第一篇：相位的教學(xué)設(shè)計(jì)方案物理教案

一、教學(xué)目標(biāo)

1．了解簡諧運(yùn)動位移方程中各量的物理含義。

2．理解相位的物理意義。

二、重點(diǎn)難點(diǎn)

重點(diǎn)：理想相位在描述振動中的作用，知道簡諧運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式——振動方程。

難點(diǎn)：理解相位的物理意義。

三、教與學(xué)師生互動

教學(xué)過程

我們已引入了振幅來描述振動的強(qiáng)弱，同期和頻率描述振動的快慢，但振幅、周期和頻率不能反映振動物體在某時刻處于怎樣的狀態(tài)，不能比較兩個振動的步調(diào)是否一致，這說明僅有振幅、周期和頻率來描述振動還不夠全面．

（一）相位

【演示】兩相同的單擺：（1）將擺球向同一側(cè)拉離平衡位置達(dá)相同偏角后同時釋放，它們的振幅相同，周期相同，并且可觀察到它們運(yùn)動的步調(diào)一致．（2）將擺球向同一側(cè)拉離平衡位置達(dá)胡同偏角后先后釋放，它們雖振幅、周期相同，但可觀察到它們運(yùn)動的步調(diào)不一致．

1．概念的引入：為了描述振動物體所處的狀態(tài)和為了比較兩振動的物體的振動步調(diào)，引入物理量相位。

2．相位決定了振動物體的振動狀態(tài)，兩個振動的步調(diào)一致稱為同相，步調(diào)完全相反稱為反相．

（二）簡諧運(yùn)動的振動方程

簡諧運(yùn)動的位移和時間的關(guān)系可以用圖象來表示為正弦或余弦曲線，如將這一關(guān)系表示為數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式應(yīng)為：

【說明】簡諧運(yùn)動的位移和時間的關(guān)系也可以用余弦函數(shù)表示．

1．簡諧運(yùn)動的振動方程：我們稱簡諧運(yùn)動的位移隨時間變化的關(guān)系式

為振動方程（位移方程）．

2．圓頻率：振動方程中的 叫做圓頻率（相當(dāng)于勻速圓周運(yùn)動中的角速度），也叫做角頻率，它與周期或頻率之間的關(guān)系為。

3．相位的定義：我們把振動方程中正弦（或余弦）函數(shù)符號后面相當(dāng)于角度的量（），叫做振動的相位，相位也叫位相、周相，或簡稱為相．

【注意】同一個振動用不同函數(shù)表示時相位不同．

（1）相位（）是隨時間變化的一個變量

（2）t＝0時的相位，叫做初相位，簡稱初相．

（3）相位每增加2，就意味著完成了一次全振動．

4．相位差：顧名思義，是指兩個相位之差，在實(shí)際中經(jīng)常用到的是兩個具有相同頻率的簡諧運(yùn)動的相位差，反映出兩簡諧運(yùn)動的步調(diào)差異．

設(shè)兩簡諧運(yùn)動a和b的振動方程分別為：

它們的相位差為。

可見，其相位差恰等于它們的初相之差，因?yàn)槌跸嗍谴_定的，所以對頻率相同的兩個簡諧運(yùn)動有確定的相位差．

若，則稱b的相比a的相超前，或a的相比b的相落后 ；若，則稱b的相比a的落后，或a的相比b的相超前 ．

（1）同相：相位差為零，一般地為 ．（……）．

（2）反相：相位差為，一般地為 ．（……）．

【注意】比較相位或計(jì)算相位差時，要用同種函數(shù)來表示振動方程．

【例1】兩個簡諧運(yùn)動分別為 ．求它們的振幅之比，各自的頻率，以及它們的相位差．

【解析】振幅之比。它們的頻率相同，都是

。它們的相位差，而振動為反相．

【例2】一物體沿x軸做簡諧運(yùn)動，振幅為8cm，頻率為0.5hz，在t＝0時，位移是4cm，且向x軸負(fù)方向運(yùn)動，試寫出用正弦函數(shù)表示的振動方程 ．

【解析】簡諧運(yùn)動振動方程的一般表達(dá)式為．

根據(jù)題給條件有：a＝0.08m。所以（m）．將t＝0時x＝0.04m代入得，解得初相 或 ．因?yàn)閠＝0時，速度方向沿x軸負(fù)方向，即位移在減小，所以取。

所求的振動方程為（m）．

【小結(jié)】簡諧運(yùn)動的振動方程。（）叫做相位，表示振動所處的狀態(tài)．

【作業(yè)】課本p172練習(xí)五l～5

四、課堂反饋測試

1．有兩個振動的振動方程分別是：，下列說法正確的是（）

a．它們的振幅相同

b．它們的周期相同

c．它們的相差恒定

d．它們的振動步調(diào)一致

2．一質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動，其振動方程為，則振動的振幅為_______，周期為_______，t＝0時質(zhì)點(diǎn)的位移為_______，振動的初相為_______。

3．一個簡諧運(yùn)動的振動方程是

第二篇：動量定理的教學(xué)設(shè)計(jì)方案物理教案

充分利用演示實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入課題，由實(shí)驗(yàn)來分析問題，組織學(xué)生討論． 課時安排：1課時

