flash存储器的寄存器及其操作41

1.3典型问题分析45

1.3.1关于MSP430的时钟系统分析45

1.3.2看门狗45

1.3.3按键46

1.3.4 Flash46

1.3.5头文件46

1.3.6一种理解46

1.3.7变量命名46

1.3.8 I/O口的复位46

第2章 电源类47

2.1电源类技术指标与名词解释47

2.1.1技术指标与名词解释47

2.1.1.1指标解释47

2.1.1.2测量名词解释47

2.1.1.3三相电压、电流48

2.1.1.4使用调制方式48

2.1.2常用元器件介绍48

2.1.2.1电阻分类48

2.1.2.2电容分类48

2.1.2.3电感介绍49

2.1.2.4变压器介绍49

2.1.2.5半导体二极管介绍49

2.1.2.6半导体三极管介绍50

2.1.2.7场效应管介绍50

2.1.2.8晶闸管介绍50

2.1.2.9绝缘栅双极晶体管（IGBT）介绍50

2.2直流线性电源50

2.2.1 AC-DC变换整流50

2.2.1.1 AC-DC变换概述50

2.2.1.2按照采用器件的可控性分类介绍51

2.2.1.3电子设计竞赛常用整流电路51

2.2.1.4相控整流电路应用前景51

2.2.2线性直流稳定电源介绍52

2.2.2.1线性直流稳定电源概述52

2.2.2.2串联型稳压电路52

2.2.2.3串联型稳压电路应用52

2.2.2.4串联型集成稳压电路53

2.2.3串联型集成稳压器应用53

2.2.3.1固定三端集成稳压器的应用53

2.2.3.2输出可调三端集成稳压器的应用53

2.2.3.3低压差线性稳压器（LDO）的应用54

2.2.4数控直流电流源设计54

2.2.4.1数控直流电流源要求54

2.2.4.2数控直流电流源设计方案55

2.2.4.3数控直流电流源测试方案设计与误差分析57

2.3开关电源（DC-DC变换技术）58

2.3.1脉宽调制技术（PWM）58

2.3.2非隔离型DC-DC变换58

2.3.2.1降压Buck电路58

2.3.2.2集成降压Buck电路调节器59

2.3.2.3升压型Boost电路61

2.3.2.4集成Boost升压型电路调节器61

2.3.2.5升压-降压型Boost-Buck电路63

2.3.3隔离型DC-DC变换63

2.3.3.1正激式变换器63

2.3.3.2反激式变换器64

2.3.3.3推挽式变换器64

2.3.3.4半桥式变换器65

2.3.3.5全桥式变换器65

2.3.4典型集成开关电源控制器介绍65

2.3.4.1开关电源控制器UC384265

2.3.4.2开关电源控制器SG3525A66

2.3.5开关稳压电源（2007年全国赛E题）67

2.3.5.1题目分析67

2.3.5.2系统总体设计方案及实现方框图67

2.3.5.3硬件电路设计和理论计算68

2.3.5.4软件设计71

2.3.5.5测试方法与数据71

2.3.5.6测试结果分析72

2.3.6高功率因数电源（2008年湖北省赛题）72

2.3.6.1题目分析72

2.3.6.2方案论证73

2.3.6.3总体方案设计75

2.3.6.4电路设计与参数计算75

2.3.6.5软件设计与流程图78

2.3.6.6测试方法与数据78

2.3.6.7测试结果分析79

2.3.7直流电源的均流79

2.3.7.1系统指标分析79

2.3.7.2系统整体框图80

2.3.7.3系统方案论证80

2.3.7.4理论分析82

2.3.7.5硬件电路设计83

2.3.7.6软件设计流程图83

2.3.7.7系统测试方法和测试数据83

2.4逆变电源（DC-AC变换技术）86

2.4.1 SPWM控制技术介绍87

2.4.1.1单极性正弦脉宽调制87

2.4.1.2双极性正弦脉宽调制88

2.4.1.3三相正弦脉宽调制88

2.4.1.4正弦脉宽调制（SPWM）控制信号的生成88

2.4.2三相正弦波变频电源（2005年全国赛G题）89

2.4.2.1题目分析89

2.4.2.2系统总体实现方案及设计框图90

2.4.2.3方案论证与选取91

2.4.2.4理论分析与计算93

2.4.2.5硬件电路的设计与实现94

2.4.2.6系统软件设计97

2.4.2.7系统测试与分析97

2.4.2.8测试结果分析98

2.4.3不间断电源（UPS）介绍99

2.4.3.1后备式UPS99

2.4.3.2在线式UPS99

2.4.4 24V交流单相在线式不间断电源（2008年黑龙江省赛题）100

2.4.4.1题目要求100

2.4.4.2系统介绍101

2.4.4.3方案论证与选择101

2.4.4.4系统整体方案设计102

2.4.4.5理论分析103

2.4.4.6硬件设计104

2.4.4.7程序设计105

