資源簡介 (共126張PPT)電子控制技術(shù)第三章電子控制系統(tǒng)的信號處理第一節(jié) 數(shù)字信號數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字信號的優(yōu)點(diǎn)傳感器控制部分執(zhí)行器 傳感器將所獲取的信號轉(zhuǎn)換成電信號后,控制部分便對這些信號進(jìn)行分析、比較、判斷、放大、運(yùn)算、傳輸、變換——最后向輸出部分發(fā)出命令,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作。對信號的分析、比較等過程統(tǒng)稱為處理。第一節(jié) 數(shù)字信號數(shù)字信號與模擬信號 電子控制系統(tǒng)中對信號的處理過程是用電子電路來完成的。電子電路所處理的信號有:電動樓梯靜止?fàn)顟B(tài)滑滑梯數(shù)字信號(digital signal)和模擬信號(analog signal)兩類第一節(jié) 數(shù)字信號樓梯滑梯不連續(xù)(離散)連續(xù)第一節(jié) 數(shù)字信號錢江海潮觀察氣溫錢江潮第一節(jié) 數(shù)字信號家電商場產(chǎn)品個數(shù)人口普查第一節(jié) 數(shù)字信號 請判斷,下列量中那些是連續(xù)變化的?哪些是非連續(xù)變化的? 1. 野外環(huán)境的亮度與地下倉庫中的亮度; 2. 人的血壓與人的脈搏; 3. 運(yùn)動員滑冰所滑過的軌跡長度與走過同樣距離所用的步數(shù); 4. 時光的流逝與數(shù)字鐘所顯示的時間的變化。討論第一節(jié) 數(shù)字信號氣象觀察氣溫變化第一節(jié) 數(shù)字信號轎車生產(chǎn)流水線生產(chǎn)量月生產(chǎn)量人日生產(chǎn)量第一節(jié) 數(shù)字信號 信號波形模擬著信息的變化而變化信號稱為模擬信號。 有些非連續(xù)變化的量可以用數(shù)字表示,若用二進(jìn)制來表示這個數(shù),并用高和低兩個電平(level)代表二進(jìn)制數(shù)中的“1”和“0”,則其形成的在高、低電平之間來回跳變的電信號就是通常所說的數(shù)字信號。模擬信號數(shù)字信號00uutt第一節(jié) 數(shù)字信號連續(xù)變化的量用曲線離散數(shù)據(jù)用柱狀或數(shù)字模擬信號:信號在時間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號稱為模擬信號.數(shù)字信號:指幅度的取值是離散的,幅值表示被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。小辭典 電平:在數(shù)宇電路中,電壓(或電流等(的大小分為高、低兩級.例如,TTL電路的劃分方法是:2.4V ~ 5V為高級,而0 V~ 0.8V為低級。 通常將這兩個高、低不同的電壓級(或電流級等)分別稱為高電平和低電平。第一節(jié) 數(shù)字信號馬上行動 1.在上圖所示數(shù)字信號中,高電平代表1,低電平代表0(每1格代表1位二進(jìn)制數(shù),共5位,高位先到),則該信號代表二進(jìn)制數(shù) ,它相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù) 。 2.用示波器觀察半導(dǎo)體收音機(jī)或電視機(jī)音頻輸出口的波形,判斷它是哪一類信號。數(shù)字信號0ut1001119第一節(jié) 數(shù)字信號思考 下列信號中,哪些是模擬信號,哪些是數(shù)字信號? 1. 220V交流電的電壓(交流正弦波電壓); 2. 海洋上船只與船只之間的燈光聯(lián)絡(luò)信號; 3. 手機(jī)短信息信號。 請舉出模擬信號與數(shù)字信號的例子各一個。模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號第一節(jié) 數(shù)字信號馬上行動 請判斷下列各例中哪些適合用1和0表示。 1.舉重比賽中試舉成功與否; 2.學(xué)生的考試成績是否及格; 3.—個人的生與死; 4. —個人是好人還是壞人。合適合適合適不合適第一節(jié) 數(shù)字信號數(shù)字信號的優(yōu)點(diǎn): 數(shù)字信號具有容易處理、處理精度高、便于記錄保存等優(yōu)點(diǎn)。第一節(jié) 數(shù)字信號數(shù)字信號 容易處理 數(shù)字信號只有高、低兩個電平,容易識別,失真和干擾對數(shù)字信號影響小。數(shù)字調(diào)音臺第一節(jié) 數(shù)字信號 演員的歌聲經(jīng)話筒轉(zhuǎn)換成的電信號是模擬信號,一種處理方法是直接放大模擬信號,然后送到揚(yáng)聲器,人們便可欣賞到演員動人的歌喉。由于信號在處理過程中,不可避免地會產(chǎn)生失真并受到各種干擾因素的影響,因而聽眾所到的歌聲也會失真,且伴有“沙沙”的噪音。模擬信號案例分析第一節(jié) 數(shù)字信號 另一種處理方法是先將此信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,處理以后再將數(shù)字信號還原成模擬信號使揚(yáng)聲器發(fā)聲。雖然數(shù)字信號在處理過程中同樣會產(chǎn)生失真,受到干擾,其形狀也會發(fā)生變化,但它所代表的數(shù)字(即“高”和“低”)并未改變。可見數(shù)字信號在處理過程中,受波形失真和干擾的影響很小,所以聽眾能聽到音色逼真,不帶噪音的歌聲。數(shù)字信號案例分析第一節(jié) 數(shù)字信號 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器。模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換第一節(jié) 數(shù)字信號 將模擬信號轉(zhuǎn)換為敷字信號的過程可分為采樣、保持、量化、編碼四步。 