教學(xué)用具：海綿墊、雞蛋、橡皮、紙帶、細(xì)線、鐵錘等 師生互動活動設(shè)計(jì)：

1、教師做好演示實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木哂袉l(fā)性問題指導(dǎo)點(diǎn)撥

2、觀察并親自動手實(shí)驗(yàn)、討論、分析 教學(xué)過程：

一、新課教學(xué)

演示實(shí)驗(yàn)，雞蛋從一米多高的地方落到海綿墊，雞蛋沒有打坡，為什么呢？由此切入動量定理的推導(dǎo)．

如圖所示，質(zhì)量為m的物體在水平恒力作用下，經(jīng)過時間t，速度由v變?yōu)椋膳ｎD第二定律知 ??（1）

而加速度 ??（2）

由（1）、（2）兩式得

或?qū)憺?/p>

即合外力的沖量等于物體動量的改變

強(qiáng)調(diào)對動量定理的理解

1、定理反映了合外力沖量是物體動量變化的原因．

2、動量定理公式中的f是研究對象所受的包括重力在內(nèi)的所有外力的合力，它可以是恒力，也可以是變力，如果是變力，此時所得的力是平均合外力．

3、動量定理公式中的f·t是合外力的沖量，是使研究對象動量發(fā)生變化的原因，在所研究的物理過程中，如作用在物體上的各個外力作用時間相同，求合外力的沖量可先求所有力的合外力，再乘以時間，也可以求出各個力的沖量再按矢量運(yùn)算法則求所有力的會沖量，如果作用在被研究對象上的各個外力的作用時間不同，就只能先求每個外力在相應(yīng)時間內(nèi)的沖量，然后再求所受外力沖量的矢量和．

4、動量定理公式中的 或，是所研究對象的動量的改變量，公式中的“－”號是運(yùn)算符號，與正方向的選取無關(guān)．

5、是矢量式，在應(yīng)用動量定理時，應(yīng)該遵循矢量運(yùn)算的平行四邊形定則，也可以采用正交分解法，將矢量運(yùn)算轉(zhuǎn)為代數(shù)運(yùn)算．

6、動量定理說明合外力的沖量與研究對象的動量增量的數(shù)值相同，方向一致，單位等效．合外力的沖量是物體動量變化的原因，但不能認(rèn)為合外力的沖量就是動量的增量．

7、動量定理不僅適用于宏觀低速物體，對微觀現(xiàn)象和高速運(yùn)動仍然適用．

二、分析例題

【例1】一個質(zhì)量為0.18kg的壘球，以25m/s的水平速度飛向球棒，被球棒打擊后，反向水平飛回，速度的大小為45m/s，設(shè)球棒與壘球的作用時間為0.01s，球棒對壘球的平均作用力有多大？

分析：球棒對壘球的作用力是變力，力的作用時間很短．在這個短時間內(nèi)，力的大小先是急劇地增大，然后又急劇地減小為零，在沖擊、碰撞一類問題中，相互作用的時間很短，力的變化都具有這個特點(diǎn)．動量定理適用于變力，因此，可以用動量定理求球棒對壘球的平均作用力．

由題中所給的量可以算出壘球的初動量和末動量，由動量定理即可求出壘球所受的平均作用力．

例題詳解見書．

【例2】如圖所示，用0.5kg的鐵錘釘釘子，打擊時鐵錘的速度為4rn／s，打擊后鐵錘的速度變?yōu)榱?，設(shè)打擊時間為0.01s

1、不計(jì)鐵錘的重量，鐵錘釘釘子的平均作用力是多大？

2、考慮鐵錘的重量，鐵錘打釘子的平均作用力是多大？

3、你分析一下，在計(jì)算鐵錘釘釘子的平均作用力時在什么情況下可以不計(jì)鐵錘的重量．

分析（如圖）以鐵錘為研究對象，受到重力和鐵釘彈力的作用，碰撞前，鐵錘動量，碰撞后，鐵錘動量為零．

根據(jù)動量定量，取向下為正方向列式，可求解

解答過程略．

歸納小結(jié)：應(yīng)用動量定理的解題步驟：

1、確定研究對象

2、進(jìn)行受力分析，確定全部外力及作用時間

3、找出物體的初末狀態(tài)并確定相應(yīng)的動量

4、選正方向，并給每個力的沖量和初末動量帶上正負(fù)號，以表示和正方向同向或反向

5、根據(jù)動量定理列方程求解 提示學(xué)生注意：

1、定理中ft是合外力的沖量，并且要把這個沖量與受到這個沖量的物體動量變化對應(yīng)起來．

2、物體的初末態(tài)速度應(yīng)是相對同一參考系（通常取地面為參考系）

3、各量應(yīng)統(tǒng)一用國際單位求解．

4、在重力與平均作用力相比很小的情況下，可以不考慮重力的沖量，而可忽略重力． 【例3】設(shè)在演示實(shí)驗(yàn)中，雞蛋從1m高處自由下落到海綿墊上，若從雞蛋接觸軟墊到陷至最低點(diǎn)經(jīng)歷的時間為0.2s，則這段時間內(nèi)軟墊對雞蛋的平均作用力多大？分析雞蛋受力情況，強(qiáng)調(diào)重力不能忽略，得出雞蛋受到軟墊的平均作用力很?。?應(yīng)用舉例：

