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(共126张PPT)
电子控制技术
第三章电子控制系统的信号处理
第一节 数字信号
数字信号与模拟信号
数字信号的优点
传感器
控制部分
执行器
　　传感器将所获取的信号转换成电信号后，控制部分便对这些信号进行分析、比较、判断、放大、运算、传输、变换——最后向输出部分发出命令，控制执行机构的操作。对信号的分析、比较等过程统称为处理。
第一节 数字信号
数字信号与模拟信号
　　电子控制系统中对信号的处理过程是用电子电路来完成的。电子电路所处理的信号有：
电动楼梯静止状态
滑滑梯
数字信号（digital signal）和模拟信号（analog signal）两类
第一节 数字信号
楼梯
滑梯
不连续（离散）
连续
第一节 数字信号
钱江海潮
观察气温
钱江潮
第一节 数字信号
家电商场产品个数
人口普查
第一节 数字信号
　　请判断，下列量中那些是连续变化的？哪些是非
连续变化的？
　　1. 野外环境的亮度与地下仓库中的亮度；
　　2. 人的血压与人的脉搏；
　　3. 运动员滑冰所滑过的轨迹长度与走过同样距
离所用的步数；
　　4. 时光的流逝与数字钟所显示的时间的变化。
讨论
第一节 数字信号
气象观察
气温变化
第一节 数字信号
轿车生产流水线
生产量
月生产量
人日生产量
第一节 数字信号
　　信号波形模拟着信息的变化而变化信号称为模拟信号。
　　有些非连续变化的量可以用数字表示，若用二进制来表示这个数，并用高和低两个电平（level）代表二进制数中的“1”和“0”，则其形成的在高、低电平之间来回跳变的电信号就是通常所说的数字信号。
模拟信号
数字信号
0
0
u
u
t
t
第一节 数字信号
连续变化的量用曲线
离散数据用柱状或数字
模拟信号：信号在时间和数值上都是连续变化的信号称为模拟信号.
数字信号：指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。
小辞典
　　电平：在数宇电路中，电压（或电流等（的大小分为高、低两级．例如，TTL电路的划分方法是：2.4V ～ 5V为高级，而0 V～ 0.8V为低级。
　　通常将这两个高、低不同的电压级（或电流级等）分别称为高电平和低电平。
第一节 数字信号
马上行动
　　1．在上图所示数字信号中，高电平代表1，低电平代表0(每1格代表1位二进制数，共5位，高位先到)，则该信号代表二进制数 ，它相当于十进制数 。
　　2．用示波器观察半导体收音机或电视机音频输出口的波形，判断它是哪一类信号。
数字信号
0
u
t
10011
19
第一节 数字信号
思考
　　下列信号中，哪些是模拟信号，哪些是数字信号？
　　1. 220V交流电的电压（交流正弦波电压）；
　　2. 海洋上船只与船只之间的灯光联络信号；
　　3. 手机短信息信号。
　　请举出模拟信号与数字信号的例子各一个。
模拟信号
数字信号
数字信号
第一节 数字信号
马上行动
　　请判断下列各例中哪些适合用1和0表示。
　　1．举重比赛中试举成功与否；
　　2．学生的考试成绩是否及格；
　　3．—个人的生与死；
　　4． —个人是好人还是坏人。
合适
合适
合适
不合适
第一节 数字信号
数字信号的优点：
　　数字信号具有容易处理、处理精度高、
便于记录保存等优点。
第一节 数字信号
数字信号 容易处理
　　数字信号只有高、低两个电平，容易识别，失真和干扰对数字信号影响小。
数字调音台
第一节 数字信号
　　演员的歌声经话筒转换成的电信号是模拟信号，一种处理方法是直接放大模拟信号，然后送到扬声器，人们便可欣赏到演员动人的歌喉。由于信号在处理过程中，不可避免地会产生失真并受到各种干扰因素的影响，因而听众所到的歌声也会失真，且伴有“沙沙”的噪音。
模拟信号
案例分析
第一节 数字信号
　　另一种处理方法是先将此信号转换为数字信号，处理以后再将数字信号还原成模拟信号使扬声器发声。虽然数字信号在处理过程中同样会产生失真，受到干扰，其形状也会发生变化，但它所代表的数字(即“高”和“低”)并未改变。可见数字信号在处理过程中，受波形失真和干扰的影响很小，所以听众能听到音色逼真，不带噪音的歌声。
数字信号
案例分析
第一节 数字信号
　　模拟信号转换为数字信号的电路称模数转换器。
　　数字信号转换为模拟信号的电路称数模转换器。
模拟信号与数字信号之间的相互转换
第一节 数字信号