采樣:每隔一段時間對模擬信號的幅值抽取樣品,使圖(a)中的模擬信號變成圖(b)中的脈沖信號; 保持:將圖(b)中的脈沖信號變成圖(c)中的階梯信號,以便處理; 量化:將圖(c)巾每個階梯的幅值舍去零頭,保留整數(shù),得到圖(d) ; 編碼:將圖(d) 中每個階梯的幅值對應(yīng)的數(shù)字用二進(jìn)制數(shù)字表示,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,如圖(e) 所示。模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換第一節(jié) 數(shù)字信號圖(a) 圖(b) 圖(c) 圖(d) 圖(e) 數(shù)字信號 處理精度高測量中使用了數(shù)字信號,測量精度比以前用秒表提高了10倍。第一節(jié) 數(shù)字信號數(shù)字信號 便于紀(jì)錄保存由于數(shù)字信號中只有“1”和“0”兩個值,可很方便地用(具有記憶功能的)電路輸出電壓的高和底、電容上電荷的有和無、磁性物質(zhì)的極化方向等方式紀(jì)錄保存,也可用打孔的方法,如穿孔的有和無、光盤利用有無凹坑紀(jì)錄“1”和“0”,還可以直接將“1”和“0”打印在紙上紀(jì)錄保存。但這些方法很少能用來紀(jì)錄保存模擬信號。第一節(jié) 數(shù)字信號 光盤是在塑料母片上用激光“燒”出許多直徑不到1μm,沿光盤圓周方向排列的小坑,有小坑的代表“0”,沒有小坑代表“1”。讀盤時,光盤順時針轉(zhuǎn)動,激光射到光盤面上。依據(jù)小坑的有和無所造成的反射光的有和無分辯出所記錄的信號是“1”還是“0”。小資料第一節(jié) 數(shù)字信號試驗?zāi)康模?br/>做一個對比試驗。試驗準(zhǔn)備:帶光驅(qū)電腦1臺.磁帶錄放機(jī)1臺.示波器1臺.原聲帶1盤.空白錄音帶1盤。試驗過程;1 .將電腦中存放的某段音樂復(fù)制一份,比較復(fù)制件與原件音樂的音色是否有明顯變化。2 .使用錄音機(jī)將原聲帶中的某段音樂翻錄到另一盤錄音帶上.比較原聲帶與翻錄帶的波形是否發(fā)生變化。試驗總結(jié):數(shù)字信號與模擬信號相比有什么優(yōu)點(diǎn) 示波器磁帶錄放機(jī)光驅(qū)電腦小試驗 試驗?zāi)康模?br/> 做一個對比試驗。 試驗準(zhǔn)備: 帶光驅(qū)電腦1臺.磁帶錄放機(jī)臺.示波器1臺.原聲帶1盤.空白錄音帶1盤。 試驗過程; 1.將電腦中存放的某段音樂復(fù)制一份,比較復(fù)制件與原件音樂的音色是否有明顯變化。 2.使用錄音機(jī)將原聲帶中的某段音樂翻錄到另一盤錄音帶上.比較原聲帶與翻錄帶的波形是否發(fā)生變化。 試驗總結(jié): 數(shù)字信號與模擬信號相比有什么優(yōu)點(diǎn) 第一節(jié) 數(shù)字信號練習(xí)用一個發(fā)光二極管制作高、低電平的檢測器。第一節(jié) 數(shù)字信號課堂小結(jié)電子電路所處理的信號有:數(shù)字信號和模擬信號兩類。信號波形模擬著信息的變化而變化信號稱為模擬信號。二進(jìn)制數(shù)中的“1”和“0”,形成在高、低電平之間來回跳變的電信號稱為數(shù)字信號。數(shù)字信號容易處理、處理精度高、便于記錄保存等優(yōu)點(diǎn)。第一節(jié) 數(shù)字信號小活動 馬上行動問題:模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別是什么?舉手搶答:模擬信號是脈沖信號(連續(xù)的),而數(shù)字信號是相位(奇偶)信號(不連續(xù)的)。第三章 電子控制系統(tǒng)的信號處理邏輯門(共4課時)三種基本的邏輯門與非門和或非門第二節(jié) 邏輯門案例分析三人表決器 甲、乙、丙三人參加表決,每人面前有一個按鈕,表決時,按下按鈕表示同意.不按按鈕表示不同意。表決結(jié)果按少數(shù)服從多數(shù)規(guī)則處理,如表決通過則綠色指示燈亮,紅色指示燈不亮;反之,綠色指示燈不亮,紅色指示燈亮。第二節(jié) 邏輯門電子控制系統(tǒng)控制(處理)部分的輸出信號與輸入信號之間存在著一定的邏輯關(guān)系,其中輸出信號對應(yīng)于邏輯結(jié)論,輸入信號對應(yīng)于邏輯前提。 電子控制系統(tǒng)的控制(處理)部分于是依據(jù)各輸出信號與輸入信號之間的邏輯關(guān)系(因果關(guān)系)來處理的。為處理方便,將邏輯前提和邏輯結(jié)論均用字母A、B、C等表示,顯然,這些字母都應(yīng)當(dāng)只有“真”和“假”兩個狀態(tài),且非真即假,非假即真。實現(xiàn)各種邏輯關(guān)系的電路稱為數(shù)字電路(或邏輯電路)。在數(shù)字電路中,“真”用高電子(“1”)表示,“假”用低電子(“0”)表示。“1”和“0”稱為數(shù)字電路的真值或邏輯值。第二節(jié) 邏輯門三種基本的邏輯門 任何復(fù)雜的邏輯關(guān)系都由“與”、“或”、“非”三種基本邏輯關(guān)系組合而成,實現(xiàn)這三種基本邏輯關(guān)系的電路分別稱為與門(AND)、或門(OR)和非門(NOT),它們的輸入信號代表邏輯前提,輸出信號代表邏輯結(jié)論。第二節(jié) 邏輯門思考請列舉在日常生活中常見的與邏輯有關(guān)系的例子 與邏輯關(guān)系舉例: 1.火車在開動時,所有車門必須關(guān)好,如有車門沒關(guān)不能放行。 2.我國婚姻法規(guī)定,男女雙方必須同時到場方可登記結(jié)婚。 3.開學(xué)時班長宜布班級活動計劃:三月份將選擇一個晴朗的星期六去郊游。 4.小明家走廊上有一盞節(jié)能路燈,天黑以后,有人通過并發(fā)出響聲時,燈才亮,其他情況下燈不亮。 5.倉庫的門通常用兩把鎖,由不同的人保管,開門時必須兩個保管人同時到場。