汽车电工电子技术 课件 模块七 脉冲数字电路

汽车电工电子技术Contents模块一汽车电子电路基础模块二直流电路模块三交流电路模块四磁场与电磁感应Contents模块五二极管与三极管模块六电动机与发电机模块七脉冲数字电路模块八新能源汽车电力电子关键技术学习目标

知识目标掌握模拟信号与数字信号的特点和区别；掌握模拟信号和数字信号相互转换的步骤方法；掌握基本逻辑门和组合逻辑门的定义与特性；了解汽车微机控制系统的发展历程；总结主流车载通信协议的种类及其特点。技能目标能在教师的指引下，规范使用示波器观察车门开关信号，并画出信号波形图；能在教师的指引下，正确搭建与门、或门、非门电路；能在教师的指引下，正确测量汽车CAN总线数据，根据测量数据，判断车辆故障。素养目标通过规范使用示波器观察车门开关信号，培养安全操作意识和团队合作精神；通过正确搭建与门、或门、非门电路，培养学生创新意识与科学精神；通过正确测量汽车CAN总线数据并判断车辆故障，培养严谨细致的职业精神。模块七脉冲数字电路模块七脉冲数字电路单元1数字电路基础单元2逻辑电路单元3汽车微机控制系统和车载网络技术

传统汽车像一台机械时钟，依赖齿轮的连续转动（模拟信号）；而现代汽车更像一部智能手机，用“0”和“1”的数字语言控制一切。本单元中，你将揭开数字信号的秘密：二进制如何变成故障码？传感器模拟信号怎样被ECU“翻译”成数字指令？未来，当面对“ECU信号异常”或“传感器失效”时，这些知识就是你手中的“万能钥匙”。让我们从“开”与“关”的魔法开始，打开汽车数字世界的大门！学习导入单元1数字电路基础一.模拟信号与数字信号单元1数字电路基础模拟信号

模拟信号是指在时间和幅度上都连续变化的信号，如图7-1所示。它通过物理量的连续变化来表示信息，例如，声音信号是通过空气分子的振动来传播的，这种振动在时间上是连续的，其幅度（对应声音的强弱）也在不断变化。当声音通过麦克风转换为电信号后，该电信号的电压值会随着声音的变化而连续地改变，这就是典型的模拟信号。图7-1模拟信号单元1数字电路基础模拟信号模拟信号的特点包括：连续性、信息丰富、易受干扰。（1）连续性：在时间和幅度上都是连续的，能够精确地表示原始信息的变化。例如模拟音频信号可以细腻地还原声音的各种细节。（2）信号丰富：可以包含丰富的信息，因为其连续变化的特性能够反映出原始信号的细微差异。（3）易受干扰：在传输过程中，模拟信号容易受到噪声等干扰因素的影响，从而导致信号质量下降。例如，模拟电视信号在传输过程中，如果受到电磁干扰，画面就会出现雪花点等噪声。一.模拟信号与数字信号单元1数字电路基础数字信号

数字信号是离散的信号，其幅度取值是离散的，且在时间上也是离散的，通常用二进制数“0”和“1”来表示信号的状态，如图7-2所示。例如，计算机中存储和处理的数据都是以数字信号的形式存在，通过高电平（代表“1”）和低电平（代表“0”）来传输和处理信息。图7-2数字信号一.模拟信号与数字信号单元1数字电路基础数字信号数字信号的特点包括：离散性、抗干扰能力强、便于存储和处理、便于传输。（1）离散性：时间上是不连续的，幅度取值也是有限个离散值。例如数字音频采样时，每隔一定时间对模拟音频信号进行采样，得到一系列离散的数值。（2）抗干扰能力强：由于数字信号只有有限个离散值，即使受到干扰，只要干扰不影响对“0”和“1”的判断，就可以通过纠错编码等技术恢复原始信号。例如在数字通信中，信号经过长距离传输后，只要接收端能够正确识别“0”和“1”，就可以还原出原始信息。（3）便于存储和处理：可以方便地存储在各种存储介质中，如硬盘、U盘等，并且可以通过计算机等数字设备进行快速处理和分析。例如对数字图像进行编辑、压缩等操作都非常方便。（4）便于传输：可以通过各种数字通信技术进行传输，如光纤通信、无线通信等。在传输过程中可以采用复用技术，提高传输效率。一.模拟信号与数字信号二.模拟信号与数字信号的转换单元1数字电路基础模拟信号到数字信号的转换（A/D转换）