　　将模拟信号转换为敷字信号的过程可分为采样、保持、量化、编码四步。
　　采样：每隔一段时间对模拟信号的幅值抽取样品，使图(a)中的模拟信号变成图(b)中的脉冲信号；
　　保持：将图(b)中的脉冲信号变成图(c)中的阶梯信号，以便处理；
　　量化：将图(c)巾每个阶梯的幅值舍去零头，保留整数，得到图(d) ；
　　编码：将图(d) 中每个阶梯的幅值对应的数字用二进制数字表示，并转化为数字信号，如图(e) 所示。
模拟信号与数字信号之间的相互转换
第一节 数字信号
图(a)　　　　　图(b) 　　　　　图(c)　　　　　 图(d)　　　　　 图(e) 　　
数字信号 处理精度高
测量中使用了数字信号，测量精度比以前用秒表提高了10倍。
第一节 数字信号
数字信号 便于纪录保存
由于数字信号中只有“1”和“0”两个值，可很方便地用（具有记忆功能的）电路输出电压的高和底、电容上电荷的有和无、磁性物质的极化方向等方式纪录保存，也可用打孔的方法，如穿孔的有和无、光盘利用有无凹坑纪录“1”和“0”，还可以直接将“1”和“0”打印在纸上纪录保存。但这些方法很少能用来纪录保存模拟信号。
第一节 数字信号
　　光盘是在塑料母片上用激光“烧”出许多直
径不到1μm，沿光盘圆周方向排列的小坑，有小
坑的代表“0”，没有小坑代表“1”。读盘时，
光盘顺时针转动，激光射到光盘面上。依据小坑
的有和无所造成的反射光的有和无分辩出所记录
的信号是“1”还是“0”。
小资料
第一节 数字信号
试验目的：
做一个对比试验。
试验准备：
带光驱电脑1台．磁带录放机1台．示波器1台．原声带1盘．空白录音带1盘。
试验过程；
1 ．将电脑中存放的某段音乐复制一份，比较复制件与原件音乐的音色是否有明显变化。
2 ．使用录音机将原声带中的某段音乐翻录到另一盘录音带上．比较原声带与翻录带的波形是否发生变化。
试验总结：
数字信号与模拟信号相比有什么优点
示波器
磁带录放机
光驱电脑
小试验
　　试验目的：
　做一个对比试验。
　试验准备：
　　带光驱电脑1台．磁带录放机台．示波器1台．原声带1盘．空白录音带1盘。
　试验过程；
　　1．将电脑中存放的某段音乐复制一份，比较复制件与原件音乐的音色是否有明显变化。
　　2．使用录音机将原声带中的某段音乐翻录到另一盘录音带上．比较原声带与翻录带的波形是否发生变化。
　　试验总结：
　　数字信号与模拟信号相比有什么优点
第一节 数字信号
练习
用一个发光二极管制作高、低电平的检测器。
第一节 数字信号
课堂小结
电子电路所处理的信号有：数字信号和模拟信号两类。
信号波形模拟着信息的变化而变化信号称为模拟信号。
二进制数中的“1”和“0”，形成在高、低电平之间来回跳变的电信号称为数字信号。
数字信号容易处理、处理精度高、便于记录保存等优点。
第一节 数字信号
小活动 马上行动
问题：
模拟信号与数字信号的区别是什么？
举手抢答：
模拟信号是脉冲信号（连续的），
而数字信号是相位（奇偶）信号（不连续的）。
第三章 电子控制系统的信号处理
逻辑门
（共4课时）
三种基本的逻辑门
与非门和或非门
第二节 逻辑门
案例分析
三人表决器
　　甲、乙、丙三人参加表决，每人面前有一个按钮，表决时，按下按钮表示同意．不按按钮表示不同意。表决结果按少数服从多数规则处理，如表决通过则绿色指示灯亮，红色指示灯不亮；反之，绿色指示灯不亮，红色指示灯亮。
第二节 逻辑门
电子控制系统控制(处理)部分的输出信号与输入信号之间存在着一定的逻辑关系，其中输出信号对应于逻辑结论，输入信号对应于逻辑前提。
　　电子控制系统的控制(处理)部分于是依据各输出信号与输入信号之间的逻辑关系(因果关系)来处理的。为处理方便，将逻辑前提和逻辑结论均用字母A、B、C等表示，显然，这些字母都应当只有“真”和“假”两个状态，且非真即假，非假即真。
实现各种逻辑关系的电路称为数字电路(或逻辑电路)。在数字电路中，“真”用高电子(“1”)表示，“假”用低电子(“0”)表示。“1”和“0”称为数字电路的真值或逻辑值。
第二节 逻辑门
三种基本的逻辑门
　　任何复杂的逻辑关系都由“与”、“或”、“非”三种基本逻辑关系组合而成，实现这三种基本逻辑关系的电路分别称为与门(AND)、或门(OR)和非门(NOT)，它们的输入信号代表逻辑前提，输出信号代表逻辑结论。
第二节 逻辑门
思考
请列举在日常生活中常见的与逻辑有关系的例子
　　与逻辑关系举例：
　1．火车在开动时，所有车门必须关好，如有车门没关不能放行。
