汽车电学基础-第七章-数字电路

第一章基础元件第二章半导体器件第三章磁路及电磁器件第四章交流电路第五章发电机和电动机第六章集成运算放大器第七章数字电路第八章汽车微机基础第九章汽车电路图识读第十章课程设计汽车电学基础No.10037本章主要介绍的内容有：●数字电路基础●触发器●脉冲产生电路●D/A和A/D转换电路●汽车常用集成电路●课题实验第七章数字电路第一节数字电路基础本节主要介绍的内容有：●什么是数字信号●二进制●常用逻辑门电路●数字电路在汽车电子电路中的应用在汽车电子电路中，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，如发动机的进气压力传感器，输出的信号是随着进气压力变化而连续变化的信号，这类信号被称为模拟信号，如图7-1-1（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）的规律变化的脉冲信号，这类信号被称为数字信号，如图7-1-1（b）所示。一、什么是数字信号数字信号与模拟信号不同，它的电压值本身没有什么意义，而我们关心的只是有无电压（脉冲）、间隔电压出现的次数（脉冲数量）、高电压或低电压维持的时间（脉冲宽度）等。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7-1-1列出了部分汽车传感器输出信号的类型。二、二进制数字电路只处理1和0两种状态，所以在数字电路中广泛采用二进制。二进制包括二进制数和二进制数码。二进制数表示电路状态和数量大小，二进制数码不仅表示数量大小，还可以表示一定的信息，称为代码。1．二进制数2．二进制码概念：位权：6与8表示的数量不同是因为它们所处的位不同，不同的位具有不同的权重，这叫位权。二进制数按照一定的规律组合在一起，表示一定的信息，这样的一组二进制数称为二进制码。最常用的二进制代码是8421BCD码。8421码的含义如表7-1-2所示。三、常用逻辑门电路逻辑电路中实现最基本逻辑关系的电路称为逻辑门电路，简称为门电路。最基本的门电路有与门、或门、非门、与非门和或非门。1．与门只有决定事物结果的全部条件同时具备时，结果才发生。这种因果关系叫逻辑与，或者叫逻辑相乘。表示的逻辑关系是Y=AB。如图7-1-2（a）所示。当开关A与B均闭合时，灯Y才亮。用真值表表示为图7-1-2（b）。体现的逻辑关系是“全1为1，有0为0”。实现逻辑与关系的门电路称为与门，与门的符号如图7-1-3所示。常见的与门电路有四2输入与门74LS08和CD4081。引脚如图7-1-4所示。在决定事物结果的诸条件中只要有任何一个满足，结果就会发生。这种因果关系叫逻辑或，或者叫逻辑相加。表示的逻辑关系是Y=A+B。如图7-1-5（a）所示。当开关A与B只要有一个闭合，灯Y就亮。用真值表表示为图7-1-5（b），体现的逻辑关系是“有1为1，全0为0”。2．或门实现逻辑或关系的门电路称为或门，或门的符号如图7-1-6所示。常见的或门电路有四2输入或门74LS32和CD4071。引脚如图7-1-7所示。只要条件具备了，结果便不会发生；而条件不具备时，结果一定发生。这种逻辑关系叫做逻辑非，也叫做逻辑求反。表示的逻辑关系是Y=A。如图7-1-8（a）所示。当开关A闭合，灯Y就不亮。用真值表表示为图7-1-8（b）。3．非门体现的逻辑关系是“是0则1，是1则0”。实现逻辑非关系的门电路称为非门，非门的符号如图7-1-9所示。常用的非门电路有六反相器74LS04和CD4069。引脚如图7-1-10所示。与非门表示逻辑关系是Y=AB，相当于在与门的基础上加了一个非门，与非门的符号如图7-1-11所示，4．与非门真值表见表7-1-3。常用的与非门集成电路有四2输入与非门74LS00和CD4011，如图7-1-12所示。或非门表示逻辑关系是Y=A+B，相当于在或门的基础上加了一个非门，或非门的符号如图7-1-13所示，5．或非门真值表见表7-1-3。常用的或非门集成电路有四2输入或非门74LS02和CD4001，如图7-1-14所示。