高效作业23 第23课 电子控制系统设计6——控制部分4(振荡电路)-【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）

高效作业23[第23课　电子控制系统设计6——控制部分4(振荡电路)] (见学生用书P242) [A级　新教材落实与巩固] 1．如图1所示，这是冰箱关门提醒器的电路图。电冰箱如果忘了关门，不仅会多耗电，而且时间长了还会造成冰箱里储存的食物变质。冰箱关门提醒器会在电冰箱门未关好时发出“嘀嘀嘀”的报警声，提醒你及时关好冰箱门。以下是该提醒器的电路图： 其中由光电二极管和高速开关集电电路芯片IC1(TWH8778)组成的光控开关的原理如图2和表所示： 可见光 A IC1 Vo 无 0 V 断开 0 V 有 ＋3V 导通 ＋3V 其中555的原理如图3所示： 仔细分析上面的电路图，请完成以下任务： (1)光电二极管在电路中采用__A__(在“A.反向；B.正向；C.不确定”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)连接。 (2)电阻R4在该电路中的主要作用是__A__(在“A.限流作用；B.分流作用”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)如果希望蜂鸣器发出的“嘀嘀嘀”的报警声不要太急促，下列可选择的方法是__C__(在“A.减小C1的容量；B.增大C2的容量；C.将R3的阻值调大”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)555集成电路管脚识别正确的是__B__。 A.　　　　B.　　　　　C.　　　　　D. (5)调试通过后，开始安装焊接。小明在用电烙铁焊接IC1TW8778 过程中，由于焊接时间过长而造成IC1过热损坏，故只能用光敏电阻替换，并对电路进行小幅度的改造，改造方法是：利用一个开关三极管、一个电阻。请在下面图4的虚线框中画出你所设计的电路。 【解析】 电路整体分析：已知门未关好，IC1导通，555芯片开始正常工作。当2、6脚为1时→3脚出0→7、1脚连通→电容C1放电→2、6脚为0→3脚出1→7、1脚断开→电容C1充电→2、6脚为1→3脚出0。注意：必须结合555内部结构分析，3脚输出振荡信号。 (1)光电(光敏)二极管工作时必须加上反偏电压。 (2)电阻R4变化，改变基极电流大小，起限流作用。 (3)“报警声不要太急促”，即需要增大周期，周期与充放电线路上的电容(C1)及电阻(R2、R3)有关，应增大电容C1或增大电阻R2、R3的阻值。 (4)圆圈左下第1个引脚为1，逆时针编号。 (5)保证4、8脚为高电平，当有光时R1分压大，为高电平，此时三极管导通，相当于开关闭合，使4、8脚为高电平。其中基极接上一级信号，发射极与集电极之间相当于开关闭合。 2．如图1所示，这是三极管检测电路，能检测NPN型和PNP型三极管的好坏。 (1)当电路中接入PNP型被测三极管时，如果三极管正常，则__D__(在“A.LED1长亮；B.LED2长亮；C.LED1闪亮；D.LED2闪亮”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)如果被测三极管被击穿了，会出现__C__(在“A.LED1一直亮；B.LED2一直亮；C.LED1、LED2交替闪亮”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)电路中NE555与周边元器件组成了振荡电路，电路中VT1的作用是__C__(在“A.电压放大；B.电流放大；C.开关”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)小明准备搭建测试电路，请你帮他完成图2中芯片的连接。 