人教版高中物理《逻辑电路与传感器》课件.ppt

逻辑电路 与 传感器 人民教育出版社 一、最简单的逻辑电路(数字电路) 门电路 选修3-1第二章第10节 v模拟信号和数字信号 v从生活事例和常见的电路引入 v早期的门电路 v现在使用的门电路 模拟信号和数字信号 v模拟信号 随时间做连续变化；其大小（电 压或电流）具有各种可能的值。 v数字信号 变化不连续；典型情况下，其大 小只有h、l两个值（代表数字1、0）。 模拟信号数字信号 v数字信号的优点 可以用计算机处理；信 息的传输和存储密度大；抗干扰能力强。 v数字电路 处理数字信号的电路。 v数字电路的特点 结构：较简单，对元件的精度要求不高， 允许环境温度和电源电压有较大的变化， 易于集成。 分析方法：逻辑关系(而非比例放大关系)。 功能：逻辑推演和判断、运算，信息存储 等。 三种基本的门电路 门电门电 路 类类型 与门门或门门非门门 事例 门门与门门框上的 并列双锁锁 老式两扇门间门间 的 连环连环 双锁锁 断电报电报 警电电路 实现该实现该 功能的 简单电简单电 路 (宜演示) 用继电器组成的非门电路 开门断电而接通报警器 事例：早期的交通信号机中使用许多继电器实现逻辑控制 二极管组成的与门 输输入输输出 ab 导导通 管 y 00 d1 d2 0 0.7v 01 d1 0 0.7v 10 d2 0 0.7v 11 无 1 4.9v* 与门真值表 * 负载 rv = 15k 二极管型号: 1n4001或1n4148 功能测试电路（可用示教板演示） 二极管组成的或门 输输入输输出 ab 导导通 管 y 00 无 0 0v 01 d2 1 5.3v 10 d1 1 5.3v 11 d1d2 1 5.3v 或门真值表 二极管型号: 1n4001或1n4148 功能测试电路（可用示教板演示） * 负载 rv = 15k 三极管组成的非门 三极管工作于开关状态（而非放大状态）： 或饱和导通（k接a时），或截止（k接b时）。 集成非门 输输入a输输出y 0 0v 1 3.4v 1 5.0v 0 0.2v 非门真值表 功能测试电路（可用示教板演示） 非门波形图 集成与门 功能测试电路（可用示教板演示） 输输入输输出 aby 000 010 100 111 与门真值表 与门波形图 什么是传感器 （以干簧管为例引入） 半导体光敏电阻 半导体热敏电阻和金属热电阻 霍尔元件 二、传感器及其工作原理 选修3-2第六章第1节 1. 什么是传感器？ n能够感受非电学量并将它按照一定的规律转化成 电学量的一类元件或组件。 n 举例（演示）：干簧管（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 n干簧继电器的应用事例：实验电源的过载保护(无 需保险丝) 2. 光敏电阻 n特性 光照强弱（光通量） 电阻的大小 n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 n材料 cds对可见光灵敏 pbs 对红外线灵敏 n结构(绝缘基板、光敏材料层、电极、引线) n随堂小实验 3. 热敏电阻（温敏电阻） n特性 温度高低 电阻的大小 灵敏度高，温度系数 3 4% ，比金属大一个数量级 n分类和材料 ntc型（负温度系数）氧化锰和氧化铜混合烧结 ptc型（正温度系数）钛酸钡为主要材料 n原理（ntc型） 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 n结构（热敏材料、电极、引线、外防护层） n随堂小实验 4. 霍尔元件 n特性 磁感应强度b 的大小和方向 霍尔电压uh 的 大小 和方向 n材料 硅、锗、砷化铟 n原理 霍尔效应 uh = kh b i n结构(材料薄片、电极、 引线、外封装) n可做演示 i = 10ma , b = 5 15mt， 测uh用数字表200mv档 n霍尔集成电路 三、传感器的应用 选修3-2第六章第2、3节 传感器应用的一般模式 光电 计数器 数字 温度计 事例 应变电桥 应变片 1. 力传感器（应变式） 测测量仪仪器弹弹簧测测力计计力传传感器 敏感元件 （工作元件） 螺旋弹弹簧悬悬臂梁 电电阻应变应变 片 敏感元件的 变变化 明显显的、可看到的形变变不易察觉觉的微小的形变变 依据的 物理规规律 虎克定律f = k x （弹弹簧的伸长长） 虎克定律（钢钢梁的弯曲） 电电阻定律 惠斯通电桥电桥 f = c u 测测量结结果的 显显示 由指针针和刻度显显示弹弹簧 的伸长长x，标标出对应对应 的f 由数据采集器测测量电桥电桥 输输出电压电压 u，计计算机用 数字或图线图线 表示对应对应 的f 可以用图图解和教具演示力传传感器的工作原理。 弹簧测力计与力传感器的比较 2. 声传感器 声振动 交变电压 （1）动圈式话筒 电磁感应 （2）压电式话筒 压电效应(钛酸钡多晶体) （3）电容式话筒 极板距离变化 电容变化 电容器充放电电流 交变电压（在流过的电阻r上） （4）驻极体话筒 压电效应 电容式话筒的工作原理 3. 