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电子控制技术知识讲座

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系统概述电子控制技术数字电路电磁继电器电子控制系统及其应用传感器电子控制技术电子控制技术数字电路电磁继电器电子控制系统及其应用传感器电子电子控制技术电子控制系统传感器数字电路MULTISIM2010电子控制技术电子控制系统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电子技术：根据电子学的原理，运用电子元器件设计和电子控制系统控制器执行器被控对象给定值被控量控制量反馈环节控制器执行器被控对象给定值被控量控制量比较器经典控制系统框图开环：闭环：电子控制系统控制器执行器被控对象给定值被控量控制量反馈环节控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比较器开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反馈环节比较器闭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开环电子控制系统公园音乐喷泉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闭环电子控制系统加热炉的温度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输入被控对象输出控制(处理)信息电子控制系统框图电子控制系统的基本组成输入部分输入被控对象输出控制(处理)传感器—定义能感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量等）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—定义能感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量等）并传感器—组成敏感元件（Sensingelement）

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（Transductionelement）

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—组成敏感元件（Sensingelement）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传感器—分类按被测量对象分类按工作原理分类压阻式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温度传感器热电偶测温方式类别原理典型仪表测温范围/℃接触式测温膨胀类利用液体气体的热膨胀及物质的蒸汽压变化玻璃液体温度计-200~600压力式温度计-80~600利用两种金属的热膨胀差双金属温度计-80~600热电类利用热电效应热电偶-200~2000电阻类固体材料的电阻随温度而变化铂热电阻-200~850铜热电阻-40~140热敏电阻-100~300其他电学类半导体器件的温度效应集成温度传感器-55~125晶体的固有频率随温度而变化石英谐振温度传感器-80~250非接触式测温光纤类用光纤的温度特性或作为传光介质半导体光纤温度计-50~120光纤辐射温度计600~2500辐射类利用普朗克定律光学高温计800~3200光电高温计200~1600辐射温度计400~2000比色温度计800~2000红外测温仪-50~3000主要温度测量方法的分类和适用范围测温方式类别原理典型仪表测温范围/℃接触式测温膨胀类利用液体温度传感器—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0OC<t<650OC-200OC<t<0OC温度传感器—热电阻热电阻效应铂电阻0OC<t<650O铂电阻分度表铂电阻分度表温度传感器—热电阻铜电阻

-50OC<t<150OC

汽车用水温传感器及水温表温度传感器—热电阻铜电阻-50OC<t<150OC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—热敏电阻半导体热敏电阻三种热敏电阻的特性曲线温度传感器—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—集成温度传感器利用半导体PN结作为温度敏感元件，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: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压型集成温温度传感器—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—集成温度传感器模拟式集成温度传感器电流型集成温温度传感器—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—集成温度传感器数字式集成温度传感器:把温度物理量温度传感器—集成温度传感器DS18B20多点测温电路温度传感器—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。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自然界中当物体的温度高于绝温度传感器—红外热辐射温度传感器红外测温系统温度传感器—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—湿度绝对湿度

单位体积（1m3）的气体中含湿度传感器—分类电阻式电容式

湿度传感器—分类电阻式湿度传感器—湿度测量湿度传感器—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光电传感器--内光电效应器件光敏电阻当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，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当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小光电光电传感器—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）（KΩ）:10-20暗电阻（MΩ）: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—光敏电阻例：暗电阻:光敏电阻在不受光照射时的阻值光电传感器—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。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照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。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。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。

~220VBZ

氖管家用可燃性气体报警器电路气敏传感器蜂鸣器BR气敏传感器家用气体报警器~220VBZ氖管家用可燃性气体报警器电路

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信号处理—数字电路数字信号模拟信号：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。uu模拟信号波形数字信号波形tt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“０”和“１”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：ＴＴＬ逻辑电路规定：输出输入电压在０～０．８伏之间为低电平．在２．４伏以上为高电平．数字电路—数字信号二值化为了方便表示和处理，数字电路上往往只易于保存抗干扰能力强易于处理精度高在受到干扰的情况下，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—数字信号特点易于保存抗干扰能力强易于处理精度高数字电路—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。反映和处理逻辑关系的数学工具，就是逻辑代数（布尔代数）（开关代数）。2.1数字电路—逻辑基础在客观世界中，事物的发展变化通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

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—逻辑基础一个结论成立与否，取决于与其相关的前提条件是否成立。在客观世界中最基本的逻辑关系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—逻辑基础在客观世界中最基本的逻辑关系只有三种与逻辑关系所以逻辑数字电路—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。与逻辑电路实例图数字电路—逻辑门与运算（逻辑乘）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：Ｙ＝ＡＢ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。可以作与逻辑关系表达方式及逻辑运算规律与逻辑电路图Y=A

B与逻辑表达式与逻辑符号与逻辑运算规律0·A=01·A=AA·A=A与逻辑关系表达方式及逻辑运算规律与逻辑电路图Y=AB与逻辑数字电路—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。