【解析】 (1)左边部分：NE555、R1和C1构成多谐振荡器，初始状态：2、6脚为0，3脚为1，电容充电，充满，2、6脚为1，3脚为0，电容放电，3脚为1，循环。检测PNP型三极管接法如下图，当3脚为1时，VT1导通，7脚悬空，电流能从DC、R2下来，检测PNP型三极管能导通，LED2会亮，当3脚为0时，VT1截止，检测PNP型三极管也不通，LED1和LED2都不亮，故选D。 (2)三极管被击穿，相当于c、e之间导线接通，3脚为1时，LED2亮，LED1不亮；3脚为0时，LED1亮，LED2不亮。故选C。 (3)3脚输出0或1，而三极管VT1截止或饱和导通，所以是当开关用。 (4)根据图1，把检测三极管的三引脚从左到右e、b、c连接到图2中。把R1连在3脚和C1之间，2、6脚连在一起。 3．2024·强基联盟测试小明设计了如图所示的汽车安全带忘系提醒模型电路。S闭合代表汽车启动，力敏传感器RL的阻值随压力的增大而减小，安全带系好时，VD1与RG间的光线被遮挡，RG阻值增大。请完成以下任务。 (1)测试时，小明将8 kg的重物置于座位上，一段时间后蜂鸣器发声。现想要座位上的重物达到15 kg时，蜂鸣器才有可能发声，下列调节方案中可行的有__AC__(多选)。 A．RP1滑片上移　　　B．RP1滑片下移 C．RP2滑片下移 D．RP2滑片上移 (2)闭合S，若座位上有人未系安全带，则t秒后蜂鸣器发声。要延长t，最合理的措施是__D__(单选)。 A．调大RP3 B．调大RP4 C．短接VD2 D．换用容量更大的电容C (3)为增强效果，小明想增设LED发光提醒功能。请在虚线框1中选择合适的端子并连线，实现蜂鸣器未发声时，LED不发光；蜂鸣器发声时，LED闪烁的功能。 (4)小明想用555集成电路重新设计电路，实现第(3)小题原有电路的提醒功能。请在虚线框2中用一个三极管将电路补充完整。 【解析】 (1)力敏传感器RL的阻值随压力增大而减小，压力增大，RL减小，比较器U－增大，保证比较器输出不变，即U＋也要增大，即RP2增大，RP2滑片下移；若不改变RP2，则U＋不变，为了保证比较器输出不变，U－也要保持不变，RL减小，即RP1减小，RP1滑片上移。故选项A、C可行。 (2)要延长t，即要延长C的充电时间，充电回路为＋5 V→S→C→RP3→VD2→比较器的输出，增大C或增大RP3都可以延长C的充电时间，但是增大RP3会减小VT2的基极电流，有可能会造成蜂鸣器不发声。故选项D最合理。 (3)当比较器输出为低电平时，LED需闪烁，即或非门组成的振荡器输入端为低电平起振。若接在VD2正极，没有延时；若接在VT2基极，或非门组成的振荡器输入端为高电平，不能起振。当比较器输出为高电平时，振荡电路的输出为高电位，已知LED不发光，即振荡电路的输出端应与LED的负极相连，正极接电源。如图所示： (4)当安全带系好时，RG增大，VA为高电平，此时蜂鸣器不报警，即555的4脚为低电平。若选用NPN型三极管，三极管的集电极与电源正极相连，发射极与555的4脚相连，当VA为高电平时，发射极输出为高电平，与题目要求不符；选用PNP型三极管，三极管的发射极与电源正极相连，集电极与555的4脚相连，当VA为高电平时，集电极输出为低电平，符合题意。如图所示： 4．如图1所示，这是小明设计的土壤湿度监测装置，a、b为插入土壤中检测湿度的电极，其功能是：土壤湿度过大时，L2亮，蜂鸣器DH发声；土壤湿度过小时，L1亮，蜂鸣器DH发声；土壤湿度适中时，两灯均不亮，蜂鸣器DH也不发声。请完成以下任务。 (1)开关闭合后，当土壤湿度过大时，VD1、VD2的工作状态是__B__(在“A.VD1导通，VD2导通；B.VD1截止，VD2导通；C.VD1导通，VD2截止”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)小明搭建完实验电路后进行调试，发现无论湿度高还是湿度低，蜂鸣器DH都不能发声，下列原因不可能的是__C__(在“A.C1被击穿；B.C2被击穿；C.C3被击穿”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)小明想让蜂鸣器DH发声时增加一定的趣味性，于是又设计了如图2所示的电路，结果发现L3和L4的亮灯时长不一致，他想再次改进电路，使得L3和L4的亮灯时长基本一致，已知R10＝R11，请选择以下合适的元器件并将其对应的电路符号连接在虚线框中的电路中，以实现目标功能。 A.定值电阻　　B．普通二极管　C．普通三极管 【答案】 B，如图 (4)小明还想再增设一个湿度适中时的指示灯。请选用合适的逻辑门完成图3的电路连线，要求电路简单。 【解析】 (1)湿度过大时，V1导通，V2导通，V3截止，故VD1截止；V4导通，V5截止，V6导通，故VD2导通。 (2)C3作用是高频信号能通过阻隔直流电，当3脚输出振荡信号时，C3被击穿仍有震荡信号流过，蜂鸣器DH可以继续发声，选项C符合题意。 (3)提示：利用二极管的单向导电性：正向导通，反向截止，充电时与R10、C1有关，放电时与R11、C1有关。 (4)当VD1和VD2都截止时发光，也就是输入00时，发光二极管发光，需要或非门实现，输出1，发光二极管发光，设计电路见答案图。 5．小明设计了如图1所示的声控灯试验电路，环境光线暗且有声音时，发光二极管VD会发光一段时间；环境光线亮时，VD不会发光。请完成以下任务。 (1)根据电路原理分析，没有声音时，555集成电路的2脚的输入信号是__A__(单选)。 A．高电平　　　　　B．低电平 (2)小明画出了部分电路，请在虚线框中用1个比较器和2个电阻补全电路，实现电路功能。 【答案】 如图 (3)调试时，小明想要延长发光二极管VD的发光时间，下列措施可行的是__BD__(多选)。 A．调小RP2的阻值　　　　B．调大RP2的阻值 C．调小RP3的阻值 D．调大RP3的阻值 (4)小明想用逻辑门代替555集成电路实现原有电路功能。小明画出了部分电路，其中R5的阻值比R6的阻值小得多，信号L和S采用原电路的输入部分，请在图2的虚线框中连接给定的元器件，将电路补充完整。 【答案】 参考答案1： 参考答案2： 【解析】 (1)根据题意，环境光线暗时，声响触发VD发光，即有声音时2脚获得低电平信号，故没有声音时2脚输入高电平信号。 (2)根据题意，环境光线亮时，RG阻值小，光线信号为高电平，VD不发光，要求L为低电平，故虚线框中需要一个反相电路，通过将光线信号接入反相端子实现。 (3)发光二极管VD的发光时间由RP2与C2乘积和参考电平共同决定，所以调大RP2的阻值、增大C2的电容量、调大RP3的阻值均可。 (4)根据题意，原电路功能是：光亮时，灯灭，无延迟；光暗时，声响亮灯，无延迟，声停灭灯，有延迟。电路接法见答案图。 [B级　素养形成与评价] 6．2023·春晖中学检测如图所示，这是小明设计的光线警示电路，当光敏电阻RG检测到环境光线低于设定值时，发光二极管L1和L2交替发光告警。请完成以下任务。 (1)要调高光线告警设定值，可以将RP触点__B__(在“A.向上移动；B.向下移动”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)虚线框1中还需要增加一个三极管，下列电路中符合要求的有__A、D(顺序可颠倒)__(多选)。 A.　　　　B.　　　　C.　　　　D. (3)请在虚线框2中用一个电阻连线，实现电路功能。 【答案】 如图 (4)焊接完电路后，小明发现L1和L2交替发光时，L2亮起的时间非常短，L1亮起的时间远长于L2亮起的时间。