汽车电工电子技术学习情境7汽车数字电路任务1 数字电路概述

学习情境7 汽车数字电路
【学习目标】
数字电路在汽车电路中被广泛应用，电控单元ECU就是一个典型的数字系统。

了解数字电路的基本概念和触发器的基本性质、功能及电路组成，掌握门电路输出与输入之间的逻辑关系的分析方法、译码器的逻辑功能，知道时序逻辑电路的特点，以及555定时器的电路结构及其功能。

掌握数字电路在汽车电路中的应用。

【项目描述】
任务1描述的是什么是数字电路？什么是脉冲信号？什么是数的进制与码制？为后面的学习做铺垫。

数字电路具有“逻辑思维”能力，门电路能实现这一能力，任务2描述的是门电路的功能。

数字电路的逻辑关系如何解决？数字电路如何完成需要一些器件，比如触发器、寄存器等，任务3描述的是时序逻辑电路，叙述它们的特点和应用。

任务4叙述的是模拟电路与数字电路是如何转换的。

汽车上应用了哪些数字电路，任务5叙述了一些数字电路在汽车上的应用，主要叙述的是555定时器的应用。

任务7.1 数字电路概述
数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。

但其发展比模拟电路发展的更快。

从20世纪60年代开始，数字集成电路大规模投放市场，并再一次引发了电子设备的全面更新换代，开创了电子技术的“集成电路时代”。

二十世纪八十年代，开始出现特大规模数字集成电路，16兆位的芯片集成度达到3200万个元件，条宽减到0.5微米。

目前数字集成电路制造工艺可以加工的最小尺寸已经缩小到了65nm，能将1亿以上的晶体管制作在一片硅片上。

现在已经可以把一个复杂的电子系统（例如数字计算机）制作在一个硅片上，形成所谓“片上系统”。

在当今的世界上，很少有一种技术能像数字技术那样渗透到人类社会生活的一切领域，并且在许多方面改变着我们的生活。

无论是当前信息技术的蓬勃发展及计算机技术的广泛应用，还是工农业生产过程和生产设备的自动监测和控制，都离不开数字技术。

我们日常生活中使用的各种电器，电视机、收音机、摄像机、DVD播放机、移动电话、数码照相机、计算器、电子表等，也无一不是利用数字技术生产出来的产品。

从20世纪70年代起，许多科学工作者就已经开始潜心研究和寻找比硅片集成度更高、性能更好的新型器件了。

相信在不久的将来数字电路一定又将迎来一场崭新的革命
7.1.1 模拟电路和数字电路
在汽车电子电路中，电信号主要在传感器、ECU及执行器件之间进行传递。

传感器输入ECU的信号大体上可以分两大类：一类信号是连续变化的信号，如热敏电阻式水温传感器，输出的信号是随着冷却水温度变化而连续变化的信号，这类信号被称为模拟信号，如图7-l（a）所示；另一类信号是电压“高”、“低”间隔变化的脉冲式信号，如光电式曲轴位置传感器，输出的信号是遮光盘不断通过光电耦合器而产生的“有”或“无”（透光或遮光）
数字信号与模拟信号的特性不同，在检测时一定要区分开。

表7-1列出了部分汽车传感器输出信号的类型。

表7-1按输出信号类型划分传感器
真实的世界是模拟的，模拟信号在时间和数值上是连续的，例如：电压、电流、温度、声音等。

模拟信号的优点是能用精确的值表示事物，缺点是很难度量；容易受噪声的干扰；难以保存等。

处理和传输模拟信号的电路叫模拟电路，在模拟电路晶体三极管工作在线性放大区。

数字信号在时间上是离散（不连续）的，只在某些时刻有定义。

在数值上是离散的，变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示，例如：开关通断、电压高低、电流有无等。