與門“所有邏輯前提皆為真時,邏輯結(jié)論才為真”的邏輯關(guān)系稱為“與”邏輯關(guān)系。思考請列舉在日常生活中常見的與邏輯有關(guān)系的例子思考第二節(jié) 邏輯門A B LABL斷通真值表斷斷斷斷通斷斷通通通與門 若令開關(guān)通為真,斷為假;燈亮為真,不亮為假,請判斷該電路是否為與邏輯關(guān)系。馬上行動兩只開關(guān)控制一盞燈亮和滅的電路,在真值表內(nèi)填入燈亮與否的情況。第二節(jié) 邏輯門BAFA B F0 0 00 1 01 0 01 1 1真值表與門波形圖與門邏輯符號第二節(jié) 邏輯門A B F0 0 00 1 01 0 01 1 1A B F假 假 假假 真 假真 假 假真 真 真 真值表的邏輯值用“1”和“0”表示,2個輸入端的與門的真值表如下: 與邏輯關(guān)系在布爾代數(shù)中被定義為邏輯乘法,記作:F=AxB或F=A·B或F=AB稱為與門的邏輯表達(dá)式。第二節(jié) 邏輯門 數(shù)字電路的邏輯關(guān)系常常用波形圖來描述,波形圖記錄門電路的輸人信號或輸出信號的電子隨時間變化的情況,如右圖所示。 右圖小的與門在A和B兩個波形的輸入電壓的作用下,得到如F波形所示的輸出電壓。第二節(jié) 邏輯門 在畫波形圖時,常常省去坐標(biāo)軸,但輸入波形與輸出波形之間的時間必須嚴(yán)格對應(yīng),如下圖中虛線所示。圖中第三個時間區(qū)間,輸入A和輸入B都為1,符合“全高出高”規(guī)則,因而輸出F也為1,其他情況不符合,因而輸出為0。邏輯門馬上行動畫出下面與門的輸出信號波形。&ABFABF畫輸出波形的方法是:(1)按輸入波形的每一個變化畫一條虛線,將時間軸劃分成若干區(qū)間;(2)依據(jù)每個區(qū)間中的輸人邏輯值計算出相應(yīng)的輸出邏輯值;(3)根據(jù)輸出邏輯值畫輸出波形。思考 如果用3只開關(guān)串聯(lián)代替課本第47頁“馬上行動”所示電路中的2只開關(guān)串聯(lián),則該電路是否還代表與邏輯關(guān)系?如果是,請列出其真值表,井畫出其邏輯符號及相應(yīng)于圖示輸入波形的輸出波形。ABC+-ABCLA B CL0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 100000001真值表&L第二節(jié) 邏輯門或門 “邏輯前提中有一個或一個以上為真,邏輯結(jié)論就為真”的邏輯關(guān)系稱為“或”邏輯關(guān)系。例如,到圖書館借書,可以憑本校學(xué)生證也可以憑借書證,兩證中有一個即可,這里的邏輯關(guān)系就是或邏輯關(guān)系。請列舉在日常生活中常見的或邏輯有關(guān)系的例子思考 或邏輯關(guān)系舉例: 1.暑假里,高二(3)班同學(xué)一起到青島去旅游。從上海到青島可以乘火車、汽車,飛機(jī),還可以乘海輪。 2 .高二(1)班教室有3把鑰匙,班主任1把,班長1把,值日生1把,誰先到校都可以開門。 3.小明家樓頂?shù)乃渫ǔT谔旌谝院筮M(jìn)水,但若白天水箱的水用完了也能進(jìn)水。 4.班主任通知開家長會時要求:父親來可以,母親來也可以,父母一起來更好。第二節(jié) 邏輯門或邏輯關(guān)系在布爾代數(shù)中定義為邏輯加法,記作:F = A 十 B稱為或門的邏輯表達(dá)式。ALBA B L斷通真值表斷斷斷通通斷通通通通馬上行動兩只開關(guān)控制一盞燈亮和滅的電路,在真值表內(nèi)填入燈亮與否的情況。A B F0 0 00 1 11 0 11 1 1ABF真值表或門波形圖或門邏輯符號第二節(jié) 邏輯門非門 “邏輯前提為假時邏輯結(jié)論為真,邏輯前提為真時邏輯結(jié)論反而為假”,即邏輯結(jié)論與邏輯前提的邏輯值總是相反的邏輯關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系。記作:F = AF = A 讀作“A非”。非邏輯關(guān)系的真值表如下表所示。從真值表可以看出:0 = 1, 1 = 0 非邏輯的例子如機(jī)場或車站旅客入口處要進(jìn)行安全檢查,帶有易燃易爆物品者不得入內(nèi)。第二節(jié) 邏輯門 若以體溫低于38℃為邏輯前提,則此邏輯前提與進(jìn)單位辦公和進(jìn)觀察室檢查這兩個邏輯結(jié)論之間,哪一個符合非邏輯關(guān)系?思考案例分析 “非典”流行時期,某單位的工作人員進(jìn)單位辦公均必須測體溫,若體溫超過38℃,則不能進(jìn)入單位辦公,且要進(jìn)入觀察室接受其他檢查。這里,體溫超過38℃ ,是邏輯前提,進(jìn)單位辦公和進(jìn)觀察室檢查是兩個邏輯結(jié)論,進(jìn)單位辦公與體溫超過38℃之間是非邏輯關(guān)系,而進(jìn)觀察室檢查與體溫超過38℃之間則不是非邏輯關(guān)系。第二節(jié) 邏輯門ALRA F0 11 0真值表馬上行動 下圖是描述非邏輯關(guān)系的示意圖。請說明在上述案例中.應(yīng)對邏輯前提A的邏輯結(jié)論L的真和假如何規(guī)定,才能符合非邏輯關(guān)系的定義 為什么 A:開關(guān)合上為真; L:燈亮為真。因為開關(guān)合上時,燈被開關(guān)短路,燈不亮;開關(guān)斷開時,燈才亮。第二節(jié) 邏輯門A F0 11 0AF真值表非門波形圖非門邏輯符號第二節(jié) 邏輯門案例分析 分析本節(jié)開始的三人表決器案例,輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系應(yīng)該怎樣表達(dá),可用哪些門電路實現(xiàn)。第二節(jié) 邏輯門 該表決器有3個輸入端,用A、B、C分別代表甲、乙、丙投票人,它們各在投贊成票時為1,不投贊成票時為0;有2個輸出端,用L1表示表決通過(綠色指示燈亮),L2表示表決不通過(紅色指示燈亮)。 根據(jù)它們之間的邏輯關(guān)系,能使LI為1的情況有4種:甲、乙同意,乙、丙同意,甲、丙同意和甲、乙、丙3人都同意。