经检查，是焊盘上某元器件连焊导致，下列元器件中，最有可能连焊的是__B__(在“A.C1；B.R7；C.R8；D.R10”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (5)光线较强时，小明发现依然有一个发光二极管会亮起，增加电路静态功耗。请在虚线框3中连线，实现当光线较强时，L1和L2均不亮；光线低于设定值时，L1和L2交替发光。 【解析】 为了便于表述，在原电路图中标注A、B、C、D四点及虚线框。 (1)调高光线告警设定值，临界时RG减小但A点电势不变，只能将RP触点向下移动。 (2)根据原题题意，A点电势高时，B、C需要导通，即与V1相连的NPN三极管需要导通。A、D两项可以实现。 (3)比较器＋输入端D点需要输入一个特定电位，故D点需要通过电阻与电源正极相连，若直接连比较器输出，当比较器输出为低电平时，比较器＋输入端D点一直接地，故只能连接D点和三极管V2的基极。 (4)C1充电时555定时器出高L2亮，C1放电555定时器出低L1亮时，充电电路为VCC→R7→C1→地。充电电路为C1→R7→R8→地。L2亮灯时间太短说明C1×R7很小，L1亮灯时间正常说明C1×(R7＋R8)正常，故R7过小即R7短路，所以选B。 (5)根据题干要求，当三极管V2导通时虚线框电路工作，V2截止时555电路断电，故选择V2集电结作为555电路的电源和报警灯的电源。555电源电压是特定5 V，调试时需要VCC略大于5 V，保障555的8脚电压为5 V。若电源电压为5 V则需要将555的8脚接VCC(4脚只要高电平对电压具体要求较低，接VCC或V2集电结都可以)，但报警灯必须接V2集电结。 7．如图1所示，这是门铃实验电路，当客人按下按钮S1时，BP发声。请完成以下任务。 2脚 6脚 3脚 7脚 <VCC 任意 高电平 断开 ＞VCC ＜VCC 保持 保持 ＞VCC ＞VCC 低电平 接地 (1)555集成电路管脚识别正确的是__B__。 A.　　　　B.　　　　　C.　　　　　D. (2)按下S1后电路正常工作时，2脚电压U2的U——t图线正确的是__B__。 　　　A.　　　　　　　　　　B. 　　　C.　　　　　　　　　　D. (3)夜晚客人来访时，会因不熟悉而找不到门铃按钮开关。小明想在门铃的按钮处安装一个指示灯，方便晚间来访客人。指示灯平时常亮，当客人按下按钮后指示灯明暗交替闪烁。请在图2的虚线框1中连线以实现功能。 【答案】 如图 要求：通过搭建实验电路(C1＝10 μF、R1＝2 kΩ、C3＝100 μF)证实，二极管观察到闪烁和喇叭发声能同时实现。二极管负极若接到7脚能实现相同功能。 (4)为增加简易防盗报警功能，小明重新设计了图3所示的电路，当盗贼破门碰断警戒线AB时会报警。电路搭建完成后，小明发现如果盗贼破门后重新连接AB，会立刻停止报警。请在图4的虚线框2中设计电路，将电路补充完整，设计要求：①警戒线一旦断开后维持报警(重新连接无效)；②元器件自选。 要求：能实现功能(自锁)；二极管、电阻等无遗漏(不会造成短路等)。也可用触发器、三极管等实现自锁。继电器可以用三极管驱动，也可以高电平直接驱动。 【解析】 本题是利用3脚反馈实现的555振荡器电路。 (1)双列直插集成电路的管脚识别规则一般都是缺口或识别小圆点在左边时，按照从左到右、从下到上的顺序依次逆时针排列。 (2)2脚电位由电容充放电决定，电容充放电是非线性的，一开始快，后来越来越慢，首先排除A、C两项。S1按下前，4脚接地，因此3脚恒为0(不受2脚控制)，则电容上的电压为0，2脚电位也为0；当S1按下时，因为2脚为0，3脚出1，此时3脚通过电阻R1对电容充电，2脚电位开始升高，升高到大于VCC时输出处于保持状态继续充电，直到高于VCC时因为6脚触发导致3脚输出0，此时电容开始放电，直到低于VCC时又会触发3脚出1继续充电，因此2脚电位稳定后始终保持在VCC～VCC。