　2．我国婚姻法规定，男女双方必须同时到场方可登记结婚。
　3．开学时班长宜布班级活动计划：三月份将选择一个晴朗的星期六去郊游。
　 4．小明家走廊上有一盏节能路灯，天黑以后，有人通过并发出响声时，灯才亮，其他情况下灯不亮。
　5．仓库的门通常用两把锁，由不同的人保管，开门时必须两个保管人同时到场。
与门
“所有逻辑前提皆为真时，逻辑结论才为真”的逻辑关系称为“与”逻辑关系。
思考
请列举在日常生活中常见的与逻辑有关系的例子
思考
第二节 逻辑门
A B L
A
B
L
断
通
真值表
断
断
断
断
通
断
断
通
通
通
与门
　　若令开关通为真，断为假；灯亮为真，不亮为假，请判断该电路是否为与逻辑关系。
马上行动
两只开关控制一盏灯亮和灭的电路，在真值表内填入灯亮与否的情况。
第二节 逻辑门
B
A
F
A B F
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
真值表
与门波形图
与门逻辑符号
第二节 逻辑门
A B F
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B F
假 假 假
假 真 假
真 假 假
真 真 真
　　真值表的逻辑值用“1”和“0”表示，2个输入端的与门的真值表如下：
　　与逻辑关系在布尔代数中被定义为逻辑乘法，记作：
F=AxB或F=A·B或F=AB称为与门的逻辑表达式。
第二节 逻辑门
　　数字电路的逻辑关系常常用波形图来描述，波形图记录门电路的输人信号或输出信号的电子随时间变化的情况，如右图所示。
　　右图小的与门在A和B两个波形的输入电压的作用下，得到如F波形所示的输出电压。
第二节 逻辑门
　　在画波形图时，常常省去坐标轴，但输入波形与输出波形之间的时间必须严格对应，如下图中虚线所示。图中第三个时间区间，输入A和输入B都为1，符合“全高出高”规则，因而输出F也为1，其他情况不符合，因而输出为0。
逻辑门
马上行动
画出下面与门的输出信号波形。
&
A
B
F
A
B
F
画输出波形的方法是：
(1)按输入波形的每一个变化画一条虚线，将时间轴划分成若干区间；
(2)依据每个区间中的输人逻辑值计算出相应的输出逻辑值；
(3)根据输出逻辑值画输出波形。
思考
　　如果用3只开关串联代替课本第47页“马上行动”所示电路中的2只开关串联，则该电路是否还代表与逻辑关系？如果是，请列出其真值表，井画出其逻辑符号及相应于图示输入波形的输出波形。
A
B
C
+
-
A
B
C
L
A B C
L
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
0
0
0
0
0
0
0
1
真值表
&
L
第二节 逻辑门
或门
　　“逻辑前提中有一个或一个以上为真，逻辑结论就为真”的逻辑关系称为“或”逻辑关系。例如，到图书馆借书，可以凭本校学生证也可以凭借书证，两证中有一个即可，这里的逻辑关系就是或逻辑关系。
请列举在日常生活中常见的或逻辑有关系的例子
思考
　　或逻辑关系举例：
　1．暑假里，高二(3)班同学一起到青岛去旅游。从上海到青岛可以乘火车、汽车，飞机，还可以乘海轮。
　2 ．高二(1)班教室有3把钥匙，班主任1把，班长1把，值日生1把，谁先到校都可以开门。
　3．小明家楼顶的水箱通常在天黑以后进水，但若白天水箱的水用完了也能进水。
　 4．班主任通知开家长会时要求：父亲来可以，母亲来也可以，父母一起来更好。
第二节 逻辑门
或逻辑关系在布尔代数中定义为逻辑加法，记作：
F = A 十 B
称为或门的逻辑表达式。
A
L
B
A B L
断
通
真值表
断
断
断
通
通
断
通
通
通
通
马上行动
两只开关控制一盏灯亮和灭的电路，在真值表内填入灯亮与否的情况。
A B F
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
A
B
F
真值表
或门波形图
或门逻辑符号
第二节 逻辑门
非门
　　“逻辑前提为假时逻辑结论为真，逻辑前提为真时逻辑结论反而为假”，即逻辑结论与逻辑前提的逻辑值总是相反的逻辑关系称为非逻辑关系。记作：F = A
F = A
　　读作“A非”。非逻辑关系的真值表如下表所示。从真值表可以看出：
0 = 1， 1 = 0
　　非逻辑的例子如机场或车站旅客入口处要进行安全检查，带有易燃易爆物品者不得入内。
第二节 逻辑门
