第1章 超低功耗单片机MSP430 1
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P2 8
1.2.3.4端口P3、P4、P5和P6 9
1.2.3.5端口COM和S 9
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A 12
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 Flash 46
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UC3842 65
2.3.4.2开关电源控制器SG3525A 66
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UPS 99
2.4.3.2在线式UPS 99
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——LM311 307
5.2.3双路低频比较器TLC372 308
5.2.4高频比较器TL3016、TL3116 310
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——ADS1286 318
5.4.3高精度A/D转换器——ADS8505 320
5.4.4高速A/D转换器——ADS803/ADS805 323
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——TLV5616 327
5.5.3高精度D/A转换芯片——TLV5618 329
5.5.4高速D/A转换器——DAC90X 331
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