模拟信号到数字信号的转换过程主要包括采样、量化和编码三个步骤，如图7-3所示。图7-3模拟信号数字化基本流程及其对应变形单元1数字电路基础模拟信号到数字信号的转换（A/D转换）

二.模拟信号与数字信号的转换单元1数字电路基础模拟信号到数字信号的转换（A/D转换）2.量化原理：将采样得到的离散信号的幅度值进行量化处理。由于采样信号的幅度值在理论上是连续的，而数字信号的幅度取值是有限个离散值，所以需要将采样信号的幅度范围划分成若干个量化区间（量化等级），然后将每个采样值映射到最接近的量化区间上，从而将连续的幅度值转换为离散的量化值。量化方式：分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化是将信号的幅度范围等间隔地划分成若干个量化区间，每个区间的宽度相等；非均匀量化则是根据信号的概率分布特性，对信号幅度范围进行非等间隔划分，在信号出现概率较大的区域采用较小的量化间隔，在信号出现概率较小的区域采用较大的量化间隔，这样可以在相同的量化位数下提高量化精度。量化误差：量化过程不可避免地会产生误差，称为量化误差。量化误差是指采样值与量化值之间的差值，它会影响数字信号的精度。量化误差的大小与量化等级的数量有关，量化等级越多，量化误差越小。二.模拟信号与数字信号的转换单元1数字电路基础模拟信号到数字信号的转换（A/D转换）

二.模拟信号与数字信号的转换单元1数字电路基础数字信号到模拟信号的转换(Ｄ/Ａ转换)

数字信号到模拟信号的转换是将数字信号的二进制代码转换为对应的模拟信号幅度值，恢复原始的模拟信号，主要由以下部分实现：解码网络求和电路平滑滤波二.模拟信号与数字信号的转换单元1数字电路基础数字信号到模拟信号的转换(Ｄ/Ａ转换)1.解码网络

D/A转换器通常由解码网络组成，常见的解码网络有权电阻解码网络、R-2R梯形电阻解码网络等。解码网络的作用是根据数字信号每一位的权重，将其转换为相应的模拟电压或电流。例如，在一个4位的D/A转换器中，最高位（MSB）的权重是最低位（LSB）权重的8倍，解码网络会根据数字信号中每一位的取值（0或1），将相应的权重转换为模拟电压或电流。二.模拟信号与数字信号的转换单元1数字电路基础数字信号到模拟信号的转换(Ｄ/Ａ转换)2.求和电路求和电路是将解码网络输出的各个模拟分量相加，得到最终的模拟信号。通过求和电路，将数字信号中每一位对应的模拟电压或电流进行叠加，从而得到与数字信号对应的模拟信号幅度值。3.平滑滤波由于D/A转换得到的模拟信号是由离散的量化值转换而来的，其波形可能存在一定的阶梯状波动。为了得到平滑的模拟信号，需要对转换后的信号进行平滑滤波处理，滤除高频分量，使模拟信号更加接近原始的连续信号。二.模拟信号与数字信号的转换三.数制单元1数字电路基础常见数制1.十进制十进制由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个数字符号组成，其基数为10，遵循“逢十进一”的计数规则。例如，对于十进制数537，从右至左各位数字的位权依次为100、

