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第三章　电子控制系统的信号处理
知识体系
一、模拟信号与数字信号
二、初识模拟电路
三、走进数字电路
教材解读
一、模拟信号与数字信号
1.传感器将所获取的信息转换成电信号后,控制部分便对这些信号进行分析、比较、判断、放大、运算、变换等,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。
2.电子电路所处理的信号有模拟信号和数字信号两类。
项目 特征 描述方法 典例
模拟信号 数值连续变化 连续变化的曲线或直线 正弦波电压信号
数字信号 数值不连续变化 柱状图或数字 个数计数信号
通常,模拟信号泛指那些数值可连续变化的信号;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代表二进制中的“1”和“0”,则其形成的在高、低电平之间来回跳变的电压信号就是通常所说的数字信号。
二、初识模拟电路
1.处理模拟信号的电路叫模拟电路。半导体二极管和半导体三极管(简称二极管、三极管)是模拟电路中的重要器件。
2.二极管用VD表示。二极管只允许电流由正极流入,负极流出,反方向流不通。这就是二极管的单向导电特性。
3.当二极管正向导通时,其两端电压基本保持不变,这称为正向导通压降。
4.整流电路将交变电流变成直流,这是二极管一个最简单且最重要的应用。
5.二极管的种类和应用非常多,如发光二极管在正向导通时能发出各种颜色的光;开关二极管可以用作数字门电路;检波二极管可以将高频电波中的声音和图像信号分离出来;稳压二极管利用二极管反向击穿电压基本保持不变的特性,可用于直流稳压电路。
6.三极管的结构和组合形式
7.三极管的三种工作状态
三、走进数字电路
1.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,其中输出信号对应逻辑结论,输入信号对应逻辑前提。实现各种逻辑关系的电路称为数字电路(或逻辑电路)。数字信号用数字电路处理,数字电路最基本的单元是门电路。
2.在数字电路中,“真”用高电平“1”表示,“假”用低电平“0”表示。“1”和“0”称为数字电路的真值或逻辑值。
3.数字电路中用以实现一定逻辑关系的电路称为逻辑门电路,简称门电路。数字电路中的基本逻辑关系有三种,即“与”(AND)、“或”(OR)、“非”(NOT)。与其对应的基本门电路有“与门”“或门”“非门”三种。
逻辑门电路 与门 或门 非门
电路符号
逻辑关系 “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 “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 “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
逻辑描述 全高出高,有低出低 有高出高,全低出低 有高出低,有低出高
逻辑表达式 F=A×B或F=A·B或F=AB F=A+B
真值表
A B F
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B F
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
A F
0 1
1 0
4.在实际使用中,可以把基本逻辑门电路组合起来构成复合逻辑门。常用的复合逻辑有“与非”(NAND)和“或非”(NOR)。与其对应的逻辑电路是“与非门”和“或非门”。
逻辑门电路 与非门 或非门
电路符号
逻辑关系 “所有逻辑前提全为真时,逻辑结论才为假;否则逻辑结论为真” “逻辑前提中有一个或一个以上为真,逻辑结论为假;逻辑前提全为假时,逻辑结论才为真”
逻辑描述 全高出低,有低出高 有高出低,全低出高
逻辑表达式
真值表
A B F
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A B F
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
5.对于简单的组合逻辑电路,先确定输入输出的逻辑关系,然后用真值表加以描述,通过真值表写出逻辑函数。逻辑电路设计的一般步骤:
(1)分析事件的因果关系,确定输入变量和输出变量。把引起事件的原因作为“输入变量”,把引起事件的结果作为“输出变量”。
(2)定义“逻辑状态”的含义。用1和0代表输入输出变量的状态。
(3)列出逻辑真值表。
(4)写出逻辑表达式。先找到使输出变量为1的组合,每个组合对应一个乘积项,其中输入值为1的写入原变量,输入值为0的写入反变量,最后将各乘积项相加得到逻辑表达式。
(5)画出逻辑电路图。
6.常见的数字集成电路的类型:
(1)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。
(2)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。CMOS器件比较容易损坏,使用时要注意保护。
