电子控制技术教材课件.ppt

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1、电子控制技术知识讲座,电子控制技术,电子控制系统概述信息的获取与转换传感器信息处理数字电路执行部件电磁继电器、晶闸管设计及其应用,电子控制技术,电子控制技术,电子控制系统传感器数字电路MULTISIM2010,电子控制系统,电子技术：根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。控制技术电子控制技术电子控制系统,电子控制系统,经典控制系统框图,开环：,闭环：,电子控制系统,被控量,输入部分,控制部分,执行部分,被控对象,比较器,开环电子控制系统,电子控制系统,被控量,输入部分,控制部分,执行部分,被控对象,反馈环节,比

2、较器,闭环电子控制系统,开环电子控制系统,公园音乐喷泉自动控制系统十字路口的红绿灯定时控制系统家用窗帘自动控制系统楼道自动声控灯装置宾馆自动门控制系统宾馆火灾自动报警系统宾馆自动叫醒服务系统公共汽车车门开关控制系统普通全自动洗衣机控制系统可调光台灯控制系统宾馆自动门加装压力传感器防意外事故自动控制系统,闭环电子控制系统,加热炉的温度自动控制系统花房温度控制系统夏天房间温度控制系统家用电冰箱温度控制系统粮库温、湿度自动控制系统自动电热水壶控制系统热水器加热自动控制系统,电子控制系统的基本组成,输入部分控制部分输出部分,信息,电子控制系统框图,传感器定义,能感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量

3、等）并按一定规律转换成可用信号输出（一般多为电量）的器件或装置。,传感器组成,敏感元件（Sensing element） 直接感受或响应被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件（Transduction element） 能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。,传感器分类,按被测量对象分类温度传感器湿度传感器位移传感器速度传感器加速度传感器压力传感器振动传感器,按工作原理分类电阻式电容式电感式压电式电磁式磁阻式光电式,压阻式热电式核辐射式半导体式传感器,温度传感器,热电偶热电阻热敏电阻辐射式温度传感器集成温度传感器,主要温度测量方法的分类和适用范围,温度传感器

4、热电偶,将温度变化转换成电势变化的热电式传感器,温度传感器热电阻,热电阻效应,铂电阻,0 OC t650 OC,-200 OC t0OC,铂电阻分度表,温度传感器热电阻,铜电阻,-50 OC t150 OC,汽车用水温传感器及水温表,温度传感器热敏电阻,半导体热敏电阻,三种热敏电阻的特性曲线,NTC热敏电阻测温电路,温度传感器集成温度传感器,利用半导体PN结作为温度敏感元件，同时将信号放大、运算和补偿电路等集成化并封装在一起的温度检测元件。,温度传感器集成温度传感器,模拟式集成温度传感器,电压型集成温度传感器,LM35典型测量电路,NSC:LM134/ LM234 /LM34、LM35ADI:

5、TMP35/ TMP36/ TMP37,LM35:,温度传感器集成温度传感器,模拟式集成温度传感器,电流型集成温度传感器,AD590典型测量电路,AD590、AD592、TMP17,温度传感器集成温度传感器,数字式集成温度传感器:把温度物理量通过温度敏感元件和相应电路转换成方便计算机、PLC、智能仪表等数据采集设备直接读取得的数字量 MAXA6575/76/77、DS18B20,温度传感器集成温度传感器,DS18B20多点测温电路,温度传感器红外热辐射温度传感器,自然界中当物体的温度高于绝对零度时，会不断地向四周发出红外辐射能量，其能量的大小及其波长的分布与它物体表面的温度有着十分密切的关系。

6、红外辐射温度传感器就是通过对物体辐射的红外能量的测量来准确地测定它的表面温度。,温度传感器红外热辐射温度传感器,红外测温系统,湿度传感器湿度,绝对湿度单位体积（1m3）的气体中含有水蒸气的质量（g）。 g/m3相对湿度（RH） 气体中的绝对湿度Pv与该温度气体饱和状态的绝对湿度Ps之比,100%,湿度传感器分类,电阻式电容式,湿度传感器湿度测量,光电传感器,光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。,光电传感器-内光电效应器件,光敏电阻光电二极管光电三极管,当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，

7、光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加,光电传感器光敏电阻,主要应用：光的测量 光的控制 光电转换,光电传感器光敏电阻,例：型号：GL5528最大电压（V-dc）：150最大功耗（mW）：100亮电阻（10Lux）（K）:10-20暗电阻（M）:1,暗电阻:光敏电阻在不受光照射时的阻值亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。,主要参数,光电传感器光电二极管,结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的,光敏二极管,37,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

8、,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,光电传感器光电三极管,与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。,气敏传感器,用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。,家用气体报警器 气-电转换器件采用测试回路高电压的直热式气敏元件TGS109。当室内可燃性气体增加时，由于气敏元件接触到可燃性性气体而其阻值降低，这样流经回路的电流便增加，可直接驱动蜂鸣器报警。,220V,BZ,氖管,家用可燃性气体报警器电