請同學(xué)根據(jù)動量定理解釋例2和例3中作用力大小為什么相差很大，結(jié)合教材內(nèi)容分析討論．

結(jié)論：當(dāng)動量的變化一定時，縮短力的作用時間可增大作用力，延長力的作用時間可減小作用力．

三、學(xué)生活動：［小實(shí)驗(yàn)］紙帶壓在橡皮下面，放在水平桌面上，緩慢拉動和迅速抽動紙帶，觀察哪種情況下紙帶更容易抽出．

繼續(xù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，用細(xì)線拴住鐵塊，緩慢或迅速向上提起細(xì)線，觀察哪種情況下細(xì)線易斷．

用動量定理對上述兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋．

繼續(xù)提問：茶杯排在石頭上立即摔碎，掉在軟墊上不易摔碎等現(xiàn)象，用動量定理解釋．

四、總結(jié)、擴(kuò)展

1、對于大小、方向都不變的恒力，它們沖量可以用 計(jì)算，若f是變力，但在某段時間內(nèi)方向不變，大小隨時間均勻變化，可用平均力 求出在時間t內(nèi)的沖量，根據(jù)動量定理，通過求 間接求出變力沖量．

2、用動量定理解題時，“合外力的沖量”可改為“外力沖量的矢量和”．同時應(yīng)明確哪段時間內(nèi)的沖量以及對應(yīng)時間內(nèi)動量的變化．

3、沖量和動量的變化量都是過程量，適當(dāng)?shù)拇_定初末狀態(tài)可使解題過程簡化．

4、動量定理是由牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式推出的，如涉及到力與作用時間的問題應(yīng)優(yōu)選動量定理解題．

第三篇：相位怎么造句

相位拼音

【注音】： xiang wei

相位解釋

【意思】：作正弦變化的物理量，在某一時刻（或某一位置）的狀態(tài)可用一個數(shù)值來確定，這種數(shù)值叫做相位。

相位造句：

1、在偶然情況下該短句強(qiáng)調(diào)了相位對于激光的重要性。

2、研究人員預(yù)計(jì)，這些相位應(yīng)該表現(xiàn)為所觀測到的光線在亮度上的微弱變化。

3、典型的智能度量設(shè)計(jì)包括來用戶端的電流、相位和頻率數(shù)據(jù)向電力調(diào)配公司的周期傳送。

4、如果你在這條路徑上，你就會看見日環(huán)食，在它的最大相位，一個環(huán)狀陽光會包圍著月球。

5、在贗能隙相位期間，銅氧化物半導(dǎo)體中電子發(fā)生了改變，那里的電子隧穿能力在不同的氧原子中有所區(qū)別。

6、輪廓調(diào)制結(jié)合了一種相位調(diào)制信號的波形和放大器的輸出阻抗，可在某個較大型輸出電源關(guān)閉后保持更高的效率。

7、在2011年一月，北半球其他地方溫度降低的一部分原因是北極濤動處于負(fù)相位。

8、四百年前，伽利略第一次觀察到金星具有類似的相位。

9、如果衛(wèi)星們位置相近，它們還會顯示出相似的相位。

10、上個月，在土星軌道上的宇宙飛船卡西尼號拍的這張照片，捕捉到土星著名的衛(wèi)星中的兩個，呈凸圓相位。

11、如果兩個相位不相符合，就不能成鍵。

12、這等到我們之后講到成鍵時是非常重要的，現(xiàn)在先要記住，我們有兩個節(jié)點(diǎn)，不好意思，是兩個葉瓣，每個都是不同的相位。

13、他們認(rèn)為這可能與在所謂的贗能隙相位期間的電子活動有關(guān)，而室溫處在這段超導(dǎo)電性受到破壞的溫度范圍內(nèi)。

14、因?yàn)橄辔黄朴兴姆N可能，所以每一個符碼可以對兩比特位的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

15、并發(fā)相位包括技術(shù)開發(fā)、工程、制造、產(chǎn)品和后續(xù)支持等將影響未來競爭采購。

16、傳統(tǒng)上，數(shù)碼單反相機(jī)使用一個單獨(dú)的對焦感應(yīng)器進(jìn)行相位偵測。

17、關(guān)于它們我要指出的是,它們有兩個節(jié)點(diǎn)，你們可以看到在這里,這些節(jié)點(diǎn)的顏色不同，它們的相位不一樣。

18、時的夏季相一致。當(dāng)夏季北極震蕩處于正相位時，就會導(dǎo)致沙漠地區(qū)形成強(qiáng)風(fēng)并刮向湖區(qū)北部以及喜馬拉雅山脈南麓。

