浙江新高考选考通用技术之电子控制技术 32页

浙江新高考选考通用技术之 电子控制技术 概述 本模块是普通高中通用技术课程的一个选修模块。‎ 本模块的教学应紧紧围绕技术课程的目标展开，着眼于培养学生的实践能力和创新精神、提高学生的技术素养。教学内容的选择要注重基础性、综合性、人文性，努力反映电子技术的新成果。教学过程强调基于提高生活质量、基于问题解决、与学生日常生活密切相关、有利于培养学生兴趣的教学设计。鼓励设计方案的多样性，注重引导学生在电子技术基本技能形成的同时领悟出电子技术设计的思想方法、注重提高学生在电子技术学习中的探究、试验、创造和共通能力，使学生成为电子技术学习的主体，更好地面对当今技术社会的挑战。‎ 本模块的教学应反映必修模块“技术与设计1”和“技术与设计2”中技术设计的思想方法。‎ 本模块分设传感器、数字电路、电磁继电器、和电子控制系统及其应用四个主题。模块-主题结构如下图。‎ 电子控制技术 数字电路 电磁继电器 电子控制系统 及其应用 传感器 前面三个主题分别阐述了电子控制系统的三个主要组成部分，重点是各部分的作用、原理和应用，第四个主题是将前面三个主题组合成一个控制系统，通过应用性设计，对“技术与设计1”、“技术与设计2”的内容进行应用、综合和拓展迁移。本模块的重点是在电子控制系统及其应用上。‎ 模块内容通过对日常生活、工农业生产、军事武器的典型案例的分析，使学生建立起系统结构和电子控制系统结构的完整概念，明确传感器、数字电路和电磁继电器作为电子控制系统的三个主要环节的作用，了解电子控制系统设计的一般过程、应遵循的基本原则。通过亲历设计过程，使学生理解电子技术、亲近电子技术。可能有一些学生缺乏电子技术的基础知识，建议教师在教学时补充电阻、电容、电感、三极管、放大器等知识和常用电子测量仪器如多用电表、示波器的使用方法。‎ 模块的四个主题，建立电子控制系统的完整结构概念是前提，传感器、数字电路、电磁传感器掌握运用是基础，电子控制系统的综合应用是载体，通过电子技术的操作方法和试验方法的掌握，领悟技术与设计的思想方法，提高学生探究问题的能力，促进所学知识与能力的迁移。‎ 第一节 传感器 一、内容结构图:‎ ‎ ‎ 常见传感器的种类、型号 ‎ ‎ 常见传感器的电路图形符号 认识传感器 ‎ ‎ 传感器 常见传感器的检测 ‎ ‎ ‎ ‎ 常见传感器的作用 传感器应用 ‎ ‎ ‎ ‎ 常见传感器典型应用 ‎ ‎ ‎ ‎ 二、知识点列表 学习结果（知识点）‎ 指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）‎ 表现水平 常见传感器的种类、型号 ‎·能从外形和标识上识别光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、力敏传感器、气敏传感器等常见传感器 Ⅱ 常见传感器的电路图形 ‎·熟悉光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、力敏传感器、气敏传感器等常见传感器的电路图形符号 Ⅰ 常见传感器的检测 ‎·能用多用电表检测光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、力敏传感器等常见传感器的特性并判断好坏 Ⅱ 常见传感器的作用 ‎·知道光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、力敏传感器、气敏传感器等常见传感器的物理信息采集和电信号转换原理和作用 Ⅰ 常见传感器典型应用 ‎·举例说明光敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、力敏传感器、气敏传感器等常见传感器在自动控制系统中的应用 Ⅰ 三、重难点分析 ‎（一）重点分析 1、 常见传感器的作用 传感器象人体的感觉器官一样能感受到外界物理信息的变化，它能将非电量的物理信息转换成与之有确定关系的电信号，输送给控制电路进行处理。在电子控制系统中，传感器是能够采集外界物理信息的唯一元器件，是实现自动检测和自动控制的首要环节。‎ 传感器种类繁多，常见的电阻式传感器是将被测量，如光、温度、湿度、力、气体浓度等物理量转换式成电阻值（间接转换成电流、电压信号）这样的一种器件。主要有光敏、热敏、湿敏、压敏、气敏等电阻式传感器件。光敏二极管和光敏三极管对红外线敏感，可在红外遥控电子控制系统中应用。‎ 2、 常见传感器的应用 技术课程的学习要从学生的生活经验出发，了解传感器在日常生活、生产、军事、环境监测方面的应用，可以培养学生学习电子控制技术的兴趣，可以引导学生对电子控制技术的人文因素的感悟和理解。‎ ‎（二）难点分析 1、 从外形和标识上认识传感器 从外形和标识上区别不同的常见传感器是其应用的基础，而传感器种类繁多、外形各异，认识它们，对初学者有较大难度。‎ 2、 常见传感器的检测 通过用多用电表检测常见传感器的电气特性，使学生加深对传感器原理的感性认识，激发探究欲望，能比较、判断传感器的好坏及引脚极性，正确使用传感器，这是一个是试验、探究的过程，是理论和实践的结合，是学生技术素养的一个观察点。‎ 常见传感器的检测涉及到对常见传感器结构、原理、特性的了解和有关电子测量仪器的使用，而且不同的传感器有不同的检测方法，所以是传感器教学中的一个难点。‎ 四、教学建议 教师在教学中不要介绍传感器的工作原理，重点要放在如何让学生定性了解传感器上。因此，教学中穿插学生动手实验和教师课堂实物演示就显的特别重要。‎ 如何上好这部分教学内容，建议把握好以下4个教学内容。‎ ‎1、了解常见传感器的型号命名方法：‎ ‎（1）对于敏感型电阻式传感器，其型号一般由四部分组成，第一部分是字母“M”表示敏感型元件，第二部分字母表示敏感类别（都是拼音的第一个字母），如：“Z”表示正温度系数热敏电阻、“F”表示负温度系数热敏电阻、“Y”表示压敏电阻、“S”表示湿敏电阻、“Q”表示湿敏电阻、“G”表示光敏电阻、“C”表示磁敏电阻、“L”表示力敏电阻，后面两个部分表示用途和序号。例如：MF41是普通旁热式负温度系数热敏电阻，MG42是可见光敏电阻，MSC-1是陶瓷湿敏电阻,等等。 ‎ ‎（2）对于非电阻式传感器，就要查阅有关手册，如光敏二极管常用型号是2CUXX,管壳上有一个光照窗口、一个正极性标志点，使用时注意两个电极的正负极；光敏三极管常用型号是3DUXX，使用时要注意集电极C和发射极E的区别。‎ ‎2、定性认识常见传感器 教师可以先介绍一两个常见传感器将不同的物理信息转换成电信号的最简单原理和外形结构，教学中重点是定性介绍常见的传感器如光敏传感器、热敏传感器、磁敏传感器、声敏传感器、气敏传感器等的功能作用。‎ 比如，教师可以先介绍电阻型敏感器，其物理信息直接转换的电信号是电阻值的变化；如热敏电阻，正温度系数热敏电阻是以钛酸钡为主和微量锶、钛、铝等化合物配制成电阻体材料，其电阻值随温度的升高而升高；负温度系数热敏电阻是以锰、镍、铜等的化合物为原料，按一定比例混合用陶瓷工艺制成，其电阻值随温度的升高而降低。‎ 对于非电阻型敏感器，如光敏二极管由硅材料构成PN结，具有单向导电性，工作在反向电压下，管芯受到光照时，半导体材料原子结构中最外层的电子被激发出来，形成反向电流，且随光强度增大而增大，所以光敏二极管是将光信息直接转换为电流信号。‎ 例：认识常见传感器件 老师：给学生看光敏传感器、热敏传感器、声敏传感器、气敏传感器的实物，同时也展示磁敏传感器、力传感器和位移传感器的照片，并介绍各个传感器的名称。‎ 老师举实物自问自答：为什么称光敏传感器。因为它能收集光的信息，并把它转变为电信号。‎ 老师举实物问：为什么称热敏传感器。‎ 学生回答：因为它能收集热信息，并把它转变为电信号。‎ 老师：它能收集温度信息，并把它转变为电信号。温度是反映物体热度的物理量。‎ 学生：老师为什么气敏传感器引脚这么多，而热敏传感只有两个引脚。‎ 老师：目前对天然气（液化气）敏感的传感器，技术上还需要4个引脚其中两个引脚需要外接辅助电源。这样气敏传感器才能收集液化气的信息并把它转变为电信号。