101、

102，则537=5×102+3×101+7×100。十进制是日常生活和传统数学运算中最常用的数制，符合人们的计数习惯，方便进行数量的表达和计算。单元1数字电路基础常见数制2.二进制二进制仅由0和1两个数字符号组成，基数为2，采用“逢二进一”的计数规则。例如，二进制数（1101）2，从右至左各位数字的位权分别为20、21

、22

、23

，通过计算1×23+1×22+0×21+1×20=8+4+0+1=（13）10，可将其转换为十进制数。在计算机内部，数据的存储、处理和传输都采用二进制。这是因为二进制数的两种状态（0和1）能够很方便地用电子元件的两种物理状态（如晶体管的导通和截止、电容的充电和放电）来表示，具有运算简单、可靠性高、易于实现等显著优点。三.数制单元1数字电路基础常见数制

3.八进制

八进制由0、1、2、3、4、5、6、7这八个数字符号组成，基数为8，遵循“逢八进一“的计数规则。例如，八进制数（46）8，从右至左各位数字的位权分别为80、81，经计算4×81+6×80=32+6=（38）10，可将其转换为十进制数。

八进制数是二进制数的一种压缩表示形式。由于23=8，所以三位二进制数可以简洁地用一位八进制数来表示，这在一定程度上简化了二进制数的书写，方便记忆，常用于早期的计算机系统和一些特定的编程环境中。三.数制单元1数字电路基础常见数制

4.十六进制

十六进制由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F这十六个数字和符号组成，其中A到F分别代表十进制数10到15，基数为16，采用“逢十六进一”的计数规则。例如，十六进制数（3A）16，从右至左各位数字的位权分别为160、161，经计算3×161+10×160=48+10=（58）10，可将其转换为十进制数。

十六进制数也是二进制数的一种有效压缩表示形式。因为24=16，所以四位二进制数可以用一位十六进制数来表示。在计算机编程和数字系统中，十六进制常用于表示内存地址、颜色值、字节数据等，方便对二进制数据进行直观的表示和处理。三.数制单元1数字电路基础数制之间的转换

1.其他进制转换为十进制

根据数制中各位数字的位权，将每一位数字乘以其对应的位权，然后将所有乘积相加，即可得到对应的十进制数。例如，将二进制数（10101）2转换为十进制数，计算过程为：1×24+0×23+1×22+0×21+1×20=16+0+4+0+1=（21）10。三.数制单元1数字电路基础数制之间的转换

2.十进制转换为其他进制

整数部分：采用除基取余法。即将十进制整数除以目标进制的基数，取余数作为转换后数的低位数字，然后将商继续除以基数，重复上述过程，直到商为0为止。例如，将十进制数67转换为二进制数，如图7-4所示，计算过程为:67÷2=33······1，33÷2=16······1，16÷2=8······0，8÷2=4······0，4÷2=2······0，2÷2=1······0，1÷2=0······1，从下往上取余数得到（1000011）2。图7-4十进制数67转换为二进制数三.数制单元1数字电路基础数制之间的转换

小数部分：采用乘基取整法。即将十进制小数乘以目标进制的基数，取整数部分作为转换后数的高位数字，然后将小数部分继续乘以基数，重复上述过程，直到小数部分为0或达到所需的精度为止。例如，将十进制小数0.625转换为二进制数，计算过程为:0.625×2=1.25（取整数部分1），0.25×2=0.5（取整数部分0），0.5×2=1.0（取整数部分1），得到（0.101）2。三.数制单元1数字电路基础数制之间的转换