19、在計(jì)算相位角時,用不到多少物理知識。

20、這不是指正負(fù)電荷，它是指相位，這是從波函數(shù)中得來的。

21、信號相位的必要相移通過專用波束調(diào)節(jié)控制器或集中安排的處理器進(jìn)行控制。

22、在幾年的時間里，伽利略對月球，金星的相位變化，木星的衛(wèi)星的觀測，粉碎了我們認(rèn)識中的太陽系古老的托勒密模型。

23、此圖拍攝點(diǎn)距土星526,000英里，太陽-土星-飛船夾角(相位)為74度，圖像比例尺為每個象素31英里。

24、這幅景觀是在太陽-恩克拉多斯-太空船這樣的角度下拍攝完成的，或者用相位來講，以73度角拍攝。

25、我們可以說我們在這,有正相位而這有負(fù)相位。

26、那么這樣,就有相位角，我會回過去講它。

27、下一個看見這么又大又亮的滿月的機(jī)會，將出現(xiàn)在明年的5月6日，而且它最圓的相位出現(xiàn)的時間只有近地點(diǎn)附近的數(shù)分鐘而已。

28、每一個符碼都通過相對于上一個符碼的相位偏移（也即調(diào)制方案的差分部分）來進(jìn)行編碼。

第四篇：相位測距

基于高精度測距的APD接收電路設(shè)計(jì)

相位式測距是通過測量連續(xù)的幅度調(diào)制信號在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測定信號傳播時間，從而得到被測距離的。這種方法測量精度高，通常在毫米量級。

2.1相位式激光測距技術(shù)

2.1.1基本原理

相位式激光測距的基本原理框圖如圖所示：

相位法激光測距基本原理圖

它由激光發(fā)射系統(tǒng)、角反射器、接收系統(tǒng)、綜合頻率系統(tǒng)、混頻鑒相系統(tǒng)和計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。角反射器是一種三個反射面之間互成90°的光學(xué)棱鏡，90°角要求有誤差小于± 2 ''的加工精度；它可以把射來的光線按原方向反射回去，即一個入射光射入后，不論入射角如何，經(jīng)角反射器棱鏡反射后的光線與入射光線平行。

相位法激光測距技術(shù)就是利用發(fā)射的調(diào)制光和被目標(biāo)反射的接收光之間光波的相位差所包含的距離信息來實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)距離量的測量。由于采用調(diào)制和差頻測相技術(shù)，具有測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有合作目標(biāo)的精密測距場合。

基本原理如下：

相位式激光測距調(diào)制波形圖

設(shè)調(diào)制頻率為f，幅度調(diào)制波形如圖 2.2 所示，波長為

式中c是光速，λ是調(diào)制波形的波長。由圖可知，光波從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)的相移φ可表示為

式中，m 是零或正整數(shù)，Δm 是個小數(shù)，A,B 兩點(diǎn)之間的距離 L 為

式中，t 表示光由A點(diǎn)傳到B點(diǎn)所需時間。

給出(2-3)式時已利用了(2-1)式和(2-2)式。由(2-3)式可知，如果測得光波相移φ中2π的整數(shù) m 和小數(shù)Δm，就可由(2-3)式確定出被測距離 L，所以調(diào)制光波被認(rèn)為是相位式激光測距儀測量距離的一把度量標(biāo)準(zhǔn)，可以形象的稱之為“光尺”。不過，用一臺測距儀直接測量A和B兩點(diǎn)光波傳播的相移是非常困難的，因此采用在B點(diǎn)設(shè)置一個反射器(即所謂合作目標(biāo))，使從測距儀發(fā)出的光波經(jīng)反射器反射再返回測距儀，然后由測距儀的測相系統(tǒng)對光波往返一次的相位變化進(jìn)行測量。圖 2.3示意地表示光波在距離 L 上往返一次后的相位變化。

光波往返一次后的相位變化圖

為分析方便，假設(shè)測距儀的接收系統(tǒng)置 A'，(實(shí)際上測距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在A點(diǎn))，并且AB = BA'，A A' = 2L，如圖 2.3 所示，則有

或

式中，m是零或正整數(shù)，Δm是小數(shù)。這時，Ls表示相應(yīng)于半個調(diào)制周期內(nèi)光波的傳輸距離，稱之為測距儀的“電尺長度”。

如果被測距離的概略值已經(jīng)精確到電尺長度以內(nèi)，即已經(jīng)知道m(xù)的具體數(shù)值，則被測距離的精確值就要根據(jù)Δm 也就是Δφ來確定。然而實(shí)際上經(jīng)常是不知道被測距離的概略值，而只根據(jù)一個調(diào)制頻率又無法確定整周期數(shù)m，因而不能唯一地確定被測距離。這個問題稱為測距儀的多值性。由于相位測相技術(shù)只能測量出不足2π的相位尾數(shù)Δφ，即只能確定小數(shù)Δm=Δφ/2π，而不能確定出相位的整周期數(shù)m，因此，當(dāng)距離上大于Ls時，僅用一把“光尺”是無法測定距離的。因此采用單一頻率測距時，由于只能在一個電尺長度內(nèi)測量，測距范圍為Ls。

