1、简单逻辑电路和传感器的实验与教学,2009年8月,人民教育出版社,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,非门真值表,型号为74LS04的集成电路（IC），是常用的一种 “ 六非门 ” 。,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
2、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,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CD406
3、9（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R1 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，UA 降到1.0
4、V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 = 0.7R1C 。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R1 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
5、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,表 1,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
6、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
7、输出。（2）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
8、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UH 的大小 和方向 原理 霍尔效应 UH = KH B I 演示 I = 10mA , B = 5 15mT， 测 UH 用数字表200mV档,霍尔集成电路 线
9、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
10、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
11、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？,3. 实验一 光控开关,RG
12、：硫化镉光敏电阻，暗电阻 200 k，强光照射下，亮电阻 1k。R1 ：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，RG逐渐增大，使它与R1 的分压UA逐渐上升。当UA升到1
13、.6V时， UY就突然下跳到 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逐渐减小，使它与R1 的分压UA逐渐下降。当UA降到0.8V 时， UY就突然上跳到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。,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 UJ 4V 时衔铁吸合， UJ 2V时衔铁释放。设取R 1=30k 。,光控开关实物装配和调试 (甲图电路),RG 置于明亮处，调节(增大)R1 使LED刚好熄灭。 对RG 遮光，应看到LED 发光。,面包板,4. 实验二 温度
14、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,RT 置于常温下，调节(减小)R1 使BZ刚好不发声。 将RT 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
15、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：010-66075829Mobile：13683644686,
