汽车电工电子技术（第3版）课件：汽车控制电路

汽车电工电子技术（第3版）

汽车控制电路3知识目标：能分析继电器应用电路功能会分析组合逻辑电路能能说明集成运算放大器的特性能说明A/D、D/A转换器的作用会分析时序器件构成电路工作原理会分析和设计555定时器构成的控制电路技能目标：能根据需求设计继电器控制电路能测量与调试组合逻辑电路能辨识集成电路会分析A/D、D/A转换应用电路会检测时序逻辑电路会调试和测试复杂数字电路目录41继电器控制电路2组合逻辑控制电路3集成电路控制电路4A/D、D/A转换电路5时序逻辑控制电路6复杂数字控制电路5

继电器控制电路

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继电器是汽车电路中非常重要的控制器件，本节将介绍继电器应用电路组成与功用，继电器应用电路设计、制作、检测方法。

1.继电器功用

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继电器主要应用于控制电路，在电路中起到开关的作用，实现低电压、小电流对高电压、大电流的控制。7

2.继电器保护

继电器线圈反向并联二极管

继电器线圈并联电阻固态继电器控制感性负载8

3.继电器在汽车电路中的应用

继电器是汽车控制电路中的重要器件，电磁继电器常用于汽车电气系统和燃油车起动系统电路中，如灯光继电器、玻璃升降继电器、喇叭继电器、空调系统继电器、起动继电器等，固态继电器在部分电动汽车空调系统和制动系统有应用。雨刮继电器电路截图高压配电继电器9

4.继电器应用电路设计

设计继电器应用电路，需要考虑控制信号电压和电流的大小要与继电器输入电压和电流相匹配，既要有足够大的电流和电压驱动继电器输入控制端，又要保证控制信号电压和电流不能超过其额定值，避免烧坏继电器。

继电器额定工作电压是继电器最重要的技术参数，在使用继电器时，继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压，一般设计继电器所在电路工作电压是继电器额定工作电压的0.86倍。有的控制单元输出控制信号可以直接驱动继电器工作，而有一些COMS电路输出电流较小，不足以驱动继电器工作，需要加一级晶体管放大电路才能驱动继电器。

继电器应用电路设计时，还需考虑输出电路工作电压与电流，继电器的的触点是负载电路的组成部分，触点所能承受电流应与负载电路实际工作电流相匹配。例如，有一继电器的触点参数为15V(DC)×10A，表明该继电器触点只能工作在直流电压为15V的电路上，触点电流为10A，超过15V或10A，会影响继电器正常使用，甚至烧毁触点。10

4.继电器应用电路设计

图中，当电路闭合时，继电器线圈会产生感应电动势阻碍线圈中电流的增大，从而延长了触点吸合时间，串联上RC电路后则可以缩短触点吸合时间。原理是电路闭合的瞬间，电容C两端电压不能突变可视为短路，这样就将比继电器线圈额定工作电压高的电源电压加到线圈上，从而加快了线圈中电流增大的速度，使继电器触点迅速吸合。电路稳定之后电容C不起作用，电阻R起限流作用。

11

图中，当电路断开时，继电器线圈由于自感而产生感应电动势，经RC电路放电，使线圈中电流衰减放慢，从而延长了继电器触点释放时间，起到延时作用。

4.继电器应用电路设计

12继电器可以由小电流控制大电流电路工作，汽车上任何一个小螺丝也决定着汽车这个庞然大物的安危，凡事不能以大、小论，从小事做起才能成就大事。..13

组合逻辑控制电路设计

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1.什么是数字电路

数字信号是指幅度和方向随时间不连续变化的脉冲信号，信号可以是电压也可以电流，一般以电压居多，数字信号大小不是连续变化的，只有电位高、低之分，分别称为高电平和低电平。具体对应高、低电平的电位值没有确定的范围，不同的数字电路对于高、低电平的界定也不同，例如汽车电路中的CAN总线信号，在低速CAN系统中，CANH3.6V、CANL1.4V，电位差为2.2V视为低电平，CANH5V、CANL0V，电位差为5V视为高电平；在高速CAN系统中，CANH2.5V、CANL2.5V，电位差为0V视为低电平，CANH3.5V、CANL1.5V，电位差为2V视为高电平。而LIN总线信号，高电平为12V，低电平为0V。数字信号波形

