简单逻辑电路和传感器的与教学.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,简单逻辑电路和传感器的实验与教学,简单的逻辑电路,选修,3-1,第二章第,10,节,现代信息技术的发展，要求学生了解一些数字电路的入门知识。,从生活事例和常见的电路引入三种基本的门电路，认识它们的逻辑功能（无需了解门电路内部的结构和工作理）。,必须精心设计和做好实验。,希望教师有一定的理论和技术知识。（请阅读,教参书,）,演示案例,非门的逻辑功能,输入,A,输出,Y,0,0V,1,3.43V,1,5.01V,0,0.14V,非门真值表,型号为,74LS04,的集成电路（,IC,），是常用的一种“六非门”。,输入,IN,H1.6V,输出,OUT,H3.4V,L0.8V,L0.2V,TTL,型电路的,高,(H),、低,(L),电平的标准,（,Vcc=5.0V,时）,此标准有利于前后级交联和,抗干扰,最简单的示教板,突出显示逻辑功能,非门的输出端,Y,为高电平时，,LED,发光。,此表中电压值为左图电路实测,（使用数字电压表测量）,分组实验,（专用实验板）,电路简明，三个,IC,已接好电源，操作便捷，节省时间。,分别显示与、或、非门的逻辑功能。,可做门电路的简单组合（如“与非门”）。,案例,1,观察或门的逻辑功能,为什么用发光管,LED,而不用小灯泡？,实验时，只需连接,3,（或,4,）根导线，拨动,4,次开关。,案例,2,门电路的组合,用与门和非门组成与非门,扩展实验,1,观测逻辑波形,与门真值表,与门波形图,输入,输出,A,B,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,三个电压表可以改为电压传感器，直接由数字化实验系统（,DES,）显示出波形图。,让学生在集成电路实验板（俗称面包板）上用元件插接电路。集成电路,IC,型号为,CD4069,（六非门）。,扩展实验,2,门电路应用,自动延时灯,工作原理,初始状态下，电容器,C,中没有储存电荷，非门,IC,输入端电压,U,A,=0,，则非门输出端电压,U,Y,=4.9V,。那么,DY,两点间的电压只有,5.0-4.9=0.1V,，所以,LED,不发光。按下开关，,K,接通，则电容器,C,被迅速充电，,U,A,变为,5.0V,，则,U,Y,跳变为,0.05V,。于是,DY,两点间的电压变为,4.95V,，,LED,就发光了。放手后，,K,断开，但是电容器,C,两端的电压不能突变，而是通过电阻,R,1,开始缓慢地放电过程，使,U,A,从,5.0V,缓慢地下降，当它降到,1.0V,之前，,IC,的状态保持不变，,LED,继续发光。经过一段时间,t,之后，,U,A,降到,1.0V,时，,U,Y,就跳变为,4.9V,，于是,LED,熄灭。,t,就是延时时间。,这个延时电路是电容器应用的很好的事例。它利用了,RC,电路的充放电特性，延时时间,t,可由下式估算：,t=0.7R,1,C,。取上图所示元件参数时，大约可延时,15,秒。,若另取一个,100F,的电解电容器与原来的电容器并联，会看到延时加长。若将这两个电容器串联后接在,m,、,n,间，会看到延时缩短。去掉电容器，会看到没有延时作用了。增大,R,1,的阻值，也会加长延时时间。,北京市曾将此电路做为,高中应用物理知识竞赛,题。有不少学生知道加长延时就需要加大电容，但是能提出加大电容的实用方法却不多。有些答案是：“缩小两个极板的距离”、“加大极板的正对面积”，可能他们心目中使用的电容器就是演示用的两个平行板。只有个别人能正确答出“再并联另一个电容器”。,这一方面表明学生缺少对实用电容器的认知，另一方面也说明知道一些电容器串、并联知识的必要性。但不必要求做电容器串、并联或更复杂的计算题。