第5课 模拟信号与数字信号及感知二极管的结构与应用-【精彩三年】2024-2025学年高中通用技术选择性必修1课程探究与巩固Word教参（苏教版2019）

第三章│电子控制系统的信号处理 第5课　模拟信号与数字信号及感知二极管的结构与应用(见学生用书P27) ——3.1　模拟信号与数字信号　3.2　初识模拟电路，教材P40～49 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．能阐述模拟信号和数字信号的含义以及数字信号“0”和“1”的含义。　2.能辨析模拟信号和数字信号各自的优缺点及相互转换。　3.能辨析晶体二极管的结构和类型。　4.能理解PN结的单向导电性特性和掌握不同二极管的应用。　5.能识读、理解并应用二极管的伏安(U——I)特性曲线。 1．模拟信号和数字信号 (1)任何事和物，就其量的变化而言，有连续变化和非连续变化两种情形。__连续变化__的量，可用连续变化的曲线或直线描述；__非连续变化__的量，可用柱状图或数字等表示。 (2)模拟信号和数字信号 ①模拟信号泛指那些数值可__连续变化__的信号。 ②有些非连续变化的量可以用数字表示，若用二进制来表示这个数，并用高和低两个电平代表二进制中的“1”和“0”，则其形成的在__高、低电平__之间来回跳变的电压信号就是通常所说的数字信号。 (3)在数字电路中，电压(或电流等)的大小分为高、低两级，通俗地说，将这两个高、低不同的电压级(或电流级等)分别称为__高电平__和__低电平__。数字信号中“1”(高电平)和“0”(低电平)都是代表1位二进制数字，还可以表示信号的“有”和“无”、命题的“真”和“假”等事物间的关系。 (4)模拟信号和数字信号各自的特点 ①模拟信号的特点： 优点：信息变化的细节丰富，能直观反映自然界的很多现象，且容易实现。 缺点：抗干扰能力差。 ②数字信号的特点： 优点：数字信号只有高、低两个电平，容易识别，抗干扰能力强，处理精度高，便于记录和保存。 识别有失真和受干扰影响的数字信号的方法：设置一个电压门槛(它应介于高电平与低电平之间)，高于此门槛的信号传过去后，输出为1，低于此门槛的信号传过去后，输出为0。 ③模拟信号与数字信号的比较： 类别 特征 描述 在电子电路中的表现方式 模拟信号 连续变化 连续变化的直线或曲线 连续变化的电磁波或电压信号 数字信号 不连续变化 柱状图或数字 电压脉冲或光脉冲 (5)模拟信号与数字信号相互转换的过程 ①能将模拟信号转换成数字信号的电路称为__模数转换器__(A/D)。 ②能将数字信号转换成模拟信号的电路称为__数模转换器__(D/A)。 ③电子控制系统中，信号的转换过程如图所示： 2．感知二极管的结构与应用 (1)二极管基本结构 ①在一块纯净半导体基片上，利用掺杂的方法将一部分区域做成P型(含有电子比N型少)杂质半导体，另一部分区域做成N型(含有大量电子)杂质半导体，在两种杂质半导体交界面会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层称为__PN结__。 ②将一个带有PN结的半导体材料封装在一个密封的管壳之中，并用引线引出电极，就成了一个半导体二极管。与__P区__相连的称为正极，与__N区__相连的称为负极。 (2)二极管的单向导电特性：二极管的正极接电源正端，负极接电源负端，PN结导通。这种接法称为二极管外加正偏电压。正偏时，二极管呈小电阻，电路中有较大电流通过。 如图1所示，闭合开关S，VD1导通，VD2导通发光。若将VD1的两个引脚对调，如图2所示，闭合开关S，这时VD2、VD3均不发光。 (3)伏安特性曲线 ①当二极管正向导通时，其两端电压__基本保持不变__，这称为正向导通压降。 ②当二极管两端反向施加电压时，其反向电流很小(微安数量级)，这称为二极管处于__反向截止状态__。 ③当反向电压很大时，二极管被反向击穿(UBR又叫作__反向击穿电压__)，反向电流急剧增加，严重时会造成二极管永久性损坏。 (4)发光二极管 ①发光二极管(又称LED)同样具有单向导电作用，常用作指示灯；普通发光二极管的工作电流一般在3 mA～20 mA之间，导通电压一般在1.6 V～2.3 V之间，为了保护发光二极管，一般要串联一个电阻进行限流。 黄色发光二极管的工作电压在1.8 V～2.0 V之间；红色发光二极管的工作电压在2.0 V～2.2 V之间；绿色发光二极管的工作电压在3.0 V～3.2 V之间。 ②光敏二极管工作时需要加反偏电压，可以充当光敏传感器。 ③稳压二极管工作时需要加反偏电压，起到稳压或钳位的作用。 (5)二极管应用 ①整流电路：利用二极管的单向导电性，可以对交流电整流，将交变电流变成直流。 半波整流(如图1)：由于二极管的单向导电作用，正弦交变电流的正半周期输出，负半周期则被阻止。只能利用半个周期的交变电流，效率较低。 　　　　 全波桥式整流电路(如图2)：可以利用交变电流的整个输入波形，效率较高。 ②发光二极管在正向导通时能发出各种颜色的光，在照明、指示灯领域有广泛的应用。 ③开关二极管可以用作数字门电路。 ④稳压二极管利用二极管反向击穿电压基本保持不变的特性，可用于直流稳压电路。 ⑤钳位二极管正向导通时，其两端电压基本保持不变。 本课核心点·重难点 1．高、低电平的判断 (1)“1”(高电平)和“0”(低电平)是__逻辑关系的两种可能的取值，不表示具体的数值__。在实际的题目中必须能够准确判断某一点的电平，以下图为例说明高低电平的判断。 ①高、低电平是__相对概念__。 ②A点与电源VCC相连，则A点的电平为高电平；C点接地，接地点默认是0电位，所以C点的电平为低电平。 ③B点的电平是电阻R2的电压加上接地点电位，换句话说，若R2获得的是低电压，则B点的电平为低电平；若R2获得的是高电压，则B点的电平为高电平。 ④在实际题目中分析，R1、R2获得的分压，可以使用串联电路中的分压判断，确定分压的相对变化，进而确定B点的电平。图中R1是光敏电阻，当有光线照射时，R1的电阻值小，则R2的分压增大，所以B点的电平为高电平。 (2)电阻式传感器接入电路的基本形式： ①A点电位的高低由传感器的阻值R0与电阻R的比值决定。 ②传感器电阻变小，A点电位变高。 ③传感器电阻变大，A点电位变低。 ①A点电位的高低由传感器的阻值R0与电阻R的比值决定。 ②传感器电阻变小，A点电位变低。 ③传感器电阻变大，A点电位变高。 2．二极管的极性判定方法 A．靠近色环一端的电极引线是__阴极__——适合普通二极管。 B．长脚为__正__，短脚为__负__——适合未剪脚的发光二极管及光敏二极管。 C．大片为__负极__，小片为__正极__——适合发光二极管。 图1中，引脚a靠近色环，则引脚b为正极；图2中为未剪脚的二极管，则引脚b为正极。 　　　　　　　　　　　　　　　　 例1 下列信号中属于模拟信号的是(　B　) A．手机信息信号　　　B．车速信号　　　　　　C．算盘珠信号　　　　 D．“狼烟”信号 【解析】 选项A，手机信息信号属于数字信号；选项C，算盘珠位置不是连续变化的，属于数字信号；选项D，狼烟只有“有烟”和“无烟”两种状态，属于数字信号；选项B，车速信号是可连续变化的信号，属于模拟信号。 变式1 下列关于数字信号的说法中，不正确的是(　B　) A．数字信号只有高、低两个电平 B．数字信号在时间和数值上均是连续变化的 C．数字信号只有“1”和“0”两种状态 D．数字信号简单稳定、可靠 【解析】 数字信号在时间和数值上均是非连续变化的，模拟信号在时间和数值上均是连续变化的，选项B错误。 变式2 下列关于模拟信号与数字信号的说法中，不正确的是(　D　) A．计算机音频输出口的信号是模拟信号 B．光驱读光盘时，读取的信号是数字信号 C．若电磁波高频为“1”，则低频为“0” D．数字信号抗干扰能力好，信号不会失真 【解析】数字信号在传输的过程中会受到干扰，信号也会失真，选项D错误。 例2 下列电子元器件中，引脚未处理前长短一致的有(　B　) 　　　　　A．1个　　　　　　　　B．2个　　　　　C．3个　　　　　　D．4个 【解析】 电解电容器和发光二极管是有极性的，元件正极的引脚比负极的引脚长；湿敏电阻和光敏电阻是无极性元件，元件引脚无长短区别，选项B正确。 