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1.什么是数字电路

（1）脉冲幅度Um

脉冲高、低电平之间的差值，即脉冲信号变化的最大值。（2）脉冲上升时间tr

正脉冲信号从0.1Um上升到0.9Um所需的时间，波形图上称为脉冲上升沿，tr越小，脉冲上升越快，波形上升沿越陡，波形也越好。（3）脉冲下降时间tf

正脉冲信号从0.9A下降到0.1A所需的时间，波形图上称为脉冲下降沿，tf越小，脉冲下降越快，波形下降沿越陡，波形也越好。（4）脉冲宽度Tw

从脉冲上升沿0.5Um处到下降沿0.5Um处的时间间隔。（5）脉冲周期

周期性脉冲信号前后两次出现的时间间隔。（6）脉冲频率

每秒钟内脉冲出现的次数，即为周期的倒数。（7）占空比D脉冲宽度与脉冲周期的比值乘以百分之百，称为占空比，即%。16

2.门电路

门电路是实现逻辑运算的基本单元电路，又称为逻辑门电路，逻辑运算是一种函数关系，例如是与逻辑运算，它表示的是F与A、B之间的函数关系。最基本的逻辑运算有与、或、非三种，与之相对应的门电路称为与门、或门、非门。17

3.常见门电路

（1）.与门

“与”逻辑关系如图所示，当一件事情的几个输入条件全部具备后，这件事情才能发生，否则不发生。

与逻辑表达式：18

3.常见门电路

表1“与”运算真值表AB000010100111

表中的“1”和“0”是逻辑“1”与逻辑“0”，逻辑“1”代表高电平，逻辑“0”代表低电平，后续文中如无特殊说明，均是由“1”代表高电平，“0”代表低电平。19

3.常见门电路

与门电路结构与逻辑符号20

3.常见门电路

实际的与门是一个集成电路，多个与门集成在一个芯片里，一个芯片里至少包含两个与门，可根据需要选择其中的一个或几个与门使用。下左图所示是型号为74LS09的与门引脚排布图，内部有四个二输入与门，其外形如下右图。21

3.常见门电路

（2）.或门“或“逻辑关系如下图所示，当一件事情的几个输入条件中有一个条件得到满足，这件事情就会发生。

“或”运算的逻辑表达式为：22

3.常见门电路

表2“或”运算真值表AB000011101111

或门电路结构和逻辑符号23

3.常见门电路

(3）.非门

非逻辑关系：如下图所示，事情和条件总是相反状态。非运算亦称为“反”运算。“非”运算的逻辑表达式为：24

3.常见门电路

表3“非”运算真值表A0110

非门电路结构和逻辑符号25

3.常见门电路

（5）.或非门“或”运算后再进行“非”运算的复合运算称为“或非”运算，实现“或非”运算的逻辑电路称为或非门。或非门也是一种通用逻辑门。一个或非门有两个或两个以上的输入端和一个输出端，两输入端或非门的逻辑符号如下图所示。输出与输入之间的逻辑关系表达式为：表3“或非”门真值表AB00101010011026

4.组合逻辑电路

1.什么是组合逻辑电路

在实际应用中，往往需要将一些门电路进一步组合起来，形成组合逻辑电路，以实现较复杂的逻辑运算，具有较强的逻辑功能。组合逻辑电路具有以下特点：它在任一时刻的输出状态只决定于该时刻的输入状态，而与电路原来的状态无关。

逻辑变量用逻辑运算符号连接起来，就成为逻辑函数式。逻辑函数式能够表现组合逻辑电路的基本功能，由组合逻辑电路写出逻辑函数式，进而分析出电路功能的过程，即为组合逻辑电路的分析过程。根据电路功能写出逻辑函数式，再有逻辑函数式画出组合逻辑电路的过程，称为组合逻辑电路的设计过程。27

4.组合逻辑电路

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4.组合逻辑电路

2.译码器

译码器是一种多输入多输出集成组合逻辑电路，分为二进制译码器、二-十进制译码器、显示译码器等。二进制译码器是有n条输入信号线，可以输入n位二进制代码，在输出端有2n条输出信号线，每一组输出都与输入的一个二进制代码相对应。二-十进制译码器是将二进制代码译成10个代表十进制数字的编码。显示译码器用来将二进制数转换成对应的七段码，一般分为驱动LED和驱动LCD两类。29

