謝建明

（鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（含模擬和數(shù)字兩大部分）是高等學(xué)校理科類學(xué)生廣泛選修的課程，對(duì)于電子、通信等專業(yè)更是必修的基礎(chǔ)入門課程[1]，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。由于理論的枯燥和學(xué)生認(rèn)知的局限，傳統(tǒng)的“黑板加粉筆”的教學(xué)模式已經(jīng)不能獲得很好的教學(xué)效果。對(duì)于一些重點(diǎn)、難點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生需要通過直觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果來完全理解該問題的內(nèi)涵，所以實(shí)踐教學(xué)是學(xué)好電子技術(shù)基礎(chǔ)的不可或缺的部分[2－4]。

現(xiàn)在有條件的學(xué)校，上課主要借助以PPT為主的多媒體。運(yùn)用多媒體技術(shù)，的確可以做到形象、生動(dòng)地展現(xiàn)一些抽象的教學(xué)內(nèi)容，所以許多教師特別喜歡多媒體教學(xué)，逐漸覺得課堂演示實(shí)驗(yàn)可有可無(wú)。但是借助多媒體技術(shù)畢竟只是主要以圖片、動(dòng)畫的方式展示一些實(shí)驗(yàn)的過程，與用做實(shí)驗(yàn)所帶來的直觀性、互動(dòng)性是無(wú)法相比的。

目前電子技術(shù)方面的實(shí)踐教學(xué)都是獨(dú)立設(shè)課，幾乎沒有相應(yīng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)。這樣雖然有利于全面協(xié)調(diào)安排有關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但是理論課上有一些需要借助實(shí)驗(yàn)才能清楚表達(dá)的內(nèi)容不能及時(shí)得到解決。

與普通物理、化學(xué)具有豐富的演示實(shí)驗(yàn)器材相比，市面上幾乎沒有相關(guān)的電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂演示實(shí)驗(yàn)用的器材。而實(shí)驗(yàn)室用到的實(shí)驗(yàn)器材比較笨重，不方便攜帶。所以設(shè)計(jì)實(shí)用性較強(qiáng)的簡(jiǎn)單便攜的電子技術(shù)基礎(chǔ)演示實(shí)驗(yàn)用的演示儀就顯得很有必要。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 輕便易攜

實(shí)驗(yàn)演示儀一定不能笨重，要方便教師攜帶?，F(xiàn)在教師上課一般都要帶不少的教學(xué)文件，而且辦公室離教室較遠(yuǎn)，還可能要爬樓，要是每次上課都要扛?jìng)€(gè)大實(shí)驗(yàn)儀器到教室，肯定吃不消。所以實(shí)驗(yàn)演示儀最好大小不超過一本課本，重量不超過一部手機(jī)。

1.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

實(shí)驗(yàn)演示儀是用來幫助理論課教學(xué)的，不能搞得太復(fù)雜，如果為了解釋實(shí)驗(yàn)演示儀的功能就要花上大半節(jié)課，那就得不償失了。電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，故障率就越低。所以板上電路要相對(duì)簡(jiǎn)單，各個(gè)元器件要一目了然，演示儀上管腳說明和文字標(biāo)記清楚，管腳和外圍元件之間的連接關(guān)系可以從實(shí)驗(yàn)板上直接看到。為了防止突然故障，這個(gè)演示儀上的主要元件還應(yīng)該做到容易更換[5]。

1.3 方便操作

演示實(shí)驗(yàn)重在演示實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，而不是花大量時(shí)間教會(huì)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，所以要提高實(shí)驗(yàn)電路穩(wěn)定性。因此，這個(gè)演示儀的連線完全是固定的，不需要另外連線，這一點(diǎn)在教學(xué)上非常重要。試想，如果要讓百十個(gè)學(xué)生在有限的上課時(shí)間等著教師檢查電路，課堂秩序都會(huì)出問題。特別是當(dāng)電路復(fù)雜的時(shí)候，教師一著急，再遇到像誤將輸入端定義成輸出端而損壞了器件之類的事情，這課就沒法上了。