(3)TTL集成电路的标准直流电源电压为5 V,CMOS集成电路的直流电源电压可以在3~18 V之间,通常不能在同一电路中使用,两者在同一电路中使用时要注意电位相等,须加上电平转换电路。
(4)CMOS集成电路容易损坏,电源的极性不能接反,焊接时要切断电源。
1.电路仿真是通过仿真软件对电路图进行实时模拟,模拟出实际功能,在仿真环境中分析电路功能,验证电路的运行效果。
2.电路仿真是电子设计自动化的重要工具。
3.想要仿真,首先要在仿真软件中“画”出电路图。
4.在软件平台上画好电路,就是建立了仿真的电路模型。
四、数字电路的仿真实验与应用
典例变式
[典例1] (浙江选考真题)下列电子元器件中属于传感器的是(　 　)
B
解析:本题考查元器件的外观特征与作用。选项A是金属膜电阻器,为定值电阻,不是传感器,故选项A错误;选项B为干簧管,属于磁场强度传感器,故选项B正确;选项C为普通二极管,具有单向导电性,但不是传感器,故选项C错误;选项D是电磁继电器,是一种执行部件,具有“以低控高、以小控大”的作用,不是传感器,故选项D错误。
[变式1] (2024·浙江6月选考)下列元器件中不属于传感器的是(　 　)
A
解析:本题考查常见元器件识别,能认识常见传感器。A选项是继电器,不属于传感器。B,C,D分别是光敏电阻、湿敏电阻、负温度系数热敏电阻,均属于传感器。
[典例2] (2023·浙江1月选考)如图所示的信号处理电路,ui为输入信号,uo为输出信号。下列输出波形与输入波形关系中可能的是(　 　)
A
解析:本题考查电容充放电,结合门电路考查输入输出波形,学生需要根据所学基本知识,具有独立分析电路基本原理的能力。解题关键是电容充电起始时刻,两端电压差为0,随着充电进行,电压差增大,放电起始时刻,电容两端电压差相对较大,随着放电过程,两端电压差减小。当输入ui=0时,非门输入是低电平,此时uo=1,故排除C。当ui变为高电平时,电容C开始充电,充电起始时刻,非门输入依然是低电平,因此uo维持高电平输出,当充电至一定大小时,
uo=0,排除D。当输入ui又切换为低电平时,电容C开始放电,放电起始时刻,非门输入依然是高电平,因此uo维持低电平输出,当放电至低于一定大小后,
uo=1,因此排除B,选A。
[变式2] (2025·浙江6月选考)如图所示是小明设计的电源模块和工作电路模块。下列分析中不正确的是(　 　)
A.VD1断路时,VD6发光一段时间后熄灭
B.a接B、b接A时,VD5能阻断电路,起保护作用
C.增大电容C的容量,RL两端的电压波动幅度变小
D.电容C断路时,流过VD6的电流会时断时续
A
解析:VD1~VD4构成了整流电路,当VD1断路时,输入交流电的另一半周期,仍有电流通过VD4、VD2,即发光二极管上VD6仍有电流流过,不会熄灭,A错误。由于整流电路输出端A电位高于B电位,为工作电路模块提供电源,其中A是电源的正极,B是电源的负极。当b接A、a接B,会使得工作电路模块的电源反接,而VD5具有单向导电性,能防止电源反接后带来的破坏,即起到保护作用,B正确。电容C具有滤波作用,电容容量越大,波形越平缓,即电压波动幅度变小,C正确。电容C断路时会失去滤波作用,因此工作模块上的直流电压(AB两端的电压)有较大波动,当电压小于二极管导通电压时,VD6无电流,当电压大于导通电压时,VD6上有电流。因此流过VD6的电流会时断时续,D正确。
[变式3] (2024·浙江1月选考)如图所示的信号处理电路,ui为输入信号,UREF为基准信号,uo为输出信号。下列信号波形关系中不正确的是(　 　)
B
解析:本题考查比较器电路分析、输入输出的关系波形图。比较器输入输出的关系:V+>V-,输出高电平;V+[变式4] (2023·浙江6月选考)如图所示的信号处理电路中,A、B 为输入信号,
F为输出信号。下列输出波形与输入波形关系中正确的是( 　)
A
解析:真值表如下:
A B C D F
1 0 0 1 0
1 1 1 0 1
0 1 1 1 1
0 0 1 1 1
[变式5] (2024·浙江6月选考)如图所示的信号处理电路,A、B 为输入信号,F 为输出信号。下列波形关系中可能出现的是(　 　)
B
解析:本题考查学生基本逻辑关系的分析。当A、B输入相同信号时(全1或全0),则三极管VT1均为截止,则非门输入端为0,输出为1,即当A=B时,输出为1,本质上就是同或逻辑,故选择B。
[典例3] (浙江选考真题)如图所示的电路,开关S控制灯L是否发光。下列分析中正确的是(　 　)
A.灯L发光时,减小R1的阻值,电压表V读数增大
B.S断开时,减小R2的阻值,电压表V读数减小
C.S闭合的瞬间V2有保护三极管作用
D.S断开的瞬间V2有保护三极管作用
D
解析:由电路可知,当S闭合时V1导通,灯L发光,此时减小R1的阻值不影响三极管V1的状态,电压表V读数不变,A错误;S断开时三极管V1截止,此时减小R2的阻值V1仍截止,电压表V的读数应保持5 V不变,B错误;V2的作用是在S断开瞬间即三极管V1由导通到截止瞬间防止继电器线圈产生的自感电流破坏三极管,D正确,C错误。
[变式6] (2024·浙江6月选考)小明按图a制作电路,选用的三极管如图b所示。下列制作过程中不正确的是(　 　)
　
A.用多用电表的合适挡位测量发光二极管,正接时指针大幅偏转,反接时指针不偏转,说明发光二极管正常
