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北京航空航天大学 833 自控+数电 2023 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等 自控加数电合卷:自控六题考测速反馈与比例微分控制器、含复数零点系统的根轨迹、最大相角裕度与滞后校正、非线性相轨迹、状态反馈与观测器及能观分解、不可控系统极点配置限制;数电四题考或非门与ROM实现逻辑函数、全加器实现乘加运算、JK触发器序列检测器、计数器与移位寄存器构成波形发生器

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1一、测速反馈与比例微分控制器对阻尼的配置#

思路
  • 由结构图写闭环特征式并与标准二阶形式比对,按给定阻尼比分别反求测速反馈系数与微分时间常数,再从是否引入闭环零点及开环增益变化比较两种方案
二阶系统标准形式与阻尼比 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环特征式的一次项与常数项反求增益与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:按结构图写闭环特征式并把一次项与常数项对应到标准形式
  • 中间结果:自然频率由常数项开方确定,阻尼比由一次项决定
  • 卡点:原系统结构以图给出,回路增益需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 标准形式由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 两个参数确定
  • ξ>1 过阻尼、ξ=1 临界阻尼、0<ξ<1 欠阻尼、ξ=0 无阻尼
  • 闭环极点位置只由 ξωn 与 ωn√(1-ξ²) 决定
  • β=arccos ξ 是极点与负实轴的夹角
步骤
  • 把闭环传递函数化成标准二阶形式
  • 比对系数求出 ωn 与 ξ
  • 写出闭环极点表达式
  • 按 ξ 的取值判断响应类型
通用考法
  • 本卷考过由闭环特征式的一次项与常数项反求增益与阻尼比
  • 由闭环传递函数求 ωn 与 ξ
  • 判断响应是过阻尼还是欠阻尼
  • 在 s 平面上标出闭环极点的位置
常见易错
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把平方项系数归一化
  • 化为标准形式时忘记把 s² 项系数归一化
  • 把开环增益误当成闭环传递函数的系数
公式
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 给定阻尼比要求分别反求测速反馈系数与微分时间常数
本卷实例
  • 关键一步:把给定阻尼比代入一次项关系分别解出两种控制器参数
  • 中间结果:测速反馈只改变一次项系数,比例微分同时引入新零点
  • 卡点:比例微分后的闭环零点会改变超调,不能只按阻尼比判断
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过给定阻尼比要求分别反求测速反馈系数与微分时间常数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 本卷考过只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 说明测速反馈与比例微分对平稳性和快速性的影响
本卷实例
  • 关键一步:从阻尼比增大与是否引入闭环零点两方面比较两种方案
  • 中间结果:测速反馈无新零点但降低开环增益,比例微分引入零点
  • 卡点:附加闭环零点会增大超调,估算指标时要计及其影响
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过说明测速反馈与比例微分对平稳性和快速性的影响
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 本卷考过忽略零点对超调量的放大作用
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式