随着技术的发展，会有一天气敏传感器的引脚与光敏传感器的引脚一样只有两个引脚。‎ ‎3、使学生直观认识传感器的作用 传感器获得外界的输入信息并通过它将非电量信息转换成电信号输出，其内部工作原理是复杂的。课标只要求学生知道传感器的作用及其应用。因此教学设计要精选简单易行的实物演示实验，让学生直观地认识传感器的作用。通过二三个不同传感器的演示实验引出一个结论----各种传感器的作用都是一样的，将非电量信息转换成电信号输出，不同的是它们敏感的非电量信息不同，有的是光、有的是声、有的是温度……。‎ 例：传感器的作用 老师实验前准备：光敏电阻一只、热敏传感器一只、电吹风一把、指针式万用表一架、电池组、电阻一个.‎ 老师上课演示，同学观察。置万用表于R×1K档,表笔分别接入光敏电阻的两个引脚，察万用表指示的电阻值约为1千欧；用手遮盖光敏电阻的受光表面，观察万用表指示的电阻值为30千欧，即光敏电阻无光照时电阻值增大，有光照时电阻值减小。用电吹风对光敏电阻加热，对着光敏电阻叫喊，光敏电阻的电阻值都不发生变化，说明光敏电阻仅拾取光信息。‎ 置万用表于R×1K档，表笔分别接入热敏电阻的两个引脚，观察万用表指示的电阻值为2千欧姆，用电吹风产生热风吹热敏电阻，热敏电阻温度上升的同时观察万用表指示的电阻值渐渐增大，即热敏电阻随着温度的升高，电阻值增大，用手遮盖热敏电阻，使它不受光，观察万用表热敏电阻的电阻值不发生变化，说明热敏电阻仅拾取温度的信息。‎ 如检测光敏二极管可用光照法，多用电表选R×1K电阻档，用黑表笔（表内电池正极）接光敏二极管负极，红表笔接正极，用手遮住光敏二极管光照窗口，此时电阻接近无穷大；然后，让光线照射光敏二极管，电阻会大幅度减小，可以直观光敏二极管的特性、可以判断光敏二极管的敏感性和好坏。光敏二极管还和普通二极管一样具有单向导电作用，其正向电阻为8～9KΩ，反向电阻大于5MΩ。‎ 老师做实验小结：不同的传感器可以用来收集不同的信息，将信息变化转换为电阻值变化的信号的这类传感器称为电阻类传感器。还有许多传感器也是电阻类传感器，如：湿敏传感器、力敏传感器、声敏传感器、磁敏传感器。对于阻类传感器，在要求不高的场合，它们的好坏可以用多用表测量，它的电阻值随外界信息变化而变化的情况来判断，若它们的阻值随外界信息变化而变化，则是好的，否则为不良的。不良的传感器是不能用的。‎ 老师：如何将电阻类传感器电阻随外界信息变化而变化变换为输出电信号随外界信息变化而变化呢？‎ 观察一个实验如图9.1所示。它由一个电阻R、一个光敏电阻RG和一个3伏电池组组成。V是电压表用来测量输出电压。‎ 图9.1 电阻性传感器检测电路 用手遮盖光敏传感器输出电压随光敏传感器受光面的光强度而变化。‎ 老师：这个实验电路告诉我们一个事实，电阻性传感器在应用时要并接由E（电源）和R（电阻）相串联组成的转换电路。该转换电路能使电阻类传感器电阻随外界信息变化而变化，变换为传感器输出电信号随外界信息变化而变化。‎ 这样光敏传感器经转换电路变换后就能将光信息变换为电信号。经过后续章节的学习可以了解到如何对该电信号进行处理，然后输出执行电路。如用光敏电阻实现对街上路灯的自动控制。它的控制过程为：天暗了，光敏传感器将光信息变换为电信号，送处理电路处理后，输出控制电压送执行电路。执行电路接通路灯开关，路灯点亮，反之，路灯电源被切断。‎ ‎4、学生动手实验，加深对传感器的应用了解。‎ 为了使学生能定性认识传感器的功能和作用，加深学生对传感器的了解，在教学设计中，可考虑安排学生一次动手实验，学生可以几个人一组。实验的目的是认识常见的传感器，能用多用表检测传感器，知道传感器的作用及其应用。教师在选择实验电路时要尽可能考虑电路简单、操作容易、突出学生对传感器在应用性方面的认识，使 学生知道传感器的作用在与收集信息；知道不同类别的传感器能够把不同类别的信号转变为电信号；知道生活中常见的自动控制系统需使用什么类别的传感器。‎ 例：‎ 老师：实验教学资源准备。（微调电位器、光敏传感器、湿敏传感器、三极管、发光二极管电阻、多用表、电池组、调光台灯、喷雾器、照度计、湿度计、声强仪等）‎ 实验电路：‎ 图９.2 传感器试验电路 老师：图９.2是一个信号处理电路（控制器）和执行器组成的一个报警实验电路，报警时，发光二极管V1亮，图中V2主要功能是信号处理，V1是执行器（执行器也可以是继电器或蜂鸣器等），R1是限流电阻，限制V1亮时的最大电流，通常R取200Ω，V1亮时的流过V1的电流约为10mA。R2也为限流电阻，防止因传感器接错，电源直接烧毁三极管的BE结。图中，a、b两点用于连接传感器。当a、b两点接热敏电阻时，该电路的功能为湿度报警器，a、b两点接光敏传感电阻时，该电路的功能为照度报警器；当a、b两点接声传感器时，该电路的功能为噪声报警器……。‎ 下面以a、b两点接光敏传感器为例介绍照度报警器电路工作原理。‎ 光照强度大时，光敏传感器的电阻小，根据分压原理，电源E在RP的上的分压值大，适当调整RP的电阻值，使在b、G两点间的电压为0.7V。三极管V2因Vbe=0.7V饱和而导通。电源经电阻R1，发光二极管V1、三极管V2的C、E极构成了回路，电流流过发光二极管V1，发光二极管被点亮——照度报警，说明当前照度太强了。‎ 老师：当光照度弱时，光敏传感器的等效电阻值变得很大（几十千欧或上百千欧），电源E在RP上几乎没有什么分压值，三极管V2的Vbe值几乎为零，三极管截止，没有电流流过三极管C、E极，发光二极管V1不亮，说明当前光照度没有超过“警戒线”。‎ 老师：同学们想一想，上述电路中，微调电位器Rp的与电源E组成一个转换电路，光敏传感器经转换电路变换后，就能将光信息变换微电信号输出。调整RP的目的是改变在确定的照度条件下，转换电路输出的电压，即报警照度为“警戒线”。‎ 老师：同学们讨论一下怎样调整照度报警器?‎ 学生：讨论，回答（略）‎ 老师：小结，实验步骤 １） 用照度计将台灯的光强度调到100ＬＸ（报警照度）‎ ２） 在实验板上接入光敏传感器，‎ ３） 接通电源开关Ｋ ４） 调整微调电位器RP，使发光二极管亮。‎ ５） 用多用表直流电压档确认，ＶBE之间的电压０.７Ｖ ６） 关闭台灯，发光二极管不亮。用多用表直流电压档确认ＶBE之间电压小于０.７Ｖ　‎ 老师：实验步骤５和６中用电压表测量ＶBE的电压这个操作可以省略。为什么要求大家做呢？因为RP的端电压值很重要，它是流过光敏传感器的电流流过RP产生的电压降。该电压可以理解为光敏传感器的输出电压，该电压是否０.７Ｖ决定信号处理管是导通还是截止，即发光二极管是亮还是暗。当ＶBE为０.７Ｖ时，三极管时导通，当ＶBE<０.４Ｖ时，三极管时截止的。‎ 老师：下面分小组做实验。一组做一种传感器实验。同学们在做实验的同时要发挥团队精神，同时思考下面二个问题：‎ １、 想一想，在日常生活中，见过什么电子产品用过你做过实验的传感器 ２、 报警器的功能有什么地方不满意，提出建设性意见 实验结束前每一个小组派代表回答上述问题 学生：实验开始　　（略）‎ 学生：小组代表发言。同学们争论（略）‎ 老师：最后作实验小结（略）‎ ‎《常见传感器的检测》教学设计 一、 教学内容分析：‎ 本节课主要通过对磁敏、声敏的定性检测和对光敏、热敏传感器的定量检测，使同学们对传感器有一个感性认识，初步掌握传感器的检测方法，了解传感器将物理量转换为电量的特性，为使用传感器进行电子控制系统的设计奠定基础。根据日常生活中常见电器使用传感器的情况，选用光敏、声敏（用于夜晚楼道声响照明灯的开关）、热敏（自动开水壶）、磁敏（门开防盗报警）这4种传感器，检测方法设计为2种：‎ ‎1、使用多用电表的欧姆档，通过测量传感器在外界物理量变化时的电阻值变化规律，并作好数据记录；‎ ‎2、使用QXD－2型传感器性能实验仪，进行传感器功能的演示实验，该仪器在感受到传感器输入信号时，可控制发出四种音乐声，以及进行灯光闪烁和继电器控制。‎ 二、教学对象分析：‎ 虽然传感器在日常生活中应用广泛，但学生缺乏自己动手搭接传感器电路的实际技术体验，因此对传感器对物理量感受和转换作用并不理解，因此使用多用电表和演示仪器进行实验，可增加实验的趣味性，调动学生的探究欲望。