第三章　电子控制系统的信号处理

[考试标准] 考试内容 考试要求 考试属性 已考点 数字信号 ①模拟信号与数字信号的不同特性，数字信号的优点 ②数字信号中“1”和“0”的意义 a 加试 2015年9月选考(第11题)

①数字信号中“1”和“0”在数字电路分析中的应用 逻辑门 ①数字信号中“1”和“0”在数字电路分析中的应用 ②与门、或门和非门三种基本逻辑门的电路符号及各自的逻辑关系，真值表的填写 ③与非门、或非门的电路符号及各自的逻辑关系，真值表的填写 ④简单的组合逻辑电路 a b C 加试 2016年10月选考(第13题) 2017年4月选考(第13题) 2017年11月选考(第13题) 2018年4月选考(第12题)

①晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用 数字集成电路 ①晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用 ②常用数字集成电路类型 a 加试 2018年4月选考(第13题) 数字电路的应用 ①简单的组合逻辑电路的分析、制作和测试 ②基本触发器的组成特征及作用 c C 2017年4月选考(第12题) 2018年4月选考(第12题)

一、数字信号 数字信号与模拟信号 (1)信号：用来传递信息或命令的光、电波、声音、动作等的合成。 (2)处理：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。 (3)信号类型：模拟信号、数字信号 ①模拟信号：在电子控制系统中，用传感器将采集的物理量变成为连续变化的电信号，这种连续变化的电信号是模拟信号。

如： 模拟信号的优点：精确的分辨率，信息密度更高；不存在量化误差，可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。缺点：不易于传输(干扰)；不易于存储；不易于被处理。

②数字信号 含义：用二进制高、低电平来表示非连续变化的物理量的信号，(又被称为脉冲信号)。 表示方法：“1”表示高电平；“0”表示低电平，表示信号的“有”和“无”；命题的“真”和“假”。

数字信号的优点：容易处理；处理精度高；便于记录保存；保密性好等。 数字信号与模拟信号的比较   特征 描述 在电子电路中的表现方式 模拟信号 连续变化 连续变化的直线或曲线 连续变化的电磁波或电压信号 数字信号 不连续 变化 柱状图或数字 电压脉冲或光脉冲

二、逻辑门电路 1.数字信号用数字电路处理，数字电路中最基本的单元是门电路。输入信号和输出信号存在着一定的逻辑关系，输出信号对应逻辑结论，输入信号对应逻辑前提。 数字电路(逻辑电路)：实现各种逻辑关系的电路 (1)在数字电路中，“真”用高电平(“1”)；“假”用低电平(“0”)表示。 (2)“1”和“0”称为数字电路的真值或逻辑值。 (3)最基本的逻辑关系是与、或、非，最基本的逻辑门是与门、或门和非门。逻辑门是在集成电路(也称：集成电路)上的基本组件。

2.三种基本的逻辑门 (1)与门：实现“与”逻辑运算 ①“与”逻辑关系： 所有逻辑前提全为“真”时，逻辑结论才为“真”，即“全高出高，有低出低” 记作：F＝A×B＝A·B＝AB ②符号

③真值表：表征逻辑事件输入和输出之间全部可能状态的表格。 F＝AB的与门的真值表

输出波形图及电路：

(2)或门：实现“或”逻辑运算 ①“或”逻辑关系： 逻辑前提中有一个或一个以上为“真”时，逻辑结论就为“真”，即“全低出低，有高出高” 记作：F＝A＋B ②符号

③真值表：F＝A＋B的与门的真值表

输出波形图

(3)非门：实现“非”逻辑运算 ①“非”逻辑关系： 逻辑前提为“假”时，逻辑结论为“真”；逻辑前提为“真”时，逻辑结论为“假”。 记作：F＝A ②符号

③非门真值表

(4)与非门 与非门(NAND)：“全高出低，有低出高”，是与门和非门的叠加(先与后非) ①电路符号

②与非门真值表及波形图F＝AB A B Y 1 和或非门

(5)或非门(NOR)：是或门和非门的叠加(先或后非) ①电路符号

②真值表 或非门真值表 输入A 输入B 输出Y 1

三、数字集成电路 1.晶体三极管的开关特性 (1)半导体三极管(简称“三极管”)，是电子电路中的核心器件之一，也是集成电路中的基础器件。 ①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，集电极和发射极之间的电压只有0.2 V左右(低电平)

②截止 条件：输入信号足够小(低电平) 现象：三极管没有电流通过，集电极和发射极之间的电压与电源相近(高电平) ③由于三极管基极的信号不是高电平就是低电平，因此三极管工作于开关状态(饱和、截至) (2)MOS管：与三极管原理相似，只是用电压来控制。

2.常用集成电路的类型 (1)数字集成电路：由若干门电路组成，能完成某个逻辑功能。最常用的有TTL和CMOS两种。 (2)TTL集成电路 ①逻辑电路的输入端和输出端都采用了半导体晶体管(晶体管—晶体管—逻辑电路)的简称。 ②优缺点：运算速度较快，允许负载流过的电流较大，消耗功率较大。 (3)CMOS集成电路 ①互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。 ②优缺点：消耗功率低，速度比TTL慢，负载电流较小。