,一道竞赛题,门电路的组合,输 入 输 出,A B Y,图,5,表,1,输入,输出,A,B,Y,0,0,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,要求学生对上面的组合电路做逻辑功能分析，最后写出其真值表。,答案如右。这是一个由两个非门、两个与门和一个或门组成的“异或门”。,可作为课题研究，将三块,IC,插在面包板上做实验,传感器,选修,3-2,第六章,综合,运用多方面的物理知识,，了解常见传感器的工作原理。,知道传感器有广泛的的应用。,需要做好分组实验，,动手组装,最简单的传感器的应用电路，亲自感受传感器的应用，,提升,电学,实验能力,。,要求教师有一定的理论和技术知 识，较高的实验技能。,建议全章课时为,5 6,节。分组实验为,2 3,节。,1.,光传感器,光敏电阻,（常用材料为硫化镉）,传感特性,光照（光通量）强弱 电阻的大小,非电学量 电学量,原理,光照增强 半导体材料中的载流子,（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小,实验,（,1,）用欧姆表测量，观察其电阻随光照而变化。,（,2,）将光敏电阻与定值电阻串联后接到直流电源上，观察输出电压随光照而变化。,直径,5mm,的硫化镉光敏电阻价格不超过,0.5,元,常见传感器,（,1,）光电二极管,加反压，光照加强 电流增大,与定值电阻,R,串联，取得电压输出。,（,2,）光电三极管,光照加强 集电极电流,I,C,增大,与定值电阻,R,串联，取得电压输出。,光电二极管和光电三极管,光电三极管外形,（透明外壳）,小型硅光电池,光照加强 光生电动势增大,不需外接电源,(,例如测量照度,),直径,5mm,的光电三极管价格,0.5 1,元,2.,温度传感器,热敏电阻,（,NTC,型为氧化锰和氧化铜混合烧结）,传感特性,温度高低 电阻的大小,非电学量 电学量,特点：灵敏度比金属热电阻高得多。,原理,（,NTC,型、负温度系数）,温度升高 半导体材料中的载流子,（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小,实验,（用欧姆表测量）,直径,5mm,的圆片状,NTC,型热敏电阻价格,0.5,元,热电偶,（常用的一种如“镍铬,-,镍硅”）,测量温度与参考温度之差 温差电动势。,不需要工作电源。,应用事例：数字万用表附属的测温探头，燃气灶,的自动熄火探头。高温电炉中的测温探头，,热双金属片,(,两种线胀系数不同的金属片复合）,温度变化 金属片弯曲变形 电路通断,报废的日光灯启动器芯子,3.,磁传感器,干簧管,（最简单的开关型磁传感器,）,磁感应强度的变化 簧片的,磁化和去磁 电路的通断,霍尔元件（常用材料为砷化铟）,特性,磁感应强度,B,的大小和方向 霍尔电压,U,H,的大小 和方向,原理,霍尔效应,U,H,=,K,H,B I,演示,I,=10mA,B,=5 15mT,，,测,U,H,用数字表,200mV,档,霍尔集成电路,线性霍尔集成电路（输出模拟电压，,用来测量,B,）,开关型霍尔集成电路（输出高低电平）,不宜只用一个磁极垂直靠近干簧管的中央,应变电桥,应变片,4.,力传感器,（电阻应变式）,用途,电子秤、低精度电子天平等,5.,光传感器的应用事例,机械式鼠标器,1,滚球,2,压紧轮,3.4,滚轴,5.6,码盘,7.9,红外发射管,8.10,光电二极管,6.,温度传感器的应用事例,普通电饭锅,（,65,页图,6.3-1,）,用,感温铁氧体,作为传感器。常温下具有铁磁性，上升到约,103,时失去铁磁性。,传感器的应用实验,（学生分组）,1.,设计实验的考虑,教学目标,让学生亲自动手体验传感器的应用；练习电子电路的组装；学习,数字电路 的分析和检测方法；,激发兴趣和爱好；树立学以致用的,观 念,。