2二、含复数零点系统的根轨迹与稳定域#

思路
  • 由开环零极点定分支数与实轴段,按渐近线、出射角与入射角绘制根轨迹,再把纯虚根代入特征方程求虚轴交点与临界增益,从而确定稳定域
本卷考法
  • 绘制含一对共轭复零点的参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由开环零点与极点定分支数与实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:极点数为三零点数为二,有一条轨迹趋于无穷远
  • 卡点:渐近线夹角与交点要按剩余零极点个数计算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 起于开环极点、终于开环零点(无穷远零点),分支数等于极点数 n
  • 实轴上某段右侧的零极点总数为奇数时,该段属于根轨迹
  • 渐近线条数为 n-m,交点在实轴上,与实轴夹角等分 360°
  • 根轨迹关于实轴对称
步骤
  • 标出全部开环零极点并判断实轴上的根轨迹段
  • 计算渐近线交点与夹角
  • 求出分离点、出射角、与虚轴交点
  • 按对称性连接各段并标出对应 K 值
通用考法
  • 本卷考过绘制含一对共轭复零点的参数根轨迹
  • 按法则绘制根轨迹草图
  • 指出渐近线条数与夹角
  • 判断某段实轴是否属于根轨迹
常见易错
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 实轴段判据中的零极点个数算错
  • 渐近线夹角公式中的 2k+1 写成 2k
公式
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求出射角与入射角确定轨迹在零极点处的走向
本卷实例
  • 关键一步:出射角由一百八十度减去各开环零极点指向该点的相角
  • 中间结果:三个重极点处分出的轨迹夹角相隔一百二十度
  • 卡点:累加相角时不要把该点自身的相角算进去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求出射角与入射角确定轨迹在零极点处的走向
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 本卷考过累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点并确定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把纯虚根代入特征方程分离实部与虚部
  • 中间结果:由实部与虚部两个方程解出临界增益与交点频率
  • 卡点:求出交点后要判断稳定区间方向
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹与虚轴的交点对应系统临界稳定
  • 可用劳斯判据令首列为零,或令 s=jω 代入特征方程求解
  • 交点处的 K 是使系统稳定的临界增益
步骤
  • 把 s=jω 代入闭环特征方程
  • 令实部与虚部分别为零,得到两个方程
  • 联立解出 ω 与 K
  • 结合实轴段信息确定根轨迹穿越方向
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点并确定稳定增益范围
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 确定系统稳定时 K 的取值范围
  • 判断根轨迹穿越虚轴的方向
常见易错
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,漏掉另一组交点
  • 只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 得到 K 后没有回到原题核对参数定义
公式

3三、最大相角裕度与滞后校正设计#

思路
  • 把相角写成一个反正切函数求极值得最大裕度对应的频率与增益,再用滞后网络抬高低频增益以减小扰动引起的误差,同时保持剪切频率与相角裕度基本不变
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求使相角裕度最大的开环增益并给出该裕度
本卷实例
  • 关键一步:把相角写成一个反正切函数并求其极值条件
  • 中间结果:反正切函数取极值的条件是分子中的频率因子相等
  • 卡点:最大相角裕度处的频率要通过幅频等于一定出增益
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相角裕度 γ 在幅值穿越频率 ωc 处定义,γ=180°+∠G(jωc)
  • 幅值裕度 Kg 在相位穿越频率 ωg 处定义,单位可为分贝
  • γ>0 且 Kg>1 时闭环稳定(最小相位系统)
  • γ 主要影响超调,ωc 主要影响响应速度
步骤
  • 由幅频特性求 |G|=1 对应的穿越频率 ωc
  • 由相频特性求 ∠G=-180° 对应的频率 ωg
  • 分别代入公式求相角裕度与幅值裕度
  • 由裕度符号判断稳定性
通用考法
  • 本卷考过求使相角裕度最大的开环增益并给出该裕度
  • 求系统的相角裕度与幅值裕度
  • 由裕度要求反求开环增益
  • 分析增益变化对裕度的影响
常见易错
  • 本卷考过把ωc与ωg两个频率用反
  • 把 ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 幅值裕度取倒数未取,导致结论反了
  • 非最小相位系统仍用同一判据
公式
本卷考法
  • 由校正后剪切频率不变确定低频增益抬升量
本卷实例
  • 关键一步:令校正后系统在最大裕度频率处幅值仍等于一
  • 中间结果:所需低频增益抬升量由校正网络的参数比值决定
  • 卡点:剪切频率维持不变要靠滞后网络高频段衰减
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过由校正后剪切频率不变确定低频增益抬升量
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 本卷考过低频段起始高度没有乘上型别的斜率
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 选择滞后校正减小扰动引起的稳态误差并保持相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:用滞后网络抬高低频段增益而不显著改变中频段相角
  • 中间结果:滞后网络的一个转折频率取在剪切频率的十分之一以下
  • 卡点:转折频率取得过高会把相位滞后带到剪切频率处
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过选择滞后校正减小扰动引起的稳态误差并保持相角裕度
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 本卷考过转折频率取得过高导致相位滞后抵消增益改善
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
本卷考法
  • 由扰动输入为时间的平方求输出误差表达式
本卷实例
  • 关键一步:求扰动到误差的传递函数并判断系统对扰动的型别
  • 中间结果:扰动误差与扰动传递函数的低频增益成反比
  • 卡点:求扰动误差时把参考输入置零,不要与给定误差叠加
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过由扰动输入为时间的平方求输出误差表达式
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 本卷考过把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