B.用多用电表的合适挡位测量三极管,AB、AC间阻值很小,BA、CA间阻值很大,可知该三极管是NPN型
C.将元器件插入印制电路板,剪去引脚的多余部分,再完成焊接
D.先检查是否存在虚焊、漏焊和短路,然后通电完成电路测试
C
图a　　　　　图b
解析:本题考查多用电表测二极管和三极管、焊接技术、电路制作的流程。A选项,测发光二极管时,正接和反接的偏转情况差异大,说明单向导电性好,即发光二极管正常;B选项,测试现象说明AB之间是 PN 结,AC之间也是PN结,A为两个PN结的公共脚,故为基极,A流向B时的电阻小,说明是P流向N,所以A为P,故三极管为NPN型;C选项,应该先焊接,再剪引脚多余的部分;D选项,电路测试前先检查虚焊、漏焊和短路等情况,有助于提高测试的效率和安全性。
[典例4] (2025·浙江1月选考)在通用技术实践课中,小明在面包板上插装了如图所示的电位器、三极管、非门集成电路、电容,其中插装不正确的是
(　 　)
A.电容 B.电位器
C.三极管 D.非门集成电路
D
解析:本题考查面包板上元器件的插装。面包板上孔的连通情况是解题关键。集成非门芯片按图示插装,会导致集成门电路上、下两只引脚被短路,故错误。
[变式7] (2023·浙江6月选考)小明设计了自动控制路灯模型电路,原理图如图a 所示。他在实践课上用面包板搭建了该电路的模型如图b所示。面包板的背面结构如图c所示。图b中搭建错误的是(　 　)
A.R1 B.R2
C.R3 D.电池
A
解析:观察图b可知,R1未与R2、Rg连接,同时R2、Rg通过导线连接,因此R1搭建错误。
[典例5] (浙江选考真题)如图所示的电路,RT为负温度系数热敏电阻。温度在设定范围内时,A点为高电位,B点为低电位。下列分析中正确的是(　 　)
A.温度低于设定范围下限时,V5不发光
B.温度在设定范围内时,V3不发光
C.温度高于设定范围上限时,V4不发光
D.温度在设定范围内时,V4、V5都不发光
D
解析:因为RT为负温度系数热敏电阻,所以当温度低于设定范围下限时,C点为高电位,此时A、B点为高电位,D、E输出为低电位,F、G输出均为高电位,则V3、V4均不发光,V5发光,A错误;温度在设定范围内时,据题意知A为高电位,B为低电位,所以D点输出低电位,E点输出高电位,故F为高电位,G为低电位,此时V3发光,V4、V5均不发光,B错误,D正确;当温度高于设定范围上限时,
C点为低电位,此时A、B点为低电位,D、E输出均为高电位,F、G均为低电位,则V3、V5均不发光,V4发光,C错误。
[变式8] (浙江选考真题)如图所示是小明设计的继电器控制电路。S1、S2是按钮开关,按下时接通,松开时断开。比较器功能:U+>U-时输出高电平,U+<
U-时输出低电平。下列分析中不正确的是(　 　)
A.V4发光表示继电器J释放
B.S2按下后松开,V3发光
C.S1按下后松开,继电器J吸合
D.同时按下S1和S2,不能使继电器J吸合
C
解析:V4发光时,B点为低电平,则V7截止,J释放,A正确;S2按下后D点为高电平,V2导通,V3发光,此时B点输入低电平,C点输出高电平,故S2松开后,D点保持高电平,形成自锁,V3继续发光,B正确;S1按下后A点变为高电平,B点也变为高电平,C点输出低电平,故D点不能维持高电平,自锁解除,继电器J释放,松开S1后,继电器J仍释放,C错误;同时按下S1和S2,A点为高电平,B点为高电平,C点输出低电平,V7截止,不能使继电器吸合,D正确。
三极管的3种工作状态
重难拓展
类型 工作状态 电压或电位 电流 PN结 功能
NPN 截止状态 Ube<导通电压 或Ue≥Ub 或Uc≥Ue 三个极均无电流 集电结反偏 发射结反偏 (或正偏但 小于导通电压) 相当于开关断开
放大状态 Vc>Vb>Ve Uce>Ube c极电流受b极控制 Ic=βIb,Ie=Ic+Ib 集电结反偏 发射结正偏 放大
饱和状态 Vb≥Vc c极电流不受b极控制 Ic<βIb、Ie=Ic+Ib 集电结正偏 发射结正偏 相当于
开关闭合
PNP 截止状态 Ueb<导通电压 或Uc≤Ub, 或Ue≤Uc 三个极均无电流 集电结反偏 发射结反偏 (或正偏但小 于导通电压) 相当于
开关断开
放大状态 Uc>Ub>Ue c极电流受b极控制 Ic=βIb、Ie=Ic+Ib 集电结反偏 发射结正偏 放大
饱和状态 Ue>Uc>Ub Uc<0.6 V c极电流不受b极控制 Ic<βIb、Ic=Ie+Ib 集电结正偏 发射结正偏 相当于
开关闭合
基本门电路对比分析
类型 逻辑电路模型 真值表及 逻辑功能 逻辑符号 逻辑表 达式 分立元件构成的基本逻辑关系或逻辑图
与门 有0出0 全1出1 F=A·B 或F=AB 或F=A×B
输入 输出
A B F
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
或门 有1出1 全0出0 F=A+B
输入 输出
A B F
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
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