圖2.4光波經(jīng)2L后的相位變化

當(dāng)距離L < λ/2時，即m = 0時，可確定距離L為

由此可知，如果被測距離較長，可降低調(diào)制頻率，使得Ls > L即可確定距離L。但是由于測相系統(tǒng)存在的測相誤差，使得所選用的Ls愈大時測距誤差愈大。例如，如果測相系統(tǒng)的測相誤差為1‰，則當(dāng)測尺長度Ls = 10m時，會引起lcm 的距離誤差，而當(dāng)Ls = 1000m時，所引起的誤差就可達(dá)lm。所以，既能測長距離又要有較高的測距精度，解決的辦法就是同時使用Ls不同的幾把“光尺”。例如要測量584.76m 的距離時，選用測尺長度Ls為1000m 的調(diào)制光作為“粗尺”，而選用測尺長度Ls為10m的調(diào)制光作為“細(xì)尺”。假設(shè)測相系統(tǒng)的測相精度為1‰，則用Ls1可測得不足1000m的尾數(shù)584m，用Ls2可測得不足10m的尾數(shù)4.76m，將兩者結(jié)合起來就可以得到 584.76m。

這樣，用一組(兩個或兩個以上)測尺一起對距離L進(jìn)行測量，就解決了測距儀高精度和長測程的矛盾，其中最短的測尺保證了必要的測距精度，最長的測尺則保證了測距儀的測程。

3.2激光發(fā)射部分

激光發(fā)射部分，包括激光調(diào)制信號（4MHz和40MHz兩路信號）的產(chǎn)生、激光信號的產(chǎn)生和調(diào)制發(fā)射部分三個模塊。

3.2.1激光調(diào)制信號的產(chǎn)生

發(fā)射部分最重要的是激光調(diào)制信號產(chǎn)生模塊即電路中各個頻率的產(chǎn)生模塊，其中最主要部分包括鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和基于 CPLD和VHDL語言的分頻器的設(shè)計(jì)。

由總體框圖可知，本系統(tǒng)中除了光頻信號外，電路中一共出現(xiàn)五個不同頻率的信號，即：主振1：fs1=40MHz，主振2fs2 =4MHz，本振1：ft1 =40.01MHz，本振2：ft2=4.01MHz和10KHz的混頻輸出信號，除了最后一個混頻輸出信號外，其他四個頻率的信號都將在這個模塊當(dāng)中產(chǎn)生。

其中，主振1（fs1）：由40MHz的有源晶振直接產(chǎn)生，這是整個系統(tǒng)頻率產(chǎn)生的源，由系統(tǒng)框圖可以看到，這個信號有四個功能：

1)作為激光調(diào)制信號，用這個信號去調(diào)制激光器，產(chǎn)生40MHz的發(fā)射信號； 2)通過分頻產(chǎn)生4MHz的主振2（fs2）信號；

3)通過分頻提供給鎖相環(huán)參考信號，從而獲得本振1(ft1)信號；

4)給混頻器2一個輸入信號，與本振1混頻后獲得發(fā)射信號的相位信息，給測相器提供一個開門信號，開始記錄相位差信號。

主振2（fs2）：由CPLD對主振1（fs1）信號10分頻直接產(chǎn)生。由系統(tǒng)框圖可以看到，這個信號的功能為：

1)作為激光調(diào)制信號，用這個信號去調(diào)制激光器，產(chǎn)生4MHz的發(fā)射信號； 2)通過分頻提供給鎖相環(huán)參考信號，從而獲得本振2(ft2)信號；

3)給混頻器3一個輸入信號，與本振2混頻后獲得發(fā)射信號的相位信息，給測相器提供一個開門信號，開始記錄相位差信號。

本振1(ft1)：由鎖相環(huán)產(chǎn)生。由系統(tǒng)框圖可以看到，這個信號的功能為：

1)給混頻器2提供一個輸入信號，與主振1混頻后獲得發(fā)射信號的相位信息，給測相器提供一個開門信號，開始記錄相位差信號；

2)給混頻器1提供一個輸入信號，與回波的40MHz信號混頻后獲得回波信號的相位信息，給測相器提供測距相位信息。

本振2(ft2)：由鎖相環(huán)產(chǎn)生。由系統(tǒng)框圖可以看到，這個信號的功能為：

1)給混頻器3提供一個輸入信號，與主振2混頻后獲得發(fā)射信號的相位信息，給測相器提供一個開門信號，開始記錄相位差信號；

2)給混頻器4提供一個輸入信號，與回波的4MHz信號混頻后獲得回波信號的相位信息，給測相器提供測距相位信息。

3.2.1.1鎖相環(huán)（PLL）的設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)路是一個相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。在電子線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，鎖相環(huán)有很廣的用途。本系統(tǒng)用鎖相環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生所需頻率的信號，即40.01MHz和4.01MHz的本地振蕩信號。

本設(shè)計(jì)中，鎖相環(huán)路的功能組成框圖如圖3.3示。鎖相環(huán)路由壓控振蕩器（VCO）、環(huán)路濾波器、鑒相器、整形器、分頻器和源振蕩器組成。

圖3.3鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖

40.01MHz本地振蕩信號的產(chǎn)生電路原理圖如下：

圖3.4 40.01MHz本地振蕩信號產(chǎn)生電路圖

MC4044鑒相器原理

MC4044是數(shù)字鑒相器芯片，內(nèi)部由三部分組成:鑒相器(Phase Frequency Detector),電荷泵(Charge Pump),運(yùn)算放大器(Amplifier)。如圖 3.5 所示。

