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第三章 电子控制系统信号处理
第一节 数字信号与模拟信号
李虹同学发现校内园林灌溉用水均源自附近的小河，为防止受污染的河水影响
植物的正常生长，她决定和同学们一起研制一台水质探测仪，能随时监测水质以保
证植物正常生长。从哪里开始呢 经过前面的学习，同学们发现除传感器外，电子
作品的设计和制作还应用了许多其他元器件，李虹同学分析，传感器将所获取的信
息转换成电信号后，这些元器件组成的电路负责对信号进行分析处理，她提议大家
先从系统地学习电子电路知识开始。
【走进情景】
复习引入
1.常见在传感器有哪些？
2.传感器的作用？
获得外界的输入信息，并通过它将非电量信息转换成电信号输出。
3.电子控制系统的主要组成部分？
输入
传感器
控制（处理）
电子电路
输出
执行器等
【任务一】识别模拟信号与数字信号
1.事物变化的规律：连续变化和非连续变化（离散）
连续变化的量
离散的量
停车场剩余车位数
某地气温变化
非连续
连续
讨论：判断连续与非连续
野外环境的亮度与地下仓库中的亮度；
人的血压与人的脉搏；
运动员滑冰的轨迹与走相同距离所用的步数；
时光的流逝与数字时钟所显示的时间的变化。
说明：连续变化的量，用连续的曲线或直线表示。
非连续变化的量，用柱状图或数字表示。
例如：体温变化、气温变化等用连续曲线。
客车月度产量、售票处剩余票数用柱状图或数字表示。
非连续
连续
电子控制系统对信号的处理过程是用电子电路完成的。
电子电路处理的信号有两类：
1.模拟信号（analog signal）
2.数字信号（digital signal）
连续变化的量采用模拟信号方法
电子控制系统需要处理的信息必须转化成电信号。如声音必须经话筒转换成电压信号后才能进行放大处理，转换时，话筒输出电压信号的波形与声音波形一致，即模拟声音强弱的变化，否则就不能反映声音强弱的原貌。这种模拟声音波形的信号称为模拟信号。
模拟信号
通常模拟信号泛指那些数值可连续变化的信号。
土壤湿度检测
非连续变化的量可以直接用数字表示
表达的方法用二进制
用高和低两个电平（level）代表二进制中的“1”和“0”，则其形成的在高、底电平之间来回跳变的电信号就是通常所说的数字信号。
数字信号
高电平
低电平
说明：
电平：在数字电路中，电压（或电流）的大小分为高、低两级，通常将这两个高、低不同的电压级（电流级）分别称为高电平和低电平。
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。
练一练
合适
合适
合适
不合适
二、数字信号的优点
【任务二】辨析数字信号与模拟型号各自的特点
1.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很小。
模拟信号特点：容易失真，受干扰较大
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。
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。
2.便于记录和保存
数字信号便于记录和保存。由于数字信号中只有1和0两个值，可以很方便地用(具有记忆功能的)电路输出电压的高和低、电容上电荷的有和无、磁性物质的极化方向等方式记录保存，也可用打孔的方法，如穿孔卡利用孔的有和无、光盘利用有无凹坑记录1和0，还可以直接将1和0打印在纸上记录保存。
3.处理精度高
现在记录运动员成绩已经不用秒表，而用电子计时器，它可将时间精确到百分之一秒。
机械秒表和电子秒表
【任务三】初识数字信号与模拟信号相互转换过程
电信号
传感器
控制部分
执行机构
多彩世界
信息
电信号
电信号
传感器
多彩世界
信息
模拟信号
电信号
电信号
控制部分
010
001
011
100
101
数字信号
电信号
执行机构
模拟信号
模数转换器（A/D）：将模拟信号转换为数字信号的电路。
数模转换器（D/A）：将数字信号转换为模拟信号的电路。
模拟信号与数字信号之间的相互转换
图（a）　　　　图（b） 　　　　图（c）　　　　图（d）　　　　　 图（e） 　　
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。
3.模数转换（A/D）
采样：每隔一段时间对模拟信号的幅值抽取样品，使模拟信号变成脉冲信号。
保持：将脉冲信号变成阶梯信号，以便处理。
量化：将阶梯信号中每个阶梯的幅值舍去零头，保留整数。
编码：将量化的信号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。
总结：
1——一种思想：复杂的事务，简单化处理
2——两种电路：数字电路和模拟电路
3——三个优点：容易处理、处理精度高、方便记录和存储
练习
1.下列信号中属于数字信号的是（ ）
A.温度信号
B.红绿灯信号
C.心电图信号
D.储气罐压力信号
B
2.逻辑“0”和逻辑“1”可以表示（ ）
A.开关的闭合、断开
B.电位的高、低
C.真与假
D.以上都可以
D
3.下列关于数字信号的说法中错误的是（ ）
A.数字信号只有高低两个电平
B.数字信号在时间和数值上均是连续变化的
C.数字信号中只有“1”和“0”两种状态
D.数字信号简单，稳定可靠
B
4.下列电子元件中输出信号为数字信号的是（ ）
B
谢谢！

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