‎ 本课教学要求学生学会使用多用电表测量传感器的电阻随环境物理量的变化情况。学生对多用电表的使用熟练程度不一，可分组合作、互相学习，完成检测任务。‎ 三、教学目标及分析 ‎1、了解常见传感器的检测方法；能够根据检测信息对几种传感器进行特性分析。学会使用多用电表检测光敏电阻、正、负温度系数热敏电阻、磁敏传感器；‎ ‎2、经历传感器检测的一般过程，从系统、信息、控制的角度分析传感器的作用，从传感器检测仪的控制功能领悟“黑箱”原理；‎ ‎3、培养学生养成严谨细致的技术学习习惯（如不要将温度计折断、不要被开水烫了等）；树立安全用电意识和遵守安全操作规程的习惯。注重学生观察能力、运用知识解决问题能力的培养，领悟技术试验的一般思想方法。‎ 教学重点：学会认识、检测几种常见的传感器。‎ 教学难点：对测量数据的分析归纳。‎ 四、教学策略及媒体的运用 ‎1、教师先搜集各种生活中传感器应用和各种传感器对照的图片资料，扩大学生的知识面；‎ ‎2、将检测流程简单、现象明显的光敏电阻的检测安排在开始，集中观察，然后由学生应用类似方法设计其它几种传感器的检测；‎ ‎3、各小组根据测量数据进行讨论、推选代表发言归纳。‎ 五、教学准备 多种传感器1袋/组，多用电表1块/组、传感器功能演示仪1台/组 温度传感器特性测试试验仪器：小电热棒1个、温度计1根、大玻璃杯1个 光敏传感器特性测试试验仪器：调光台灯1盏、照度计1台 六、教学过程 过程 教师活动 学生活动及预期目标 设计思路 多媒体展示 用图片展示各种生活中传感器应用事例和各种传感器 学生识别、举例生活中接触到的传感器，识别传感器的名称、符号和作用 ‎ 培养学生对传感器的兴趣 多用电表检测 ‎1、演示用多用电表测量传感器的电阻或通断情况，并记录数据；‎ ‎2、提示学生改变传感器接收物理信息的强度；注意特别注意温度传感器在常温和100C0‎ ‎1、分组讨论、确定检测方法、分组操作；‎ ‎2、加热水杯，将热敏传感器置水中，测量并记录其阻值随温度变化情况；‎ 运用基本方法解决问题，归纳检测步骤 时的阻值，注意测量光敏电阻的暗电阻；‎ ‎3、归纳举例。‎ ‎3、将调台灯照射光敏传感器，观察记录其阻值变化随照度变化的情况；‎ ‎3、交流、讨论、归纳传感器的特性 仪器演示 ‎1、介绍传感器功能演示仪器的使用；‎ ‎2、介绍“黑箱”理论。‎ ‎3、组织学生演示说明结论。‎ ‎1、在演示仪上接插不同的传感器，观察现象；‎ ‎2、领悟“黑箱”理论；‎ ‎3、分析试验现象，归纳 按“黑箱”理论设计的路 总结整理 ‎1、总结几种传感器的特性和检测方法；‎ ‎2、介绍检测传感器的特性和检测方法 画出电阻值随环境物理量变化的规律曲线，核对检测报告并归纳整理 培养学生技术学习的良好 ‎ ‎ ‎1、温度传感器检测实验：‎ 多用电表置R×100电阻档，两个表笔分别接热敏电阻的两个引脚，将热敏电阻放入水杯，温度计测得起始加热时的水温为25C，此时多用电表测得热敏电阻（型号：TTC 103）的阻值是5KΩ；用电热棒加温，随着水温不断上升，热敏电阻随之下降（负温度系数），当水温达到100C0时，热敏电阻的阻值是500Ω。‎ 学生可选择10个不同温度作为观测点，测出热敏电阻的10个不同电阻值，列出表格并画出电阻值随温度变化的曲线。‎ ‎2、光敏传感器检测实验：‎ 多用电表置R×100电阻档，两个表笔分别接光敏电阻的两个引脚，用调光台灯照射光敏电阻的感光窗口；调节灯光照度为100LUX,测得光敏电阻值为3KΩ，随着光照度不断上升，光敏电阻随之下降，当光照度达到672 LUX时，测得光敏电阻值约为1.1KΩ。‎ 学生可选择10不同光照度作为观测点，测出光敏电阻的10个不同电阻值，列出表格并画出电阻值随光照度变化的曲线。‎ 第二节 数字电路 一、内容结构图 ‎ ‎ 数字信号的特性及优点 ‎ ‎ ‎ ‎ 数字信号 ‎ ‎ 数字信号中的1和0‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 数字电路 三极管 与、或、非门 基本逻辑门 与非、或非门 数字集成电路类型 数字集成电路 数字集成电路应用 二、知识点列表 学习结果（知识点）‎ 指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）‎ 表现水平 数字信号的特性及优点 ‎·数字信号和模拟信号的区别？‎ ‎·了解数字信号的特性 ‎·举例说明数字信号相对模拟信号的优点 Ⅱ Ⅰ Ⅱ 数字信号中“1”和“0”‎ ‎·知道数字信号中“1”和“0”的意义 ‎·了解数字电路是能方便处理“1”和“0”两种状态信号的电路 Ⅱ Ⅰ 三极管 ‎·了解三极管的开关特性 ‎·了解三极管的开关特性是逻辑门电路的基础 Ⅰ Ⅰ 与门、或门、非门 ‎·列举与、或、非逻辑关系在日常生活中的表现事例 ‎·熟悉与门、或门、非门的电路符号 ‎·熟悉与门、或门、非门输出信号与输入信号之间的逻辑关系表达式 ‎·会填与门、或门、非门的真值表、会画波形图 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ 与非门、或非们 ‎·知道与非门、或非门的电路符号 ‎·知道与非门、或非门输出信号与输入信号之间的逻辑关系表达式 ‎·会填与非门、或非门的真值表、会画波形图 Ⅰ Ⅰ Ⅱ 数字集成电路类型 ‎·知道数字集成电路有TTL和CMOS两种类型 ‎·了解TTL型和CMOS型集成电路构成 ‎·识别TTL和CMOS数字集成电路 ‎·比较TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面的差别 ‎·了解使用TTL型和CMOS型集成电路的注意事项 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅰ 数字集成电路应用 ‎·能用数字集成电路安装简单的实用电路装置 ‎·能够对数字电路进行简单的组合设计和制作，并进行试验 Ⅱ Ⅱ 三、重难点分析 ‎（一）重点分析 1、 基本逻辑门电路的逻辑关系、真值表和波形图 门电路是构成数字集成电路的基本单元，若将非常复杂的数字电路进行细分解，可以知道都是由与门、或门、非门这三种基本门电路构成的。门电路的输出数据由输入数据决定，其逻辑关系函数表达式表达了门电路的输出与输入之间的关系，是分析和设计数字电路的基础。‎ 真值表以表格形式反映了输入信号所有变化可能性对应输出信号的关系，是逻辑关系函数表达式的表格化形式，真值表是理解数字电路工作状态的重要依据。‎ 波形图反映了门电路的输入、输出信号电平随时间变化的情况，也是由逻辑关系函数表达式决定的。‎ 逻辑关系函数表达式、真值表和波形图以三种不同形式来表达数字电路的工作状态，其本质都是一样的。‎ 1、 TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面的差别 数字集成电路有TTL与CMOS两种类型，例如集成与、或、非门也有TTL与CMOS两种类型，TTL主要由NPN型晶体管构成，CMOS主要由场效应管构成，由于使用器件不同，决定了这两种集成电路的结构和电气性能有很大不同，使用时，理解它们的特性非常重要。‎ 由于TTL型和CMOS型集成电路的最大额定电源电压、逻辑电平、延迟时间等参数都有较大的差别，所以TTL型和CMOS型集成电路不能混合使用。‎ 比较项目 TTL门电路 CMOS门电路 逻辑0电平（输出时）‎ ‎0.3～0.4V ‎0～0.4V 逻辑0电平（输入时）‎ ‎0.3～0.8V ‎0～1.5V 逻辑1电平（输出时）‎ ‎2.4～3.6V ‎3.5～Vd（电源电压）‎ 逻辑1电平（输入时）‎ ‎2～3.6V ‎3.5～Vd（电源电压）‎ 逻辑摆幅 小 大 输入阻抗 低（约几KΩ）‎ 高（108Ω以上）‎ 工作电压 ‎5V ‎3～18V 平均传输延迟时间 快（约十几ns）‎ 慢(约几十ns)‎ 功耗 大（约十几mW）‎ 低（约几个uW）‎ 阈值电压 约1.5V 约2.5V（电源电压为5V时）‎ 扇出系数 ‎8‎ 约50‎ 集成度 低 高 抗辐射能力 弱 强 虽然TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面有较大差别，但相同功能电路的逻辑关系是相同的，不影响对电路的逻辑分析。