圖3.5 MC4044的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖

芯片中鑒相器2是一塊標(biāo)志鑒相結(jié)果模塊，在本系統(tǒng)中沒有使用。鑒相器1時序圖為圖3.6所示

圖3.6鑒相器1的時序圖

鎖相環(huán)路的工作過程是一個動態(tài)的反饋過程。如上面的原理和電路系統(tǒng)圖所講，有源晶振產(chǎn)生的40MHz標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)過4000分頻得到10KHz信號,送給MC4044（ST002）作參考信號，而壓控振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過4001分頻送給MC4044，作鑒相器的另一個輸入信號。如果鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，即鎖相環(huán)不能自動的使 MC4044的兩輸入信號同頻同相，也就是MC4044的輸出電壓不能調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容使壓控振蕩器振蕩在合適的頻率。此時需要手動調(diào)節(jié)壓控振蕩器中的中周，即調(diào)節(jié)回路電感，使鎖相環(huán)離開失鎖狀態(tài)，進(jìn)入捕獲狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入捕獲狀態(tài)后，MC4044（ST002）通過兩個輸入信號的相位差產(chǎn)生電壓誤差信號，這個電壓誤差信號經(jīng)過低通濾波器后去控制變?nèi)荻O管的電容，進(jìn)而控制振蕩器的頻率和相位，使鑒相器的相位誤差變的更小。這個過程不斷循環(huán)反復(fù)，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)，即壓控振蕩器的輸出信號經(jīng)4001分頻后能與有源晶振輸出信號經(jīng)4000分頻后的信號同頻同相，鑒相器的輸出相差為0，即輸出引腳（U1、D1）都為高電平，輸出的電壓誤差信號為一定值，變?nèi)荻O管的電容為一穩(wěn)定值，壓控振蕩器的輸出為頻率和相位都穩(wěn)定的信號。這個過程可以用圖 3.7 來表示。

圖3.7鎖相過程示意圖

3.2.1.2基于CPLD和VHDL語言的分頻器的設(shè)計(jì)

CPLD是復(fù)雜的可編程陣列，專指那些集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件。CPLD是現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展的技術(shù)成果，用CPLD能大大的減小數(shù)字邏輯電路帶來的需要芯片多，制板麻煩的困難，能把很多數(shù)字電路的功能縮小到一個小小的芯片內(nèi)，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，速度也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要用到分頻數(shù)為幾千的分頻器，采用數(shù)字芯片設(shè)計(jì)是很困難的事情，所以采用的Altera公司的MAX7064芯片設(shè)計(jì)分頻器。

使用VHDL硬件描述語言對MAX7064芯片進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，一個完整的VHDL程序設(shè)計(jì)由以下幾個部分組成：庫，程序包，實(shí)體，結(jié)構(gòu)體，配置。

庫(LIBRARY)：用以存儲預(yù)先完成的程序包和數(shù)據(jù)的集合體；

程序包(PACKAGE)：聲明在設(shè)計(jì)或?qū)嶓w中將用到的常數(shù)、數(shù)據(jù)類型、元件及子程序等； 實(shí)體(ENTITY)：聲明到其他實(shí)體或其他設(shè)計(jì)的接口，即定義本設(shè)計(jì)的輸入/輸出端口； 結(jié)構(gòu)體(ARCHITECTURE)：定義實(shí)體的實(shí)現(xiàn)，即電路的具體描述。在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，如果有時序設(shè)計(jì)，常用到進(jìn)程處理結(jié)構(gòu)，即PROCESS()結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中的語句具有順序執(zhí)行功能，為時序邏輯提供了方便。而在此結(jié)構(gòu)外部的語句則是并行運(yùn)行，能很方便的實(shí)現(xiàn)組合邏輯。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分頻器的設(shè)計(jì)用到進(jìn)程結(jié)構(gòu)，即PROCESS()結(jié)構(gòu)； 配置(CONFIGURATION)：為實(shí)體選定某個特定的結(jié)構(gòu)體，當(dāng)實(shí)體中只有一個結(jié)構(gòu)體時，默認(rèn)配置為這個結(jié)構(gòu)體配置。

在QUARTUS Ⅱ環(huán)境下，對MAX7064編寫硬件描述語言。如圖3.8所示，MAX7064的設(shè)計(jì)過程包括以下幾步：

圖3.8QUARTUS環(huán)境下的開發(fā)流程

在本激光測距系統(tǒng)中，需要五個分頻器：

(1)40MHz十分頻，產(chǎn)生4MHz的信號源，因?yàn)橐?MHz的信號去分頻和作為主振信號去驅(qū)動激光器，所以4MHz信號必須占空比為1:1，而不同于傳統(tǒng)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器型的分頻，即占空比為 9:1；

(2)40MHz經(jīng)4000分頻產(chǎn)生10KHz信號送到鑒相器1；

(3)40.01MHz的壓控振蕩器產(chǎn)生的本振信號經(jīng)4001分頻產(chǎn)生10KHz信號送到鑒相器1；(4)4MHz經(jīng)400分頻產(chǎn)生10KHz信號送到鑒相器2；