9、路,气敏传感器,蜂鸣器,B,R,气敏传感器,气敏传感器,信号处理数字电路,数字信号逻辑门数字集成电路数字电路的应用,模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。,数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。,u,u,模拟信号波形,数字信号波形,t,t,对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。,对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。,数字电路模拟信号与数字信号,数字电路数字信号二值化,为了方便表示和处理，数字电路上往往只用“”和“”两个数值电路上用电压的低和高，开关的开和关，电路的通和断来表示例如：逻辑电路规定：输出输入电压在伏之间为低电平在伏以上为高电平,在受到干扰的情况下

10、，数字信号由于状态简单，所以容易恢复原来的摸样。,一幅图片经数字化后，可以方便地对其进行各种加工处理，产生很多模拟技术无法达到的效果。,模拟指针式电压表和数字式电压表测量同一电池的指示，从数字式电压表中可以读到小数点后4位，而模拟指针式电压表是很难到这个精度的,数字信号只有两个状态，所以数字信号的保存、记录就比较容易，,数字电路数字信号特点,2.1数字电路逻辑基础,在客观世界中，事物的发展变化通常都是有一定因果关系的。 例如：电灯的亮与灭决定于电源是否接通；如果电源接通了，电灯就会亮，否则就灭。 这里电源接通与否是“因”，电灯亮与不亮是“果”。这种因果关系，一般称为逻辑关系。 反映和处理逻辑关

11、系的数学工具，就是逻辑代数（布尔代数）（开关代数） 。,数字电路的输出信号与输入信号之间的关系就是逻辑关系，所以数字电路的工作状态可以用逻辑代数来描述。逻辑代数和普通代数一样，用字母代表变量。逻辑代数的变量称为逻辑变量。和普通代数不同的是，逻辑变量只有两种取值，并用二元常量“0”和“1”来表示。注意逻辑代数中的“0”和“1”并不表示数量的大小，而是表示两种对立的逻辑状态。 如是和非、真和假、高和低、有和无、开和关等。,2.1数字电路逻辑基础,一个结论成立与否，取决于与其相关的前提条件是否成立。 结论与前提条件之间的因果关系叫逻辑函数。记作：,2.1数字电路逻辑基础,在客观世界中最基本的逻辑关系

12、只有三种,与逻辑关系或逻辑关系非逻辑关系,所以逻辑代数中变量的运算，也只有与运算、或运算和非运算3种基本逻辑运算。其它任何复杂的逻辑运算都可以用这3种基本逻辑运算来实现。,2.1数字电路逻辑基础,数字电路逻辑门,与运算（逻辑乘）与逻辑关系：只有当决定一件事情的所有条件全部具备时，这件事情才会发生。,与逻辑电路实例图,将开关接通记作1，断开记作0；灯亮记作1，灯灭记作0。可以作出如下表格来描述与逻辑关系：,功能表,实现与逻辑的电路称为与门。与门的逻辑符号：,真值表,逻辑符号,这种把所有可能的条件组合及其对应结果一一列出来的表格叫做真值表,与逻辑关系表达方式及逻辑运算规律,与逻辑电路图,与逻辑符号

13、,与逻辑运算规律,0A=0 1A= A AA=A,数字电路逻辑门,或运算（逻辑加）或逻辑关系在决定一件事情的所有条件中，只要具备一个或一个以上的条件，这件事情就会发生。,或逻辑电路,或逻辑关系表达方式及逻辑运算规律,或逻辑电路图,或逻辑运算规律,或逻辑符号,0+A=A 1+A=1 A+A=A,非逻辑关系若前提条件为“真”，则结论为“假”； 若前提条件为“假”， 则结论为“真”。即结论是对前提条件的否定， 这种因果关系叫非逻辑。,非门逻辑电路实例图,非运算（非逻辑）,数字电路逻辑门,非逻辑关系表达方式及逻辑运算规律,非逻辑电路图,非逻辑运算规律,非逻辑符号,F =,非逻辑关系表达式,复合逻辑运算

14、,与非、 或非、 与或非逻辑运算与非逻辑运算是与运算和非运算的组合， 即,或非逻辑运算是或运算和非运算的组合， 即,与或非逻辑运算是与、或、非三种运算的组合，即,数字电路逻辑门,图2.3.1与非门、或非门和与或非门的逻辑符号,数字电路逻辑门,门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。,门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,门电路的输出状态与赋值对应关系：,正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。,混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。,一般采用正逻辑,负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。,数字电路门电路,在