2.4.4.8测试方法和数据106

2.4.4.9附录107

2.5光复并网专题介绍108

2.5.1背景介绍108

2.5.2光伏并网发电原理109

2.5.2.1并网动作方式分析109

2.5.2.2并网功率控制理论分析109

2.5.2.3同频同相控制方法110

2.5.3光复并网MPPT（最大功率点跟踪）介绍110

2.5.3.1 MPPT内阻与负载关系分析110

2.5.3.2 MPPT实现方案分析111

2.5.3.3 MPPT控制方法流程111

2.5.4光复并网发电模拟装置（2009年全国赛A题）112

2.5.4.1题目要求及任务112

2.5.4.2系统及功能介绍113

2.5.4.3方案论证113

2.5.4.4系统整体方案框图114

2.5.4.5理论分析与计算114

2.5.4.6电路与程序设计116

2.5.4.7测试方案与测试结果117

2.5.4.8附录119

2.5.5小功率光伏发电并网系统123

2.5.5.1系统任务及要求123

2.5.5.2题目分析与对比125

2.5.5.3系统简介125

2.5.5.4方案论证125

2.5.5.5系统整体设计127

2.5.5.6电路设计和参数计算128

2.5.5.7测试方法与数据129

2.5.5.8测试结果分析130

2.6蓄电池充电电源设计130

2.6.1电池简介131

2.6.1.1铅酸蓄电池131

2.6.1.2镉镍、镍氢蓄电池131

2.6.1.3锂离子电池132

2.6.2电能收集充电器（2009年全国赛E题）132

2.6.2.1系统任务及要求132

2.6.2.2系统介绍133

2.6.2.3方案选择与论证133

2.6.2.4理论分析与计算134

2.6.2.5电路与程序设计135

2.6.2.6测试条件与测试结果136

2.6.2.7实验分析与结论138

2.6.2.8附录138

2.6.3蓄电池充电管理集成芯片138

2.6.3.1镉镍、镍氢电池集成管理芯片138

2.6.3.2铅酸蓄电池管理集成芯片138

2.7 D类功率放大器和AC-AC变换141

2.7.1D类功率放大器141

2.7.1.1 D类功率放大器简介141

2.7.1.2 D类功率放大器的PWM方式141

2.7.1.3 D类功率放大器的开关频率和滤波器频率142

2.7.1.4桥式开关电路142

2.7.1.5集成的D类功率放大电路143

2.7.2 AC-AC变换143

2.7.2.1交流稳压源方案论证144

2.7.2.2 Buck-Boost电路的理论分析与计算144

2.7.2.3主电路拓扑原理分析145

2.7.2.4主回路器件选择与参数设计146

第3章 控制系统147

3.1传感器147

3.1.1传感器分类147

3.1.2霍尔传感器147

3.1.3温度传感器148

3.1.4光电传感器149

3.1.5红外传感器149

3.1.6超声传感器150

3.1.6.1基本原理150

3.1.6.2超声测距原理150

3.1.6.3误差来源和分析152

3.1.6.4注意事项152

3.1.7金属应变片式传感器152

3.1.8接近开关153

3.1.9小结153

3.2控制系统的组成153

3.2.1超声测距153

3.2.1.1发射部分153

3.2.1.2接收部分154

3.2.2红外传感器的应用155

3.2.2.1探测黑线155

3.2.2.2检测点滴速度156

3.2.3光敏电阻探测光源156

3.2.4温度传感器的应用157

3.2.5角度测量模块160

3.2.5.1角度测量方案160

3.2.5.2角度测量电路160

3.2.6直流电机的控制和驱动161

3.2.6.1电源方案161

3.2.6.2电机的驱动电路162

3.2.7步进电机的控制和驱动163

3.2.7.1步进电机控制原理163

3.2.7.2步进电机的驱动电路163

3.2.8语音模块166

3.2.8.1前级通道166

3.2.8.2后向通道167

3.2.9无线收发模块169

3.3算法简介170

3.3.1数字PID控制算法170

3.3.1.1 PID控制系统简介170

3.3.1.2 PID参数控制效果分析171

3.3.1.3 数字PID控制的实现171

3.3.1.4 PID算法的饱和特性172

3.3.1.5 PID参数整定方法173

3.3.2大林算法175

3.3.3模糊控制算法176

3.3.3.1模糊控制概述176

3.3.3.2模糊控制原理176

3.3.3.3模糊控制器设计176

3.3.3.4小结177

3.3.4运动控制算法177

3.3.4.1产生线段的整数Bresenham算法177

3.3.4.2产生圆的整数Bresenham算法178

3.3.5其他控制算法181

3.3.6压缩算法182