‎ 2、 用数字集成电路安装简单的实用电路 用数字集成电路构成简单实用电路，是数字集成电路应用和构成较复杂组合数字电路的基础。学生通过电路安装，可以认识和熟悉电子元器件，初步掌握焊接、安装技巧，体验成功的快乐，培养对电子技术的兴趣。在教学时可选用与、或、非、与非、或非等集成门构成多谐振荡电路，利用多谐振荡器搭接电子门铃、报警器等简单、有趣电路，有兴趣的学生除了学会安装多谐振荡器外，还可了解多谐振荡器频率的计算方法，以便调节频率、改变音调。‎ ‎（二）难点分析 1、 什么是数字信号？‎ 模拟信号是直接反映外界物理信息变化规律的电信号，日常生活中有大量的事例，学生好理解；而数字信号是对模拟信号的人为加工和处理，它以另外一种形式（0和1的编码）间接地反映外界物理信息的变化规律，虽然日常生活中有大量数字技术应用的事例，但很少能直观、准确地解释什么是数字信号，学生往往难以理解；所以准确理解数字信号是教学中的一个难点。‎ ‎2、数字电路简单的组合设计和制作试验 学生通过数字电路简单的组合设计，要学会优化设计方案，选择、识别电子元器件，焊接、安装电路、学会写试验报告，初步体验电子技术试验的一般过程。数字电路的组合设计要建立在简单数字集成电路安装的基础之上，是对简单数字集成电路的组合应用。‎ 四、教学建议 ‎1、正确理解数字信号 教师在讲解数字信号时，建议按以下内容顺序讲解数字信号的来龙去脉，使学生能较全面的了解数字信号、较准确地理解数字信号的特性：‎ ‎（1）模拟信号：自然界中声、光、热、力等物理信息经相应的传感器转换成电信号，这样的电信号就是模拟信号，它在数值和时间上是连续变化的，其变化规律反映了相应物理信息的强度和变化规律。‎ ‎（2）模拟信号的主要缺点：‎ ‎① 噪声容易叠加在模拟信号上，引起信号失真；‎ ‎② 不便计算机处理。‎ ‎（3）十进制数与成二进制数之间的转换：‎ 如：9 ＝（1001）2 ，7＝（0111）2 ，5＝（0101）2 ，3＝（0011）2 等等。‎ 掌握十进制数和二进制数的特性，可以帮助学生理解数字信号。‎ ‎（4）模拟信号转化为数字信号的过程（示意）如下：‎ ‎① 例如声音信号经声敏传感器（话筒）转换成电压Ua信号波形如图9.3（a）所示：‎ ‎② 根据采样定理，由采样电路对模拟信号进行采样，输出采样电压信号波形如图9.3（b）所示，采样信号是离散的模拟信号，只要采样频率足够高，采样信号能正确无误地表示模拟信号；‎ ‎③ A/D转换器将采样后的模拟信号经量化、编码后转换成数字信号，如图9.3（c）所示，如2V电压的编码是0010, 7V电压的编码是0111, 9V电压的编码是1001。‎ ‎ 图9.3 对模拟信号采样、编码示意图 ‎（5）数字信号的特点：‎ 数字信号是用0和1对采样后的离散的模拟信号进行编码、仅是由0与1两种数据组成的信号，相对模拟信号有显著的优点：‎ ‎① 数字信号容易克服失真问题：在传输、放大处理过程中失真的数字信号，经限幅、整形处理后，即可复原；‎ ‎② 数字信号抗噪声干扰能力强：可采用多种算法对数字信号进行检错纠错；‎ ‎③ 数字信号便于计算机和大规模数字集成电路存储、处理。‎ ‎④ 经数字电路处理后的数字信号，根据需要，可用D/A转换器转换成模拟信号。‎ 1、 数字电路试验电源的制作：‎ 一般数字集成电路使用电源电压为5V ，使用1.5V电池叠加很不方便；建议用7805集成稳压器自己安装简单的5V电源供试验室使用。‎ ‎5伏电源电路如图9.4所示。集成稳压器7805为三端器件，①脚为输入端，②脚为接地端，③脚为+5V稳压输出端；它具有1.5A的输出能力，内部有限流保护、过热保护和过压保护，采用低噪声、温度漂移小的基准稳压电源，工作稳定可靠。‎ ‎3 C2‎ ‎0.1uF IC7805‎ C1 ‎ ‎2200uF ‎+‎ ‎+5v ‎_‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎ 图9.4 5V电源电路 变压器可选用8W以上电源变压器，使用前要测一下线圈的直流电阻，线圈电阻大的为初级线圈接220V交流电源。桥式整流器可选用全桥整流块，整流块的②、③脚接变压器次级线圈，④脚接地，①脚接三端稳压器的输入端，滤波电容C1选用大容量电解电容，C2为小容量电解电容以消除可能产生的高频自激振荡。‎ 2、 数字集成门电路试验 通过判断逻辑门的试验，可以加深学生对真值表和逻辑函数关系表达的感性认识。‎ 例1：‎ 试验判断逻辑门 一、教师先将学生分组（4～6个为一组），分发给各组一套电子零配件如：2支电铬铁、焊锡丝、2个蜂巢板、尖嘴钳、镊子、小刀、数字集成电路74LS08和74LS32芯片、4个按钮、4个10KΩ电阻、200Ω和100Ω电阻、2个发光二极管、2个14脚集成电路插座、5V电源一个、多用电表一块等等。‎ 老师在黑板上画出两个电路图，如图9.5和图9.6所示；‎ ‎ 图 9.5 与门试验电路 图 9.6 或门试验电路 ‎1、教师让学生对照电路图，认识元器件，注意集成电路的型号和引脚的排列顺序，电阻的阻值和发光二极管的极性、电源的正极和地。‎ ‎2、老师讲解焊接的注意事项，如元件管脚去氧化处理镀锡，为避免焊接时损坏芯片，对于集成电路最好加上插座，先将插座焊接在蜂巢板上，使用时再插上芯片等；‎ ‎3、【老师】：同学们，这节课的目的是通过试验判断门电路的逻辑关系，给大家的7408和7432是两种不同功能的数字集成门电路，老师先不告诉你们它们是什么门电路，只告诉大家，④脚和⑤脚是门电路的两个输入端、⑥脚是输出端接发光二极管V。请同学们先画出两个电路发光二极管亮灭与按钮A、B通断的表格，并约定按钮断开为1,闭合为0，发光二极管V亮为1、不亮为0；如表9.1和表9.2所示，即为真值表：‎ 输入 输出 V⑥电压 输入 输出 V⑥电压 A1‎ B1‎ V1‎ A2‎ B2‎ V2‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ 表 9.1 与门试验真值表 表 9.2 或门试验真值表 二、学生自主探究：‎ ‎1、以小组为单位，利用分发的零配件，分别按图9.5和图9.6焊接电路；‎ ‎2、焊接完毕后，进行试验：‎ 按表格要求观察A、B通断的四种不同组合的二极管V亮灭情况，同时测量芯片第⑥脚的电压值，并将试验结果填入表格中；‎ ‎3、根据试验结果，老师引导学生进行小组讨论 （1） 观察分析真值表，导出逻辑关系函数表达式；‎ （2） 判断数字集成电路的功能；‎ （3） 根据V⑥的电压值，判断数字集成电路的类型（是TTL还是CMOS）。‎ 三、老师进行总结：‎ （1） ‎74LS08是四2输入与门芯片（内部集成了四个与门，每个与门有2个输入端），74LS32是四2输入或门；‎ （2） TTL集成电路特性：0逻辑时的电平约为0.1V，1逻辑时的电平约为3.6V ‎（如果是CMOS集成电路，0逻辑时的电平约为0V，1逻辑时的电平接近电源电压约为5V）。‎ （3） R3的作用：是发光二极管的限流电阻，因为发光二极管的正向管压降为1.6V～2V,最大正向电流小于50mA。如果不加限流电阻，发光二极管会烧毁。‎ 四、学生完成试验报告：‎ 报告应包括：试验目的、试验器材、试验电路、试验结果、结果分析等五个方面主要内容。‎ 1、 ‎ 用数字集成电路安装简单的实用电路 产生脉冲信号是数字集成电路的典型应用之一，脉冲信号既可作为数字系统的时钟脉冲，也可构成有趣的声响电路。在教学时可选用集成门电路构成多谐振荡电路，利用多谐振荡器搭接电子门铃等简单、有趣电路，有兴趣的学生除了学会安装多谐振荡器外，还可了解多谐振荡器频率的计算方法，以便调节频率、改变门铃声音。‎ 多谐振荡器是一种自激振荡器，通电后能自动产生连续的矩形波脉冲，由于矩形波中除基波频率外，还含有丰富的高次谐波分量，所以矩形波振荡器又加多谐振荡器。