处理和传输数字信号的电路叫数字电路。

在数字电路晶体三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。

汽车电控单元ECU就是一个典型的数字系统。

与模拟电路相比，数字电路有如下特点。

（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。

（2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。

（3）通用性强。

结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产。

（4）具有“逻辑思维”能力。

数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。

7.1.2 脉冲信号
1.脉冲信号的基本概念
在数字系统中经常要用到脉冲信号，脉冲信号是指在短暂时间间隔内发生突变或跃变的电压或电流信号。

脉冲信号有多种多样，图7-2给出了常见的几种脉冲信号。

脉冲信号中最典型的是矩形脉冲。

矩形脉冲有正脉冲和负脉冲之分，脉冲跃变后的值比
初始值高称为正脉冲，如图7-3（a）所示。

反之则称为负脉冲，如图6-2 (b)所示。

2.脉冲信号的主要参数
实际的矩形脉冲并无理想的跳变，顶部也不平坦。

实际的矩形脉冲如图7-4所示。

通常采用以下参数对它们进行描述。

（1）脉冲幅度U m——指脉冲的最大幅值。

（2）前沿或上升时间t r——通常指由脉冲信号幅值由0.1U m上升到0.9U m所需要的时间，t r愈短，脉冲上升愈快，就愈接近于理想矩形脉冲。

（3）后沿或下降时间t f——脉冲信号下降由0.9U m下降到0.1U m所需要的时间。

（4）脉冲宽度t w——通常用脉冲前、后沿0.5U m两点间的时间间隔来代表脉冲宽度。

（5）脉冲周期T——对重复性的脉冲信号，两个相邻的脉冲波形上相应点的时间间隔称为脉冲周期，其倒数为脉冲频率f=1/T，f表示单位时间内脉冲信号的重复次数。

7.1.3 数的进制与码制
1.数制
数制就是数的表示方法。

常用的数制有以下几种。

（1）十进制。

十进制数是用0 ~9十个数码按照一定的规律排列起来来表示数值的大小。

计数的基数为10，计数规则是“逢十进一”，所以称为十进制。

例如：259=2×102+5×101+9×100
102、101、100就叫十进制的权。

（2）二进制。

二进制数组是用0和1两个数码按照一定的规律排列起来来表示数值大小的。

例如：1101=1×23+1×22+0×21+1×20
23、22、21、20就叫二进制的权。

（3）二、十进制数的相互转换。

二进制数转换成十进制数的方法是将各位二进制数乘以对应位的权，然后相加，其相加的和即为转换成的十进制数。

例如：
11101=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=31
以十进制和二进制作比较，十进制在日常生活中应用最多，是人们最熟悉和习惯的计数
体制，但其十个数码在数字电路中难于找到十个状态与之对应．数字电路的两个状态可用两个数码表示，故采用二进制。

二进制计算规则简单，但人们对它不习惯，另外其数位较多，不易读写。

利用二进制与十进制和对应关系，对十进制和二进制编码，用起来就很方便了。

2.码制
数字信息可分为两类，一类是数值信息，另一类是文字、图形、符号等非数值信息。

对第二类信息，在数字系统中也用一定位数的二进制数来表示，以便计算机能够处理。

这些代表非数值信息的二进制码不再有数值的意义，称为代码。

为了便于记忆、查找、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。

对数字系统而言，使用最为方便的是按二进制数编制代码。

如在用二进制数码表示十进制数的0~9这十个状态时常用8421码制，而8、4、2、1是十位二进制数所在位的权。

用8421码制编制的代码属于BCD码的一种，意指这种编码为“以二进制编码的十进码”。

8421BCD码都以4位二进制数来表示1位十进制数，每位二进制数都有固定的权位，所以这种代码也称为有权码。

8421码制的编码表如表7-2所列。

想一想
用图形来区分模拟信号和数字信号形象直观，在日常生活中你所知道的哪些是使用了模拟信号？哪些是使用了脉冲信号？
探究
1.电容的特点是通直流隔交流，脉冲信号能否通过电容呢？
2.请你查阅维修手册了解一下汽车上的哪些原件输入或者输出的是数字信号？。