《现代数字系统分析与应用》课件

《现代数字系统分析与应用》本课程旨在介绍现代数字系统分析与应用的基本原理和技术，并通过实例讲解实际应用场景。课程简介目标掌握现代数字系统分析与应用的基本理论和方法。内容涵盖数字信号处理、微处理器、嵌入式系统等领域。应用涉及工业自动化、通信、医疗等多个行业。数字系统概述定义利用数字信号进行信息处理的系统。特点高精度、高可靠性、易于实现逻辑功能。分类组合逻辑电路、时序逻辑电路、微处理器系统等。数字信号与编码数字信号由离散值表示的信号，可以用0和1表示。编码将模拟信号转换为数字信号的过程，常见编码方式包括二进制编码、格雷码等。数字信号采样采样率每秒采样次数，决定信号的频率范围。采样定理采样率至少为信号最高频率的两倍，才能保证信号不失真。量化将连续信号的幅度值转换为离散值，决定信号的精度。A/D和D/A转换A/D转换模拟信号转换为数字信号的过程。D/A转换数字信号转换为模拟信号的过程。组合逻辑电路1逻辑门：AND、OR、NOT、XOR等。2逻辑表达式：用逻辑运算符表示逻辑关系。3真值表：列出所有输入组合对应的输出结果。4卡诺图：图形化表示逻辑函数，简化逻辑表达式。时序逻辑电路触发器存储一个位信息的电路，包括SR触发器、D触发器、JK触发器等。寄存器存储多个位的电路，可以用来存储数据、指令等。计数器用来计数的电路，可以实现计数、定时等功能。寄存器和触发器1触发器基本单元2寄存器多个触发器组成3计数器特殊类型寄存器4移位寄存器数据移动计数器和移位寄存器1计数器计数功能2移位寄存器数据移动功能3组合逻辑实现计数或移位逻辑4应用定时、数据处理等数字系统时序分析1时序图描述信号随时间变化的关系。2状态机描述电路的状态变化过程。3时序分析分析电路的时序特性。微处理器结构运算器执行算术和逻辑运算。控制器控制指令执行过程。存储器存储数据和指令。输入输出接口与外部设备通信。指令系统和存储器指令系统微处理器可以执行的指令集，包括数据处理、存储器访问、控制转移等指令。存储器分为RAM和ROM，RAM用于存放数据，ROM用于存放程序。编程基础1汇编语言直接控制硬件的低级语言，使用符号代替机器指令。2高级语言更接近自然语言，使用编译器转换为机器指令。3程序结构包括数据定义、算法描述、输入输出等部分。输入输出接口1I/O设备：键盘、鼠标、显示器、打印机等。2I/O接口：实现处理器与I/O设备的通信。3中断机制：处理突发事件，提高系统效率。数字信号处理概述信号类型连续信号、离散信号、数字信号。处理方法时域分析、频域分析、数字滤波等。应用领域通信、图像处理、音频处理等。FFT与滤波器设计快速傅里叶变换快速计算离散傅里叶变换，用于频域分析。滤波器滤除信号中不需要的频率成分，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。数字控制系统1传感器采集物理量。2控制器处理信号，产生控制指令。3执行器执行控制指令。4反馈回路闭环控制。嵌入式系统设计1微控制器小型、专用处理器，通常用于嵌入式系统。2软件设计编写控制程序，实现特定功能。3硬件设计设计电路，连接传感器、执行器等。传感器和执行器1传感器将物理量转换为电信号。2执行器将电信号转换为物理量，执行控制指令。工业现场总线技术现场总线用于连接工业现场设备的通信网络。应用数据采集、控制、监控等。工业以太网与工业4.0工业以太网以太网技术在工业领域中的应用，实现设备互联。工业4.0智能制造，利用数字技术提高生产效率。虚拟仪器技术虚拟仪器利用计算机模拟传统仪器功能，提高测量精度和灵活度。应用数据采集、信号分析、仪器控制等。MATLAB在数字系统中的应用1矩阵运算：处理数字信号。2信号处理工具箱：提供丰富的信号处理函数。3图形绘制：可视化分析结果。Simulink在数字系统中的应用建模与仿真搭建数字系统模型，进行仿真分析。代码生成自动生成嵌入式代码，方便系统实现。数字系统设计实例1应用场景自动控制系统。设计目标实现温度控制。关键技术传感器、控制器、执行器。数字系统设计实例21应用场景音频处理系统。2设计目标实现音频降噪。3关键技术数字滤波器、FFT。数字系统设计实例31应用场景图像识别系统。2设计目标识别特定物体。3关键技术图像处理算法、机器学习。实验