用不同方法构成多谐振荡器，目的是使学生掌握多种设计方案，以便试验、比较、选择。‎ 例2 ‎ CMOS门电路构成非对称式多谐振荡器试验 用多谐振荡器构成天亮叫醒电路如图9.7所示 ‎ （1）元器件作用：IC采用CD4011型CMOS四2输入与非门，与非门U1的输出与输入之间接有反馈电阻R1,它工作在电压传输特性的转折区，把它的输出电压直接接到U2的输入端作为U2的静态偏置电压，就能使U2也工作在电压传输特性的转折区，其输出经电容C1反馈到U1的输入端构成正反馈回路，B是蜂鸣器，RG 选用硫化镉光敏电阻MG41—23,其暗电阻≥5MΩ、亮电阻≤5KΩ。‎ ‎ （2）工作原理：‎ 天黑时，因RG≥5MΩ，Uk＝“0”，振荡器不起振，蜂鸣器B不叫；‎ 天亮时，因RG≤5KΩ，Uk＝“1”，如果有一点小的干扰，就会在U1与U2之间引起自激振荡，使电路在两个暂稳态中转换，于是电路不停地振荡。由理论推导可知，电路的振荡周期为：T≈1.4R1C1（适用TTL电路）。‎ ‎ （3）试验：‎ ‎ ① 可调节W的电阻值，调节叫醒信号报警时的天亮程度；‎ ‎ ② 可改变R1、C1的值，改变振荡频率，改变蜂鸣器的声音。‎ W ‎82K RG ‎＋5V Uk ‎ ‎ ‎ 图 9.7 非对称式多谐振荡器天亮报警电路 例3 CMOS门电路构成对称式多谐振荡器试验 ‎ 图 9.8 对称式多谐振荡器电路 对称式多谐振荡器电路如图9.8所示，它由两个与非门和—对RC定时元件组成，其中R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，B是蜂鸣器，S是控制端。当S接5V电源时，振荡器振荡；S接地时，振荡器停振。‎ ‎ 接通电源后，与非门U1和U2因输出与输入之间接有反馈电阻R1和R2,工作在电压传输特性的转折区，U1、C1、U2、C2构成正反馈回路，如果有一点小的干扰，就会引起自激振荡，使电路在两个暂稳态中转换，于是电路不停地振荡。由理论推导可知，电路的振荡周期为：T≈1.4RC（适用TTL电路）。‎ 在作试验时，R、C可选用不同的值进行试验，用示波器观察输出波形的变化，听蜂鸣器发出不同的声音。‎ ‎5、数字电路简单的组合设计和制作试验 数字电路的组合设计要建立在简单数字集成电路安装的基础之上，是对简单数字集成电路的组合应用。可将两个不同频率的多谐振荡器进行组合，用较高频信号对较低频信号进行调制，合成一个新的信号，并由此制作一个发出变调声音的报警器，这就是常见的数字电路组合设计。‎ 例4 ‎ 可变调的天亮叫醒电路 将例2和例3电路进行组合设计，将例2电路U2的输出直接接到例3电路的控制端S，‎ 电路如图9.9所示。U1和U2组成第一级振荡器产生较低频率，U3和U4组成第二级振荡器产生较高频率，让U1、U2产生的较低频率振荡控制U3、U4振荡器的工作，这样合成一个新的信号，就是较高频率信号对较低频率信号的调制。‎ 工作原理：‎ ‎（1）天黑时，因RG≥5MΩ，Uk＝“0”，U1、U2振荡器不起振，控制端S为低电平，振荡器U3、U4也不工作；‎ ‎（2）天亮时，因RG≤5KΩ，Uk＝“1”，如果有一点小的干扰，U1、U2产生自激振荡：从S端输出周期性脉冲信号：‎ ‎① 输出脉冲信号高电平时：S＝“1”，U3、U4振荡器起振，输出较高频率信号；‎ ‎② 输出脉冲信号低电平时：S＝“0”，U3、U4振荡器暂停工作，无信号输出。‎ 其输出信号V0的波形如图9.10所示，T1为U1、U2振荡器产生的振荡周期，T2为U3、U4振荡器产生的振荡周期。‎ W ‎82K RG ‎＋5V Vk ‎ 图 9.9 可变调天亮报警电路 V0‎ ‎0‎ T1‎ T2‎ t ‎ 图 9.10 组合电路输出调制信号 第三节 电磁继电器 一、内容结构图 电磁继电器 ‎ ‎ 常见继电器种类 无触点继电器 ‎ ‎ 继电器常识 电磁 继电器 直流电磁继电器 继电器的使用 单向可控硅 可控硅 双向可控硅 二、知识点列表 学习结果（知识点）‎ 指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）‎ 表现水平 常见继电器种类 ‎·知道继电器是“以弱电信号控制高电压、强电流工作电路”的执行部件 ‎·知道电磁继电器有直流、交流、时间继电器等种类 ‎·知道无触点继电器有单向可控硅、双向可控硅等类型 Ⅰ Ⅰ Ⅰ 直流电磁继电器 ‎·了解单组触点直流电磁继电器的构造 ‎·描述述直流电磁继电器的工作过程 ‎·了解直流电磁继电器的规格参数 ‎·会根据控制电路的电压和电流、被控电路的电压和电流、被控电路的路数和使用环境选择继电器的型号和规格 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ 直流电磁继电器的使用 ‎·学会用直流电磁继电器搭接简单实用的控制电路 Ⅱ 单向可控硅 ‎·知道单向可控硅的构造和电路符号 ‎·了解单向可控硅的简单工作原理 Ⅰ Ⅰ 双向可控硅 ‎·知道双向可控硅的构造和电路符号 ‎·了解双向可控硅的简单工作原理 ‎·尝试用双向可控硅简单搭接简单实用的控制电路 Ⅰ Ⅰ Ⅰ 三、重难点分析 ‎（一）重点分析 ‎1、直流电磁继电器的结构和工作过程 直流电磁继电器是利用电磁感应原理实现触点闭合和断开的控制元件，它可以小电流、低电压控制较大电流、高电压，用直流控制交流等，并可将被控电路与控制电路完全隔离，在自动控制、保护电路等方面有广泛的应用。‎ 继电器由电磁线圈、衔铁、常开触点、常闭触点、切换触点组成，当电磁线圈通电吸合衔铁，带动触点接触变换。‎ ‎2、直流电磁继电器搭接简单实用的控制电路 用直流电磁继电器搭接简单控制电路，验证继电器的原理和工作过程。‎ ‎3、双向可控硅的简单应用 ‎ 可控硅具有以小电流（电压）控制大电流（电压）作用，并具有体积小、重量轻、功耗低、开关速度快等优点，在无触点开关、可控整流、调压、调光、调速等方面应用广泛。‎ ‎（二）难点分析 1、 直流电磁继电器的选用 如果继电器选用不当，会产生不能可靠工作、通电不能吸合、烧坏接触点、尺寸不合适无法安装等问题，继电器种类很多，根据不同的电路选择合适的继电器，有一定难度。‎ 2、 可控硅的简单工作原理 可控硅的工作原理比较复杂，不必深究。主要讲解可控硅的触发条件和工作过程，知道如何使用可控硅。‎ 四、教学建议 教师在教学过程中要让学生了解常见的直流电磁继电器的构造、规格（参数）和基本工作原理，并从构造和原理上说明它是电磁继电器，有触点开关。对于晶闸管不要介绍其复杂的工作原理，但要定性地让学生知道晶闸管构造和其在电路中的符号，重点说明正常使用的条件，从构造和控制结果上说明它是无触点继电器，进而介绍它的优点。‎ 根据本节教学内容的特点，建议教学方式以教师课堂实物观摩和实际电路演示以及学生小组实验为主，让学生通过观察、分析实验的结果，掌握本节的教学内容。教师可参照下面的实验过程进行教学设计。‎ ‎1、直流电磁继电器的选用原则 要使学生学会根据控制电路的电压和电流的大小、被控量是电压还是电流、被控电路的路数、负载的性质（电阻性还是电感性）以及使用环境等因素选择继电器。‎ 现以JZC-22FA005型超小型中功率直流电磁继电器为例进行说明：‎ ‎（1）触点形式：1H,1D,1Z;1个常开触点，1个常闭触点，1个转换触点；‎ ‎（2）额定工作电压：5V,继电器正常工作时线圈电压;‎ ‎（3）吸合电压：4v,继电器产生吸合时的最小电压，一般为额定值的75%～80%;‎ ‎（4）线圈电阻：75Ω，是继电器线圈的直流电阻值；‎ ‎（5）额定工作电流：66mA，继电器正常工作时线圈电流;‎ ‎（6）触点负荷：3A×220V交流或10A×28V直流，是继电器触点的负载能力 ‎（7）外形尺寸：(L×W×H)= 22.5× 16.5 × 16.5 mm。‎ ‎2、直流电磁继电器在数字电路控制系统中的使用建议 ‎（1）数字电路的电源一般是5V，为简化电路以免设置多路电源，如无特殊要求，一般选用额定电压为3V～5V的小型直流继电器；‎ ‎（2）一般不直接用数字电路的输出去驱动直流继电器，要加驱动电路。