四、数字电路在汽车电子电路中的应用由门电路组成的门锁控制系统的控制电路如图7-1-15所示。为了避免电机通电时间长引起发热，利用定时器限制通电时间。利用门钥匙开关或门控制开关使触点位于开锁侧，则向“或”门A输出“Hi”，开锁定时器进行工作，约0.2s晶体管V1处于接通状态，所有门锁电机电流向下流动，开锁（处于脱开状态）。“与”门E的输出，只要不把钥匙插入发动机锁孔中，则处于“Lo”位置，所以与“或”门的输出无关。利用门钥匙开关或门控制开关进行上锁操作，则向“或”门B输出“Hi”，闭锁定时器工作，约0.2s晶体管V2接通，所有门锁电机电流向上流动，处于锁闭状态。（1）闭锁/开锁动作防正键锁闭是指若已执行了锁门操纵，而一侧前门打开并且点火开关钥匙仍插在锁心内，则所有的车门会自动打开，以防止点火开关钥匙遗忘在汽车内。图7-1-15中的虚线部分是钥匙插入防止电路。当钥匙插入发动机锁孔没有拔出时，驾驶座或副驾驶座的门开着，“与”门C输出“Hi”，这时，操作门锁按钮，使门锁机构处于上锁状态，则位置开关处于断开，与非门D输出“Hi”。此外，利用门控制开关即使操作上锁，开关的“Lo”信号向与非门输入，门D成为“Hi”。所以，从E门输出“Hi”，使解锁定时器工作，电机向解锁一侧驱动，不使形成闭锁状态。这时，驾驶员必须注意把钥匙从发动机锁孔中拔出。（2）防止键锁闭第二节触发器数字电路中除了门电路之外，还有触发器电路。触发器起到信息的接收、存储、传输的作用。触发器按其稳定工作状态可分为双稳态触发器、单稳态触发器、无稳态触发器（多谐振荡器）等；按其功能可分为RS触发器、JK触发器和D触发器等。在汽车电路中应用较多的主要有RS触发器、D触发器等。基本RS触发器由两个与非门G1、G2交叉连接组成，如图7-2-1（a）所示。图7-2-1（b）为基本RS触发器的符号。1．RS触发器（1）基本RS触发器表7-2-1是基本RS触发器的特性表。为了提高基本RS触发器的抗干扰能力，设计制作了一种工作状态不仅受输入端（R、S）控制，而且还受时钟脉冲（CP）控制的同步触发器，简称同步触发器。图7-2-2所示为同步触发器的逻辑电路和符号。（2）同步RS触发器时钟脉冲（CP）是等周期、等幅的脉冲串，由外部电路产生，用来控制同步触发器的工作。当脉冲为高电平即CP=1期间，触发器接收输入信号，开始工作；当脉冲为低电平即CP=0期间，触发器不工作。表7-2-2为同步RS触发器的特性表。同步触发器的特点是：时钟电平控制，只有CP=1期间工作，抗干扰能力有所增强；R、S之间还是不能同时为1。在CP时钟脉冲作用下，输入信号R、S取值不同时，凡具有置0、置1和保持功能的电路，都叫做RS型时钟触发器。它的特性表与基本RS触发器相同。（3）RS型时钟触发器在CP时钟脉冲作用下，两个输入信号J、K取值不同时，具有保持、置0、置1、翻转功能的电路，都叫做JK型时钟触发器。如图7-2-3所示为JK触发器的符号和特性表。2．JK触发器在CP时钟脉冲作用下，单一输入信号D在不同取值时，凡具有置0、置1功能的电路，都叫做D型时钟触发器。图7-2-4所示为D触发器的符号和特性表。3．D触发器第三节脉冲产生电路本节主要介绍的内容有：●555时基电路●555时基电路的典型应用一、555时基电路555的原始产品是NE555，后来又出现了LM555、μA555、XR555、CA555、RM555、FX555、5G1555等等，统称为“555”，它们的等效电路、形式和内电阻值虽然略有不同，但基本结构并无根本差别，按其内部电路、功能结构者可简化为图7-3-1的形式。1．555的基本结构555各功能的真值表，如表7-3-1所示，555时基电路引脚图如图7-3-2所示。（1）555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能合为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡，拓宽了模拟集成电路的应用范围。（2）该电路采用单电源供电，电源范围宽，可以和模拟运放及TTL或CMOS数字电路共用一个电源。