温度传感器 （1）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 （2）感温铁氧体 温度在居里点变化 材料的铁磁性变化 （3）热电阻（铂丝）、热敏电阻 温度变化 材料的电阻率变化 （4）热电偶（两种不同的金属构成回路） 温度变化 温差电动势变化 （5）硅p-n 结（恒流下，正向结压降随温度升高而减小） （6）红外敏感元件 4. 光传感器 （1）光敏电阻 （2）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) （3）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。 （4）光电三极管 光照加强 集电极电流ic增大 与定值电阻r串联，取得电压输出。 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 四、传感器的应用实验 选修3-2第六章第4节 1. 设计实验的考虑 l目标 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。 l可行 电路简单，容易操作，成本低廉。 n先进 用集成数字电路实现控制功能（不用模拟 电路做数值测量），无需调节电路的工作 点，比组装晶体管单管收音机还简单。 n组装 用散件在实验板上插接（不用“实验盒”， 避免黑箱操作）。 n理念 加强理论联系实践，树立学以致用的念。 n导向 初步接触数字电子技术，激发学生的兴趣 和爱好。 2. 相关的知识与操作 （1）集成电路实验板（面包板） （2）集成块和元件的插拔（粗的引线端部要 剪成尖，垂直插入） （3）电源的选用（5v稳压直流电源，或3节新 的干电池，或4节较旧的干电池串联) （4）连接电路的顺序（集成块的vcc接x行、 gnd接y行；接信号输入端的各个元件； 接信号输出端的各个元件；接电源）。 （5）红色led工作电压1.8v，电流10 ma， 必须串联限流电阻。 （6）斯密特触发器（74ls14）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 的小灯泡。 （7）可用万用表dc10v档检测工作状态，判断 故障。( 电路块的vcc 和gnd是否加上了 5v电压？输入端ua是否能够分别达到高、 低两个阈值电压？输出端uy是否能够分别 达到对应的低、高电平？） （8）自制5v稳压电源 方案一：上图 方案二：利用j1202型学生电源的全波整流输出，只制作稳 压部分。 面包板的结构和使用 l 行 x 连接电源正极。行 y作为公共端（接“地”端）， 连接 电 源负极。 l 集成电路块要跨过沟槽，两列引脚分别插入e、f行。 l 纵向的每5个孔作为一个节点，可连接5根元件的引脚或线。 3. 实验一 光控开关 rg ：硫化镉光敏电阻，暗电阻100k，日光照射下 1k. r1 ：微型可调电阻，最大阻值 51k（或47k） 。 led ：红色发光二极管 j ：微型电磁继电器。额定工作电压5v。 d ：二极管1n4001，防止j的自感电动势损坏集成电路块。 实验一乙图电路的工作原理 （北京市应用物理竞赛以此命题题） 补充条件：去掉二极管d。继电器线圈电压uj4v时衔铁 吸合，uj2v时衔铁释放。取r1=20k进行估算。 答案： 黄昏，rg增大到9.4k时，r1与rg的分压就会使ua上升到 1.6v，则uy就突然下降到0.2v。于是uj变为4.8v(4v)，使衔铁 吸合，则触点a接通，灯l发光。 清晨， rg减小到3.8k时，r1与rg的分压就会使ua下降到 0.8v，则uy就突然上升到3.4v。于是uj变为1.6v(2v)，使衔铁 释放，则触点a断开，灯l熄灭。 实验电路中电流如何形成回路？ 斯密特触发器的功能 具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形 （模拟信号）整形为边沿陡峭的矩形脉冲（数字信号）。 也就是将连续变化的输入电压ua 转化为跳变的输出电压 uy ，以实现开关功能。 “ 触发 ” 似枪的扳机，一触即发，突变。 光控开关实物装配和调试(甲图 电路) l rg 置于明亮处，调节(增大)r1 使led刚好熄灭。 l 对rg 遮光，应看到led 发光。 4. 实验二 温度报警 器 rt ：负温度系数热敏电阻，20时阻值 1 2k。 r1 ：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 l rt 置于常温下，调节(减小)r1 使bz刚好不发声。 l 将rt 浸入热水中遮光，经过少许时间后应听到bz 声。 五、使用传感器做物理实验 的案例 电容器的充电和放电 选修3-1第一章第7节 参阅该书第31页 自感 选修3-2第四章第6节 参阅该书第26页 电容器的充电和放电 实验设计 教学目的 认识电容器的基本功能； 观察一种典型的暂态过程； 了解影响充放电快慢的因素。 传统实验方法的不足 莱顿瓶、小灯泡、指针式电表。 使用数字化系统的 实验方案 实验结果 上图：i 的变化，下图：uc 的变化。 （c = 1000f，r = 300