將這4種情況分別用∫1、∫2、∫3和∫4代表,顯然: 只有A、B同為1時∫1才為1,所以∫1= A x B; 只有B、C同為1時∫2才為1,所以∫2= ; 只有A、C同為I時∫3才為1.所以∫3= ; 只有A、B、C同為1時∫4才為1.所以∫4= : 上述4種情況中只要有一種或一種以上滿足,綠色指示燈就亮,因此L1與∫1、∫2、∫3、∫4之間符合或邏輯關(guān)系。 即L1= 。 ∫1、∫2、∫3、∫4分別用4個與門實現(xiàn),L1用一個或門實現(xiàn)。 至于代表紅色指示燈亮的輸出L2,因為它與輸出L1,是相反的,所以L2= 。BxCAxCAxBxC∫1 x ∫2 x ∫3 x∫4=AB+BC+AC+ABCL4第二節(jié) 邏輯門第二節(jié) 邏輯門L4=ABC與非門和或非門 “與非”關(guān)系和“或非”關(guān)系是從三種基本邏輯關(guān)系推演出來的復(fù)合邏輯關(guān)系.實現(xiàn)這兩種邏輯關(guān)系的門電路分別稱為與非門(NAND)和或非門(NOR)。 與非門的真值表和與門的真值表巾的輸出邏輯值完全相反:與門的邏輯關(guān)系是“全高出高,有低出低”,而與非門的邏輯關(guān)系則是“全高出低,有低出高”,因此其邏輯關(guān)系相當(dāng)于在與門后面再接一只非門。第二節(jié) 邏輯門A B F0 0 10 1 11 0 11 1 0真值表與非門波形圖第二節(jié) 邏輯門A B F0 0 10 1 01 0 01 1 0真值表或非門波形圖ABF第二節(jié) 邏輯門練習(xí) 1.在MuItisim2001(DEMO)或電路試驗板上完成電子門鈴的試驗。 2.將第1題中的控制信號換成頻率為1Hz的方波信號。 3.在第2題的基礎(chǔ)上,將蜂鳴器改為示波器,并將控制信號的頻率改為80Hz,同時觀察與非門的輸入波形與輸出波形,記錄在紙上。第二節(jié) 邏輯門課堂小結(jié)數(shù)字電路是一種能夠方便地處理“1”和“0”兩種狀態(tài)的電路。與門、或門和非門是三種基本邏輯門電路。通過學(xué)習(xí)能填寫三種基本邏輯門電路的真值表,能畫出波形圖。知道與非門、或非門的電路符號及各自的邏輯關(guān)系,會填寫它們的真值表,能畫出波形圖。第二節(jié) 邏輯門普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 通用技術(shù) 選修1第三章 電子控制系統(tǒng)的信號處理數(shù)字集成電路(共2課時)晶體三極管的開關(guān)特性及其在數(shù)字電路中的應(yīng)用常用數(shù)字集成電路的類型第三節(jié) 數(shù)字集成電路晶體三極管的開關(guān)特性cbeNPNRbIcIsRc第三節(jié) 數(shù)字集成電路 NPN型晶體管。電阻Rb為基極電阻,電阻Rc為集電極電阻,晶體三極管T的基極b起控制的作用,通過它來控制開關(guān)開閉動作,集電極c及發(fā)射極e形成開關(guān)兩個端點(diǎn),由b極來控制其開閉,c、e兩端的電壓即為開關(guān)電路的輸出電壓V0。當(dāng)輸入電壓V1為高電平時,晶體管導(dǎo)通,相當(dāng)于開關(guān)閉合,所以集電極電壓Vc≈0,即輸出低電平,而集電極電流ic≈VCC/RC。當(dāng)輸入電壓Vc為低電平時,晶體管截止,相當(dāng)于開關(guān)斷開,所以得集電極電流iC≈0,而集電極電壓Vc≈VCC,即輸出為高電平。這就是晶體三極管的理想穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性。第三節(jié) 數(shù)字集成電路 數(shù)字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導(dǎo)體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路中包含的門電路或元、器件數(shù)量,可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成(SSI)電路、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成(LSI)電路、超大規(guī)模集成VLSI電路和特大規(guī)模集成(ULSI)電路。晶體三極管的開關(guān)特性及其數(shù)字電路中的應(yīng)用第三節(jié) 數(shù)字集成電路 在數(shù)字電路中,用電平的高和低來代表邏輯1和邏輯0。不同類型的邏輯電路,其高、低電子的電壓值有不同的界定規(guī)則。晶體三極管的開關(guān)特性及其數(shù)字電路中的應(yīng)用第三節(jié) 數(shù)字集成電路在右圖所示用電阻和開關(guān)構(gòu)成的電路中,開關(guān)閉合,開關(guān)所呈現(xiàn)的電阻為0,使得開關(guān)兩端的電壓也就是輸出電壓為0,輸出低電平;反之,若開關(guān)斷開,因為電阻R上沒有電流流過,R上的電壓為0,所以輸出電壓等于電源電壓,即輸出高電平。因此,用開關(guān)可以實現(xiàn)高、低電平,這是構(gòu)成門電路的基礎(chǔ)。第三節(jié) 數(shù)字集成電路門電路中的開關(guān)不能使用機(jī)械開關(guān),因為機(jī)械開關(guān)不僅體積大、壽命短、操作不方便,而且開關(guān)的速度低。在現(xiàn)代高速電子控制系統(tǒng)中,開關(guān)每秒可能要開合上億次,機(jī)械開關(guān)是絕對無法勝任的,必須使用電子開關(guān),即用晶體管或MOS管(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)做成的開關(guān)。例如,用晶體三極管代替圖中開關(guān)得到的電路如右圖所示。第三節(jié) 數(shù)字集成電路試驗?zāi)康模?br/>觀察晶體三極管的開關(guān)特性。