3.二进制与八进制、十六进制的转换

（1）二进制转换为八进制

从右到左每三位一组，不足三位的在左边补0，然后将每组二进制数转换为对应的一位八进制数。

图7-5二进制数10110110转换为八进制数三.数制单元1数字电路基础数制之间的转换图7-6二进制数1010110转换为十六进制数三.数制

3.二进制与八进制、十六进制的转换

（2）二进制转换为十六进制

从右到左每四位一组，不足四位的在左边补0，然后将每组二进制数转换为对应的一位十六进制数。单元1数字电路基础数制之间的转换三.数制

3.二进制与八进制、十六进制的转换

（3）八进制或十六进制转换为二进制

将每一位八进制数或十六进制数转换为对应的三位或四位二进制数即可。例如，将八进制数（53）8转换为二进制数，5转换为101，3转换为011，结果为（101011）2；将十六进制数（A5）16转换为二进制数，A（即10）转换为1010，5转换为0101，结果为（10100101）2。单元1数字电路基础数制之间的转换三.数制单元1数字电路基础BCD码BCD码是用二进制数来表示十进制数的编码方法。ASCII码ASCII码是美国信息交换标准代码，是一种被广泛使用的字符编码。格雷码格雷码是一种循环码，其特点是相邻的两个代码只有一位二进制数不同。四.编码编码是将信息(如数字、字母、符号、声音、图像等)用特定代码表示的过程。通过编码，能够将各种不同形式的信息转化为计算机和数字系统可以识别、处理和传输的形式。单元1数字电路基础BCD码

BCD码是用二进制数来表示十进制数的编码方法。最常见的BCD码是8421码，它用四位二进制数来表示一位十进制数，四位二进制数的位权从左到右分别为8、4、2、1。例如，十进制数8用8421BCD码表示为1000，十进制数47用8421BCD码表示为01000111。BCD码保持了十进制数的位权关系，便于十进制数的输入和输出，同时又能被计算机以二进制的形式处理。在一些需要对十进制数进行快速处理和显示的场合，如电子计算器、数字仪表等设备中得到广泛应用。四.编码单元1数字电路基础ASCII码

ASCII码是美国信息交换标准代码，是一种被广泛使用的字符编码。ASCII码用7位二进制数来表示128个不同的字符，包括0~9这十个数字、26个英文字母（大写和小写），以及一些标点符号、控制字符和特殊字符等。为了在计算机中存储和处理方便，通常将7位ASCII码扩展为8位，最高位一般为0。例如，字符“B”的ASCII码是01000010（十进制为66），字符“5”的ASCII码是00110101（十进制为53）。四.编码单元1数字电路基础格雷码格雷码是一种循环码，其特点是相邻的两个代码只有一位二进制数不同。以四位格雷码为例，部分编码为0000、0001、0011、0010、0110、0111、0101、0100等。四.编码模块七脉冲数字电路单元1数字电路基础单元2逻辑电路单元3汽车微机控制系统和车载网络技术

单元2逻辑电路

在数字世界里，一切信息都以二进制的形式存在，由“0”“1”组成的数字信号通过逻辑电路进行处理和变换。逻辑电路就像是一位无形的指挥家，协调着数字信号的流动，让各种电子设备能够按照我们的意愿工作。掌握了逻辑电路的原理和设计方法，我们就如同拥有了一把开启数字世界大门的钥匙，能够深入探索数字技术的奥秘，为未来的科技创新打下坚实的基础。在接下来的学习中，让我们一起踏上这段充满挑战与惊喜的逻辑电路之旅，揭开数字技术背后的神秘面纱，去发现和创造更多的可能。学习导入与门

单元2逻辑电路一.基本逻辑门的定义与特性图7-7与门国家标准符号图7-8与门国际符号与门

当所有的输入同时为高电平（逻辑１）时，输出才为高电平，否则输出为低电平（逻辑0）。与门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-2。单元2逻辑电路一.基本逻辑门的定义与特性或门

单元2逻辑电路图7-9或门国家标准符号图7-10或门国际符号一.基本逻辑门的定义与特性或门

只要输入中有一个为高电平时（逻辑１），输出就为高电平（逻辑１）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。或门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-3。单元2逻辑电路一.基本逻辑门的定义与特性非门

单元2逻辑电路图7-11非门国家标准符号图7-12非门国际符号一.基本逻辑门的定义与特性非门

当其输入为高电平（逻辑1）时，输出为低电平（逻辑0）；当其输入为低电平（逻辑0）时，输出为高电平（逻辑1）。也就是说，输入和输出的电平状态总是反相的。非门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-4。单元2逻辑电路一.基本逻辑门的定义与特性与非门