‎ 例1 三极管作为继电器驱动电路 VDD VT ‎9013‎ 驱动信号输入 ‎＋5V J 如图9.11电路所示，三极管VT工作在开关状态，‎ 当输入驱动的数字信号为1时，VT饱和导通，‎ VT的集电极电压Vc≈0.2V，继电器K 吸合工作。当输入驱动的数字信号为0时，‎ VT截止，继电器J不工作。 ‎ ‎ 图9.11 继电器驱动电路 继电器线圈实质是一个大电感，为避免驱动继电器的晶体管被损坏，在继电器线圈两端并接保护二极管VD，在开关三极管VT截止断开的瞬间，继电器线圈产生的反向高压可以通过二极管VD泄放，保护三极管VT不被反向高压所击穿。‎ 例2 数字电路控制继电器试验 ‎ 目的：了解数字电路的输出是如何驱动电磁继电器工作的 ‎74LS00‎ J R1‎ ‎10K ‎1‎ ‎2‎ ‎7‎ R2 ‎ ‎100Ω R3‎ ‎330Ω VD1‎ VD2‎ ‎+5V ‎14‎ ‎ ‎ ‎3‎ VT A ‎ 图9.12 数字电路控制继电器试验电路 如图9.12电路是用数字门电路控制继电器工作的电路。‎ ‎（1）元器件选择：‎ ‎74LS00是四2输入与非门，选用其中一个与非门，①、②脚为输入端，③脚为输出端，将①脚接＋5V,这样将与非门变成了非门U③=A 。‎ 保护二极管VD1选用1N4001,发光二极管（LED）VD2选用BFP5直径为5mm，开关三极管VT选用9013（功率为625mW）,继电器选用JRC-21F—5VDC.‎ （1） 工作过程：‎ 按下按钮A，输入信号A=0,与非门输出U③=A=1,开关三极管VT饱和导通，继电器J通电吸合工作，常开触点闭合（能听到触点触动声）接通LED电路，点亮发光二极管。‎ 松开按钮A，输入信号A=1,与非门输出U③=A=0, 开关三极管VT截止断开，继电器J断电释放，常开触点复位（能听到触点触动声）切断LED电路，发光二极管熄灭。‎ ‎3、双向可控硅的触发特性和工作过程：‎ （1） 双向可控硅的电路符号是VS，有三个电极阳极A1、A2、控制极G；‎ 如图9.13所示 A1‎ A2‎ VS G ‎ 图 9.13 双向可控硅电路符号 ‎（2）触发条件：当A1—A2间加有电压(不论极性)，A1—G间加足够大的触发电压和电流时（不论极性），可控硅双向导通；‎ ‎（3） 可控硅导通后，去掉A1—G间的触发电压，可控硅仍一直保持导通；‎ A1 A2 G ‎（4）当A1—A2间的电压消失，或改变极性而此时又没有触发电压时，可控硅退出导通，A1—A2间呈高阻截止状态。‎ 例1 用多用电表检测双向可控 如图9.14为双向可控硅的管脚电极。‎ ‎（1）检测控制极G与主电极A1、A2之间的电阻：‎ 将多用电表置“R×1Ω”挡，测G与A1之间的 正、反向电阻均应为较小阻值； 图 9.14 双向可控硅正面引脚图 测G与A2之间的正、反向电阻，均应为无穷大。‎ ‎（2）检测导通特性： ‎ 将多用电表黑表笔接A1，红表笔接A2，阻值应为无穷大，用螺丝刀将G与A2短接一下，表针应向右偏转并保持在十几欧姆处，否则说明可控硅已损坏。‎ 如TLC386A双向可控硅，其耐压为700V，额定导通电流为3A。‎ ‎ 例2 用可控硅设计、安装可调光台灯试验 电路如图9.15所示 ‎（1）元器件的选择与作用：‎ 双向可控硅VS选用TLC386A，‎ S ‎～220V 灯泡 C ‎0.1u/300v VD A2‎ VS A1‎ G R ‎2.7K W ‎470K 双向二极管VD选用2CTS,一般情况下，‎ VD呈高阻截止状态，当外加电压（无论 极性）高于VD的击穿电压（约几十伏），‎ 双向二极管就击穿导通。‎ ‎ （2）工作原理：‎ 交流电经灯泡、W、R对 电容C充电，当C上的电压高于 VD的击穿电压时，C通过VD向 可控硅的控制极G放电，‎ 触发双向可控硅VS导通。‎ 改变W值，就改变了C的充电速度， 图 9.15 双向可控硅调压电路 也就改变了双向可控硅的导通角，本电路在交流电的正、负两个半周都能工作，改变双向可控硅的导通角，完成交流调压。‎ 在作本电路试验时，要注意安全、防止触电。可将电路安装在台灯的绝缘底座内，检查焊接和绝缘没问题时，再通电试验。‎ ‎ ‎ 第四节 电子控制系统及其应用 ‎ ‎ 一、 内容结构图 基本组成 电子控制系统概述 工作过程 设计 开环电子控制系统 电子控制系统应用 安装调试 设计、安装 闭环电子控制系统 调试和改进 组成、分类及应用 遥控电子控制系统 简单遥控系统的设计、安装与调试 二、知识点列表 学习结果（知识点）‎ 指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）‎ 表现水平 电子控制系统的基本组成 ‎·知道电子控制系统基本组成中输入环节、控制环节、输出执行环节的作用与联系 ‎·了解闭环电子控制系统的组成，了解反馈环节的作用 Ⅰ Ⅰ 电子控制系统的工作过程 ‎·能用方框图分析生活中常见的开环电子控制系统的工作过程 ‎·能用方框图分析生活中常见的闭环电子控制系统的工作过程 Ⅱ Ⅱ 开环电子控制系统的设计、安装、调试 ‎·能用数字集成电路等安装简单的实用电路 ‎·能用常用电子仪器如多用电表和示波器等对该电路进行调试 ‎·能应用该电路设计和安装开环电子控制系统 Ⅱ Ⅱ Ⅱ 闭环电子控制系统的设计、安装 ‎·能用集成电路等设计和安装简单的闭环控制系统 Ⅱ 闭环电子控制系统的调试和改进 ‎·能对简单的闭环控制系统进行调试和改进 Ⅱ 遥控电子控制系统 ‎·了解常见的遥控系统的组成、分类及应用 ‎·能用集成电路设计和安装简单的遥控系统，并进行调试 Ⅰ Ⅱ 三、重难点分析 （一） 重点分析 ‎1、用方框图分析生活中常见的闭环电子控制系统的工作过程 可使学生站在系统的高度，分析系统中各个环节的相互联系、相互作用、选择、优化设计方案，学会技术决策、科学决策的方法。‎ ‎（1）了解闭环电子控制系统中各个环节的作用：‎ ‎① 输入环节：输入控制信号，这个控制信号可以是人为预先设定也可以是由传感器采集外界物理信息转换来的；‎ ‎② 控制环节：由电子集成电路构成，对输入信号进行比较、分析、处理输出控制信号，这个控制信号可以是提示性信号（如一组“音乐”或“报警”电信号）也可以是控制继电器工作的触发信号；‎ ‎③ 输出环节：是电子控制系统的执行环节，可以是继电器、也可以是喇叭等被控对象；‎ ‎④ 被控对象：往往是电炉丝、电灯、电动机等大功率设备；‎ ‎⑤ 检测、反馈环节：主要由传感器组成，监测被控量（如温度等），转换为被控量电信号；‎ ‎⑥ 比较环节：可看成电子控制器的一部分，将被控量与预设量不断进行比较、分析、处理。‎ ‎（2）用数字集成电路等安装简单的实用电路来设计和安装开环电子控制系统，‎ 学生通过用数字集成电路等安装简单的实用电路来设计和安装开环电子控制系统，可使学生站在系统的高度，分析开环系统中各个环节的作用和控制关系、选择、优化设计方案。选择、识别电子元器件，焊接、安装、调试电路、完成试验报告，体验电子技术试验的全过程。是对本章所学传感器、数字集成电路和继电器知识的综合应用。‎ （一） 难点分析 ‎1、用集成电路等设计和安装简单的闭环控制系统，‎ ‎（1）根据任务要求，画出闭环电子控制系统的方框图；‎ ‎（2）按照任务要求，详细分析各个环节的作用，提出技术要求、指标；‎ ‎（3）选择符合技术要求、指标的传感器类型、控制环节的结构电路、继电器类型和合适的被控对象；‎ ‎（4）画出详细的闭环电子控制系统电路图；‎ ‎（5）安装电路：可用面包板接插或用蜂巢板焊接。‎ ‎2、电子控制系统的调试和改进 如果电子控制系统的设计存在问题，或由于系统内各个环节之间的不匹配，或由于电子元器件的质量（如离散度较大）等问题，会使安装好的电子控制系统达不到设计指标的要求，甚至不能工作，所以调试、改进是一个重要的环节，也是一个难点。‎ 电子控制系统的设计要经过比较、选择和优化，因此调试、改进这个环节，一般不对电路结构作大的改动，只对元器件的参数进行调整，以达到设计指标的要求。‎ ‎（1）掌握电路工作原理，了解有关参数的调整方法，如在多谐振荡器电路中有那些元件参数决定振荡器的频率，有那些元件参数会影响工作稳定性，有那些元件参数选择决定振荡器是否工作。