試驗準(zhǔn)備:晶體三極管3DK4C 1只,10kΩ、2.2kΩ電阻各1只,3V(或5V)電源1只,多用電表。小試驗第三節(jié) 數(shù)字集成電路試驗過程:在電路試驗板上按圖搭接電路,并在下列各空格處填入試驗結(jié)果。(1)將輸入端接地,用多用電表測量電阻Rc兩端的電壓Ur= V,此時晶體三極管集電極的電流Ice (填“很大”或“很小”),三極管處于 (填“導(dǎo)通”或“截止”)狀態(tài);三極管集電極c與發(fā)射極e之間的電壓Uce= V,屬于 (填“高”或“低”)電平。(2)將輸入端接3V電壓,用多用電表測量電阻Rc兩端的電壓Ur= V,此時晶體三級管集電極的電流Ice (填“很大”或“很小”),三極管處于 (填“導(dǎo)通”或“截止”)狀態(tài);二極管集電極c與發(fā)射極e之間的電壓Uce= V,應(yīng)屬于 (填“高”或“低”)電平。(3)用發(fā)光二極管高、低電平檢測器檢測(1)、(2)兩種情況下電路的輸入端和輸出端,判斷該電路的邏輯功能。試驗總結(jié):晶體三極管是否可以當(dāng)做開關(guān)使用?為什么?0很小截止3高2.8很大導(dǎo)通0.2低第三節(jié) 數(shù)字集成電路 晶體三極管存在截止和飽和兩種狀態(tài)。截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于開關(guān)斷開,飽和狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)閉合,因而可以當(dāng)作開關(guān)使用,其條件與現(xiàn)象是:飽和:條件——輸入信號足夠大(高電平);現(xiàn)象——三極管流過的電流較大,而集電極與發(fā)射極之間的電壓只有0.2V左右(低電平)。截止:條件——輸人信號足夠小(低電平);現(xiàn)象——三極管沒有電流流過,集電極與發(fā)射極之間的電壓與電源電壓相近(高電子)。 由于加到三極管基極的信號不是高電平,就是低電平,因此晶體三極管工作于開關(guān)狀態(tài),即不是工作于飽和狀態(tài),就是工作于截止?fàn)顟B(tài)。我們通常稱這種信號為開關(guān)信號(即數(shù)字信號)。晶體三極管的開關(guān)效應(yīng)第三節(jié) 數(shù)字集成電路 另一種常作為門電路中開關(guān)使用的器件是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體三極管,即MOS管,它和雙極型晶體三極管一樣也有三個極:源極S、柵極G和漏極D。這三個極和雙極型晶體三極管的各電極的對應(yīng)關(guān)系是: 源極相當(dāng)于發(fā)射極,通常接地; 漏極相當(dāng)于集電極,通常通過電阻接電源; 柵極相當(dāng)于基極,用來控制漏極電流的大小。 普通晶體三極管是電流控制的器件,即基極必須注入電流方能使三極管導(dǎo)通,而MOS管屬于電壓控制器件,在其柵極與源極之間加適當(dāng)?shù)碾妷壕湍苁筂OS管導(dǎo)通,MOS管在開關(guān)信號的作用下,也有導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài),因而也可做開關(guān)使用。場效應(yīng)晶體三極管的開關(guān)效應(yīng)第三節(jié) 數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路的類型 數(shù)字集成電路有多種類型,最常用的有TTL和CMOS兩種。TTL與CMOS部分參數(shù)對照第三節(jié) 數(shù)字集成電路 CMOS器件與TTL器件的邏輯電平和電路的輸出能力不一樣,因此兩種類型的集成電路通常不能在同一個電路中使用,如需同時使用,要在它們之間加上電平轉(zhuǎn)換電路。 TTL(晶體管—晶體管邏輯)是用普通晶體三極管構(gòu)成的集成電路,與CMOS相比,其運(yùn)行速度較快,允許負(fù)載流過的電流較大,但消耗功率較大。 CMOS(互補(bǔ)MOS電路)電路是用MOS管構(gòu)成的集成電路,在工作時消耗的功率最低,但工作速度較TTL的低,允許負(fù)載流過的電流較TTL的小。 數(shù)字集成電路TTL和CMOS管的特點(diǎn)第三節(jié) 數(shù)字集成電路特點(diǎn)CMOS 運(yùn)行速度較快,允許負(fù)載流過的電流較大,但消耗功率較大。TTL 工作時消耗的功率最低,但工作速度較TTL的低,允許負(fù)載流過的電流較TTL的小。常用邏輯門電路的型號第三節(jié) 數(shù)字集成電路部分常用集成邏輯門的引腳圖第三節(jié) 數(shù)字集成電路邏輯門電路符號圖(非門、與門、與非門、或門、異或門)第三節(jié) 數(shù)字集成電路馬上行動 在電路試驗板上測量TTL非門CT74LS04和CMOS非門CC4069的輸出電平值,并填入下表。3.7V5V0.2V0V第三節(jié) 數(shù)字集成電路小資料第三節(jié) 數(shù)字集成電路 請在電路試驗板上搭接圖所示電路,其中,VA、VB、VC、VD分別是CC4011中的四個與非門。VA和VB組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,當(dāng)光線變暗,使RG的數(shù)值大到一定程度時,從10腳會出現(xiàn)一個寬度(持續(xù)時間)一定的高電平,其持續(xù)時間tw約為0.7C1·R1。VC、VD組成多諧振蕩器,在2腳為高電平時,多諧振蕩器將產(chǎn)生周期性矩形波,其周期約等于1.4C2·R3。 用手遮一下光敏電阻RG(MG4),聽蜂鳴器嗚叫的聲音,記錄嗚叫持續(xù)的時間。 討論:該電路有何用途 第三節(jié) 數(shù)字集成電路 COMS器件較容易損壞,使用時要注意保護(hù),如電源的極性不能接反。焊接時,最好將烙鐵的電源切斷等。