　　若以体温低于38℃为逻辑前提，则此逻辑前提与进单位办公和进观察室检查这两个逻辑结论之间，哪一个符合非逻辑关系？
思考
案例分析
　　“非典”流行时期，某单位的工作人员进单位办公均必须测体温，若体温超过38℃，则不能进入单位办公，且要进入观察室接受其他检查。这里，体温超过38℃ ，是逻辑前提，进单位办公和进观察室检查是两个逻辑结论，进单位办公与体温超过38℃之间是非逻辑关系，而进观察室检查与体温超过38℃之间则不是非逻辑关系。
第二节 逻辑门
A
L
R
A F
0 1
1 0
真值表
马上行动
　　下图是描述非逻辑关系的示意图。请说明在上述案例中．应对逻辑前提A的逻辑结论L的真和假如何规定，才能符合非逻辑关系的定义 为什么
　　A：开关合上为真；
　　L：灯亮为真。
因为开关合上时，灯被开关短路，灯不亮；开关断开时，灯才亮。
第二节 逻辑门
A F
0 1
1 0
A
F
真值表
非门波形图
非门逻辑符号
第二节 逻辑门
案例分析
　　分析本节开始的三人表决器案例，输出与输入之间的逻辑关系应该怎样表达，可用哪些门电路实现。
第二节 逻辑门
　　该表决器有3个输入端，用A、B、C分别代表甲、乙、丙投票人，它们各在投赞成票时为1，不投赞成票时为0；有2个输出端，用L1表示表决通过（绿色指示灯亮），L2表示表决不通过（红色指示灯亮）。
　　根据它们之间的逻辑关系，能使LI为1的情况有4种：甲、乙同意，乙、
丙同意，甲、丙同意和甲、乙、丙3人都同意。将这4种情况分别用∫1、∫2、∫3和∫4代表，显然：
　　只有A、B同为1时∫1才为1，所以∫1= A x B；
　　只有B、C同为1时∫2才为1，所以∫2= ；
　　只有A、C同为I时∫3才为1．所以∫3= ；
　　只有A、B、C同为1时∫4才为1．所以∫4= ：
　　上述4种情况中只要有一种或一种以上满足，绿色指示灯就亮，因此
L1与∫1、∫2、∫3、∫4之间符合或逻辑关系。
　　即L1= 。
　　∫1、∫2、∫3、∫4分别用4个与门实现，L1用一个或门实现。
　　至于代表红色指示灯亮的输出L2，因为它与输出L1，是相反的，所以L2= 。
BxC
AxC
AxBxC
∫1 x ∫2 x ∫3 x∫4=AB+BC+AC+ABC
L4
第二节 逻辑门
第二节 逻辑门
L4=ABC
与非门和或非门
　　“与非”关系和“或非”关系是从三种基本逻辑关系推演出来的复合逻辑关系．实现这两种逻辑关系的门电路分别称为与非门(NAND)和或非门(NOR)。
　　与非门的真值表和与门的真值表巾的输出逻辑值完全相反：与门的逻辑关系是“全高出高，有低出低”，而与非门的逻辑关系则是“全高出低，有低出高”，因此其逻辑关系相当于在与门后面再接一只非门。
第二节 逻辑门
A B F
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
真值表
与非门波形图
第二节 逻辑门
A B F
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
真值表
或非门波形图
A
B
F
第二节 逻辑门
练习
　　1．在MuItisim2001(DEMO)或电路试验板上完成电子门铃的试验。
　　2．将第1题中的控制信号换成频率为1Hz的方波信号。
　　3．在第2题的基础上，将蜂鸣器改为示波器，并将控制信号的频率改为80Hz，同时观察与非门的输入波形与输出波形，记录在纸上。
第二节 逻辑门
课堂小结
数字电路是一种能够方便地处理“1”和“0”两种状态的电路。
与门、或门和非门是三种基本逻辑门电路。
通过学习能填写三种基本逻辑门电路的真值表，能画出波形图。
知道与非门、或非门的电路符号及各自的逻辑关系，会填写它们的真值表，能画出波形图。
第二节 逻辑门
普通高中课程标准实验教科书 通用技术 选修１
第三章 电子控制系统的信号处理
数字集成电路
（共2课时）
晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用
常用数字集成电路的类型
第三节 数字集成电路
晶体三极管的开关特性
c
b
e
N
P
N
Rb
Ic
Is
Rc
第三节 数字集成电路
　　NPN型晶体管。电阻Rb为基极电阻，电阻Rc为集电极电阻，晶体三极管T的基极b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c及发射极e形成开关两个端点，由b极来控制其开闭，c、e两端的电压即为开关电路的输出电压V0。