‎ ‎（2）电子测量仪器是调试电子控制系统的主要技术手段，多用电表可以判断电子元器件的好坏，示波器可以观察和测量振荡频率，通过多次元器件选择试验，使电子控制系统的技术指标达到设计要求。‎ 四、教学建议 电子控制系统及其应用是电子控制系统技术模块中的重点。它一方面是本模块所学传感器、数字集成电路和继电器知识的综合应用。另一方面，是培养学生如何从整体出发，分析和设计电子控制系统。虽然电子控制系统课程中的“系统”“控制”所包含的内容很简单，但其中渗透的思想和方法，具有很强的普遍意义，是培养学生良好的技术素养精华所在。透过电子控制系统及其应用的学习，应让学生初步领悟技术设计的一般思想和方法；知道电子控制系统的基本组成；能用方框图分析生活中常见的电子控制系统的工作过程；能用数字集成电路等安装简单的实用电路，并进行调试。然后，能应用该电路设计和安装开环控制系统；能设计和安装简单的闭环控制系统，并进行调试和改进。‎ ‎1、在电子控制系统及其应用的教学过程中，引导学生亲历设计的过程 电子控制系统课程是一个实践性强、创造空间大、涉及知识面广的课程模块。在我们生活的周围无处不见电子控制技术，教学中考虑如何引导学生亲历设计的过程是十分重要的，其重要性在于这种引导要能够激发学生对技术问题的兴趣和研究愿望，最大限度地开发每个学生的潜能，然后促使学生主动、有效地参与设计过程；这种引导要有助于学生从多个角度提出问题，然后再用多种方法解决问题。‎ 在教学设计中，教师应多考虑以引导者的身份出现，创造一种开放、民主、活跃、进取的学习氛围，鼓励学生展开想象，大胆创新，使教学成为生动活泼，师生互动的过程，使全班同学在学习中都得到发展。‎ 例：‎ 教学设计可以考虑安排学生回家用电饭煲煮一顿饭，用全自动洗衣机洗一次衣服，用……，并观察记录试验的过程。经同学们课堂讨论后，老师提出一系列为什么。如：为什么电饭煲会自动煮饭、为什么洗衣机能实现自动进水，自动控制水位、为什么台灯能手动调光等。鼓励学生展开想象，结合教科书引导全班同学理解电子控制技术的含义，了解它的广泛应用，知道电子控制系统是以电子控制技术为核心的系统；理解电子控制系统的组成和工作过程。知道开环电子控制系统和闭环电子控制系统的区别，会用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。在师生互动教学过程中，学生的认知水平和创造性思维能力得到提高。‎ ‎2、从应用的角度理解电子控制系统 电子控制涵盖了开环控制和闭环空。理论上它们具有高度的抽象性。由于电子控制系统是应用学科，教学中要从应用的角度来解释电子控制系统，教学过程要以创新精神和实践能力培养为重点。要避免过分的理论分析电子控制系统中的单元电路。对电子控制系统的单元电路只要做简单的定性分析就可以。在教学是设计中，选择的实验内容要符合学生学习生活和认识规律的基础知识，要有一定的代表性，切不可以急于求成拔苗助长。特别是基本操作技能，它是需要实践的堆积，不能要求太高。‎ 例1 开环控制系统的设计和制作 老师：复习控制技术的基本原理等。开环控制系统的基本组成框图。如图9.5它由传感 图 9.16 开环电子控制系统组成方框图 器电路，控制电路和报警电路三大部分组成。由于开环控制系统不存在反馈通道，因此多用于控制精度不高的场合。‎ 老师：今天我们要来设计一个水开了声光报警系统。从解决问题的角度看，它可以采用精度不高的控制系统。有谁能回答采用什么控制系统，它即能解决问题又能降低投入的成本。‎ 同学：可以采用开环电子控制系统。它适用控制精度不搞的场合，满足开水报警器的功能要求。‎ 老师：开环电子控制系统的原理框图如图9.16所示。下面同学们讨论一下每个框图采用什么单元电路。‎ 同学：热烈讨论。‎ 老师小节：依据开环控制系统的原理框图和同学们讨论的结果，应采用如图9.17所示的控制电路。‎ 图 9.17 控制烧水报警电路 老师：图中温度传感器RT是选择负温度系数的热敏电阻。当水温上升时电阻减小，反之电阻增大，电位器RP用来设置温控点，R1、R2、VT1、VD2组成控制电路，VD1、G1和G2、R3、C1和扬声器元件组成声光报警电路。其中报警声的频率由R3和C1的乘积决定。即f=1.4R3C1， VD1为发光二极管，由它完成光报警。下面分析电路的工作过程。‎ 调整RP可改变电阻，设定报警温度。当水温上升，RT电阻值减小，Vbe电压数值上升，Vbe电压数位小，这时VT1截止，VD1不亮。D点低电压,使VD2导通，将非门G1钳位于低电平，使非门G1、G2多谐振荡器处于停振状态，扬声器无声，说明水的温度低于设定的报警温度。‎ 当水的温度升至设定的报警温度时，Vbe电压数值增大导使VT1导通，电源经VT1的E、C极、VD1、R2构成回路，电流经过发二极管VD1，VD1亮。同时，电流经过R2产生较大的压降，D点上升为高电位。VD2截至，由非门G1、G2组成的多谐振荡器起振，扬声器发出响声，实现温度超限的声光报警。在图9.6中，R1为限流阻，其功能是保护VT1发射结，防止因操作失误而损坏，R2的阻值决定VT1饱和时的导通电流。因此它实质是调整报警时发光二极管的亮度。通常发光二极管设计的工作电流为10mA左右。这时，对应R2的阻值约为500欧左右。‎ 根据上述电路的可行性分析，理论上是可行的，但实际怎样呢？选用的传感器，符合技术要求吗？控制电路输出的控制信号强吗？声光报警强度够吗？这一切还需要实验来验证调试和修改。‎ 同学们回家后认真地分析今天我们设计的超温报警器电路工作原理。查一下资料，选择符合技术要求的传感器型号，想一想制作与调整的步骤，为下一堂课实验做准备。‎ 例2 闭环控制系统 老师：上一堂课我们设计了超温报警器，这一堂课我们要求同学们设计一个养热带鱼的恒温箱。‎ 老师：恒温控制是什么控制？设计时要采用什么控制系统？‎ 同学：恒温控制是精确控制，系统要采用闭环控制系统。‎ 老师：闭环控制系统的方框图，如图9.18所示。它由控制、执行器、被控对象和检测装置组成，同学们讨论一下，这些方框对应恒温水箱那些单元电路。‎ 图 9.18 闭环电子控制系统方框图 同学：讨论回答 老师小结：检测装置对应恒温水箱的热敏传感器、 执行器对应继电器，被控对象电热棒。恒温水箱闭环控制系统原理框图为图9.19所示 图 9.19 水箱恒温闭环控制电路方框图 老师：同学们讨论一下各框图组成的单元电路，说明为什么要这样设计 同学：讨论 老师小结：根据闭环控制系统的原理框图，结合同学们的讨论意见，老师给出恒温水箱闭环控制电路电原理图。如图9.20。下面分析电路的自动恒温控制过程。‎ ‎ ‎ 图 9.20水箱恒温控制电路 老师：在图9.20中，RT为正温度系数的热敏电阻，其功能是接收水温信息，（安装时它是浸在水中），VT1、VT2和R是信号处理电路（控制器），J是继电器，它的开关是电热棒的电源开关，RP用来设定温控点。‎ 当水温低时，RT阻值小，电源在RP两端的压降大，使VT1、VT2导通，电流流过继电器，继电器开关动作，电热棒（图中没有画出）通电加热，水温逐渐上升，由于水温的上升，使浸在水中的热敏电阻RT阻值增大，RP两端的压降减小，当水温达到设定温控点时，RP两端的压降减小到是VT1、VT2截止，继电器J的供电源被切断，电热棒控制开关自动断开，切断电热棒的供电电源，加热源被切断，水温下降，RT阻值减小，RP端电压上升到使VT1、VT2导通……。这样周而复始，达到水箱中水温恒温。‎ 老师：观察图9.8控制电路，如果继电器J的控制开关不是电热棒的电源开关，而是发光二极管和无稳态的电源开关，电子控制系统是开环还是闭环，同学们讨论一下。‎ 同学：热烈讨论，回答问题 老师小结：如果改动图9.9的电路，将控制电路中的继电器开关作为发光二极管和无稳态电路的电源开关，控制电路将成为开环电子控制系统，这个装置将由恒温控制装置变为超温报警装置。‎ 下课以后同学们查一下资料，根据电热棒的功率和控制的水温范围，选择符合技术要求的继电器和传感器型号，想一想制作与调整的步骤，为下一堂课实验做准备。