(5)4.01MHz的壓控振蕩器產(chǎn)生的本振信號經(jīng)401分頻產(chǎn)生10KHz信號送到鑒相器2； 對(2)、(3)、(4)、(5)的分頻器，如果采用計(jì)數(shù)型分頻器(占空比不為1：1)，則可能會出現(xiàn)鑒相器捕捉不到信號邊沿的情況，所以在設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一采用占空比為1：1((3)、(5)的約為1：1)的設(shè)計(jì)。

3.2.2調(diào)制發(fā)射部分

驅(qū)動電路的輸入信號是40MHz和4MHz兩個頻率的信號的直接相加所得的和信號。電路原理圖如下：

圖3.10 調(diào)制發(fā)射模塊電路圖

綜合以上，發(fā)射部分電路原理圖如下圖3.11所示

圖3.11發(fā)射部分總電路圖

測相原理就是對一定數(shù)目的測相脈沖進(jìn)行積分，根據(jù)積分電平值來測算精測值。

圖5-3表示CPLD中測相脈沖的產(chǎn)生時序。把15M的參考信號與測距信號同時輸入CPLD，如圖5-3，產(chǎn)生兩者對應(yīng)的上升沿之間為1，其余地方為零的脈沖，就是測相脈沖。這在CPLD中是比較容易實(shí)現(xiàn)的。顯然，測相脈沖的占空比代表了測距信號與參考信號的相位差。然后，CPLD輸出10個測相脈沖送入積分電路進(jìn)行積分，由電路基礎(chǔ)知識可以知道，若放電常數(shù)遠(yuǎn)大于脈沖周期，則對脈沖的理想積分圖像如圖5-4所示。

故易見，測相脈沖的占空比越高，即測距信號與參考信號相位差越大，積分電平越高，相位差為2?時電平最高。設(shè)將最高電平量為Vmax，將其分配到2?的相位差中，則單位弧度對應(yīng)的電平值為:

設(shè)充電完畢的時間為。在時間處，也就是開始采樣時間處，立即用A/D對電平值進(jìn)行采樣。采得的電平值的精確度直接關(guān)系著或者說決定著系統(tǒng)的測距精度，所以說非常關(guān)鍵。由于A/D的采樣時間比起時間常數(shù)要小得多，所以可以對電平值多次采樣以提高精度。采10次求平均，即得精測采樣電平值。設(shè)采得的電平值為V，則由式(5-2)可知，此時的精測相位差應(yīng)為:

數(shù)據(jù)銜接

測得粗測值和精測值即可得到最終的測距值。數(shù)據(jù)銜接是這樣的:粗測填充用的脈沖頻率為15M，由式(1.4)可得每計(jì)一個脈沖代表10m的距離。設(shè)計(jì)數(shù)值為n，由式(5-3)精測相位差為

精測用頻率也為15M，測尺為10m，最終的距離值D為

內(nèi)光為參考光，外光為接收光

APD接收電路

光電接收電路由 雪崩光電二極管APD、RC 濾波網(wǎng)絡(luò)、LC 帶通濾波器、兩級放大和一個滯回比較器組成。反射回來的測距光波被光學(xué)接收系統(tǒng)接收，并會聚到APD。在測距光波的照射下，APD上產(chǎn)生了光電流，該光電流的大小隨測距光波而變化，因此在負(fù)載上得到了與測距光波頻率變化規(guī)律相同的電壓信號。APD雪崩光電二極管采用負(fù)偏壓工作方式，一端接地，一端接由 APD 高壓偏置電路輸出的反向高壓；RC 濾波網(wǎng)絡(luò)的主要作用是濾除調(diào)制信號的高頻分量，以及壓縮系統(tǒng)噪聲帶寬，從而抑制光電系統(tǒng)噪聲，提高檢測靈敏度；LC 帶通濾波器是一個窄帶濾波器，其主要作用是讓中心頻率為 15MHz的一定帶寬的信號頻帶通過，而帶寬以外的信號則被濾掉。放大電路由5U1(SA5211)和運(yùn)放 TL072 構(gòu)成，滯回比較器由運(yùn)放 TL072 組成，作用是將放大后的接收信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)脈沖信號

本系統(tǒng)APD采用日本濱松公司生產(chǎn)S2381，其重要的參數(shù)特性如下 光譜響應(yīng)范圍:400-1100nm;光靈敏度:0.5A/W（800nm）;暗電流:典型值為0.05nA，最大值為0.5nA;擊穿電壓:典型值為150V，最大值為200V;截止頻率:1000MHz;溫度系數(shù):0.65V/℃;結(jié)電容:1.5pF;過剩噪聲:0.3（800nm）;增益:100（800nm）。

第五篇：物理教案

初三物理教案

§13——2液體壓強(qiáng)

李潤蓮

一、教材分析：

壓強(qiáng)知識是繼密度知識后深入學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容，也是學(xué)習(xí)浮力的一個鋪墊，本節(jié)內(nèi)容是在了解固體壓強(qiáng)以后再學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)的知識，并通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解液體壓強(qiáng)的特點(diǎn)，了解液體壓強(qiáng)在生活中的應(yīng)用，會解釋一些簡單的相關(guān)現(xiàn)象。本節(jié)內(nèi)容比較抽象，感性知識較小，解答問題時學(xué)生需要一定的分析能力和語言表達(dá)能力，教學(xué)中注意加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多引入例子，從而讓學(xué)生獲得較多的感性認(rèn)識，為理解進(jìn)一步學(xué)習(xí)抽象的核心部分打好基礎(chǔ)。