15、数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。,K开-VO输出高电平，对应“1” 。K合-VO输出低电平，对应“0” 。,数字电路门电路,门(电子开关),满足一定条件时，电路允 许信号通过 开关接通 。,开门状态：,关门状态：,条件不满足时，信号通不过 开关断开 。,数字电路门电路,开关作用,二极管,反向截止：,开关接通,开关断开,三极管（C,E),饱和区：,截止区：,开关接通,开关断开,正向导通：,二极管开关作用,D正偏导通UD很小电路导通 UD 0.7V,硅管 UD 0.3V,锗管,D反偏截止UD很大电路断开,数字电路门电路,二极管与门,逻辑变量,逻辑函数,( uD=0.3V

16、 ),数字电路门电路,逻辑式：F=A B,逻辑符号：,数字电路门电路,二极管或门,数字电路门电路,逻辑式：F=A+B,逻辑符号：,数字电路门电路,三极管开关作用,截止,饱和,放大,Vbe Vbc,反偏反偏， ibic 0，开关断开。,正偏反偏， ic ib， 线性放大。,正偏正偏， ib Ibs ， 开关闭合。,数字电路门电路,嵌位二极管,三极管非门,数字电路门电路,逻辑式：,逻辑符号：,数字电路门电路,与非门,逻辑式：,逻辑符号：,数字电路门电路,1. 体积大、工作不可靠。,2. 需要不同电源。,3. 各种门的输入、输出电平不匹配。,分立元件门电路的缺点：,数字电路门电路,数字集成电路：在一

17、块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。,数字电路数字集成电路,100个以下：小规模集成电路,几百个：中规模集成电路,几千个：大规模集成电路,一万个以上：超大规模集成电路,数字电路数字集成电路,TTL：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管,CMOS：互补金属氧化物半导体，属于电压控制型电路。优点：静态功耗极小，但速度要比TTL电路慢,数字电路数字集成电路,数字电路数字集成电路,数字电路数字集成电路,三3输入与门,数字电路数字集成电路,四2输入与门,数字电路数字集成电路,数字电路数字集

18、成电路,TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。,TTL和CMOS电路的接口,数字电路数字集成电路,电平不匹配TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。 电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。 解决电平匹配问题,TTL门驱动CMOS门,数字电路数字集成电路,TTL门驱动CMOS门,a、外接上拉电阻RP在TT

19、L门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）,数字电路数字集成电路,解决电流匹配问题a、选用CMOS缓冲器比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。b、选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。 CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。,数字电路数字集成电路,真值表,电路功能描述,例：用与非门设计一个举重裁判表决电路。设举重比赛有3个裁判，一个主裁判和两个副裁判。杠铃完全举上的裁决由每一个裁判按一下自己面前的按钮来确定。只有当两个或两个以上裁判判明成功

20、，并且其中有一个为主裁判时，表明成功的灯才亮。,设主裁判为变量A，副裁判分别为B和C；表示成功与否的灯为Y，根据逻辑要求列出真值表。,1,穷举法,1,2,2,逻辑表达式,3,卡诺图,最简与或表达式,化简,4,5,逻辑变换,6,逻辑电路图,3,化简,4,1,1,1,Y=,AB,+AC,5,6,触发器是具有记忆功能，能存储数字信号的基本逻辑单元。触发器具有两个稳定状态，1状态和0状态。在输入触发信号作用下，两个稳定状态可以相互转换（从10或从01），并且在触发信号消失后能保持信号作用时的稳态不变。,数字电路触发器,(a)与非门电路 (b)或非门电路基本RS触发器原理电路,电路有两个输入端R和S，又

21、称触发信号端；有两个互反的输出端Q和Q。把Q=1，Q=0的状态称为触发器的“1”状态，把Q=0，Q=1的状态称为触发器的“0”状态。,数字电路触发器,基本RS触发器,显然，不应该出现Q=Q=0，或Q=Q=1的状态。,或非门基本RS触发器工作原理,1 0,R=0 S=0,0 1,R=0 S=0,都为无效输入，电路保持现态不变。 即：Qn+1=Qn 。,1 0,0 0,0 1,R=0 S=1,0 1,R=0 S=1,S有效，置“1”。但从“0”到“1”时历经不定态0*,数字电路触发器,或非门基本RS触发器工作原理,0 1,0 0,1 0,0 0,1 0,R=1 S=0,R有效，置“0”。但从“1”到“0”时历经不定态0*,0 1,0 0,1 0,R=1 S=0,R=1 S=1,R=1 S=1,输入都有效，电路处于不定态0*,数字电路触发器,数字电路触发器,特 性 表,数字电路触发器,D触发器（数据锁存器）,钟控D触发器在时钟作用下，其次态Qn+1始终和D输入一致，因此常把它称为数据锁存器或延迟(Delay)触发器。由于D触发器的功能和结构都很简单，因此目前得到普遍应用。,钟控D触发器的波形图,钟控D触发器的状态表,数字电路触发器,数字电路触发器,JK 触发器,波形图,设初态为 0,翻转,翻转,置 0,置 1,置 0,保持,数字电路触发器,