（3）555可独立构成一个定时电路，且定时精度高。（4）555的最大输出电流达200mA，带负载能力强，可直接驱动小电动机、喇叭、继电器等负载。2．555时基电路特点二、555时基电路的典型应用1．555构成的单稳态触发器单稳态触发器具有下列特点：第一：它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二：在外来触发脉冲的作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三：暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。单稳态触发器一般用于定时、整形以及延时电路。图7-3-3是用555电路构成的单稳态触发器。R、C是定时元件；uI是输入触发信号，下降沿有效，接到555的2脚；3脚uO是输出信号。图7-3-4是555电路构成的单稳态触发器工作波形图。下面以发动机555转速表为例进行介绍。本转速表实际是一个单稳态触发器，其中，LIG是点火线圈一次绕组，P是继电器触点。电路如图7-3-5所示。如图7-3-6所示，为555构成的多谐振荡器。2．555构成的多谐振荡器及其在汽车上的应用电路的工作波形见图7-3-7。如图7-3-8所示，（1）汽车转向灯闪光器如图7-3-9所示，（2）汽车刮水器间隙控制器如想控制双门，可按图7-3-10将S2a、S2b两只磁控开关串联。S2是汽车本身的电喇叭按钮开关，晶闸管的阳极应接在喇叭一端。（3）汽车防盗报警器施密特触发器一个最重要的特点，就是能够把变化非常缓慢的输入脉冲波形，整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲。如图7-3-11所示为555构成的施密特触发器。3．555构成的施密特触发器及其在汽车上的应用如图7-3-12所示为输入信号uI为三角波时施密特触发器的工作波形。下面以前照灯555自动变光器为例进行介绍。这种采用555电路的变光器能使汽车在夜间会车时于相距100～150m内把远光灯自动转换成近光灯，会车后又自动恢复到远光灯照明。从而避免或减少夜间会车时造成的交通事故，提高汽车行驶的安全性。电路如图7-3-13所示。变光器主要由光电检测电路、施密特触发电路及开关电路等组成。第四节D/A和A/D转换电路本节主要介绍的内容有：●概述●D/A转换电路●A/D转换电路能把数字量转换为模拟量的电路，称为数—模转换器，简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）。能把模拟量转换为数字量的电路，称为模—数转换，简称ADC（AnalogtoDigitalConverter）。图7-4-1所示是一个数字计算机工业控制系统框图。一、概述图7-4-2所示电路是四位倒置R-2RT型网络数一模转换器原理图，其中，UREF为基准电压，D3D2D1D0为四位二进制数码寄存器的输出，即被转换的数字量。由这些数字量分别去控制四个模拟开关K3、K2、K1、K0。当某位数字Di=1时，对应的开关Ki打打向左边，该支路电流Ii流向I∑1；当某位数字Di=0时，对应的开关Ki打向右边，该支路电流Ii流向I∑2。运算放大器将电流输出转换为电压输出。二、D/A转换电路1．倒置R-2RT型网络D/A转换器由于运算放大器同相端接地，所以其反相端虚地，因此，不管数字Di是1还是0，T型网络中各2R支路的下端电位均为0V。A、B、C、D各点左端的等效电阻都是R，A、B、C、D各点右端的等效电阻都是2R，如图7-4-3所示。从对称结构可以求出：（1）功能与应用1）DAC0832主要特性及引脚说明DAC0832是采用CMOS工艺制造的8位单片数一模转换器。主要由两个8位缓冲寄存器（输入寄存器和DAC寄存器）和一个8位数—模转换器组成，是20引脚双列直插式封装结构，能与MCS-51单片机直接接口。其内部结构及引脚分布如图7-4-4所示。主要特性如下：1）8位分辨率。2）电流建立时间约为1/μs。3）直接数字输入、单缓