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汽车电工汽车电工电子技术电子技术汽车数字电路汽车数字电路项目七项目七任务一任务一 数字电路认知数字电路认知一、数字电路概述一、数字电路概述 电子电路中的信号分为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号是指在时间和幅值上都连续变化的信号，如图7-1（a）所示；数字信号是指在时间和幅值上都离散（即不连续）的信号，如图7-1（b）所示。（a）模拟信号 （b）数字信号图7-1 模拟信号和数字信号二、数制二、数制（一）十进制（一）十进制 在十进制数中，每一位有09十个数码，所以计数的基数是10。超过9的数必须用多位数表示，低位和相邻高位之间的进位关系是“逢十进一”，故称十进制。任意一个十进制数D可展开为（7-1）式中：第i位的系数，取值为09之间的自然数。以N取代式（7-1）中的10，就得到按任意进制数展开的普遍形式（7-2）式中：N计数的基数；第i位的权。（二）二进制（二）二进制 二进制数中，每位仅有0和1两个可能的数码，所以计数的基数为2，低位和相邻高位之间的进位关系是“逢二进一”，故称为二进制。任意一个二进制数D，可按位展开表示为（7-3）（三）数制的相互转换（三）数制的相互转换1二进制转换为十进制 将二进制转换为十进制的换算方法：将二进制数按位权展开后相加，就得到等值的十进制数。例7-1 将 转换为十进制数。解2十进制转换为二进制 将十进制转换为二进制的换算方法：用“除2取余倒记数”法，即用2去除十进制整数，得到商和余数，再用2去除商，又会得到商和余数，如此进行，直到商为0时为止，然后把先得到的余数作为二进制数的低位，后得到的余数作为高位，依次排列起来。例7-2 将 转换为二进制数。解 余0 余0 余1 余1 0所以 三、码制三、码制 为了便于查找、记忆和区别，在编制各种代码时，总要遵循一定的规律，这一规律称为码制。建立这种代码与文字、符号等非数值信息间一一对应关系的过程称为编码。任务二任务二 逻辑门电路认知逻辑门电路认知一、门电路一、门电路（一）基本逻辑门（一）基本逻辑门 逻辑是指事件的前因后果所遵循的规律。在数字电路中，数字信号的高、低电平可以看成是逻辑关系的“真”与“假”或二进制数中的“1”或“0”，因此数字电路可以很方便地进行逻辑运算。1逻辑与及与门电路 与门控制电路如图7-2（a）所示，只有两开关同时闭合时，指示灯才会亮；只要有一个开关断开，灯就不亮。该例子表明，只有当决定某一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生，这种因果关系称为逻辑与，又称逻辑相乘。与门电路的图形符号如图7-2（b）所示。（a）与门控制电路 （b）与门图形符号 图7-2 与门控制电路及图形符号与运算的逻辑表达式为（7-4）其中，“”表示逻辑与运算，也可以省略。与运算的运算规则为：有0出0，全1出1。2逻辑或及或门电路 或门控制电路如图7-3（a）所示，只要两个开关有一个闭合或两个同时闭合，指示灯就会亮；只有当开关都断开时，灯才不亮。该例子表明，当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就会发生，这种因果关系称为逻辑或，又称逻辑相加。或门电路的图形符号如图7-3（b）所示。（a）或门控制电路 （b）或门图形符号 图7-3 或门控制电路及图形符号或运算的逻辑表达式为（7-5）式中，“”表示逻辑或运算。或运算的运算规则为：有1出1，全0出0。3逻辑非及非门电路 非门控制电路如图7-4（a）所示，当开关闭合时，指示灯不亮；当开关断开时，指示灯亮。该例子表明，条件具备时事情不发生；条件不具备时事情才发生，这种因果关系称为逻辑非，又称逻辑求反。非门电路的图形符号如图7-4（b）所示。（a）非门控制电路 （b）非门图形符号 图7-4 非门控制电路及图形符号非运算的逻辑表达式为（7-6）非运算的运算规则为：有0出1，有1出0。