3.3.6.1无损压缩182

3.3.6.2有损压缩182

3.3.6.3压缩算法应用184

3.3.7软件滤波184

3.3.7.1限幅滤波185

3.3.7.2中值滤波185

3.3.7.3算术平均滤波185

3.3.7.4递推平均滤波185

3.3.7.5中值平均滤波186

3.3.7.6限幅平均滤波186

3.3.7.7一阶滞后滤波186

3.3.7.8加权递推平均滤波186

3.3.7.9消抖滤波186

3.3.7.10限幅消抖滤波186

3.3.8曲线拟合186

3.3.9控制算法的实际应用187

3.3.9.1悬挂运动控制系统算法分析187

3.3.9.2水温控制系统中的控制算法189

3.4控制类系统设计190

3.4.1简易智能小车190

3.4.1.1电动车具体功能阐述190

3.4.1.2系统整体设计方案190

3.4.1.3理论分析与计算190

3.4.1.4系统设计实现191

3.4.1.5系统软件设计192

3.4.1.6测试结果192

3.4.1.7测试结果分析193

3.4.2悬挂运动控制系统（2003年全国赛题）193

3.4.2.1系统设计指标193

3.4.2.2方案论证194

3.4.2.3系统的总体设计196

3.4.2.4算法分析196

3.4.2.5系统硬件实现196

3.4.2.6系统软件设计197

3.4.2.7系统调试197

3.4.3位移测量装置197

3.4.3.1题目要求197

3.4.3.2方案论证198

3.4.3.3系统总体方案设计及实现框图199

3.4.3.4理论分析与计算199

3.4.3.5主要功能电路设计200

3.4.3.6软件部分设计202

3.4.3.7测试与分析202

3.4.4电梯控制模型204

3.4.4.1题目任务要求与相关指标分析204

3.4.4.2方案论证204

3.4.4.3系统总体方案与实现框图205

3.4.4.4主要功能电路的设计205

3.4.4.5系统软件的设计206

3.4.4.6测试数据与分析206

3.4.4.7测试结果分析208

3.5控制类题目208

3.5.1位移测量装置（2008年湖北省赛A题）208

3.5.2温度自动控制系统2008年湖北省赛D题209

3.5.3电动车跷跷板（2007年全国赛F题）210

3.5.4液体点滴速度监控装置（2003年全国赛F题）212

3.5.5简易智能电动车2003年全国赛E题）213

3.5.6悬挂运动控制系统（2005年全国赛E题）215

第4章 通信类217

4.1通信系统基本知识217

4.1.1调制与解调原理219

4.1.1.1模拟调制与解调219

4.1.1.2数字调制与解调222

4.1.2信道224

4.1.2.1自由空间电波的传播损耗224

4.1.2.2信道容量225

4.1.3差错控制编码225

4.1.4锁相环原理226

4.1.5同步原理227

4.1.5.1载波同步227

4.1.5.2码元同步228

4.1.6通信协议228

4.2通信系统典型电路设计229

4.2.1载波发生电路229

4.2.1.1锁相频率合成229

4.2.1.2单片载波发生电路230

4.2.2调制解调电路232

4.2.2.1 AM（ASK）的产生及解调电路232

4.2.2.2 FM（FSK）的产生及解调电路233

4.2.2.3 PSK的产生及解调电路238

4.2.3功率放大电路240

4.2.4阻抗匹配网络241

4.2.4.1 L型匹配网络241

4.2.4.2π型匹配网络242

4.2.4.3 T型匹配网络242

4.2.4.4传输线变压器242

4.2.4.5软件仿真243

4.2.5滤波器电路244

4.2.6电源电压转换电路245

4.2.7数字锁相环提取位同步信号电路247

4.3通信系统设计实例249

4.3.1单工无线通信系统（2005年全国赛D题）249

4.3.1.1系统设计指标249

4.3.1.2系统设计及方案确定249

4.3.1.3系统实现252

4.3.1.4小结255

4.3.2调频收音机（2001年全国赛F题）256

4.3.2.1系统设计指标256

4.3.2.2系统设计及方案确定256

4.3.2.3系统实现257

4.3.2.4小结259

4.3.3无线识别装置（2007年全国赛B题）260

4.3.3.1系统设计指标260

4.3.3.2系统设计及方案确定260

4.3.3.3系统实现262

4.3.3.4小结264

4.3.4超声数据传输系统265

4.3.4.1系统设计指标265

4.3.4.2系统设计及方案确定265

4.3.4.3理论分析与计算266

4.3.4.4系统实现267

4.3.4.5小结269

4.3.5单路语音处理与传输系统设计269

4.3.5.1系统设计指标269