‎ 例三、闭环控制系统的分析与设计 ‎―――水塔水箱水位自动控制系统 ‎1、明确问题：‎ ‎（1）控制量：水位传感信号；‎ ‎（2）被控量：水位 ‎（3）传导电压大小与高、低水位线位置的关系；‎ ‎ （4）水塔高度与水泵扬程的选择。‎ ‎2、系统设计：确定解决问题的目标和评价标准；‎ ‎（1）解决问题的目标： 利用水的导电特性，使用导电体探测水位的高低，控制继电器闭合、断开，带动水泵抽水。‎ ‎（2）评价标准：‎ ‎①当水位低于低水位线时，抽水；‎ ‎ ②当水位到达高水位线时，停止抽水；‎ ‎ ③当水位介于高、低水位线之间时，要维持水泵原工作状态；原来抽水，则继续抽水，等水位到达高水位线时再停机；原来停机，则继续停机，等水位降到低水位线时，再抽水。‎ ‎（3）鼓励学生设计多方案 ① 控制量：可使用裸导线或液面传感器作为水位探头。‎ ② 控制器：可用三极管放大电路，可用数字集成电路，也可用专用集成芯片等。‎ ③ 执行器：可用不同电压、功率的继电器。‎ ④ 被控对象：水泵 ‎3、系统综合：对可能使目标实现的各种方案、管理措施或全系统进行综合；综合考虑系统的水漏电的安全性、电路简捷工作可靠、造价等因素，选用合适的传感器、控制电路结构、继电器的种类和被控水泵。‎ ‎4、系统分析：制作模型；以实现目标、解决问题、满足需要为前提，深入地进行分析；‎ ‎（1）水箱中的水位探头示意图：‎ 水箱中水位探头位置如图9.21所示， a为电源电压引出端，b为低水位探头，‎ c为高水位探头。a、b、c为三根裸露的硬铜电线。‎ a b 低水位 C 高水位 A B C ‎ ‎ ‎ 图9.21 水箱中水位探头位置示意图 ‎（2）水箱水位闭环电子控制系统方框图：‎ 输入控制电压 探头C确定高水位，b确定低水位 控制处理 与非门构成触发器控制 被控对象 继电器、水泵 输出 水箱中的水 检测反馈 由bc两个探头组成水位传感器检测水位的高低 比较环节 ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 图9.22水箱水位闭环电子控制系统方框图 ‎（3）用RS触发器为控制器构成水位自动控制电路 用RS触发器为控制器构成水箱水位闭环电子控制电路如图9.23所示；U2、U3由两个与非门的输出交叉反馈构成具有记忆功能的电路——基本RS触发器，其工作过程如下：‎ ‎（a）当水位低于b时，Ub＝0、Uc＝0、L＝1、g＝1、e＝0，S＝0，三极管VT截止、继电器释放、电源经常闭触点接通电动机控制水泵给水箱输水；‎ ‎(b)当水位到达b时，a、b之间因水导通，Ub＝1、Uc＝0、g＝1、L＝1、S＝0，RS触发器维持原态，三极管VT截止，水泵继续给水箱输水；‎ ‎(c)当水位到达c点时，Ub＝1、Uc＝1、g＝0、S＝1、L＝0,三极管VT饱和导通、继电器吸合、电动机断电、水泵停止给水箱输水；‎ ‎(d)当水位低于c点时，Ub＝1、Uc＝0、g＝1、L＝0、S＝1, RS触发器维持原态，三极管VT饱和导通、继电器吸合、电动机断电、水泵停止给水箱输水；‎ ‎(e)当水位低于b点时，重复①的过程。‎ J M ‎～220V ‎ 图9.23 RS触发器构成水位控制电路 五、遥控电子系统介绍：‎ ‎1、概述：‎ ‎（1）遥控的概念：对被控对象的内部电参数（如音量、对比度、亮度）、工作状态（继电器的吸合、电机的正反转）进行远距离操纵。‎ ‎（2）遥控的应用：航模、舰模、宇宙飞船、导弹、遥控电视等。‎ ‎（3）红外遥控：使用880～940nm波长的近红外线作为信号的载体来传送遥控命令。具有不易散射、穿透力强、不易受干扰和易于产生等优点；但它也有作用距离短、方向性强和不能跨越墙壁等障碍物的阻挡等缺点。‎ ‎ 2、红外遥控系统的基本组成：‎ ‎ 其组成方框图如图9. 24 所示 命令输入 命令生成 红外发射 红外接收 命令解释 命令执行 受控对象 ‎ 图9.24 红外遥控系统组成 ‎ （1）遥控命令输入：‎ 一般由按钮、键盘等构成。人们通过按钮、键盘等将预先定义的命令输入到有关电路中去。‎ ‎（2）遥控命令生成：‎ ‎ 将按钮、键盘等输入的遥控命令，通过其电路处理生成不同的数字脉冲信号代表不同的命令，这个过程称为“编码”。‎ ‎（3）红外发射：‎ ‎ 将数字脉冲信号通过红外发射管转换为红外线发射。‎ ‎（4）红外接收：‎ ‎ 用红外接收器件（光电二极管、光电三极管）将感受到的红外光脉冲信号，转换为电脉冲信号，即先进行光/电转换，然后进行放大和去除干扰等预处理。‎ ‎（5）命令解释：‎ ‎ 命令解释是命令生成的相反过程。称为“解码”，经解码电路将命令信息内容的“串行”信号转换为“并行”信号，每个命令内容都对应一根输出线，每根输出线对应一个执行机构，控制多路对象。‎ ‎（6）命令执行机构：‎ ‎ 可实现对受控对象的控制，有继电器、伺服电机、可控硅等。‎ ‎ 3、红外发射器件：‎ ‎ （1）几种主要红外发射二极管（IR LED）的主要参数：‎ 型号 发射功率Pc ‎(mW)‎ IF = 50mA 峰值波长 ‎（nm）‎ 正向压降UF（V）‎ IF = 50mA 材料 封装（mm）‎ 特点 L 5IR3‎ ‎7‎ ‎940‎ ‎1.3‎ GaAs镓、砷化合物 透明φ5‎ 经济普通 L 5IR880B ‎12.25‎ ‎880‎ ‎1.45‎ GaAlAs镓 铝砷化合物 透明φ5‎ 高功率 ‎(IF为红外二极管所允许的平均正向电流)‎ IR RC ‎+Vcc Rb UK VT ‎ ‎ ‎（2）红外发射二极管的驱动电路：‎ ‎ 如图9.25电路所示 ‎ UK输入脉冲信号，三极管 工作在开关状态，使红外发射 二极管工作在快速断续状态，‎ 断续工作时，红外二极管承受 的瞬间电流大，可以大于2IF 。‎ 这就使红外管的发射功率增大， 图9.25 NPN三极管驱动电路 发射作用距离增大；而且在实际电路中，传送的是脉冲编码信号而非连续的单值信号。‎ ‎4、红外接收器件：‎ 是一种红外线传感器，作用是将所接收的红外光转换为电信号。有光电二极管和光电三极管。‎ 几种典型的光电器件的主要参数如下表所示：‎ 名称 型号 响应光谱 ‎（nm）‎ 光电流 暗电流 反压UR ‎（V）‎ 功率 ‎（mW）‎ 光电二极管 ‎2CU33IR ‎700～1100‎ ‎>50uA ‎<5 nA ‎>30‎ 光电二极管 ‎2CU35IR ‎700～1100‎ ‎>25 uA ‎<5 nA ‎>30‎ 光电三极管 ‎3DU030IR ‎700～1050‎ ‎>2mA ‎<0.1uA ‎>30‎ ‎100‎ 光电三极管 ‎3DU050IR ‎700～1050‎ ‎>4mA ‎<0.1uA ‎>30‎ ‎150‎ ‎ 例一：红外遥控电灯开关实验电路：‎ ‎ （1）红外发射电路：‎ ‎ ‎ ‎ 图9.26 单脉冲红外遥控发射电路 单脉冲红外遥控发射电路如图9.26所示，K发射按钮，C1、R1、R2为正向尖脉冲形成电路，U1和U2构成整形电路将尖脉冲变成正向矩形脉冲，U3和U4构成多谐振荡器，Rs为保护电阻减少C3充放电对CMOS门电路输入保护电路所承受的电流冲击，产生的振荡周期T≈2.2RfC3 ，当正脉冲加到U3输入端时，振荡器工作，产生40KHZ的振荡脉冲，经三极管VT放大后，由红外发射二极管IR向外发射遥控信号。‎ 例二、红外接收电路 红外接收 头 Q Q SD RD D CP U0‎ C1‎ ‎4700P R1‎ ‎1K C2‎ ‎22u R3‎ ‎470‎ ‎+5V ‎～220V ‎+5V CD4013‎ 图 9.27 遥控接收电路 遥控接收控制电路如图9.27所示，红外接收探头采用NJL41H40,当接收到红外遥控信号时，U0输出负脉冲，加到D触发器作为触发脉冲，因D触发器的次态方程Qn+1=D=Q，每来一个控制信号，输出Q翻转一次，去控制“双向可控硅光耦”，Q=1时，控制二极管发光，触发双向可控硅触发导通，控制灯泡回路的通、断。‎ 参考书目：‎ ‎1、《普通高中技术课程标准（实验）》中华人民共和国教育部制订 ‎1、《普通高中技术课程标准（实验）解读》技术课程标准研制组 ‎2、《数字电子技术基础》（第三版）清华大学电子学教研组编，高教出版社