单元2逻辑电路图7-13与非门国家标准符号图7-14与非门国际符号二.组合逻辑门的定义与特性与非门

当所有输入都为高电平（逻辑1）时，输出为低电平（逻辑0）；只要有一个输入为低电平（逻辑0），输出就为高电平（逻辑1）。与非门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-5。单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性或非门

单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性图7-15或非门国家标准符号图7-16或非门国际符号或非门

只要有一个或多个输入为高电平（逻辑1）时，输出就为低电平（逻辑0）；只有当所有输入都为低电平（逻辑0）时，输出才为高电平（逻辑1）。或非门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-6。单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性异或门

单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性图7-17异或门国家标准符号图7-18异或门国际符号异或门

当两个输入不同时，一个为高电平（逻辑1），另一个为低电平（逻辑0），输出为高电平（逻辑1）；当两个输入相同时，都为高电平（逻辑1）或都为低电平（逻辑0），输出为低电平（逻辑0）。异或门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-7。单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性同或门

单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性图7-19同或门国家标准符号图7-20同或门国际符号同或门

当两个输入相同时，即两个输入都为高电平（逻辑1）或者两个输入都为低电平（逻辑0），输出为高电平（逻辑1）；当两个输入信号的逻辑电平不同时，即一个为高电平（逻辑1），另一个为低电平（逻辑0），输出为低电平（逻辑0）。同或门所有可能的输入变量组合及其对应的输出结果见表7-8。单元2逻辑电路二.组合逻辑门的定义与特性模块七脉冲数字电路单元1数字电路基础单元2逻辑电路单元3汽车微机控制系统和车载网络技术

传统汽车依赖机械结构实现功能，而现代汽车已演变为“移动的计算机”。发动机的每一滴燃油、刹车的每一次响应、仪表盘上的每一条信息，都由微机控制系统精密计算；车内数十个电子设备的高效协作，则依赖于车载网络技术的“无形纽带”。如果一辆车的网络系统瘫痪，会发生什么？让我们从一块小小的ECU芯片开始，走进汽车“大脑”与“神经网络”的奇妙世界！学习导入单元3汽车微机控制系统和车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术汽车微机控制系统的发展历程

汽车微机控制系统的发展历程可追溯至20世纪60年代，其演进过程可分为三个关键阶段，每个阶段均以技术突破和应用拓展为标志，如图7-21所示。图7-21汽车微机控制系统的发展历程一.汽车微机控制系统单元3汽车微机控制系统和车载网络技术汽车微机控制系统的发展历程第一阶段是早期阶段（1974年以前），这一时期主要开发由分立元件和集成电路组成的汽车电子产品，以代替传统机械部件。如1955年晶体管收音机开始作为标准部件安装在德国大众汽车上。第二阶段是发展阶段（20世纪70年代中期-80年代中期），以集成电路和16位以下的微处理器在汽车上的应用为标志。这期间电子装置用于机械装置难以解决的复杂控制功能方面，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。如电子控制汽油喷射系统、巡航控制系统、制动防抱死系统（ABS）等专用独立系统得到发展，使汽车的主要机械功能开始由电子技术来控制，汽车微机控制系统的架构和功能逐渐形成。第三阶段是现代阶段（20世纪80年代中期至今），主要开发多种功能的综合系统及各种车辆的微机控制。汽车上的电子装置不仅能自动承担基本控制任务，还能处理外部和内部的各种信息，例如集发动机控制与自动变速器控制为一体的动力传动控制、防抱死制动控制与防滑转控制等。20世纪90年代中期后，主要研究车辆的智能控制技术，模拟人的思维和行为进行控制。车载局域网（LAN）和多路传输系统普及，实现全车电子协同控制。一.汽车微机控制系统单元3汽车微机控制系统和车载网络技术系统组成与工作原理核心部件：微控制器（MCU，如英飞凌AURIX、恩智浦S32G）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出接口（I/O）。外围模块：传感器（如曲轴位置传感器、氧传感器）、执行器（喷油器、电机）。示例：发动机管理系统（EMS）硬件框图，如图7-22所示。图7-22发动机管理系统（EMS）硬件框图一.汽车微机控制系统单元3汽车微机控制系统和车载网络技术典型汽车微机控制系统分类目前汽车微机控制系统主要按功能领域分类，典型的四大类及其核心子系统可总结为表7-9。一.汽车微机控制系统二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术车载网络的演进与需求