4.3.5.2系统设计及方案确定270

4.3.5.3理论分析271

4.3.5.4系统实现274

4.3.5.5小结275

第5章 仪器仪表类276

5.1滤波器276

5.1.1有源滤波器的电路分析与实现276

5.1.1.1低通滤波器277

5.1.1.2高通滤波器的设计287

5.1.1.3带通滤波器288

5.1.1.4带阻滤波器289

5.1.1.5双T网络的设计及其应用289

5.1.1.6小结290

5.1.2无源滤波器的电路分析与实现290

5.1.2.1低通滤波器292

5.1.2.2高通滤波器300

5.1.2.3带通滤波器301

5.1.2.4小结304

5.1.3结语305

5.2常用比较器305

5.2.1比较器的选择和使用305

5.2.2低频比较器——LM311307

5.2.3双路低频比较器TLC372308

5.2.4高频比较器TL3016、TL3116310

5.2.5小结311

5.3功率放大器311

5.3.1功率放大器的工作状态312

5.3.1.1甲类功率放大器312

5.3.1.2乙类功率放大器——互补推挽输出313

5.3.1.3甲乙类功率放大器——准互补推挽输出313

5.3.2集成运放THS3091实现功率放大314

5.3.3集成功率放大器TPA2000DX实现音频功率放大314

5.3.4小结315

5.4常用A/D转换芯片317

5.4.1A/D转换器的选择和使用317

5.4.2高精度A/D转换器——ADS1286318

5.4.3高精度A/D转换器——ADS8505320

5.4.4高速A/D转换器——ADS803/ADS805323

5.5常用D/A转换芯片326

5.5.1D/A转换器的分类和应用326

5.5.2高精度D/A转换芯片——TLV5616327

5.5.3高精度D/A转换芯片——TLV5618329

5.5.4高速D/A转换器——DAC90X331

5.6相位测量334

5.6.1移相信源的实现334

5.6.1.1直接数字频率合成（DDS）技术实现移相信源334

5.6.1.2移相网络实现移相信源335

5.6.2相位测量335

5.6.2.1相位-电压转换法335

5.6.2.2计数法336

5.6.2.3DFT相位测量337

5.7频率测量338

5.7.1频率测量的常用方式338

5.7.1.1直接测频法338

5.7.1.2测周法339

5.7.1.3等精度测频法（相关计数测频法）339

5.7.2提高频率测量精度340

5.7.2.1比较器输出影响前级信号的解决方法340

5.7.2.2提高测频精度的方法343

5.8峰值、有效值测量的模拟实现344

5.8.1模拟峰值检波电路344

5.8.2模拟有效值检波344

5.8.3数字峰值测量345

5.8.3.1频谱搬移理论分析346

5.8.3.2双频峰值检波性能论证348

5.8.3.3几种峰值检波电路的比较348

5.8.3.4双频数字峰值检波的灵活变换与改进349

5.8.4数字有效值测量349

5.8.5峰值、有效值测量小结350

5.9压缩编码350

5.9.1无损压缩350

5.9.2有损压缩351

5.9.3自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）352

5.10频谱分析354

5.10.1频谱分析的常用方法354

5.10.2基于FFT的音频信号分析仪（2007年全国赛A题）355

5.10.2.1方案论证与比较355

5.10.2.2系统总体框图355

5.10.2.3理论分析与计算356

5.10.2.4功能电路分析361

5.10.2.5系统软件设计363

5.10.2.6总结364

5.10.3基于扫频外差法的简易频谱分析仪（2005年全国赛C题）364

5.10.3.1方案论证与选择364

5.10.3.2系统总体框图365

5.10.3.3系统重要模块的理论分析与实际设计365

5.10.3.4软件设计368

5.10.3.5结果分析368

5.10.3.6附录368

5.11自动增益控制电路373

5.11.1场效应管和运放实现373

5.11.2 CPU控制实现374

5.11.3 VGA芯片（AD603）实现374

5.12程控放大电路376

5.12.1 VGA芯片（AD603）实现376

5.12.2 乘法器AD835实现377

5.12.3 VCA芯片（VCA822）实现377

5.12.4 PGA芯片（THS7001、THS7002）实现378

5.13集成运算放大器的使用379

5.13.1运算放大器的结构分析379

5.13.2精密型集成运算放大器380

5.13.3宽带集成运算放大器380

5.13.4 AD620的使用及其性能分析381

参考文献383