第三節(jié) 數(shù)字集成電路焊接 焊接的實質(zhì):利用熱能將兩金屬原子間加速擴(kuò)散,由于冷卻金屬 原子間產(chǎn)生吸引力,使焊錫金屬牢固地結(jié)合兩被焊金屬。 錫焊的特征:焊錫和元件之間呈浸潤狀態(tài)。焊接集成電路要注意焊接技術(shù)第三節(jié) 數(shù)字集成電路1. 加熱正確焊接第三節(jié) 數(shù)字集成電路正確焊接1.加熱第三節(jié) 數(shù)字集成電路2.加焊錫(松香)正確焊接第三節(jié) 數(shù)字集成電路正確焊接2.加焊錫(松香)第三節(jié) 數(shù)字集成電路正確焊接3.撤離第三節(jié) 數(shù)字集成電路3.撤離正確焊接第三節(jié) 數(shù)字集成電路正確焊接3.撤離第三節(jié) 數(shù)字集成電路正確焊點(diǎn):光潔的圓錐體形,大小適中。第三節(jié) 數(shù)字集成電路焊錫用量過多。第三節(jié) 數(shù)字集成電路焊錫用量太少。第三節(jié) 數(shù)字集成電路有毛刺;加熱時間控制不當(dāng)。第三節(jié) 數(shù)字集成電路焊接的要點(diǎn):1.控制焊錫用量。2.控制加熱時間。焊接第三節(jié) 數(shù)字集成電路課堂小結(jié)通過學(xué)習(xí)了解晶體三極管的開關(guān)特性及其在數(shù)字電路中的應(yīng)用。知道常見的數(shù)字集成電路有TTL和CMOS兩種類型及其基本性能。并初步嘗試用數(shù)字集成電路安裝簡單的實用電路裝置。第三節(jié) 數(shù)字集成電路普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 通用技術(shù) 選修1第三章 電子控制系統(tǒng)的信號處理數(shù)字電路的應(yīng)用(共4課時)數(shù)字自動售貨機(jī)自動取款機(jī)自動售貨機(jī)自動咖啡機(jī)數(shù)字測重器用門電路實現(xiàn)邏輯關(guān)系觸發(fā)器及其在電子控制系統(tǒng)中的作用第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 數(shù)字電路的基本單元電路是門電路和觸發(fā)器,觸發(fā)器又是由門電路構(gòu)成的;在數(shù)字電路中,門電路用于實現(xiàn)各種邏輯關(guān)系,觸發(fā)器用于存儲數(shù)據(jù):任何復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)中的控制部分都可用數(shù)字電路實現(xiàn)。用門電路實現(xiàn)邏輯關(guān)系案例分析 普通電子秤上顯示的價格的最小單位是“分”。小明想在秤上加一個四舍五入的電路,能自動對電子秤顯示的“分”值作四舍五入處理,使顯示的最小值為“角”。請你幫他設(shè)計此電路。 設(shè)計數(shù)字電路的步驟是:(1)對電路的輸入端、輸出端的名稱及其所代表的邏輯含義加以指定;(2)根據(jù)能使輸出為1的條件,分析其輔出與輸入之間的邏輯關(guān)系;(3)將上述邏輯關(guān)系用邏輯表達(dá)式表示;(4)選擇合適的數(shù)字集成電路和其他有關(guān)器件搭接此電路。按上述步驟,對該案例設(shè)計步驟的前兩步分析如下:第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用第一步: 由于在電子秤中,每1位十進(jìn)制數(shù)是用4位二進(jìn)制數(shù)表示的,所以電路應(yīng)有4個輸入C8、C4、C2、C1,它們對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為N。電路應(yīng)有1個輸出C0,它代表“分”向“角”的進(jìn)位。當(dāng)N≤4時,C0為0;當(dāng)N≥5時,C0為1。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用第二步:從表中可以看出,能使輸出C0為1的條件有3種情況;(1)只要C8為1,如N=8和N=9時,C0一定為l;(2)若C4和C1同為1,如N=5和N=7時, C0=1;(3)若C4和C2同為1,如N=6和N=7時,C0=1。請按設(shè)計步驟完成第三步、第四步設(shè)計。其中,輸入信號可照右圖方法用一個單刀雙擲開關(guān)獲得;輸出可用發(fā)光二極管作指示,F(xiàn)=1時,發(fā)光二極管發(fā)光。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用觸發(fā)器及其在電子控制系統(tǒng)中的作用基本觸發(fā)器的記憶作用在數(shù)字電路中常常需要將某個信號(電平)保持一段時間。基本觸發(fā)器邏輯圖基本觸發(fā)器波形觸發(fā)器(能夠存儲1位二值信號的基本單元電路統(tǒng)稱為觸發(fā)器。)第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 數(shù)字電路中能將二進(jìn)制數(shù)據(jù)記憶住的基本單元電路稱為觸發(fā)器,其中最簡單的—種稱為基本觸發(fā)器,通常由2只或非門(或2只與非門)交叉連接構(gòu)成。任何觸發(fā)器都有2個輸出端Q和 Q,正常情況下Q和Q總是反相的,即不是(Q=0,Q=1)就是(Q=1,Q=0)。 (Q=0,Q=1)稱為O狀態(tài), (Q=1,Q=0)稱為1狀態(tài)。基本觸發(fā)器有2個輸入端S和R,S(set)稱為置位端或置1端,R(reset)稱為復(fù)位端或置0端。若S端加觸發(fā)信號(高電平),R端不加觸發(fā)信號,即S=1,R=O,基本觸發(fā)器被置于1狀態(tài),此過程稱為置1;若R端加觸發(fā)信號(高電平),S端不加觸發(fā)信號,即S=0,R=1,基本觸發(fā)器被置于O狀態(tài).此過程稱為置0。