3.用门电路实现逻辑关系 数字电路的基本单元电路是门电路和触发器，触发器又是有门电路构成。门电路用于实现各种逻辑关系，触发器用于存储数据。 (1)与门电路(二极管)

与逻辑真值表

(2)或门电路(二极管)

或逻辑真值表

(3)非门电路(三极管) 输入 输出 VA(V) VL(V) 0 V 5 V

非逻辑真值表 输入 输出 A L 1

四、基本触发器 1.含义：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，其中最简单的一种称为基本触发器。 2.组成：通常由2只或非门(或2只与非门)交叉连接构成。 (1)输出：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0状态，(Q＝1，Q＝0)称为1状态。 (2)输入：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。

3.基本触发器逻辑图

4.基本触发器的功能表 S R Q 不变   1 不使用

【例1】　(2017·4月浙江选考)下列关于如图所示电路的分析中，正确的是(　　)

A.S断开时V不发光，S闭合时V发光 B.S断开时V发光，S闭合时V不发光 C.不管S闭合还是断开，V都发光 D.因为电路的初始状态未知，所以不能确定V是否发光 解析　根据题意，由图分析电路中S闭合时，电路接通，V发光。 答案　A

【例2】　(2016·4月浙江选考)如图所示电路，V3工作于开关状态。当输入X＝0、Y＝1时，以下发光二极管状态中正确的是(　　)

A.V1不发光、V2不发光 B.V1不发光、V2发光 C.V1发光、V2不发光 D.V1发光、V2发光 解析　首先依据题意化简电路图，得上端为高电平，下端为低电平，又因为二极管正偏时工作，反向截至，故V1发光，V2不发光。 答案　C

【例3】　(2016·10月浙江选考)如图所示是小明设计的蔬菜大棚自动报警电路示意图，R1是负温度系数热敏电阻。当光线暗并且温度低于设定值时，蜂鸣器发声报警。图中虚线框处应选用的逻辑门是(　　)

解析　根据题意及图示，因为三极管的非门电路，所以本题选择或非门，C项正确。

[变式1]　下图中(a)、(b)、(c)表示“或”门、“与”门或者“非”门的输入信号或输出信号，下列说法中正确的是(　　) A.若(a)、(c)为输入信号，(b)为输出信号，则该电路是“或”门电路 B.若(a)为输入信号，(b)为输出信号，则该电路是“非”门电路 C.若(b)、(c)为输入信号，(a)为输出信号，则该电路是“与”门电路 D.若(a)、(b)为输入信号，(c)为输出信号，则该电路是“与”门电路

解析　若(a)、(c)为输入信号，(b)为输出信号，则对应关系分别为“0、1、1”、“1、1、0”，若(b)、(c)为输入信号，(a)为输出信号，对应关系是“1、1、0”、“0、1、1”不属于常见三种门电路之一，A、C错误，若(a)为输入信号，(b)为输出信号，则对应关系是“0、1”“1、0”，反映了相反的一种关系，属于“非”门，B正确，若(a)、(b)为输入信号，(c)为输出信号，则对应关系是“0、1、1”、“1、0、1”，反映了或的逻辑关系，D错误。 答案　B

[变式2]　(2015·9月浙江模考)下列信号中属于模拟信号的是(　　)

解析　模拟信号是连续变化的信号，数字信号是断续变化的信号，车速信号是连续的信号，其他是断续信号。本题意在考查数字信号与模拟信号的区别。 答案　B

[变式3]　下列产品中，能体现数字信号优点的是(　　) A.电子计时器 B.机械秒表 C.水银温度计 D.普通录音机磁带 解析　数字信号的优点有容易处理、处理精度高、便于记录保存等，电子计时器之所以有这么高的技术精度，原因之一就是它在测量过程中使用了数字信号。故A选项正确。此类考题需要考生能了解各类输入信号的特点，能判断属于数字信号的同时，也能对应理解该数字信号的优点属性。 答案　A

【例4】　(2015·10月浙江选考)如图所示为楼道照明灯的控制电路。用A和B分别表示2个单刀双掷开关的状态，“1”表示开关向上，“0”表示开关向下。用L表示灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯不亮。关于该电路的逻辑关系，下列真值表中正确的是(　　)

解析　用“0”和“1”两种状态分析逻辑关系，并能用真值表表示出来，该电路当开关都在(A和B)上面或都在下面时，电路导通为“1”状态，所以A为符合题意的真值表。

[变式4]　(2015·10月浙江调研)如图所示为楼道照明灯的控制电路。用A和B分别表示2个单刀双掷开关的状态，“1”表示开关向上，“0”表示开关向下。用L表示灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯不亮。关于该电路的逻辑关系，下列真值表中正确的是(　　)

解析　根据题意和电路图，能得到AB和L的关系，全真为1，故选A。

【易混易错】 一、基本的逻辑门 1.与门：实现“与”逻辑运算 2.或门：实现“或”逻辑运算

3.非门：实现“非”逻辑运算 (2)符号：

二、与非门和或非门 1.与非门 2.或非门

技巧总结：基本触发器的工作过程 若S端加触发信号(高电平)，R端不加触发信号，即S＝1，R＝0，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0状态，此过程称为置0。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)。如下图所示：