（二）复合逻辑门（二）复合逻辑门1与非门 与非门相当于将一个与门和一个非门相连接，其图形符号如图7-5所示。图7-5 与非门图形符号与非运算的逻辑表达式为（7-7）与非运算的运算规则为：有0出1，全1出0。2或非门 或非门相当于将一个或门和一个非门相连接，其图形符号如图7-6所示。图7-6 或非门图形符号或非运算的逻辑表达式为（7-8）或非运算的运算规则为：有1出0，全0出1。图7-7 与或非门图形符号3与或非门 与或非门是由多个基本门电路组合在一起所构成的复合逻辑门，一般由两个或多个与门和一个或门，再加一个非门串联而成，与或非门的图形符号如图7-7所示。与或非运算的逻辑表达式为（7-9）与或非运算的运算规则为：一组全1出0，各组有0出1。（三）逻辑代数运算（三）逻辑代数运算例7-3 试证明 。证明例7-4 应用逻辑代数规则化简 。解二、组合逻辑电路二、组合逻辑电路 数字电路根据逻辑功能的不同，可以分成两大类，一类称为组合逻辑电路（简称组合电路）；另一类称为时序逻辑电路（简称时序电路）。在组合逻辑电路中，每一个输出变量都是输入变量的函数。即式中：电路中的输出变量；电路中的输入变量。（一）组合逻辑电路的分析方法（一）组合逻辑电路的分析方法 根据逻辑图写出输出逻辑函数的表达式。列出真值表。逻辑功能说明。例7-5 试分析图7-8中组合逻辑电路的逻辑功能。图7-8 例7-5图解 由逻辑图写出逻辑表达式为将上面的逻辑关系式进行化简。根据公式 ，得 列出该组合逻辑电路的真值表，如表7-11所示。确定电路的逻辑功能 此电路可实现“多数表决”的逻辑功能。（二）组合逻辑电路的设计方法（二）组合逻辑电路的设计方法12345逻辑抽象列出真值表写出逻辑表达式化简画逻辑电路图6工艺设计组合逻辑电路的上述设计流程可总结为如图7-9所示。图7-9 组合逻辑电路的设计流程例7-6 有一火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种类型的火灾探测器。为防止误报警，只有当其中两种或两种以上类型的探测器发出火灾检测信号时，报警系统才发出报警信号。试设计这样一个报警信号电路。解 实际逻辑问题分析 输入变量：烟感A、温感B、紫外光感C。输出变量：报警控制信号Y。逻辑赋值：用“1”表示报警，用“0”表示不报警。列出真值表（表7-12）由真值表写出逻辑表达式对上式进行化简，则有任务三任务三 时序逻辑电路认知时序逻辑电路认知一、时序逻辑电路概述一、时序逻辑电路概述二、基本二、基本RS触发器触发器（一）电路组成（一）电路组成 基本RS触发器有两个输入端，一个是触发端 ，另一个是复位端 ；还有两个互补输出端Q和 ，其电路组成和逻辑符号如图7-11所示。（a）电路构成 （b）逻辑符号图7-11 基本RS触发器（二）逻辑功能分析（二）逻辑功能分析1 ，（a）原状态 ，则输出不变（b）原状态 ，则输出翻转图7-12 ，的逻辑功能2 ，（a）原状态 ，则输出不变（b）原状态 ，则输出翻转图7-13 ，的逻辑功能3 ，（a）原状态 ，输出不变（b）原状态 ，输出也不变图7-14 ，的逻辑功能4 ，（三）特征方程（三）特征方程 根据以上的逻辑功能分析，可以得出基本RS触发器的特征状态方程或次态方程，即（7-10）它的约束条件是（7-11）（四）状态转移图（四）状态转移图 由于每个触发器只能记忆一位二进制代码，所以其输出有0和1两种状态。状态转移图是以图形的方式来形象地描述触发器的状态转换规律和操作情况，如图7-15所示。图7-15 基本RS触发器的状态转移图（五）波形图（五）波形图 反映触发器输入信号的取值和状态之间对应关系的图形称为波形图（简称时序图），如图7-16所示。图7-16 基本RS触发器的波形图三、同步三、同步RS触发器触发器（一）电路组成及逻辑符号（一）电路组成及逻辑符号 同步RS触发器的电路组成及逻辑符号如图7-17所示。（a）电路构成 （b）逻辑符号图7-17 同步RS触发器（二）逻辑功能分析（二）逻辑功能分析 利用基本RS触发器的逻辑功能可得到同步RS触发器的逻辑功能表（真值表），如表7-15所示。