4四、非线性系统相轨迹与交点#

思路
  • 按非线性环节把平面分成两段或三段,写各区域微分方程并用积分求相轨迹,按初始点所在区域逐段推进,求相邻段相轨迹线的交点
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 按初始条件绘制相轨迹并求两条轨迹线的交点
本卷实例
  • 关键一步:由微分方程写出相轨迹斜率并分段积分求解
  • 中间结果:各区域相轨迹为对数型曲线,交点由相邻段对接确定
  • 卡点:非线性特性与结构以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过按初始条件绘制相轨迹并求两条轨迹线的交点
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
本卷考法
  • 识别题图非线性环节并分段写出输入输出关系
本卷实例
  • 关键一步:按误差符号与大小把非线性特性分成两段或三段
  • 中间结果:不同段对应的二阶微分方程常数项符号相反
  • 卡点:开关线由误差决定,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过识别题图非线性环节并分段写出输入输出关系
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过认为饱和总是使系统更稳定
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式

5五、状态反馈极点配置、观测器与能观分解#

思路
  • 由目标闭环传函反求状态反馈增益并识别对消极点,再按期望观测器极点求观测增益,判断反馈前后能控能观,最后对不完全能观系统做能观性分解
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由给定闭环传函反求状态反馈增益阵
本卷实例
  • 关键一步:写状态反馈后传递函数并与目标式比较系数
  • 中间结果:目标传函分母对应一个闭环极点与一个对消极点
  • 卡点:对消掉的极点能否配置要看系统的能控性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过由给定闭环传函反求状态反馈增益阵
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 按给定观测器极点求状态观测增益阵
本卷实例
  • 关键一步:由观测器误差动态矩阵求特征多项式并与期望式比较
  • 中间结果:期望观测器极点和与积分别对应特征式的一次项与常数项
  • 卡点:期望极点数值在 OCR 中漏印,需回原卷核对题干
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过按给定观测器极点求状态观测增益阵
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 本卷考过把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 分别判断状态反馈前后系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造反馈前后的能控与能观判别矩阵求秩
  • 中间结果:状态反馈不改变能控性但可能破坏能观性
  • 卡点:反馈后出现零极点对消会使能观性矩阵降秩
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过分别判断状态反馈前后系统的能控性与能观性
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 本卷考过能观性判别矩阵构造方式与能控性搞混
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式
本卷考法
  • 对反馈后不完全能观的系统做能观性分解
本卷实例
  • 关键一步:按能观性判别矩阵选取线性变换阵做能观分解
  • 中间结果:分解后可观子系统极点与未对消极点一致
  • 卡点:变换阵取法不唯一,要保证变换可逆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过对反馈后不完全能观的系统做能观性分解
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 本卷考过对不可观系统仍直接写能观标准型
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式

6六、不可控系统无法任意配置极点的证明#

思路
  • 对不可控系统做能控性分解,指出反馈后系统矩阵的不可控对角块保持不变,从而其极点不能由状态反馈任意移动
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 对不可控系统做能控性分解说明不可控模态不可配
本卷实例
  • 关键一步:把系统按能控性分解为可控与不可控两块
  • 中间结果:反馈后系统矩阵的不可控对角块保持不变
  • 卡点:不可控子系统的特征值即闭环不可配极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过对不可控系统做能控性分解说明不可控模态不可配
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 本卷考过只算到倒数第二列就下结论
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 证明不可控极点不能由状态反馈任意移动
本卷实例
  • 关键一步:由反馈后系统矩阵的分块形式看出不可控块与反馈无关
  • 中间结果:反馈只能改变可控块的特征值
  • 卡点:证明要写成一般形式,不能只举特例
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过证明不可控极点不能由状态反馈任意移动
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式