故选B。 (3)根据题意，按下按钮后要求指示灯明暗交替，因此指示灯需要接在3脚输出端，同时又要求S1未按时指示灯常亮，此时3脚电位恒为0，因此指示灯阴极应该接3脚，阳极串联限流电阻接电源。而3脚为0时7脚内部放电管也能导通，因此接7脚也可以。 (4)此题的关键是看到4脚上方多了一个开关J——1，AB重新接上不报警的原因是4脚变成了低电平，要使AB接上时还能维持报警只要这个开关J——1报警后能维持闭合即可，虚线框需要增加一个继电器电路控制J——1闭合，同时当AB断开输入高电平触发后要具有保持功能，上面给出的参考答案是比较器反馈实现自锁功能，其他采用触发器保持或两个三极管互锁电路也可以。以下是可行的其他答案： 8．2023·台州中学检测科学研究表明，下小雨时发出的“嘀嘀”声，具有一定的催眠作用，有助于失眠者进入梦乡，小明想设计这种模拟雨滴声的催眠器电路，原理图如下： (1)小明搭建完电路测试时发现雨滴声过于急促，下列操作不能解决这个问题的是__D__。 A．RP触点下滑 B．更换更大阻值的R C．增大C1的电容量 D．增大C2的电容量 (2)小明用面包板搭建了如图1所示的电路，面包板上的黑点表示引脚已经插入该孔中，电容C3和扬声器BP已经插入面包板但未和电路相连，请在图2中完成布线，注意插入的插孔需要用黑点标明。 (3)小明发现这个电路在失眠者入睡后仍持续工作，他准备给这个电路加上一个定时器，工作一段时间后能自动停止并能调节定时的时间，请在图3虚线框中连线，帮助小明完成电路设计。 【答案】 如图(A、B、C仅作标注用) 或 或 (4)小明搭建好电路后发现扬声器不能发声，下列故障可能的是__AD__(多选)。 A．C3短路 B．C4断路 C．C5短路 D．IC2的7脚虚焊 【解析】 (1)题干描述小明搭建完电路测试时发现雨滴声过于急促，说明3脚输出的振荡信号周期过小，频率过大。要解决这个问题，只能是调大振荡周期，时间常数τ＝RC，充放电回路里的电阻、电容越大，周期就会越大，充电回路如下图粗直线箭头所示，由VCC→R→RP→C1组成。放电回路如下图粗曲线箭头所示，由C1→RP→7脚→地组成。所以选项B和C都可以解决这个问题，而选项D中C2的作用是让5脚和地可靠地断开，不能改变周期，所以选D。而选项A，RP触点下滑，充电时，电容C1必须充到更高的电位，才能使U6为1，放电时，必须使C1放到更低电位才能使U6为0，相当于也增大了周期。 (2)按照电路图去连线，注意3脚连电容正极，扬声器两个脚没有正负之分，已经画了黑点的孔是不能再插第二根线的，题干已经说明插线孔要画黑点。 (3)题干要求连线实现定时器功能，并且能调节时间，也就是当S1按下，3脚要出1一段时间，已知U2＝0时，U3＝1，所以考虑2脚连A。接下去松开了S1，UA＝1＝U2。这时需要6脚的连线要能够实现U6从低慢慢变高，完成U3从1变0的过程，才能起到延时作用。并且还需要能够调节U6升高到1的时间，所以6脚可以连B，C脚悬空或和B点相连都可以。最后还要解决电容放电的问题，为下一次充电做准备，当U3＝0时，7脚是通地的，所以将7脚连到6脚或者连到C点都可以，因为放电时间可以不考虑。 (4)当C3短路时，在IC1的3脚出一段时间1的过程中，IC2的2、6脚恒为某个电位，U3不会振荡，扬声器不发声。当IC2的7脚虚焊时，在IC1的3脚出一段时间1的过程中，IC2的2、6脚完成一次从0到1的转变，IC2的3脚只有一次从1到0的转变，不能正常发声。选AD。 9．小明是个电子发烧友，他想自制一个喷泉(如图1所示)的控制电路，以下是他收集到可以用于喷泉的相关电路。IC1比较器功能：V＋>V－时输出高电平，V＋<V－时输出低电平；IC2为555集成电路，5脚电位为Vct，功能如表所示。图2、图3电路2脚初始均为低电平，请完成以下任务。 