当输入电压V1为高电平时，晶体管导通，相当于开关闭合，所以集电极电压Vc≈0，即输出低电平，而集电极电流ic≈VCC/RC。
当输入电压Vc为低电平时，晶体管截止，相当于开关断开，所以得集电极电流iC≈0，而集电极电压Vc≈VCC，即输出为高电平。这就是晶体三极管的理想稳态开关特性。
第三节 数字集成电路
　　数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。
晶体三极管的开关特性及其数字电路中的应用
第三节 数字集成电路
　　在数字电路中，用电平的高和低来代表逻辑1和逻辑0。
不同类型的逻辑电路，其高、低电子的电压值有不同的界定规则。
晶体三极管的开关特性及其数字电路中的应用
第三节 数字集成电路
在右图所示用电阻和开关构成的电路中，开关闭合，开关所呈现的电阻为0，使得开关两端的电压也就是输出电压为0，输出低电平；反之，若开关断开，因为电阻R上没有电流流过，R上的电压为0，所以输出电压等于电源电压，即输出高电平。因此，用开关可以实现高、低电平，这是构成门电路的基础。
第三节 数字集成电路
门电路中的开关不能使用机械开关，因为机械开关不仅体积大、寿命短、操作不方便，而且开关的速度低。在现代高速电子控制系统中，开关每秒可能要开合上亿次，机械开关是绝对无法胜任的，必须使用电子开关，即用晶体管或MOS管(金属氧化物半导体场效应管)做成的开关。例如，用晶体三极管代替图中开关得到的电路如右图所示。
第三节 数字集成电路
试验目的：
观察晶体三极管的开关特性。
试验准备：
晶体三极管3DK4C 1只，10kΩ、2.2kΩ电阻各1只，3V(或5V)电源1只，多用电表。
小试验
第三节 数字集成电路
试验过程：
在电路试验板上按图搭接电路，并在下列各空格处填入试验结果。
(1)将输入端接地，用多用电表测量电阻Rc两端的电压Ur= V，此时晶体三极管集电极的电流Ice (填“很大”或“很小”)，三极管处于 （填“导通”或“截止”)状态；三极管集电极c与发射极e之间的电压Uce= V，属于 (填“高”或“低”)电平。
(2)将输入端接3V电压，用多用电表测量电阻Rc两端的电压Ur= V，此时晶体三级管集电极的电流Ice (填“很大”或“很小”)，三极管处于 (填“导通”或“截止”)状态；二极管集电极c与发射极e之间的电压Uce= V，应属于 (填“高”或“低”)电平。
(3)用发光二极管高、低电平检测器检测(1)、(2)两种情况下电路的输入端和输出端，判断该电路的逻辑功能。
试验总结：
晶体三极管是否可以当做开关使用？为什么？
0
很小
截止
3
高
2.8
很大
导通
0.2
低
第三节 数字集成电路
　　晶体三极管存在截止和饱和两种状态。截止状态相当于开关断开，饱和状态相当于开关闭合，因而可以当作开关使用，其条件与现象是：
饱和：条件——输入信号足够大（高电平）；现象——三极管流过的电流较大，而集电极与发射极之间的电压只有0.2V左右（低电平）。
截止：条件——输人信号足够小（低电平）；现象——三极管没有电流流过，集电极与发射极之间的电压与电源电压相近（高电子）。
　　由于加到三极管基极的信号不是高电平，就是低电平，因此晶体三极管工作于开关状态，即不是工作于饱和状态，就是工作于截止状态。我们通常称这种信号为开关信号（即数字信号）。
晶体三极管的开关效应
第三节 数字集成电路
　　另一种常作为门电路中开关使用的器件是金属氧化物半导体场效应晶体三极管，即MOS管，它和双极型晶体三极管一样也有三个极：源极S、栅极G和漏极D。这三个极和双极型晶体三极管的各电极的对应关系是：
　 源极相当于发射极，通常接地；
　漏极相当于集电极，通常通过电阻接电源；
　栅极相当于基极，用来控制漏极电流的大小。
　普通晶体三极管是电流控制的器件，即基极必须注入电流方能使三极管导通，而MOS管属于电压控制器件，在其栅极与源极之间加适当的电压就能使MOS管导通，MOS管在开关信号的作用下，也有导通和截止两种状态，因而也可做开关使用。
场效应晶体三极管的开关效应
第三节 数字集成电路
数字集成电路的类型
　　数字集成电路有多种类型，最常用的有TTL和CMOS两种。
TTL与CMOS部分参数对照
第三节 数字集成电路
　　CMOS器件与TTL器件的逻辑电平和电路的输出能力不一样，因此两种类型的集成电路通常不能在同一个电路中使用，如需同时使用，要在它们之间加上电平转换电路。