4.组合逻辑电路

1）.二进制译码器

以3线-8线译码器74LS138为例，有三个输入线A0~A2，有八条输出线Y0~Y7，对应一组入代码，只有一条输出线为有效逻辑电平，其余的输出线均为非有效输出逻辑电平。有效输出逻辑电平可设为1（即高电平，称为高电平有效），也可以设为0（即低电平，称为低电平有效）。如表4所示为74LS138译码器真值表，其输出高电平有效。30

4.组合逻辑电路

2）.二-十进制译码器

以4线-10线译码器74LS42为例，输入为4位二进制代码，输出是对应十进制数0-9的10个信号，如表5所示为74LS42译码器真值表，输出低电平有效。31

4.组合逻辑电路

3）.显示译码器

以CD4511显示译码器为例，输入为4位二进制代码，输出是能驱动七段显示数码管或者液晶显示器显示字符的信号，如表6所示为CD4511显示译码器真值表。32

4.组合逻辑电路

CD4511各引脚功能说明::试灯引脚，低电平有效，当其为低电平时，显示器所有笔划全部亮；:灭灯引脚，低电平有效，当其为低电平时，不管输入的数据状态如何，其输出全为低电平，即显示器所有笔划熄灭；LE:选通/锁存引脚，是一个复用的功能端，当输入为低电平时，其输出与输入的变量有关；当输入为高电平时，其输出仅与该端为高电平前的状态，并且输入端不管如何变化，其显示数值保持不变。:二进制代码输入；a～g:输出端，高电平有效，其输出主要控制共阴极数码管。33

4.组合逻辑电路

LED数码管（LED

Segment

Displays）是由七个或八个发光二极管封装在一起组成“8”字型的数字显示器件，由七个发光二极管组成的数码管称为七段LED数码管，由八个发光二极管组成的数码管称为八段LED数码管。组成数码管的各个发光二极管的阳极或阴极连接在一起，称为数码管的公共电极，根据公共电极的极性不同分为共阴和共阳两类，如图5-24（b）、（c）所示。常见LED数码管的显示颜色有红，绿，蓝，黄等几种。根据显示的需要可以选择如图所示的组合式LED数码管。

a）b）

c）八段LED数码管a）LED分布图b）共阳极接法c）共阴极接法34

4.组合逻辑电路

工作时，让公共电极接电源正极或负极，然后根据要显示具体的字符或数字，使相应段的LED发光即可。35

4.组合逻辑电路

如图所示为译码器CD4511与共阴极数码管的连接电路，计数器CD4518对其1号引脚输入脉冲进行计数，其输出端ABCD向CD45只要向CD4511输入代表计数数量的二进制代码，CD4511将代码译为数码管显示信号即可实现显示，电阻R与发光二极管串联，起限流作用，防止流过发光二极管的电流过大使之损坏。LED数码管的工作电流为3~10mA，当超过30mA时会将数码管烧毁。因此需要在数码管的每一段串入一个电阻进行限流。电阻的选择范围为470欧到1K。36

5.组合逻辑电路在汽车电路中的应用

报警喇叭电路37

5.组合逻辑电路在汽车电路中的应用

防盗报警器电路38

5.组合逻辑电路在汽车电路中的应用

门锁控制电路..39

集成电路控制电路设计40

1.什么是集成电路

目前，常见的门电路都是集成芯片，即集成电路。集成电路是将二极管、晶体管、电阻等分立元件集中到一个半导体芯片里，能够实现一种或多种电路功能。

集成门电路的种类很多，按所使用的基本元件的不同，可分为双极型和单极型两大类，前者以TTL门电路为代表，后者指的是MOS集成门电路。TTL（Transistor-Transistor-Logic）是晶体管—晶体管逻辑电路的简称，其输入级和输出级都是以晶体管为核心，前述的74LS32或门就是一种TTL集成门电路。MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）是金属-氧化物-半导体集成门电路的简称，它的核心元件是场效应管。目前比较流行的MOS集成电路是CMOS（Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor），一种互补对称型电路，前述的CD4071门电路就是一种CMOS集成门电路。41