例3 下列关于半导体二极管的说法中，正确的是(　D　) A．二极管是由两个PN结、两个电极引线和管壳组成 B．二极管具有单向导电性，电流由N极流向P极 C．二极管的极性可以通过色环判断，靠近色环的一端为正极 D．利用二极管的单向导电性，可以对交流电整流 【解析】 选项A，二极管是由一个PN结、两个电极引线和管壳组成，选项错误；选项B，二极管具有单向导电性，电流由P极流向N极，选项错误；选项C，二极管的极性可以通过色环判断，靠近色环的一端为负极，选项错误。 变式 下列关于二极管的说法中，不正确的是(　D　) A．不同颜色的发光二极管工作电压是不一样的 B．发光二极管在电路中一般要串联一个限流电阻 C．二极管通常用锗、硅材料制造 D．二极管导通压降一定是0.7 V 【解析】 硅材料二极管导通压降为0.7 V；锗材料二极管导通压降为0.3 V，选项D错误。 　　如图所示的两个电路，下列关于流过电阻R1、R2的电流方向的判断中，正确的是(　A　) A．由a到b，由c到d B．由a到b，由d到c C．由b到a，由c到d D．由b到a，由d到c 【解析】 利用二极管的单向导电性可知，图1中电流流向：右上角二极管→ab→左下角二极管；图2中电流流向：右下角二极管→cd→左上角二极管，选项A正确。 变式1 如图所示的电路，VD1和VD2均为硅管，它们的导通情况是(　B　) A．VD1导通，VD2截止 B．VD1截止，VD2导通 C．VD1、VD2均导通 D．VD1、VD2均截止 【解析】 以B点为0电位，则E点电位为2 V，D点电位为6 V，A点电位为10 V。若VD2导通，则C点电位为5.3 V，VD1截止，电路正确；若VD1导通，则C点电位为1.3 V，此时VD2两端电压为4.7 V，所以VD2导通，C点电位为5.3 V，VD1截止，电路正确。综上所述VD2导通，VD1截止，选项B正确。 变式1题图 　　　　　变式2题图 变式2 如图所示的电路中，A、B两点的电位分别是(　C　) A．4.3 V，0 V　　　　B．0.7 V，0.7 V　　　　C．0.7 V，1.4 V　　　　D．5 V，4.3 V 【解析】 一般二极管导通压降为0.7 V，故A点为0.7 V，B点为1.4 V，选项C正确。 |随|堂|检|测| 1．下列关于数字电路中“1”和“0”的说法中，不正确的是(　D　) A．“1”表示高电平，“0”表示低电平 B．数字电路中的数字信号用“0”和“1”表示 C．“1”与“0”可以进行逻辑运算 D．“1”和“0”仅仅表示逻辑结论，而不能代表逻辑前提 【解析】 数字电路中“1”和“0”表示电路的两种状态。“1”与“0”不仅表示逻辑结论，也能代表逻辑的前提，选项D错误。 2．下列关于通用技术课程涉及的常用元器件的说法中，正确的是(　D　) ①　　　　　　　　　②　　　　　　　　　③(引脚未处理)　　　　　　④ A．①具有检测湿度功能 B．②内部两个PN结 C．③长脚为负极 D．④能把磁信号转换为电信号 【解析】 选项A，①是光敏电阻，没有检测湿度的功能，选项错误；选项B，②是二极管，其内部只有一个PN结，选项错误；选项C，③是电解电容器，长脚为正极，选项错误；选项D，④是干簧管，能把磁信号转换为电信号，选项正确。 3．下列关于发光二极管的说法中，不正确的是(　D　) A．发光二极管可以将电能转换为光能 B．发光二极管就是我们平时所说的LED C．发光二极管的工作电流一般在3 mA～20 mA，导通电压一般在1.6 V以上 D．发光二极管工作时需加反偏电压 【解析】 发光二极管工作时需加正偏电压，选项D错误。 4．2023·长兴中学检测如图所示的电路中，理想的二极管D1、D2的工作状态为(　B　) A．D1、D2均导通 B．D1截止，D2导通 C．D1、D2均截止 D．D1导通，D2截止 【解析】 根据二极管的电位钳制作用可知，D2导通，D1截止，选项B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$