,可行,使用的元件少（仅,4,至,6,个），电路简单，容易操作，无需焊接，,成本低廉。,技术先进,选用集成数字电路来处理信号，实现传感器对执行器件的控制功,能，无需调节电路的工作点。,有别于电子玩具,用散件在实验板上插接，学生必须认识元器件，理解和掌握电路,的组成。而电子玩具多采用密封的小盒子来拼接，只能看到盒子,外面的功能符号，是一种黑箱操作。,2.,相关的知识与操作,（,1,）面包板的结构和使用,（,价格,4 5,元）,行,X,连接电源正极。行,Y,作为公共端（接“地”端），连,接电源负极。,集成电路块要跨过沟槽，两列引脚分别插入,E,、,F,行。,纵向的每,5,个孔作为一个节点，可将,5,根元件的引脚或,导线连接在一起,。,（,4,）发光管,红色,LED,工作电压约,1.8V,，工作电流,10 mA,，现在电,源电压较高，则必须串联限流电阻。,（,5,）斯密特触发器（,74LS14,）,它的输出端,Y,可直接驱动工作电流较小的,LED,、微型电,磁继电器、微型蜂鸣器，灌入电流可达,40mA,。不能驱,动工作电流大,(,如,300m A,）的小灯泡。,（,6,）可用万用表,DC10V,档检测工作状态、判断故障,集成电路块的,VCC,和,GND,是否加上了,5V,电压？,传感器工作时，输入端,U,A,是否能够分别达到高、低,两个阈值电压？,输出端,U,Y,是否能够分别达到对应的低、高电平？,0V时，U Y 就跳变为4.,取上图所示元件参数时，大约可延时15 秒。,应用事例：数字万用表附属的测温探头，燃气灶,传感器工作时，输入端UA是否能够分别达到高、低,温度传感器的应用事例 普通电饭锅,加反压，光照加强 电流增大,光电二极管和光电三极管,R1：微型可调电阻，最大阻值 1k。,传感器的应用实验（学生分组）,力传感器（电阻应变式）,分组实验（专用实验板）,电路简明，三个IC已接好电源，操作便捷，节省时间。,实验电路中电流如何形成回路？（以甲图为例）,3.,实验一 光控开关,R,G,：硫化镉光敏电阻，暗电阻,200 k,，强光照射下，亮电阻,1k,。,R,1,：微型可调电阻，最大阻值,51k,（或,47k,）。,LED,：红色发光二极管，外加电压,1.8V,时才能发光。,J,：微型电磁继电器的电磁线圈（用漆包线绕在铁芯上，上千匝）。额定工,作电压,5V,。,Ja:,电磁继电器的常开触点。,D,：二极管,1N4001,，称为续流二极管。,J,通电时，,D,处于截止状态。,J,断电,时，产生的自感电动势在,D,中形成电流，使,J,两端不能形成高电压，避,免损坏集成电路,IC,。,实验电路中电流如何形成回路？,（以甲图为例）,乙图电路的工作原理,黄昏，,R,G,逐渐增大，使它与,R,1,的分压,U,A,逐渐上升。当,U,A,升到,1.6V,时，,U,Y,就突然,下跳,到,0.2V,。于是,U,J,变为,4.8V(4V),，使衔铁吸合，则触点,a,接通，灯,L,发光。,清晨，,R,G,逐渐减小，使它与,R,1,的分压,U,A,逐渐下降。当,U,A,降到,0.8V,时，,U,Y,就突然,上跳,到,3.4V,。于是,U,J,变为,1.6V(2V),，使衔铁释放，则触点,a,断开，灯,L,熄灭。,注意：模拟电路的输出随输入做连续变化，而逻辑电路则不同。,已知所用微型继电器线圈电压,U,J,4V,时衔铁吸合，,U,J,2V,时衔铁释放。设取,R,1,=30k,。,逻辑电路的实验与教学（教学仪器与实验 杂志2009年第01期）,常温下具有铁磁性，上升到约103时失去铁磁性。,案例1 观察或门的逻辑功能,从生活事例和常见的电路引入三种基本的门电路，认识它们的逻辑功能（无需了解门电路内部的结构和工作理）。,答案如右。,初始状态下，电容器C中没有储存电荷，非门IC输入端电压U A=0，则非门输出端电压U Y=4.,清晨，RG逐渐减小，使它与R1 的分压UA逐渐下降。