传统线束连接方式采用点对点连接，如图7-23所示，其特点包括：①布线复杂，占用空间大，从而限制功能的拓展；②故障率增加，降低汽车的可靠性，且排查难度加大；③大量的数据传输线，会增加重量和成本；④控制器上的针脚数需要不断增加，且会带来更多的干扰；⑤线路更复杂。图7-23传统线束连接单元3汽车微机控制系统和车载网络技术车载网络的演进与需求

传统线束采用并行数据传输方式，几个信号需要几条信号传输线，信号都属于平行关系，互相之间并没有关联，每个信号都有专属的信号线，多个信号多条线进行。如图7-24所示。图7-24并行数据传输方式二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术车载网络的演进与需求

总线连接方式是指在一条数据线上传递的信号可以被多个系统共享，如图7-25所示。总线连接方式可以简化线束、减轻质量、减少成本、减小尺寸、减少连接器的数量。图7-25总线连接二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术车载网络的演进与需求

总线连接方式仅需要1或2条传输线即可，按照内部程序转换为各种数据后，通过1或2条线，在通信线上传输的"0"和"1"的数字信号，如图7-26所示。图7-26串行数据传输方式二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术车载网络的演进与需求

传统信号方式和总线方式的区别可总结为图7-27。图7-27传统信号传输方式和总线传输方式对比图二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术主流车载通信协议1.CAN总线CAN总线是一种串行通信协议，如图7-28所示，专为解决汽车内部分布式电子系统的实时通信需求而设计，具有高可靠性、抗干扰性强、多主通信等特点，被广泛应用于汽车电子、工业自动化、医疗设备等领域。图7-28CAN总线二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术主流车载通信协议

总线上所有节点地位平等，无主从之分，均可在总线空闲时主动发送数据，解决了传统主从模式中主节点瓶颈问题。当多个节点同时发送数据时，通过标识符（ID）优先级自动仲裁：ID数值越小（二进制表示），优先级越高，低优先级节点自动退避，避免总线拥堵。使用两根信号线（CAN_H和CAN_L）传输差分信号，抑制共模干扰（如电磁噪声），适合汽车等强电磁环境。显性电平（逻辑0）：CAN_H≈3.5V，CAN_L≈1.5V，表示有数据传输；隐性电平（逻辑1）：CAN_H≈2.5V，CAN_L≈2.5V，表示总线空闲或隐性位。高速CAN连接发动机ECU、变速箱TCU、ABS控制器等，传输实时控制数据（如转速、扭矩、制动信号），速率通常为500kb/s或1Mb/s。例如：发动机ECU与TCU通过CAN总线协同控制换挡时机，确保动力平顺切换。低速CAN控制电动车窗、座椅调节、灯光、空调等，速率一般为125kb/s，特点是节点多、数据量小但通信频繁。例如：车门控制模块通过CAN总线向车身控制器上报门锁状态，同时接收开关窗指令。二.车载网络技术单元3汽车微机控制系统和车载网络技术主流车载通信协议2.LIN总线LIN总线是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN总线采用单线传输形式，总线电平一般为12V，传输速率最高限制为20kb/s。LIN总线主要应用在汽车内对安全和整车性能影响不大的子系统，作为CAN总线的补充。如车门窗控制、刮水器、空