二、教學(xué)目標(biāo)：

Δ知識與技能

了解液體內(nèi)部都有壓強(qiáng)，液體內(nèi)部各個方向的壓強(qiáng)，了解液體壓強(qiáng)大小跟什么因素有關(guān)，認(rèn)識液體壓強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用如連通器。

Δ過程與方法

通過實(shí)驗(yàn)的操作，了解液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點(diǎn)，培養(yǎng)初步的觀察、分析和歸納能力。

Δ情感態(tài)度與價值觀

觀察現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)探究過程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度，提高把科學(xué)知識應(yīng)用于社會生活的意識。

三、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：液體壓強(qiáng)的特點(diǎn)。

難點(diǎn)：應(yīng)用液體壓強(qiáng)知識解釋實(shí)際現(xiàn)象。

四、教學(xué)方法：

分組分享教學(xué)法（分九組進(jìn)行探究）

五、教學(xué)準(zhǔn)備：

連通器一個、U形壓強(qiáng)計(jì)、水、圓筒水槽一個、橡皮膜和膠管、投影片

六、教學(xué)過程：

引入：分九組實(shí)驗(yàn)，看投影片、看看想想議議。教師提出問題：潛水艇的銅板為什么造得這么厚？

（一）分組分享活動1：

每個小組都分發(fā)一只自制的可樂瓶，底部和側(cè)壁用橡皮膜封好，把可樂瓶加滿水，各組各自分析和討論，教師讓學(xué)生歸納結(jié)論：液體對容器底部和側(cè)壁都有壓強(qiáng)。

（二）分組分享活動2：

認(rèn)識壓強(qiáng)計(jì)

教師口述，液體對容器壁和底部都有壓強(qiáng)，那么，液體內(nèi)部有無壓強(qiáng)？我們可用U形液體壓強(qiáng)計(jì)測出。用手壓橡皮膜，讓學(xué)生觀察U形管液柱的高度差，讓學(xué)生知道，如果對橡皮膜有壓強(qiáng)，U形管就會有高度差，對橡皮膜的壓強(qiáng)越大，高度差越大，讓各組學(xué)生自己操作兩次，用手壓橡皮膜感受一下。

（三）分組分享活動3：

A、認(rèn)識液體內(nèi)部存在壓強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)時先把探頭置于空氣中，記錄好高度差，再把探頭沉沒在液體中，觀察U形管兩邊示數(shù)變化情況。

B、認(rèn)識液體內(nèi)部在同一深度上各個方向壓強(qiáng)關(guān)系。提示學(xué)生，怎樣可以固定深度不變（把連桿固定在容器壁上），讓學(xué)生自己設(shè)法改變探頭的方向，記錄方向和數(shù)據(jù)。

C、認(rèn)識液體內(nèi)部壓強(qiáng)跟深度關(guān)系，讓學(xué)生自己改變深度兩次測出三個不同高度差的值。

D、認(rèn)識液體內(nèi)部壓強(qiáng)跟密度的關(guān)系。教師提問，要研究液體壓強(qiáng)跟密度的關(guān)系，必須要哪些條件一定？讓學(xué)生討論后在操作，（加食鹽和調(diào)節(jié)深度，再讓學(xué)生重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)記錄各方向的高度差）

（四）組分享活動4：

（1）學(xué)生對上述四組實(shí)驗(yàn)分析歸納結(jié)論：分組討論，看哪組歸納得最準(zhǔn)確。

（2）論剛才所用的探究方法是什么方法（控制度量法）

（五）分組分享活動5：

認(rèn)識連通器。讓學(xué)生自己對連通器加水，并把連通器左右不平擺放，觀察各容器的水位，學(xué)生分組歸納結(jié)論（當(dāng)水靜止時，各容器的水面相平）。讓學(xué)生分組討論，連通器結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？（上端開口下端連通）分組討論，讓學(xué)生舉例子，并討論船閘的原理。

（六）分組分享活動6：

討論書本上的潛艇外鋼殼為何這么厚，為什么堤壩造得上窄下寬？

七、板書設(shè)計(jì)：

§13——2液體壓強(qiáng)

一、認(rèn)識液體對容器底部的壓強(qiáng)

二、認(rèn)識U形壓強(qiáng)計(jì)

三、歸納結(jié)論：

Ⅰ液體內(nèi)部的各個方向都有壓強(qiáng)。

Ⅱ同一深度，液體各個方向壓強(qiáng)相等。

Ⅲ液體壓強(qiáng)隨深度的增加而增大。

Ⅳ密度越大，壓強(qiáng)越大。

四、液體壓強(qiáng)跟深度和密度有關(guān)（控制度量法）

五、連通器

當(dāng)同種液體靜止時，各容器的液體相平，應(yīng)用例子有：

八、作業(yè)布置：詳見《課程探究》本節(jié)內(nèi)容