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用—————— 無論置1還是置0,當(dāng)觸發(fā)信號結(jié)束后,即S和R的輸入都是低電平時.基本觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。由此可見,基本觸發(fā)器具有記憶作用(也稱存儲作用),能存儲1位二進(jìn)制信息(即能存儲一個1或0)。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用案例分析第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用思考 下圖所示的基本觸發(fā)器在我們觀察的時刻之前曾在哪一端加過觸發(fā)信號? 基本觸發(fā)器的兩個輸入端通常不應(yīng)都加觸發(fā)信號(高電平),基本觸發(fā)器輸出與輸入之間的關(guān)系如上表所示。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用S=0,r=1試驗?zāi)康模?br/> 熟悉基本觸發(fā)器的功能。試驗準(zhǔn)備: CT74LS00 1片,電位器1只,電阻6只;發(fā)光二極管1只。試驗過程: 按電路圖搭接電路,調(diào)節(jié)Ui使其由0變大,觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況,并記錄發(fā)光二極管狀態(tài)變化時的Ui值。 當(dāng)發(fā)光二極管狀態(tài)變化后,再將Ui由大變小,觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況,并記錄發(fā)光二極管狀態(tài)改變時的Ui值。小試驗第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用SRQ Ui S R Q初始滑動變阻器上移滑動變阻器下稱低 低 高 高變高 高 低 低變低 低 高 高 初始Ui約為0V,此時發(fā)光二極管亮。 Ui由小到大時,狀態(tài)改變時的Ui約為3.2V,燈滅,以后一直保持滅,直至Ui=6V。 Ui由大到小時,狀態(tài)改變時的Ui約為1.6V,燈亮,直至Ui回到Ui=0V。1. Ui<1.6V時,觸發(fā)器置1,Ui>3.2V時,觸發(fā)器置0。2. 當(dāng)1.6V<Ui<3.2V,觸發(fā)器處于保持(記憶)狀態(tài)。經(jīng)過改造可用于有上、下限控制要求的水位、溫度等控制電路中,如水位低于某值進(jìn)水,水位高于某值停止進(jìn)水等。 試驗記錄: 初始狀態(tài)(Ui=0),發(fā)光二極管狀態(tài) 。 發(fā)光二極管狀態(tài)改變時的Ui 。 發(fā)光二極管狀態(tài)再次改變時的Ui 。 試驗總結(jié): 1.該電路是如何體現(xiàn)基本觸發(fā)器功能的 2.該電路有何用途 第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用閱 讀 用兩個與非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器。 用兩個與非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器的觸發(fā)信號是低電平,即用0來觸發(fā)。 當(dāng)置1端S加觸發(fā)信號,置0端R不加觸發(fā)信號,即S=0,R=1時,基本觸發(fā)器置1; 當(dāng)置0端R加觸發(fā)信號,置1端S不如觸發(fā)信號,即R=0,S=1時,基本觸發(fā)器置0; 當(dāng)兩輸入瑞皆不如觸發(fā)信號,即S=1,R=1時,基本觸發(fā)器狀態(tài)不變,處于記憶狀態(tài)。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用---------- 用兩個與非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器的功能表和波形圖都不同于用或非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器,但它們在電子控制系統(tǒng)中的作用是一樣的。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用常用集成觸發(fā)器 常用集成觸發(fā)器是由基本觸發(fā)器加控制電路構(gòu)成的。 最常用的兩種集成觸發(fā)器是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器。 D觸發(fā)器有兩個輸入端D和C,D是數(shù)據(jù)輸入端,被存儲的數(shù)據(jù)加在此處;C是時鐘輸入端,控制數(shù)據(jù)的存儲操作:通常在C端加時鐘信號CP(clock pulse)。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 下圖所示觸發(fā)器邏輯符號的時鐘輸入端有一個“>”符號,表示將數(shù)據(jù)存入觸發(fā)器的操作是在時鐘信號的上升沿(即由0變1的時刻)發(fā)生的,如圖中的t1時刻,時鐘信號由0變1,此時加在D端的信號為l,則觸發(fā)器的狀態(tài)變?yōu)?,數(shù)據(jù)1就被存進(jìn)了觸發(fā)器。在下一個時鐘信號的上升沿(t2時刻)到達(dá)以前,無論加在D端的信號有何變化,觸發(fā)器的狀態(tài)都保持不變,體現(xiàn)了觸發(fā)器的記憶功能。在t2時刻,CP信號又一次由0變1,此時加在D端的信號值為0,因而觸發(fā)器的狀態(tài)變?yōu)?,數(shù)據(jù)0被存進(jìn)了觸發(fā)器。 