（三）特征方程（三）特征方程 与基本RS触发器的特征方程 相同，但约束条件为（7-12）（四）状态转移图（四）状态转移图 如图7-18所示为同步RS触发器的状态转移图。图7-18 同步RS触发器的状态转移图（五）波形图（五）波形图 同步RS触发器的波形图如图7-19所示。图7-19 同步RS触发器的波形图（六）同步（六）同步RS触发器的空翻现象触发器的空翻现象 在一个时钟周期内，如果整个高电平或低电平期间，都能接收输入信号并改变状态的触发方式，称为电平触发。由此引起的在一个时钟周期内触发器翻转两次或两次以上的情况称为空翻。四、同步四、同步JK触发器触发器如图7-20所示为其逻辑电路和符号图。（a）逻辑电路 （b）逻辑符号图7-20 同步JK触发器 在同步RS触发器的基础上可以得到JK触发器的真值表（如表7-16所示）、状态图（如图7-21所示）和波形图（如图7-22所示）。图7-21 同步JK触发器的状态图 图7-22 同步JK触发器的波形图五、边沿五、边沿D触发器触发器 边沿D触发器是用时钟脉冲上升沿触发的，它只有一个触发输入端D，因此逻辑关系较简单。其电路逻辑图和逻辑符号如图7-23所示。（a）逻辑电路 （b）逻辑符号图7-23 边沿D触发器边沿D触发器的波形图如图7-24所示。图7-24 边沿D触发器的波形图任务四任务四 信号的采集与转换信号的采集与转换一、汽车信号的采集一、汽车信号的采集图7-27 汽车电子控制单元ECU的组成示意图二、汽车信号的转换二、汽车信号的转换图7-28 转换器在计算机控制过程中的框图1A/D转换的方法 A/D转换的方法根据A/D转换的原理分为直接法和间接法两大类。2A/D转换的基本原理 A/D转换通道主要由传感器、信号处理器、转换开关、采样保持器和A/D转换电路等组成。转化的过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤。其结构框图如图7-29所示。（一）（一）A/D转换器转换器 模数转换（简称A/D转换）是指将模拟信号转换成数字信号，输出的数字量与输入的模拟量成正比。实现模数转换的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。图7-29 A/D转换框图1）采样-保持电路 采样是将随时间连续变化的信号变换为时间上离散的信号。而保持则是使采样信号有充分的时间转换为数字信号。如图7-30所示为采样-保持电路图和波形转换图。（a）电路图 （b）波形图图7-30 采样-保持电路 在采样过程中遵守的规律为：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。此即采样定理，用公式表示为（7-15）2）量化和编码 量化是把采样-保持电路采集的模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级单位，然后用量化电压的整数倍来表示。编码则是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2的n次方个量级（n为位数），可依次逐个地编号。1D/A转换器的组成和类型 D/A转换器主要由电阻译码网络、运算放大器、基准电源和模拟开关四部分组成。其组成方框图如图7-31所示。图7-31 D/A转换器的方框图（二）（二）D/A转换器转换器 数模转换（简称D/A转换）是指将数字信号转换成模拟信号，输出的模拟量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。2D/A转换器的基本原理和转换特性图7-32 D/A转换器的基本原理 D/A转换器的转换特性是指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。如图7-33所示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比，即输出模拟电压和模拟电流分别为（7-18）若输入为n位二进制数 ，则输出模拟电压为（7-19）图7-33 D/A转换器的转换特性