1.4 附帶電源

電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)演示儀肯定是要用電的，可要是還需要接插座來工作，既不安全，也不方便老師手持操作，一旦遇到教室沒電，那就沒法演示了。所以實(shí)驗(yàn)演示儀最好自帶電源。一般模擬電路常用電壓是＋12V直流電壓源，數(shù)字電路是＋5V直流電壓源。完全可以用干電池來供電。

1.5 價(jià)格低廉

實(shí)驗(yàn)演示儀并不是什么高科技，基本上做到能可靠的演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象即可。隨身攜帶，工作環(huán)境也不是很好，免不了時(shí)有損壞，而且有的演示電路可能一年才用到一兩次，不宜花費(fèi)太多資金去制作精品，所以元器件只要采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)耗材即可。這樣方便采購(gòu)，教師也就可以自行制作了。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

下面就以三人表決器電路為例，具體闡述一下實(shí)驗(yàn)演示儀的設(shè)計(jì)和制作過程與要點(diǎn)。

2.1 電路原理

三人表決器電路，又稱為多數(shù)“1”鑒別電路，如圖1所示。工作方式就是當(dāng)三個(gè)輸入端中有任意兩個(gè)或者兩個(gè)以上輸出邏輯狀態(tài)為“1”，則電路輸出狀態(tài)為“1”；否則電路輸出狀態(tài)為“0”。其邏輯功能如表1所示[6]?？蓮V泛應(yīng)用于各種比賽的裁判電路。

圖1 三人表決器電路原理圖

表1 邏輯功能

2.2 電路圖設(shè)計(jì)

圖1所示電路需要選用合適的芯片去實(shí)現(xiàn)，另外還加上電源、輸入端電路、輸出端電路才能工作。

圖2是三人表決器設(shè)計(jì)電路圖。

圖2 三人表決器電路圖

2.3 電路說明

2.3.1 主電路芯片選擇

根據(jù)前面所述原則，我們采用74LS00和74LS20芯片。74LS00系芯片封裝了4個(gè)二輸入端與非門，其引腳排列如圖3所示；74LS20封裝了2個(gè)四輸入端與非門，其引腳排列如圖4所示。

圖3 74LS00引腳排列

圖4 74LS20引腳排列

集成電路不直接焊接，而是采用插接式安裝。即焊接安裝一個(gè)同規(guī)格的芯片插座，把芯片插上面使用，這樣一旦出現(xiàn)芯片故障，更換非常方便。

2.3.2 電源

因?yàn)榇穗娐分恍柚绷麟妷涸?，而且最大電壓為?V，允許誤差為±10%。所以我們直接采用可容納四節(jié)5號(hào)或者7號(hào)干電池的電池盒來充當(dāng)電源，電池以串聯(lián)方式連接。采用充電電池的話，總電壓為4.8V，在允許誤差范圍內(nèi)；采用普通干電池的話，電壓為6V，可采用電阻分壓的方式使主電路電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)；如果采用三節(jié)普通干電池（電池盒相應(yīng)改一下），電壓為4.5V，也在允許誤差范圍內(nèi)。

另外，芯片附近的電源和地線之間可并接一個(gè)0.1μF的獨(dú)石電容，以抑制電源干擾。

2.3.3 輸入、輸出端電路

輸入端用開關(guān)來控制輸入電平，一般選用單刀雙擲鈕子開關(guān)，并采用LED發(fā)光二極管作為邏輯電平指示燈。開關(guān)打開時(shí)就輸入邏輯電平“1”，對(duì)應(yīng)的指示燈亮起；關(guān)閉時(shí)輸入邏輯電平“0”，對(duì)應(yīng)的指示燈熄滅。

輸出端直接用一個(gè)LED發(fā)光二極管作為邏輯電平指示燈。

開關(guān)和按鈕電路應(yīng)該有保護(hù)電路，這是因?yàn)槿暨B接開關(guān)和按鈕的引腳被鎖定成輸出引腳，就有被開關(guān)和按鈕短路的危險(xiǎn)，一旦短路就有可能燒毀芯片。

LED發(fā)光二極管選擇Φ5mm規(guī)格的小功率草帽型發(fā)光二極管，采用灌電流接法。如果方便采購(gòu)，也可選用規(guī)格大點(diǎn)的發(fā)光二極管。輸入端指示燈用一種顏色（常規(guī)是紅色），輸出端用另一種顏色（可用綠色），便于學(xué)生觀察。