555功能表 汈汈汈汈汈 2脚 6脚 3脚 7脚 ＜Vct 任意 高电平 断开 >Vct <Vct 保持 保持 >Vct >Vct 低电平 接地 (1)图2中，R1＝R3＝R4＝2R2，闭合S1，IC1的A点电位为__A__。 A．大于3 V　　B．等于3 V　　C．小于3 V (2)闭合S1、S2时，下列波形图中最符合B点和C点输出的是__C__。 　　　　A.　　　　　　　　　　B. 　　　　C.　　　　　　　　　　D. (3)小明调节好图3电路中的各元器件的参数，使用时可以观察到喷泉水泵的工作状态是__B__。 A．连续不间断喷水 B．连续间断性喷水 C．喷水吸水轮流进行 (4)小明突发奇想，结合以上两个电路特点，两电路通过一个阻值较大(图4中虚线框中的电阻)连接，实现喷泉水泵间隔性喷水，并且间隔时间和喷水时长均发生有规律变化。请在图4虚线框中选择合适端点完成连线，使电路实现以上功能。 【解析】 (1)根据题意，2脚初始为低电平，当S1闭合后，U＋＞U－，所以6脚为高电平，R1和R3并联后与R4串联，所以A点电位大于3 V。 (2)根据题意，两个电路2脚初始均为低电平，那么图2的B点信号为电容两端的电位，为低电平，然后电容充电，B点电位升高，直到U－＞U＋时，6脚出低电平，电容放电，B点电位降低，直到U＋＞U－时，6脚出高电平，电容重新开始充电。周而复始，B点为低电平开始的振荡波形。据此排除A、B两项。图3是无稳态555电路，2脚初始为低电平，因此3脚初始输出高电平，电源通过R5、R6向电容C2充电，2、6脚电位升高，当2、6脚电位为高电平时，3脚为低电平，7脚接地，电容通过R6放电，直到2、6脚为低电平，周而复始，3脚输出从高电平开始的方波。据此排除C项。故选B。 (3)根据以上小题分析，图3为从高电平开始的方波，因此电机连续地周期性转动，所以喷泉连续间断性喷水。 (4)根据电路输入输出关系(5脚对于555电路为输入端)，题目要求间隔时间和喷水时长要有规律地发生变化，就需要改变IC2的充电电阻或电容，由于R5、R6、C2均无法改变，就需要改变5脚电位，因此IC1的输出信号通过电阻接到5脚，可以完成5脚电位周期性变化。 10．2023·绍兴一中检测如图所示，这是小明设计的声音报警电路。BM(驻极体话筒)检测到声音信号后，有源蜂鸣器发出一定时长的报警声。BM(驻极体话筒)、C2、C3、R1、R2、R3、R4、R5、VT1、VT2组成声音信号采集与放大电路，C4、C5、RP1、RP2、NE555构成延时电路。请完成以下任务。 (1)电容器C3、C5的作用是__C__(单选)。 A．滤波、延时　B．滤波、耦合　C．耦合、延时 (2)如果要延长报警时间，下列方法可行的是__AB__(多选)。 A．增大RP1的阻值 B．增大RP2的阻值 C．减小RP1的阻值 D．减小RP2的阻值 (3)小明发现有源蜂鸣器已损坏，于是重新设计了图2所示的电路，请在虚线框1中选择合适的端子，将电路补充完整，实现电路的原有功能。 (4)为了提高报警的警示效果，小明对图2电路进行了改进(如图3所示)，用IC9561报警音乐芯片替代NE555(IC2)，当检测到声音信号时喇叭发出一定时长的特定的报警音乐。IC9561芯片引脚的功能为：VDD接电源正极，VSS接电源负极，9561芯片输出端out输出报警音乐信号。请用1个电阻、1个NPN三极管完成虚线框中的电路设计。 【解析】 (1)C3通过交流，隔断直流，为耦合电容；C5、RP1决定3脚的延时效果，C5为延时电容。 (2)增大RP1的阻值，充电电流减小，延时增长；增大RP2的阻值，提高电容C5的充电阈值，延时增长。 (3)接法1和接法2：C6R8慢充慢放。 接法1(C6R8慢充慢放)： 接法2(C6R8慢充慢放)： (4)依照题意，3脚出1时IC9561启动，即VSS接地，电阻接在基极，芯片接在集电极。 学科网（北京）股份有限公司 $$