　　TTL(晶体管—晶体管逻辑)是用普通晶体三极管构成的集成电路，与CMOS相比，其运行速度较快，允许负载流过的电流较大，但消耗功率较大。
　　CMOS(互补MOS电路)电路是用MOS管构成的集成电路，在工作时消耗的功率最低，但工作速度较TTL的低，允许负载流过的电流较TTL的小。
　　数字集成电路TTL和CMOS管的特点
第三节 数字集成电路
特点
CMOS 运行速度较快，允许负载流过的电流较大，但消耗功率较大。
TTL 工作时消耗的功率最低，但工作速度较TTL的低，允许负载流过的电流较TTL的小。
常用逻辑门电路的型号
第三节 数字集成电路
部分常用集成逻辑门的引脚图
第三节 数字集成电路
逻辑门电路符号图（非门、与门、与非门、或门、异或门）
第三节 数字集成电路
马上行动
　　在电路试验板上测量TTL非门CT74LS04和CMOS非门CC4069的输出电平值，并填入下表。
3.7V
5V
0.2V
0V
第三节 数字集成电路
小资料
第三节 数字集成电路
　　请在电路试验板上搭接图所示电路，其中，VA、VB、VC、VD分别是CC4011中的四个与非门。VA和VB组成单稳态触发器，当光线变暗，使RG的数值大到一定程度时，从10脚会出现一个宽度(持续时间)一定的高电平，其持续时间tw约为0.7C1·R1。VC、VD组成多谐振荡器，在2脚为高电平时，多谐振荡器将产生周期性矩形波，其周期约等于1.4C2·R3。
　　用手遮一下光敏电阻RG(MG4)，听蜂鸣器呜叫的声音，记录呜叫持续的时间。
　　讨论：该电路有何用途
第三节 数字集成电路
　　COMS器件较容易
损坏，使用时要注意保护，如
电源的极性不能接反。焊接
时，最好将烙铁的电源切
断等。
第三节 数字集成电路
焊接
　　焊接的实质：利用热能将两金属原子间加速扩散，由于冷却金属 原子间产生吸引力，使焊锡金属牢固地结合两被焊金属。
　　锡焊的特征：焊锡和元件之间呈浸润状态。
焊接集成电路要注意焊接技术
第三节 数字集成电路
1. 加热
正确焊接
第三节 数字集成电路
正确焊接
1.加热
第三节 数字集成电路
2.加焊锡（松香）
正确焊接
第三节 数字集成电路
正确焊接
2.加焊锡（松香）
第三节 数字集成电路
正确焊接
3.撤离
第三节 数字集成电路
3.撤离
正确焊接
第三节 数字集成电路
正确焊接
3.撤离
第三节 数字集成电路
正确焊点：光洁的圆锥体形，大小适中。
第三节 数字集成电路
焊锡用量过多。
第三节 数字集成电路
焊锡用量太少。
第三节 数字集成电路
有毛刺；加热时间控制不当。
第三节 数字集成电路
焊接的要点：1.控制焊锡用量。
2.控制加热时间。
焊接
第三节 数字集成电路
课堂小结
通过学习了解晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用。
知道常见的数字集成电路有TTL和CMOS两种类型及其基本性能。
并初步尝试用数字集成电路安装简单的实用电路装置。
第三节 数字集成电路
普通高中课程标准实验教科书 通用技术 选修１
第三章 电子控制系统的信号处理
数字电路的应用
（共4课时）
数字自动售货机
自动取款机
自动售货机
自动咖啡机
数字测重器
用门电路实现逻辑关系
触发器及其在电子控制系统中的作用
第四节 数字电路的应用
第四节 数字电路的应用
　　数字电路的基本单元电路是门电路和触发器，触发器又是由门电路构成的；在数字电路中，门电路用于实现各种逻辑关系，触发器用于存储数据：任何复杂的电子控制系统中的控制部分都可用数字电路实现。
用门电路实现逻辑关系
案例分析
　　普通电子秤上显示的价格的最小单位是“分”。小明想在秤上加一个四舍五入的电路，能自动对电子秤显示的“分”值作四舍五入处理，使显示的最小值为“角”。请你帮他设计此电路。
　　设计数字电路的步骤是：
(1)对电路的输入端、输出端的名称及其所代表的逻辑含义加以指定；
(2)根据能使输出为1的条件，分析其辅出与输入之间的逻辑关系；
(3)将上述逻辑关系用逻辑表达式表示；
(4)选择合适的数字集成电路和其他有关器件搭接此电路。
按上述步骤，对该案例设计步骤的前两步分析如下：
第四节 数字电路的应用
第一步：
　　由于在电子秤中，每1位十进制数是用4位二进制数表示的，所以电路应有4个输入C8、C4、C2、C1，它们对应的十进制数为N。
电路应有1个输出C0，它代表“分”向“角”的进位。当N≤4时，C0为0；当N≥5时，C0为1。
第四节 数字电路的应用