7七、或非门实现逻辑函数与ROM实现15 分#

思路
  • 把给定与或式用反演律化成或非形式再用两次取反映射到双输入或非门,第二问把四个函数按最小项写入 4×4 位 ROM 的数据位
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 把给定逻辑函数化为便于用或非门实现的或与形式
本卷实例
  • 关键一步:利用反演律把与或式化成或非形式再用两次取反
  • 中间结果:仅用双输入或非门实现需要把多输入运算拆成两两组合
  • 卡点:或非门实现与与非门实现的化简方向不同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 逻辑函数化简可用公式法也可用卡诺图法,卡诺图更适合带约束项的情形
  • 约束项在卡诺图中记为叉,能圈就圈进圈里以取得更大的圈
  • 圈越大项越少,每圈包含的方格数为二的整数次幂
  • 无关项与任意项不产生新的圈,只用来帮助扩大已有的圈
步骤
  • 把逻辑函数按最小项填入卡诺图,约束条件对应的格填成叉
  • 按二、四、八格成圈,圈内至少含一个未被圈过的一,圈可以重叠
  • 每圈消去取值发生变化的变量,只保留取值不变的变量
  • 把所有圈对应的乘积项或起来得到最简与或式
通用考法
  • 本卷考过把给定逻辑函数化为便于用或非门实现的或与形式
  • 用卡诺图求最简与或表达式
  • 含约束条件的逻辑函数化简
  • 由最简式反推需要几个门电路
常见易错
  • 本卷考过把约束项当成必须为一的项,或漏圈可用约束项扩大的圈
  • 把约束项当成必须为 1 的项,或漏圈可以用约束项扩大的圈
  • 圈数为二的整数次幂以外的方格数
公式
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用4×4位ROM实现四个组合逻辑函数
本卷实例
  • 关键一步:把输入变量接到ROM地址端,按真值表写入各数据位
  • 中间结果:数据位内容等于函数在各最小项处的取值
  • 卡点:ROM容量与地址位数要匹配;图未读需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 组合逻辑的输出只由当前输入决定,不含记忆元件
  • 设计流程是列真值表、写表达式、化简、再映射到给定器件
  • 用译码器或数据选择器实现时,输出写成最小项之和的形式最方便
  • 全加器要考虑低位来的进位,全减器要考虑低位来的借位
步骤
  • 按功能描述列真值表,输入输出个数要与题意一致
  • 写出每个输出的最小项表达式并化简
  • 把表达式改写成给定器件(译码器、数据选择器、与非门)能直接实现的形式
  • 按器件引脚特性追加必要的门电路并把输入端接好
通用考法
  • 本卷考过用4×4位ROM实现四个组合逻辑函数
  • 用译码器或数据选择器加适当门电路设计指定逻辑功能
  • 仅用与非门实现给定逻辑功能
  • 设计一位全加或全减器
常见易错
  • 本卷考过接器件时忽略地址与数据位的对应关系
  • 控制信号取 0 与取 1 对应的加与减搞反
  • 接器件时忘记译码器的输出是低有效
公式