2.3.4 限流電阻

發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5V。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算[7]：

式中：E為電源電壓，UF為L(zhǎng)ED的正向壓降，IF為L(zhǎng)ED的一般工作電流。

普通的發(fā)光二極管正飽和壓降為1.6～2.1V，最常見的壓降大約1.8V，具體值可以查看對(duì)應(yīng)的型號(hào)參數(shù)表。工作電流5～20mA左右。

由以上條件可計(jì)算出電路各處電阻范圍，選用合適的標(biāo)準(zhǔn)電阻。電阻采用最常見的色環(huán)電阻，1／4W 規(guī)格即可。

2.3.5 電路板

電路板一般有敷銅板、面包板和萬(wàn)用板。從實(shí)用性、可靠性、美觀性和布局靈活性等方面考慮，采用環(huán)氧玻璃布敷銅板[8]。有條件采用雕刻機(jī)刻制電路，采用熱轉(zhuǎn)印方式效果也不錯(cuò)，因?yàn)樾酒_間距較小，不太適合手繪圖[9]。上述條件都達(dá)不到，建議干脆使用萬(wàn)用板。

2.3.6 其他

在絲網(wǎng)漏印層將芯片管腳、開關(guān)、電阻、發(fā)光二極管等元件的連接關(guān)系標(biāo)記清楚。布局要考慮各功能部分明確清晰分開，方便教師操作和學(xué)生觀察。

2.4 功能擴(kuò)展

為了提高電路利用率，我們可以把電路適當(dāng)修改，使其功能得到擴(kuò)展。修改圖如圖5所示。主要是增加了功能切換開關(guān)K4。最后再添上電源開關(guān)以及電源指示燈，電路也就完整了。

圖5 電子技術(shù)基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)演示儀電路

2.4.1 芯片邏輯功能演示

開關(guān)K4向上接a位置時(shí)，如果IC1位置芯片為74LS00，則可以演示與非門功能；如果IC1位置芯片為74LS08，則可以演示與門功能；如果IC1位置芯片為74LS32，則可以演示或門功能；如果IC1位置芯片為74LS86，則可以演示異或門功能；如果IC1位置芯片為CC4001，則可以演示或非門功能；

2.4.2 三人表決器電路功能演示

開關(guān)K4向下接b位置時(shí)，如果IC1位置芯片為74LS00，IC2位置芯片為74LS20，則可以演示三人表決器電路功能。

3 結(jié) 論

主要是提出設(shè)計(jì)出電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂演示實(shí)驗(yàn)用的演示儀，根據(jù)個(gè)人長(zhǎng)期的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)闡述了設(shè)計(jì)的原則，并給出其中一個(gè)演示儀電路設(shè)計(jì)的實(shí)例。電子技術(shù)基礎(chǔ)演示實(shí)驗(yàn)不是一個(gè)電路就能解決的，需要根據(jù)教學(xué)需要，制作一系列相應(yīng)的演示儀。文章試列舉了一個(gè)電路來作為示范，其他電路依此也不難制作。太復(fù)雜的電路就不建議課堂演示了，還是放到專業(yè)實(shí)驗(yàn)課里去解決。

[1]謝建明.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2006（8）：46－47.

[2]胡芳.淺談電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].中國(guó)電力教育，2008（3）：89－91.

[3]劉永須.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課改革初探[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2001，14（3）：32－37.

[4]張晉平，吳飛斌.聲、光、電轉(zhuǎn)換演示儀的設(shè)計(jì)和制作[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，25（1）：43－44.

[5]尹建友.如何減少電子電路制作過程中的人為故障[J].科技信息，2007，25：104.

[6]吳勇靈.淺談三人表決器實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010（8）：33－35.

[7]謝自美.電子線路實(shí)驗(yàn)·測(cè)試·設(shè)計(jì)[M].2版.武漢：華中理工大學(xué)出版，2003.

[8]胡向南.實(shí)用手工制作電路板的幾種方案[J].科技信息，2010，15：88－93.

[9]俞國(guó)林.電路板制作方法的比較分析[J].科技信息，2006（1）：166－167.