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第三章 電子控制系統(tǒng)信號(hào)處理
第一節(jié) 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)
李虹同學(xué)發(fā)現(xiàn)校內(nèi)園林灌溉用水均源自附近的小河，為防止受污染的河水影響
植物的正常生長(zhǎng)，她決定和同學(xué)們一起研制一臺(tái)水質(zhì)探測(cè)儀，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)以保
證植物正常生長(zhǎng)。從哪里開(kāi)始呢 經(jīng)過(guò)前面的學(xué)習(xí)，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)除傳感器外，電子
作品的設(shè)計(jì)和制作還應(yīng)用了許多其他元器件，李虹同學(xué)分析，傳感器將所獲取的信
息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，這些元器件組成的電路負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，她提議大家
先從系統(tǒng)地學(xué)習(xí)電子電路知識(shí)開(kāi)始。
【走進(jìn)情景】
復(fù)習(xí)引入
1.常見(jiàn)在傳感器有哪些？
2.傳感器的作用？
獲得外界的輸入信息，并通過(guò)它將非電量信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。
3.電子控制系統(tǒng)的主要組成部分？
輸入
傳感器
控制（處理）
電子電路
輸出
執(zhí)行器等
【任務(wù)一】識(shí)別模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)
1.事物變化的規(guī)律：連續(xù)變化和非連續(xù)變化（離散）
連續(xù)變化的量
離散的量
停車(chē)場(chǎng)剩余車(chē)位數(shù)
某地氣溫變化
非連續(xù)
連續(xù)
討論：判斷連續(xù)與非連續(xù)
野外環(huán)境的亮度與地下倉(cāng)庫(kù)中的亮度；
人的血壓與人的脈搏；
運(yùn)動(dòng)員滑冰的軌跡與走相同距離所用的步數(shù)；
時(shí)光的流逝與數(shù)字時(shí)鐘所顯示的時(shí)間的變化。
說(shuō)明：連續(xù)變化的量，用連續(xù)的曲線或直線表示。
非連續(xù)變化的量，用柱狀圖或數(shù)字表示。
例如：體溫變化、氣溫變化等用連續(xù)曲線。
客車(chē)月度產(chǎn)量、售票處剩余票數(shù)用柱狀圖或數(shù)字表示。
非連續(xù)
連續(xù)
電子控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程是用電子電路完成的。
電子電路處理的信號(hào)有兩類(lèi)：
1.模擬信號(hào)（analog signal）
2.數(shù)字信號(hào)（digital signal）
連續(xù)變化的量采用模擬信號(hào)方法
電子控制系統(tǒng)需要處理的信息必須轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。如聲音必須經(jīng)話筒轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后才能進(jìn)行放大處理，轉(zhuǎn)換時(shí)，話筒輸出電壓信號(hào)的波形與聲音波形一致，即模擬聲音強(qiáng)弱的變化，否則就不能反映聲音強(qiáng)弱的原貌。這種模擬聲音波形的信號(hào)稱(chēng)為模擬信號(hào)。
模擬信號(hào)
通常模擬信號(hào)泛指那些數(shù)值可連續(xù)變化的信號(hào)。
土壤濕度檢測(cè)
非連續(xù)變化的量可以直接用數(shù)字表示
表達(dá)的方法用二進(jìn)制
用高和低兩個(gè)電平（level）代表二進(jìn)制中的“1”和“0”，則其形成的在高、底電平之間來(lái)回跳變的電信號(hào)就是通常所說(shuō)的數(shù)字信號(hào)。
數(shù)字信號(hào)
高電平
低電平
說(shuō)明：
電平：在數(shù)字電路中，電壓（或電流）的大小分為高、低兩級(jí)，通常將這兩個(gè)高、低不同的電壓級(jí)（電流級(jí)）分別稱(chēng)為高電平和低電平。
請(qǐng)判斷下列各例中哪些適合用1和0表示。
1.舉重比賽中試舉成功與否；
2.學(xué)生的考試成績(jī)是否及格；
3.—個(gè)人的生與死；
4.—個(gè)人是好人還是壞人。
練一練
合適
合適
合適
不合適
二、數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)
【任務(wù)二】辨析數(shù)字信號(hào)與模擬型號(hào)各自的特點(diǎn)
1.容易處理
數(shù)字信號(hào)只有高、低兩個(gè)電平，容易識(shí)別，失真和干擾對(duì)數(shù)字信號(hào)影響很小。
模擬信號(hào)特點(diǎn)：容易失真，受干擾較大
演員的歌聲經(jīng)話筒轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)是模擬信號(hào)，一種處理方法是直接放大模擬信號(hào)，然后送到揚(yáng)聲器，人們便可欣賞到演員動(dòng)人的歌喉。由于信號(hào)在處理過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生失真并受到各種干擾因素的影響，因而聽(tīng)眾所到的歌聲也會(huì)失真，且伴有“沙沙”的噪音。
