简单逻辑电路和传感器的实验与教学 人民教育出版社 2009年8月

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。 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 最简单的示教板 突出显示逻辑功能 TTL型电路的 高(H)、低(L)电平的标准 1 （Vcc =5.0V 时） 输入 IN H≥1.6V 输出 OUT H≥3.4V L≤0.8V L≤0.2V （Vcc =5.0V 时） 此标准有利于前后级交联和 抗干扰 非门真值表 输入 A 输出 Y 0V 1 3. 43V 5.01V 0.14V 非门的输出端Y为高电平时，LED发光。 型号为74LS04的集成电路（IC），是常用的一种 “ 六非门 ” 。 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 。 演示

案例2 门电路的组合 用与门和非门组成与非门 演示

扩展实验1 —— 观测逻辑波形 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。 与门真值表 与门波形图 输入 输出 A B Y 1 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。

扩展实验2 —— 门电路应用 自动延时灯 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）。 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1.0V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 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100μF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 可作为课题研究，将三块IC插在面包板上做实验 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。 输 入 输 出 A B Y 图 5 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。 输入 输出 A B Y 1 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。 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。

常见传感器 1. 光传感器 光敏电阻（常用材料为硫化镉） 传感特性 原理 实验 光照（光通量）强弱 电阻的大小 非电学量 电学量 直径 5mm 的硫化镉光敏电阻价格不超过0.5元 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。

光电二极管和光电三极管 小型硅光电池 （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 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IC增大 直径 5mm 的光电三极管价格0.5 ~ 1元 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) 光电三极管外形 （透明外壳）

2. 温度传感器 热敏电阻（NTC型为氧化锰和氧化铜混合烧结） 热电偶（常用的一种如“镍铬-镍硅”） 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） 霍尔元件（常用材料为砷化铟） 霍尔集成电路 特性 原理 演示 磁化和去磁 电路的通断 磁感应强度的变化 簧片的 磁化和去磁 电路的通断 不宜只用一个磁极垂直靠近干簧管的中央 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）

4.力传感器（电阻应变式） 应变片 出示：力传感器实物，看测力元件。 应变电桥 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 6. 温度传感器的应用事例 —— 普通电饭锅 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 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 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 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。 出示 面包板 实物

（6）可用万用表DC10V档检测工作状态、判断故障 （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 ：硫化镉光敏电阻，暗电阻 ≥ 200 kΩ，强光照射下，亮电阻 ≤ 1kΩ。 3. 实验一 光控开关 RG ：硫化镉光敏电阻，暗电阻 ≥ 200 kΩ，强光照射下，亮电阻 ≤ 1kΩ。 R1 ：微型可调电阻，最大阻值 51kΩ（或47kΩ） 。 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） 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 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=30kΩ 。 黄昏，RG逐渐增大，使它与R1 的分压UA逐渐上升。当UA升 到1.6V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。

光控开关实物装配和调试 (甲图电路) 面包板 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。 出示：实物 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。

4. 实验二 温度报警器 RT ：负温度系数热敏电阻，20℃时阻值 1 ~ 2kΩ。 R1 ：微型可调电阻，最大阻值 1kΩ。 4. 实验二 温度报警器 RT ：负温度系数热敏电阻，20℃时阻值 1 ~ 2kΩ。 R1 ：微型可调电阻，最大阻值 1kΩ。 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。 出示：实物 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 实验板式（元件位置按实验内容 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）

为教科社教材设计的实验板 运算放大器芯片的使用 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。 演示： （1）磁传感器应用板 （2）光控节能路灯（光控板） （3）电熨斗恒温（光和温控板） 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。

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： liubinsheng5@yahoo.com.cn Tel：010-66075829 北京市第四中学 刘彬生 E-mail： liubinsheng5@yahoo.com.cn Tel：010-66075829 Mobile：13683644686