第二步：
从表中可以看出，能使输出C0为1的条件有3种情况；
(1)只要C8为1，如N=8和N=9时，C0一定为l；
(2)若C4和C1同为1，如N=5和N=7时， C0=1；
(3)若C4和C2同为1，如N=6和N=7时，C0=1。
请按设计步骤完成第三步、第四步设计。其中，输入信号可照右图方法用一个单刀双掷开关获得；输出可用发光二极管作指示，F=1时，发光二极管发光。
第四节 数字电路的应用
触发器及其在电子控制系统中的作用
基本触发器的记忆作用
在数字电路中常常需要将某个信号(电平)保持一段时间。
基本触发器逻辑图
基本触发器波形
触发器（能够存储１位二值信号的基本单元电路统称为触发器。）
第四节 数字电路的应用
　　数字电路中能将二进制数据记忆住的基本单元电路称为触发器，其中最简单的—种称为基本触发器，通常由2只或非门(或2只与非门)交叉连接构成。
任何触发器都有2个输出端Q和 Q，正常情况下Q和Q总是反相的，即不是(Q=0，Q=1)就是(Q=1，Q=0)。
　　(Q=0，Q=1)称为O状态， (Q=1，Q=0)称为1状态。
基本触发器有2个输入端S和R，S(set)称为置位端或置1端，R(reset)称为复位端或置0端。
若S端加触发信号(高电平)，R端不加触发信号，即S=1，R=O，基本触发器被置于1状态，此过程称为置1；
若R端加触发信号(高电平)，S端不加触发信号，即S=0，R=1，基本触发器被置于O状态．此过程称为置0。
第四节 数字电路的应用
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　　无论置1还是置0，当触发信号结束后，即S和R的输入都是低电平时．基本触发器的状态保持不变。由此可见，基本触发器具有记忆作用(也称存储作用)，能存储1位二进制信息（即能存储一个1或0）。
第四节 数字电路的应用
案例分析
第四节 数字电路的应用
思考
　　下图所示的基本触发器在我们观察的时刻之前曾在哪一端加过触发信号？
　　基本触发器的两个输入端通常不应都加触发信号（高电平），基本触发器输出与输入之间的关系如上表所示。
第四节 数字电路的应用
S=0,r=1
试验目的：
　　熟悉基本触发器的功能。
试验准备：
　　CT74LS00 1片，电位器1只，电阻6只；发光二极管1只。
试验过程：
　　按电路图搭接电路，调节Ui使其由0变大，观察发光二极管的发光情况，并记录发光二极管状态变化时的Ui值。
　　当发光二极管状态变化后，再将Ui由大变小，观察发光二极管的发光情况，并记录发光二极管状态改变时的Ui值。
小试验
第四节 数字电路的应用
S
R
Q
Ui S R Q
初始
滑动变阻器上移
滑动变阻器下称
低 低 高 高
变高 高 低 低
变低 低 高 高
　　初始Ui约为0V，此时发光二极管亮。
　　Ui由小到大时，状态改变时的Ui约为3.2V，灯灭，以后一直保持灭，直至Ui=6V。
　　Ui由大到小时，状态改变时的Ui约为1.6V，灯亮，直至Ui回到Ui=0V。
1. Ui＜1.6V时，触发器置1，Ui＞3.2V时，触发器置0。
2. 当1.6V＜Ui＜3.2V,触发器处于保持(记忆)状态。经过改造可用于有上、下限控制要求的水位、温度等控制电路中，如水位低于某值进水，水位高于某值停止进水等。
　　试验记录：
　　初始状态(Ui=0)，发光二极管状态 。
　　发光二极管状态改变时的Ui 。
　　发光二极管状态再次改变时的Ui 。
　　试验总结：
　　1．该电路是如何体现基本触发器功能的
　　2．该电路有何用途
第四节 数字电路的应用
阅 读
　　用两个与非门构成的基本触发器。
　　用两个与非门构成的基本触发器的触发信号是低电平，即用0来触发。
　　当置1端S加触发信号，置0端R不加触发信号，即S=0，R=1时，基本触发器置1；
　　当置0端R加触发信号，置1端S不如触发信号，即R=0，S=1时，基本触发器置0；
　　当两输入瑞皆不如触发信号，即S=1，R=1时，基本触发器状态不变，处于记忆状态。
第四节 数字电路的应用
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　　用两个与非门构成的基本触发器的功能表和波形图都不同于用或非门构成的基本触发器，但它们在电子控制系统中的作用是一样的。
第四节 数字电路的应用
常用集成触发器
　　常用集成触发器是由基本触发器加控制电路构成的。
　　最常用的两种集成触发器是D触发器和JK触发器。
