高中电子控制技术第3单元__电子控制系统的信号处理

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1、 数字信号 电子控制系统的信号处理 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。 数字信号 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 思考 数字信号 楼梯滑梯 不连续 连续 思考 数字信号 钱江海潮 观察气温 钱江潮 数字信号 家电商场人口普查 数字信号 请判断，下列量中那些是连续变

2、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 数字信号 气象观察 气温变化 数字信号 轿车生产流水线生产量 月生产量 人日生产量 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。通 常模拟信号泛指数值可连续变化的信号。 有些非连续变化的信号可以用数字表示，称为数字信号。 最常见的是只有两种状态的数字信号，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

3、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 00 uu tt 数字信号 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，而0 V 0.8V为低。 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。 数字信号 马上行动 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 。 数字信号 0 u t 1001119 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

4、（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 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 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。 数字信号 数字信号 容易处理 数字信号只有高、底 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 数字信号 演员的歌声经话筒转换成的电信号是模拟信号

5、，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 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 数字信号 识别有失真和受干扰影

6、响的数字信号的方法是，设置一个 电压门槛(它应介于高电平与低电平之间)，高于此门槛的信号 传过去后，输出为1，低于此门槛的信号传过去后，输出为0。 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 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

7、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 图(a) 图(b) 图(c) 图(d) 图(e) 数字信号 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。 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

8、录保存模拟信号。 数字信号 光盘是在塑料母片上用激光“烧”出许多直 径不到1m，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 数字信号 练习 用一个发光二极管制作高、低电平的检测器。 数字信号 课堂小结 1.电子电路所处理的信号有：数字信号和模拟信号两类。 2.信号波形模拟着信息的变化而变化信号称为模拟信号。 3.二进制数中的“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。 4.数字信号容易处理、处理精度高、便于记录保存

9、等优 点。 数字信号 逻辑门 电子控制系统的信号处理 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。

10、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。 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。 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

11、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 逻辑门 ABL AB 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。 两只开关控制一盏

12、灯亮和灭的电路，在真值表内填入灯亮与否的情 况。 逻辑门 B A F ABF 000 010 100 111 真值表 与门波形图 与门逻辑符号 逻辑门 B A F 与门的逻辑表达式： F=AxB F=AB F=AB 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。 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

13、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。 逻辑门 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 + - ABC L A B CL 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0

14、 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 真值表 & L 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

15、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。 逻辑门 A L B ABL 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。 逻辑门 ABF 000 011 101 111 A B F 真值表 或门波形图 或门逻辑符号 逻辑门 A B F 或门的逻辑表达式记作 ： F = A 十 B 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。 逻辑门 A L R AL 断通 通断 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。 AF 01 10 A F 真值表 非门波形图 非门逻辑符号 逻辑门 非门的逻辑表达式记作 ： F = A ， 读作A非 A F 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