8八、全加器实现两位乘加运算#

思路
  • 把两位二进制乘法展开成部分积,按位权与第三操作数对齐后用多级全加器逐列相加,进位链由低位向高位传递
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用全加器与门电路实现两位二进制乘加运算
本卷实例
  • 关键一步:先把两位乘法展开成部分积再按位权对齐相加
  • 中间结果:部分积与第三操作数按高低位对齐后送多级全加器
  • 卡点:全加器图以图给出,进位链接法需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 组合逻辑的输出只由当前输入决定,不含记忆元件
  • 设计流程是列真值表、写表达式、化简、再映射到给定器件
  • 用译码器或数据选择器实现时,输出写成最小项之和的形式最方便
  • 全加器要考虑低位来的进位,全减器要考虑低位来的借位
步骤
  • 按功能描述列真值表,输入输出个数要与题意一致
  • 写出每个输出的最小项表达式并化简
  • 把表达式改写成给定器件(译码器、数据选择器、与非门)能直接实现的形式
  • 按器件引脚特性追加必要的门电路并把输入端接好
通用考法
  • 本卷考过用全加器与门电路实现两位二进制乘加运算
  • 用译码器或数据选择器加适当门电路设计指定逻辑功能
  • 仅用与非门实现给定逻辑功能
  • 设计一位全加或全减器
常见易错
  • 本卷考过接器件时忽略低位进位与部分积的位权对齐
  • 控制信号取 0 与取 1 对应的加与减搞反
  • 接器件时忘记译码器的输出是低有效
公式

9九、JK触发器实现1001序列检测器#

思路
  • 按已匹配的序列前缀设状态画状态转换图,列状态转移真值表求输出方程与 JK 激励方程,用卡诺图化简后画逻辑电路
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 按序列检测要求画状态转换图并设计时序电路
本卷实例
  • 关键一步:按已匹配的序列前缀设状态,画出完整状态转换图
  • 中间结果:状态数由需记忆的序列前缀长度确定
  • 卡点:不可重叠检测在匹配成功后要回到初始状态重新计数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 时序逻辑的输出由当前输入与电路当前状态共同决定
  • 计数器有同步与异步、加法与减法、二进制与十进制之分
  • 集成计数器可通过置数或清零端改接成任意模数计数器
  • 状态图、状态表与波形图是描述时序电路的三件套
步骤
  • 由电路连接写出各触发器的驱动方程与时钟方程
  • 代入触发器特性方程得到状态方程
  • 列出状态表或状态图,确定电路的计数规律与模数
  • 需要变形时用置数端或清零端把某个状态反馈接回,得到目标模数
通用考法
  • 本卷考过按序列检测要求画状态转换图并设计时序电路
  • 分析给定电路的计数规律与模数
  • 用集成计数器设计指定模数的计数器
  • 画出加减计数器的输出波形
常见易错
  • 本卷考过把模数与触发器个数直接等同,忽略反馈接线
  • 异步清零与同步置数的反馈状态取错
  • 把模数与触发器个数直接等同,忽略反馈接线的作用
公式
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由状态转换表求JK触发器的激励方程与输出方程
本卷实例
  • 关键一步:按当前状态与次态逐行填入JK激励表再化简
  • 中间结果:激励方程由状态表用卡诺图化简得到
  • 卡点:JK同时为一时翻转,激励表的无关项要恰当利用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 触发器具有记忆功能,输出不仅与输入有关还与当前状态有关
  • JK 触发器在 J 与 K 同时为一时翻转,同时为零时保持
  • 边沿触发器的状态只在时钟有效边沿改变,画波形要盯住边沿
  • 不同触发器的特性方程可以互相转换
步骤
  • 写出所用触发器的特性方程
  • 按题意列出激励信号在各时钟周期的取值
  • 逐拍代入特性方程求出状态序列
  • 把状态序列画成波形,注意触发边沿与传输延迟
通用考法
  • 本卷考过由状态转换表求JK触发器的激励方程与输出方程
  • 由时钟与激励波形画出输出波形
  • 判断触发器构成的电路功能
  • 由特性方程推导状态转移关系
常见易错
  • 本卷考过忘记JK触发器同时置位时的翻转功能
  • 把电平触发与边沿触发混为一谈,波形画错位置
  • 忘记 JK 触发器同时置位时的翻转功能
公式
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用卡诺图化简输出方程与JK激励的无关项
本卷实例
  • 关键一步:把输出为一的状态写成最小项并用卡诺图化简
  • 中间结果:输出方程只与最后一级匹配状态有关
  • 卡点:无关项要按扩大圈的方向取值,不能一律取零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 逻辑函数化简可用公式法也可用卡诺图法,卡诺图更适合带约束项的情形
  • 约束项在卡诺图中记为叉,能圈就圈进圈里以取得更大的圈
  • 圈越大项越少,每圈包含的方格数为二的整数次幂
  • 无关项与任意项不产生新的圈,只用来帮助扩大已有的圈
步骤
  • 把逻辑函数按最小项填入卡诺图,约束条件对应的格填成叉
  • 按二、四、八格成圈,圈内至少含一个未被圈过的一,圈可以重叠
  • 每圈消去取值发生变化的变量,只保留取值不变的变量
  • 把所有圈对应的乘积项或起来得到最简与或式
通用考法
  • 本卷考过用卡诺图化简输出方程与JK激励的无关项
  • 用卡诺图求最简与或表达式
  • 含约束条件的逻辑函数化简
  • 由最简式反推需要几个门电路
常见易错
  • 本卷考过无关项与任意项不产生新的圈,只用来扩大已有的圈
  • 把约束项当成必须为 1 的项,或漏圈可以用约束项扩大的圈
  • 圈数为二的整数次幂以外的方格数
公式