1.什么是集成电路

表7

数字集成电路的主要产品系列系列子系列名称国际型号部标型号TTLTTLHTTLSTTLLSTTLALSTTL基本型中速TTL高速TTL超高速TTL低功耗TTL先进低功耗TTLCT54／74CT54／74HCT54／74SCT54／74LSCT54／74ALST1000T2000T3000T4000

MOSCMOSHCOMSHCMOST互补场效应管型高速CMOS与TTL兼容的高速CMOSCC4000CT54／74HCCT54／74HCTC00042

2.集成电路封装形式

集成芯片封装方式通常有金属圆壳式、双列直插式两种。如图（a）所示为双列直插封装引脚排列图。双列直插器件的定位标志一般是在器件正表面上的一端设凹坑或标志点，引脚排列顺序是以顶视图，并按逆时针方向，从定位标志开始的第一引脚顺序排列。如图（b）所示为金属圆帽封装引脚排列图，金属圆帽封装是以圆帽边缘上的凸点作为定位标志的，一般以对准定位标志的引脚定为最大的引脚号。在早期产品中，有的对准引脚1或引脚1与最大脚间的空位。引脚排列以底视图顺时针方向顺序编号。

a)

b)43

3.集成运算放大器

集成运算放大器简称集成运放。集成运算放大器是一个具有很高放大倍数的、直接耦合的多级放大电路。集成运算放大器的早期应用主要用于信号运算，用来完成加、减、积分、微分、乘、除等运算功能，其名称也由此而来。44

3.集成运算放大器

集成运放电路由四部分组成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图5-31所示，它有两个输入端，一个输出端。45

3.集成运算放大器

典型的741型通用运放的内部电路：46

4.集成运算放大器特性与参数

1）.主要参数

（1）开环电压放大倍数A0

在没有外接交流负反馈电路的开环情况下，输出端开路，在两个输入端间加一个很小的低频电压信号时所测出的电压放大倍数，称为开环电压放大倍数，用A0表示，它是决定运算精度的重要因素。（2）差模输入电阻rid

集成运放开环时从两个输入端看进去的动态电阻，称为差模输入电阻。其值越大，表明集成运放从输入信号源所吸取的电流越小，运算的精度就越高。

（3）开环输出电阻r0

集成运放开环时输出级的输出电阻，称为开环输出电阻。r0愈小，集成运放带负载的能力就愈强。（4）最大输出电压UOM

在标称电源电压和额定负载电阻的情况下，能使集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为集成运放的最大输出电压。47

4.集成运算放大器特性与参数

1）.主要参数（5）静态功耗PC

在输入信号为零和输出端空载的情况下，集成运放本身所消耗的直流电源功率，称为静态功耗。此值越小越好。

（6）输入失调电压UIO

在集成运放电路中，在理想情况下应满足：当输入电压为零时，直流输出电压也为零。但实际上，由于制造时电路中元件参数并不完全对称,UI=0时，U0≠0这称为静态失调。将这个不等于零的输出电压折算为集成运放输入端的等效输入电压，称为输入失调电压，用UIO表示，一般为毫伏数量级。显然，其值愈小愈好。

（7）电源电压UCC

一般都用对称的正、负电源同时供电，其他参数可参考国家标准。48

4.集成运算放大器特性与参数

2).主要特性

电压传输特性是指表示集成运放输出电压u0与输入电压ui（ui=u+-u-）之间关系的特性曲线，如图所示。它有三个工作区：一个线性区和两个饱和区。图中A、B两点间为线性工作区，此时集成运放工作在线性放大状态，输出电压输出电压u0与输入电压ui（ui=u+-u-）的函数关系是线性的，可用下式表示：u0＝(u0-u-)=A0ui。49

5.集成运放的理想化模型（l）开环电压放大倍数为无穷大，A0→∞。

（2）运算放大器差模输入电阻，rid→∞。

（3）输出电阻为零，r0

≈0。50

5.集成运放的理想化模型51

6.集成运算放大器应用反馈

反馈是将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路（反馈电路）送回到输入回路，与输入信号叠加，一同控制电路输出的过程。当输出端和输入端之间不外接电路，即两者之间在外部是断开的，这称为开环状态；当用一定形式的网络（如R、C等）在外部将它们连接起来，这称为闭环状态，又称为反馈状态。52

6.集成运算放