湯艷坤，石靜苑，高玲

(空軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院基礎(chǔ)部，吉林長春，130022）

1 綜述

旋梯訓(xùn)練，是飛行學(xué)員一項(xiàng)重要的體能訓(xùn)練科目，如圖1所示，每次訓(xùn)練考核中都需要進(jìn)行計數(shù)。本實(shí)驗(yàn)案例要求完成飛行學(xué)員旋梯計數(shù)顯示電路。計數(shù)顯示電路是電子技術(shù)中數(shù)字電路部分一種典型的綜合性應(yīng)用電路，可以應(yīng)用在很多場合。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合我校飛行學(xué)員實(shí)際訓(xùn)練情況，從應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，形成學(xué)員主動參與、主動設(shè)計、主動思考的過程，大大提高了學(xué)習(xí)的自主性和效果。計劃完成以下幾個模塊任務(wù)：（1）傳感器部分：將旋梯的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成電路可識別的脈沖信號；(2）計數(shù)器部分：將前級產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，實(shí)現(xiàn)一百進(jìn)制的計數(shù)功能；（3）驅(qū)動顯示部分：將計數(shù)結(jié)果通過兩個數(shù)碼管顯示出來；（4）復(fù)位電路：結(jié)合實(shí)際，實(shí)現(xiàn)下一次重新計數(shù)的復(fù)位清零功能；（5）課后拓展部分：各組研討在旋梯開始旋轉(zhuǎn)或結(jié)束旋轉(zhuǎn)時會有一個來回擺動的過程，如何避免此時的錯誤計數(shù)。

圖1 旋梯訓(xùn)練科目

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)

本實(shí)驗(yàn)是數(shù)字電路部分的一個典型實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)性很強(qiáng)，涉及到計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管等數(shù)字電路的基本知識；同時應(yīng)用性也很強(qiáng)，和飛行學(xué)員的訓(xùn)練實(shí)際緊密相聯(lián)。這個實(shí)驗(yàn)過程這個實(shí)驗(yàn)的完成需要經(jīng)歷課前查閱研討準(zhǔn)備；課上方案論證、模塊設(shè)計、整機(jī)調(diào)試；課后應(yīng)用擴(kuò)展、總結(jié)收獲三個過程。在每個過程，教員都適當(dāng)?shù)貙W(xué)員進(jìn)行指導(dǎo)，具體的指導(dǎo)方法和內(nèi)容如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)

1.功能完善 1.指導(dǎo)手段：這是課后完成的任務(wù)，對電路功能的完善方案，各組通過網(wǎng)絡(luò)課平臺提交，通過答疑室交流討論，最終確定一個可行方案。2.指導(dǎo)內(nèi)容：一是及時組織學(xué)員交流討論，確定電路的完善方案，注意根據(jù)學(xué)員的設(shè)計協(xié)助學(xué)員分析方案的可行性；二是將實(shí)驗(yàn)報告的成績和存在問題及時反饋給學(xué)員。課后知識擴(kuò)展總結(jié)收獲2.撰寫實(shí)驗(yàn)報告

3 實(shí)驗(yàn)原理及方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)是一個很典型的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，整個系統(tǒng)由旋梯脈沖檢測電路、計數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和復(fù)位電路五部分構(gòu)成，如圖2所示。由于各部分電路可選用不同的方案或不同的芯片，所以電路的實(shí)現(xiàn)有不同的形式。在下面實(shí)現(xiàn)方案的介紹中，主要針對一種方案進(jìn)行了介紹。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 實(shí)現(xiàn)方案

3.2.1 旋梯脈沖檢測電路

圖5 計數(shù)顯示電路原理圖

如何將旋梯旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電路可識別的信號？有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)，比如可以采用光電傳感器，也可以采用霍爾傳感器，這里提供霍爾傳感器方案，工作原理示意圖如下圖3所示。在實(shí)驗(yàn)中，采用一個可旋轉(zhuǎn)的物體模擬旋梯，在上邊固定一個小磁鐵，每當(dāng)小磁鐵接近霍爾傳感器時，霍爾傳感器會輸出一個脈沖信號，提供給后續(xù)計數(shù)電路。這里，霍爾傳感器采用A1104開關(guān)型霍爾傳感器，實(shí)物圖如下圖4所示。

圖3 霍爾傳感器工作原理示意圖

圖4 霍爾傳感器實(shí)物圖

3.2.2 計數(shù)顯示電路

該部分電路由計數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成。計數(shù)器是用來累計脈沖數(shù)目的，還可以用作分頻、定時和數(shù)學(xué)運(yùn)算，在數(shù)字電路中應(yīng)用十分廣泛[1]。該實(shí)驗(yàn)中計數(shù)器實(shí)現(xiàn)的0到99一百進(jìn)制的計數(shù)功能，采用兩片計數(shù)74LS161芯片實(shí)現(xiàn)。譯碼是編碼的逆過程，是將輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的輸出高、低電平或者另一個代碼[2]。這里采用的是數(shù)碼顯示譯碼器，實(shí)現(xiàn)的是將計數(shù)器輸出的4位BCD碼譯成驅(qū)動數(shù)碼管正確顯示的高低電平，采用兩片CD4511實(shí)現(xiàn)[3]。顯示器件采用的是兩個共陰極七段顯示數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)對0到99的顯示。

3.2.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)對電路任意時刻的清零，在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)重新計數(shù)的需求。

計數(shù)顯示和復(fù)位電路的詳細(xì)電路原理圖如下圖5所示。最終實(shí)物電路的搭建通過如圖6所示的數(shù)字電路里實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)報告要求

實(shí)驗(yàn)報告分為了兩部分：預(yù)習(xí)報告和實(shí)驗(yàn)報告兩部分。

預(yù)習(xí)報告需要反映以下工作：設(shè)計任務(wù)和要求；將旋梯轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成脈沖的方案；利用74LS90芯片實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)顯示電路的仿真，實(shí)驗(yàn)報告中畫出原理電路。

實(shí)驗(yàn)報告需要反映以下工作：整體設(shè)計方案（框圖）；各模塊的設(shè)計電路原理圖；各模塊電路的調(diào)試（記錄出現(xiàn)問題和解決方法）；系統(tǒng)調(diào)試，記錄調(diào)試結(jié)果；電路改進(jìn)措施：結(jié)合實(shí)際情況，提出電路存在的問題及改進(jìn)措施；收獲：該電路還可以應(yīng)用在哪些場合。

圖6 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱

5 實(shí)驗(yàn)特色和創(chuàng)新

依托學(xué)員訓(xùn)練實(shí)際提出設(shè)計任務(wù)，能夠激發(fā)學(xué)員設(shè)計電路的興趣；每個電路模塊都采取了各組研討、教員指導(dǎo)的方式，學(xué)員可充分發(fā)揮自己的主觀能動性提出自己設(shè)計思路，提高學(xué)員的創(chuàng)新能力；以組的形式完成各任務(wù)，可以充分發(fā)揮各學(xué)員之間的優(yōu)勢互補(bǔ)和團(tuán)隊協(xié)作精神；過程式考核方式促進(jìn)學(xué)員每個階段任務(wù)的完成以及對問題的深入思考、深入研究。