10十、74LS160与74LS151及74LS194构成波形发生器#

思路
  • 用计数器产生循环地址、数据选择器按地址输出固定序列、移位寄存器做串并转换,三路输出组合成要求的三条周期波形
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用集成十进制计数器与移位寄存器级联产生周期状态
本卷实例
  • 关键一步:用计数器输出作地址、移位寄存器做串并转换产生多路波形
  • 中间结果:三个输出波形的周期由计数器的模数决定
  • 卡点:器件连接以图给出,控制端接法需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 时序逻辑的输出由当前输入与电路当前状态共同决定
  • 计数器有同步与异步、加法与减法、二进制与十进制之分
  • 集成计数器可通过置数或清零端改接成任意模数计数器
  • 状态图、状态表与波形图是描述时序电路的三件套
步骤
  • 由电路连接写出各触发器的驱动方程与时钟方程
  • 代入触发器特性方程得到状态方程
  • 列出状态表或状态图,确定电路的计数规律与模数
  • 需要变形时用置数端或清零端把某个状态反馈接回,得到目标模数
通用考法
  • 本卷考过用集成十进制计数器与移位寄存器级联产生周期状态
  • 分析给定电路的计数规律与模数
  • 用集成计数器设计指定模数的计数器
  • 画出加减计数器的输出波形
常见易错
  • 本卷考过把模数与触发器个数直接等同,忽略反馈接线的作用
  • 异步清零与同步置数的反馈状态取错
  • 把模数与触发器个数直接等同,忽略反馈接线的作用
公式
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用数据选择器按波形要求选择各路数据
本卷实例
  • 关键一步:按待输出波形的各位把数据端接成固定的高低电平表
  • 中间结果:地址循环选通时输出即为设定的周期序列
  • 卡点:数据端排列顺序要与地址递增方向一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 组合逻辑的输出只由当前输入决定,不含记忆元件
  • 设计流程是列真值表、写表达式、化简、再映射到给定器件
  • 用译码器或数据选择器实现时,输出写成最小项之和的形式最方便
  • 全加器要考虑低位来的进位,全减器要考虑低位来的借位
步骤
  • 按功能描述列真值表,输入输出个数要与题意一致
  • 写出每个输出的最小项表达式并化简
  • 把表达式改写成给定器件(译码器、数据选择器、与非门)能直接实现的形式
  • 按器件引脚特性追加必要的门电路并把输入端接好
通用考法
  • 本卷考过用数据选择器按波形要求选择各路数据
  • 用译码器或数据选择器加适当门电路设计指定逻辑功能
  • 仅用与非门实现给定逻辑功能
  • 设计一位全加或全减器
常见易错
  • 本卷考过控制信号取零与取一对应的选择关系搞反
  • 控制信号取 0 与取 1 对应的加与减搞反
  • 接器件时忘记译码器的输出是低有效
公式