　　D触发器有两个输入端D和C，D是数据输入端，被存储的数据加在此处；C是时钟输入端，控制数据的存储操作：通常在C端加时钟信号CP(clock pulse)。
第四节 数字电路的应用
　　下图所示触发器逻辑符号的时钟输入端有一个“>”符号，表示将数据存入触发器的操作是在时钟信号的上升沿（即由0变1的时刻）发生的，如图中的t1时刻，时钟信号由0变1，此时加在D端的信号为l，则触发器的状态变为1，数据1就被存进了触发器。在下一个时钟信号的上升沿（t2时刻）到达以前，无论加在D端的信号有何变化，触发器的状态都保持不变，体现了触发器的记忆功能。在t2时刻，CP信号又一次由0变1，此时加在D端的信号值为0，因而触发器的状态变为0，数据0被存进了触发器。
　　由此可见，D触发器的状态每个时钟周期变化一次，根据前一周期（第n周期）结束时，即时钟脉冲上升沿到来前瞬间的D值（D），确定下一周期（第n+1周期）的状态Q 。
第四节 数字电路的应用
D触发器
输入 输出
RD CP D Q Q
1 X X 0 1
0 ↑ 1 0
0 ↑ 0 0 1
第四节 数字电路的应用
JK触发器
　　JK触发器的输入端J和K，其作用类似基本触发器的S和R，是确定触发器状态的依据。
时钟信号输入端C，因为在此端画了一个“○”，表明只有在时钟脉冲的下降沿(即由1变0的时刻)，触发器的状态才由J和K确定，而在相邻两个时钟脉冲的下降沿之间，触发器的状态都保持不变。
阅读
第四节 数字电路的应用
JK触发器
输入 输出
SD RD CP J K Q Q
1 0 X X X 1 0
0 1 X X X 0 1
1 1 X X X 禁用
0 0 ↑ 0 0 保持
0 0 ↑ 1 0 1 0
0 0 ↑ 0 1 　 0 1
0 0 ↑ 1 1 翻转
0 0 0 X X 保持
第四节 数字电路的应用
知识抢答竞赛
抢答器的应用
第四节 数字电路的应用
抢答器的设计
第四节 数字电路的应用
　　数字信号较之模拟信号有很多优点，因而数字电路得到越来越多的应用。
与、或、非是三种最基本的逻辑关系，用这三种基本逻辑关系可以组成各种复杂的逻辑关系；日常的各种因果关系皆可用逻辑关系描述，并用数字电路来实现，这是电子控制系统的基础。
晶体三极管(MOS管)在开关信号作用下存在截止和饱和两种输出状态，等效于一个开关，可以构成各种门电路。
常用的逻辑器件有TTL和CMOS两类，它们各有优、缺点，应根据对电子控制系统的要求合理地选用。
电子控制系统控制（处理）部分的电路，应在仔细分析控制要求的基础上，按照其逻辑关系来设计，其中门电路用于实现各种逻辑关系，触发器用于存储数据，它们是数字电路中必不可少的单元电路。
课堂小结
第四节 数字电路的应用
改进
第四节 数字电路的应用
　　在电路试验板上用4个D触发器做成一个彩灯控制器，加上时钟信号后，4个发光二极管便自动按一定规律发光。
　　所需器件：CCA042 1片，发光二极管4只，按钮开关1只，510Ω电阻4只。
　　时钟信号可由信号源的方波输出端提供(频率约为IHz)或按上节练习中提供的多谐振荡器电路制作一个频率约为1Hz的多谐振荡器，由多谐振荡器的输出信号提供。
练 习
第四节 数字电路的应用
　　多谐振荡器可用左图电路代替，其中K是有常开，常闭两个触点的开关，每按一次，从Q端得到一个正脉冲，将Q端接到LS175的CP输入端，则每按一次开关，彩灯变化一次。
彩灯控制器
第四节 数字电路的应用
光控开关电路
参考电路
第四节 数字电路的应用
参考电路
“叮咚”双音门铃
第四节 数字电路的应用
　　数字信号较之模拟信号有很多优点，因而数字电路得到越来越多的应用。
与、或、非是三种最基本的逻辑关系，用这三种基本逻辑关系可以组成各种复杂的逻辑关系；日常的各种因果关系皆可用逻辑关系描述，并用数字电路来实现，这是电子控制系统的基础。
晶体三极管(MOS管)在开关信号作用下存在截止和饱和两种输出状态，等效于一个开关，可以构成各种门电路。
常用的逻辑器件有TTL和CMOS两类，它们各有优、缺点，应根据对电子控制系统的要求合理地选用。
电子控制系统控制（处理）部分的电路，应在仔细分析控制要求的基础上，按照其逻辑关系来设计，其中门电路用于实现各种逻辑关系，触发器用于存储数据，它们是数字电路中必不可少的单元电路。
课堂小结
第四节 数字电路的应用

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