由此可見,D觸發(fā)器的狀態(tài)每個時鐘周期變化一次,根據(jù)前一周期(第n周期)結(jié)束時,即時鐘脈沖上升沿到來前瞬間的D值(D),確定下一周期(第n+1周期)的狀態(tài)Q 。第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用D觸發(fā)器輸入 輸出RD CP D Q Q1 X X 0 10 ↑ 1 00 ↑ 0 0 1第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用JK觸發(fā)器 JK觸發(fā)器的輸入端J和K,其作用類似基本觸發(fā)器的S和R,是確定觸發(fā)器狀態(tài)的依據(jù)。時鐘信號輸入端C,因為在此端畫了一個“○”,表明只有在時鐘脈沖的下降沿(即由1變0的時刻),觸發(fā)器的狀態(tài)才由J和K確定,而在相鄰兩個時鐘脈沖的下降沿之間,觸發(fā)器的狀態(tài)都保持不變。閱讀第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用JK觸發(fā)器輸入 輸出SD RD CP J K Q Q1 0 X X X 1 00 1 X X X 0 11 1 X X X 禁用0 0 ↑ 0 0 保持0 0 ↑ 1 0 1 00 0 ↑ 0 1 0 10 0 ↑ 1 1 翻轉(zhuǎn)0 0 0 X X 保持第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用知識搶答競賽搶答器的應(yīng)用第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用搶答器的設(shè)計第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 數(shù)字信號較之模擬信號有很多優(yōu)點(diǎn),因而數(shù)字電路得到越來越多的應(yīng)用。與、或、非是三種最基本的邏輯關(guān)系,用這三種基本邏輯關(guān)系可以組成各種復(fù)雜的邏輯關(guān)系;日常的各種因果關(guān)系皆可用邏輯關(guān)系描述,并用數(shù)字電路來實現(xiàn),這是電子控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。晶體三極管(MOS管)在開關(guān)信號作用下存在截止和飽和兩種輸出狀態(tài),等效于一個開關(guān),可以構(gòu)成各種門電路。常用的邏輯器件有TTL和CMOS兩類,它們各有優(yōu)、缺點(diǎn),應(yīng)根據(jù)對電子控制系統(tǒng)的要求合理地選用。電子控制系統(tǒng)控制(處理)部分的電路,應(yīng)在仔細(xì)分析控制要求的基礎(chǔ)上,按照其邏輯關(guān)系來設(shè)計,其中門電路用于實現(xiàn)各種邏輯關(guān)系,觸發(fā)器用于存儲數(shù)據(jù),它們是數(shù)字電路中必不可少的單元電路。課堂小結(jié)第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用改進(jìn)第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 在電路試驗板上用4個D觸發(fā)器做成一個彩燈控制器,加上時鐘信號后,4個發(fā)光二極管便自動按一定規(guī)律發(fā)光。 所需器件:CCA042 1片,發(fā)光二極管4只,按鈕開關(guān)1只,510Ω電阻4只。 時鐘信號可由信號源的方波輸出端提供(頻率約為IHz)或按上節(jié)練習(xí)中提供的多諧振蕩器電路制作一個頻率約為1Hz的多諧振蕩器,由多諧振蕩器的輸出信號提供。練 習(xí)第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 多諧振蕩器可用左圖電路代替,其中K是有常開,常閉兩個觸點(diǎn)的開關(guān),每按一次,從Q端得到一個正脈沖,將Q端接到LS175的CP輸入端,則每按一次開關(guān),彩燈變化一次。彩燈控制器第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用光控開關(guān)電路參考電路第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用參考電路“叮咚”雙音門鈴第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 數(shù)字信號較之模擬信號有很多優(yōu)點(diǎn),因而數(shù)字電路得到越來越多的應(yīng)用。與、或、非是三種最基本的邏輯關(guān)系,用這三種基本邏輯關(guān)系可以組成各種復(fù)雜的邏輯關(guān)系;日常的各種因果關(guān)系皆可用邏輯關(guān)系描述,并用數(shù)字電路來實現(xiàn),這是電子控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。晶體三極管(MOS管)在開關(guān)信號作用下存在截止和飽和兩種輸出狀態(tài),等效于一個開關(guān),可以構(gòu)成各種門電路。常用的邏輯器件有TTL和CMOS兩類,它們各有優(yōu)、缺點(diǎn),應(yīng)根據(jù)對電子控制系統(tǒng)的要求合理地選用。電子控制系統(tǒng)控制(處理)部分的電路,應(yīng)在仔細(xì)分析控制要求的基礎(chǔ)上,按照其邏輯關(guān)系來設(shè)計,其中門電路用于實現(xiàn)各種邏輯關(guān)系,觸發(fā)器用于存儲數(shù)據(jù),它們是數(shù)字電路中必不可少的單元電路。課堂小結(jié)第四節(jié) 數(shù)字電路的應(yīng)用 展開更多...... 收起↑ 資源預(yù)覽 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