另一種處理方法是先將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，處理以后再將數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)使揚(yáng)聲器發(fā)聲。雖然數(shù)字信號(hào)在處理過(guò)程中同樣會(huì)產(chǎn)生失真，受到干擾，其形狀也會(huì)發(fā)生變化，但它所代表的數(shù)字（即“高”和“低”）并未改變?？梢?jiàn)數(shù)字信號(hào)在處理過(guò)程中，受波形失真和干擾的影響很小，所以聽(tīng)眾能聽(tīng)到音色逼真，不帶噪音的歌聲。
2.便于記錄和保存
數(shù)字信號(hào)便于記錄和保存。由于數(shù)字信號(hào)中只有1和0兩個(gè)值，可以很方便地用(具有記憶功能的)電路輸出電壓的高和低、電容上電荷的有和無(wú)、磁性物質(zhì)的極化方向等方式記錄保存，也可用打孔的方法，如穿孔卡利用孔的有和無(wú)、光盤(pán)利用有無(wú)凹坑記錄1和0，還可以直接將1和0打印在紙上記錄保存。
3.處理精度高
現(xiàn)在記錄運(yùn)動(dòng)員成績(jī)已經(jīng)不用秒表，而用電子計(jì)時(shí)器，它可將時(shí)間精確到百分之一秒。
機(jī)械秒表和電子秒表
【任務(wù)三】初識(shí)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換過(guò)程
電信號(hào)
傳感器
控制部分
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
多彩世界
信息
電信號(hào)
電信號(hào)
傳感器
多彩世界
信息
模擬信號(hào)
電信號(hào)
電信號(hào)
控制部分
010
001
011
100
101
數(shù)字信號(hào)
電信號(hào)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
模擬信號(hào)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路。
模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換
圖（a）　　　　圖（b） 　　　　圖（c）　　　　圖（d）　　　　　 圖（e） 　　
將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為敷字信號(hào)的過(guò)程可分為采樣、保持、量化、編碼四步。
采樣：每隔一段時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)的幅值抽取樣品，使圖（a）中的模擬信號(hào)變成圖（b）中的脈沖信號(hào)；
保持：將圖（b）中的脈沖信號(hào)變成圖（c）中的階梯信號(hào)，以便處理；
量化：將圖（c）巾每個(gè)階梯的幅值舍去零頭，保留整數(shù)，得到圖（d）；
編碼：將圖（d）中每個(gè)階梯的幅值對(duì)應(yīng)的數(shù)字用二進(jìn)制數(shù)字表示，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，如圖（e）所示。
3.模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）
采樣：每隔一段時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)的幅值抽取樣品，使模擬信號(hào)變成脈沖信號(hào)。
保持：將脈沖信號(hào)變成階梯信號(hào)，以便處理。
量化：將階梯信號(hào)中每個(gè)階梯的幅值舍去零頭，保留整數(shù)。
編碼：將量化的信號(hào)中每個(gè)階梯的幅值對(duì)應(yīng)的數(shù)字用二進(jìn)制數(shù)字表示，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
總結(jié)：
1——一種思想：復(fù)雜的事務(wù)，簡(jiǎn)單化處理
2——兩種電路：數(shù)字電路和模擬電路
3——三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：容易處理、處理精度高、方便記錄和存儲(chǔ)
練習(xí)
1.下列信號(hào)中屬于數(shù)字信號(hào)的是（ ）
A.溫度信號(hào)
B.紅綠燈信號(hào)
C.心電圖信號(hào)
D.儲(chǔ)氣罐壓力信號(hào)
B
2.邏輯“0”和邏輯“1”可以表示（ ）
A.開(kāi)關(guān)的閉合、斷開(kāi)
B.電位的高、低
C.真與假
D.以上都可以
D
3.下列關(guān)于數(shù)字信號(hào)的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是（ ）
A.數(shù)字信號(hào)只有高低兩個(gè)電平
B.數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上均是連續(xù)變化的
C.數(shù)字信號(hào)中只有“1”和“0”兩種狀態(tài)
D.數(shù)字信號(hào)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠
B
4.下列電子元件中輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的是（ ）
B
謝謝！

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