,RG 置于明亮处，调节(增大)R1 使LED刚好熄灭。,光控开关实物装配和调试(甲图电路),逻辑电路的实验与教学（教学仪器与实验 杂志2009年第01期）,A B Y,只有个别人能正确答出“再并联另一个电容器”。,设取R 1=30k。,分立元件式（磁吸，自由排布,它利用了RC电路的充放电特性，延时时间 t 可由下式估算：t=0.,A B Y,光控开关实物装配和调试,(,甲图电路,),R,G,置于明亮处，调节,(,增大,)R,1,使,LED,刚好熄灭。,对,R,G,遮光，应看到,LED,发光。,面包板,4.,实验二 温度报警器,R,T,：负温度系数热敏电阻，,20,时阻值,1 2k,。,R,1,：微型可调电阻，最大阻值,1k,。,BZ,：微型蜂鸣器,温度报警器实物装配和调试,R,T,置于常温下，调节,(,减小,)R,1,使,BZ,刚好不发声。,将,R,T,浸入热水中，经过少许时间后应听到,BZ,声。,专用的实验仪器,1.,示教板（可自制）,用光敏电阻做多种控制,天津一中自制的传感器综合示教板,2.,分组实验板,要求,能认识真实的元器件，能自行设计、组装和调试电路。,性能可靠，操作便捷，容易发现和排除故障，可重复使用。,便于存放，不易丢失部件。,常见类型,黑箱式（功能组件）,积木式（拚插）,分立元件式（磁吸，自由排布,元件位置，用导线连接）,实验板式（元件位置按实验内容,固定，用导线连接）,运算放大器芯片的使用,本实验将此运算放大器作为电压比较器。其功能是：当同相输入端的电势略高于反相输入端时，则输出端跳变为高电平；当同相输入端的电势略低于反相输入端时，则输出端跳变为低电平。,为教科社教材设计的实验板,示例：模拟电熨斗的控温电路（,LED,代表电热元件）,IC,为一个运算放大器（集成的模拟电路），可选用型号：,M741,或,LM324,。,使用电压比较器控制温度，比用非门灵敏得多。,参考资料,逻辑电路的实验与教学（,教学仪器与实验,杂志,2009,年第,01,期）,传感器的实验与教学（,教学仪器与实验杂志,2009,年第,06,、,07,期）,逻辑电路和传感器实验板实验指导书,（北京日月星云科技公司）,谢 谢！,北京市第四中学 刘彬生,E-mail,：,Tel,：,Mobile,：,简单的逻辑电路,选修,3-1,第二章第,10,节,现代信息技术的发展，要求学生了解一些数字电路的入门知识。,从生活事例和常见的电路引入三种基本的门电路，认识它们的逻辑功能（无需了解门电路内部的结构和工作理）。,必须精心设计和做好实验。,希望教师有一定的理论和技术知识。（请阅读,教参书,）,案例,2,门电路的组合,用与门和非门组成与非门,2.,温度传感器,热敏电阻,（,NTC,型为氧化锰和氧化铜混合烧结）,传感特性,温度高低 电阻的大小,非电学量 电学量,特点：灵敏度比金属热电阻高得多。,原理,（,NTC,型、负温度系数）,温度升高 半导体材料中的载流子,（自由电子和空穴）浓度增加 材料的电阻率减小,实验,（用欧姆表测量）,直径,5mm,的圆片状,NTC,型热敏电阻价格,0.5,元,热电偶,（常用的一种如“镍铬,-,镍硅”）,测量温度与参考温度之差 温差电动势。,不需要工作电源。,应用事例：数字万用表附属的测温探头，燃气灶,的自动熄火探头。高温电炉中的测温探头，,热双金属片,(,两种线胀系数不同的金属片复合）,温度变化 金属片弯曲变形 电路通断,报废的日光灯启动器芯子,实验电路中电流如何形成回路？,（以甲图为例）,2.,分组实验板,要求,能认识真实的元器件，能自行设计、组装和调试电路。,性能可靠，操作便捷，容易发现和排除故障，可重复使用。,便于存放，不易丢失部件。,常见类型,黑箱式（功能组件）,积木式（拚插）,分立元件式（磁吸，自由排布,元件位置，用导线连接）,实验板式（元件位置按实验内容,固定，用导线连接）,