或逻辑电路数字电路—逻辑门或运算（逻辑加）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Y=A＋B或逻辑表达式或逻辑运算规律或逻辑符号0+A=A1+A=1A+A=A或逻辑关系表达方式及逻辑运算规律或逻辑电路图Y=A＋B或逻辑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—逻辑门非逻辑关系若前提条件为“真”，则结论为“假”；若前提条件为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复合逻辑运算与非、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—逻辑门复合逻辑运算与非、或非、与或非逻辑运算或非逻辑运算是或图2.3.1与非门、或非门和与或非门的逻辑符号

数字电路—逻辑门图2.3.1与非门、或非门和与或非门的逻辑符号数字电路—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100VVcc在数字电路中，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”。VOKVccR

V

V数字电路—门电路100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判门(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—门电路门满足一定条件时，电路允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CEB开关断开

正向导通：CEB开关二极管反向截止：开关接通开关断开三极管（C,E)饱和区：DR+－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DR+－二极管开关作用D正偏→导通→UD很小→电路导通D反偏二极管与门FD1D2AB+12V逻辑变量逻辑函数(uD=0.3V)数字电路—门电路二极管与门FD1D2AB+12V逻辑变量逻辑函数(uD=000010

ABF100111逻辑式：F=A•B逻辑符号：&ABF数字电路—门电路0000二极管或门FD1D2AB-12V数字电路—门电路二极管或门FD1D2AB-12V数字电路—门电路000011

ABF101111逻辑式：F=A+B逻辑符号：

ABF数字电路—门电路0000三极管开关作用10KVcc=5V1k

Voβ=30T截止饱和放大Vbe Vbc反偏

反偏，ib＝ic

＝0，开关断开。正偏

反偏，ic＝βib，线性放大。正偏

正偏，ib>Ibs，开关闭合。数字电路—门电路三极管开关作用10KVcc=5VT截止饱和放大Vbe VR1DR2AF+12V+3V嵌位二极管三极管非门数字电路—门电路R1DR2AF+12V+3V嵌位二极管三极管非门数字电路—门逻辑式：逻辑符号：1AF数字电路—门电路逻辑式：逻辑符号：1AF数字电路—门电路R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门与非门逻辑式：&ABF逻辑符号：数字电路—门电路R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极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1.体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。3.各数字集成电路：在一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—数字集成电路数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需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TTL：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管CMOS：互补金序号型号名称主要功能174LS00四2输入与非门274LS02四2输入或非门374LS04六反相器474LS05六反相器OC门574LS08四2输入与门674LS10三3输入与非门774LS14六反相器施密特触发874LS20双4输入与非门974LS21双4输入与门1074LS308输入与非门1174LS32四2输入或门1274LS644-2-3-2输入与或非门1374LS86四2输入异或门1474LS125四总线缓冲器三态输出数字电路—数字集成电路序号型号名称主要功能174LS00四2输入与非门274LS0序号型号名称主要功能1CC4001四2输入或非门2CC4011四2输入与非门3CC4030四异或门4CC4049六反相器5CC4066四双向开关6CC4071四2输入或门7CC4073三3输入与门8CC4077四异或非9CC40788输入或/或非门双4输入与门10CC4086四路2-2-2-2与或非门可扩展11CC4093四2输入与非门施密特触发12CC4097双8选1模拟开关13CC4502六反相器/缓冲器三态，有选通端数字电路—数字集成电路序号型号名称主要功能1CC4001四2输入或非门2CC4011A1B2A2B2C2YGNDVCC1C

1Y3C3B3A3Y123456714131211109811101115(OC)2A2B1A1B1C1YVSSVDD3C

3B3A3Y2Y2C12345671413121110984073三3输入与门数字电路—数字集成电路1AVCC114112AVDD11440708100809(OC)1A1B1Y2A2B2YGNDVCC4B

4A4Y3B3A3Y12345671413121110981A1B1Y2Y2A2BVSSVDD4B

4A4Y3Y3B3A40811234567141312111098四2输入与门数字电路—数字集成电路081AVCC1141AVDD4081114数字电路—数字集成电路数字电路—数字集成电路

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TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相

①电平不匹配

TTL门作为驱动门，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；

CMOS门作为负载门，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。

②电流匹配

CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。

③解决电平匹配问题TTL门驱动CMOS门数字电路—数字集成电路①电平不匹配TTL门驱动CMOS门数字电路—数字集成电TTL门驱动CMOS门

a、外接上拉电阻RP

在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH≈5V。（当电源电压相同时）

数字电路—数字集成电路TTL门驱动CMOS门a、外接上拉电阻RP数字电路—数字③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4mA。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③解决电流匹配问题数字电路—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，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122逻辑表达式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3卡诺图最简与或表达式化简45逻辑变换6逻辑电路图3化简4111Y=AB+AC563卡诺图最简与或表达式化简45逻辑变换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1→0或从0→1），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—触发器触发器是具有记忆功能，能存储数字信号的基本逻辑单元。数字电(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。

&QQSR&≥1

QQSR≥1

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。(a)与非门电路(b)或非门电路电路有或非门基本RS触发器工作原理10≥1≥1Q=0，Q=1Q=0，Q=1R=0S=001≥1≥1Q=1，Q=0Q=1，Q=0R=0