謝建明

（鹽城師范學院，江蘇 鹽城 224002）

《電子技術基礎》（含模擬和數字兩大部分）是高等學校理科類學生廣泛選修的課程，對于電子、通信等專業(yè)更是必修的基礎入門課程[1]，具有較強的理論性和實踐性。由于理論的枯燥和學生認知的局限，傳統(tǒng)的“黑板加粉筆”的教學模式已經不能獲得很好的教學效果。對于一些重點、難點相關的內容，學生需要通過直觀實驗結果來完全理解該問題的內涵，所以實踐教學是學好電子技術基礎的不可或缺的部分[2－4]。

現在有條件的學校，上課主要借助以PPT為主的多媒體。運用多媒體技術，的確可以做到形象、生動地展現一些抽象的教學內容，所以許多教師特別喜歡多媒體教學，逐漸覺得課堂演示實驗可有可無。但是借助多媒體技術畢竟只是主要以圖片、動畫的方式展示一些實驗的過程，與用做實驗所帶來的直觀性、互動性是無法相比的。

目前電子技術方面的實踐教學都是獨立設課，幾乎沒有相應的課堂演示實驗。這樣雖然有利于全面協調安排有關實驗項目，但是理論課上有一些需要借助實驗才能清楚表達的內容不能及時得到解決。

與普通物理、化學具有豐富的演示實驗器材相比，市面上幾乎沒有相關的電子技術基礎課堂演示實驗用的器材。而實驗室用到的實驗器材比較笨重，不方便攜帶。所以設計實用性較強的簡單便攜的電子技術基礎演示實驗用的演示儀就顯得很有必要。

1 設計原則

1.1 輕便易攜

實驗演示儀一定不能笨重，要方便教師攜帶。現在教師上課一般都要帶不少的教學文件，而且辦公室離教室較遠，還可能要爬樓，要是每次上課都要扛個大實驗儀器到教室，肯定吃不消。所以實驗演示儀最好大小不超過一本課本，重量不超過一部手機。

1.2 結構簡單

實驗演示儀是用來幫助理論課教學的，不能搞得太復雜，如果為了解釋實驗演示儀的功能就要花上大半節(jié)課，那就得不償失了。電子產品結構越簡單，故障率就越低。所以板上電路要相對簡單，各個元器件要一目了然，演示儀上管腳說明和文字標記清楚，管腳和外圍元件之間的連接關系可以從實驗板上直接看到。為了防止突然故障，這個演示儀上的主要元件還應該做到容易更換[5]。

1.3 方便操作

演示實驗重在演示實驗過程和結果，而不是花大量時間教會學生做實驗，所以要提高實驗電路穩(wěn)定性。因此，這個演示儀的連線完全是固定的，不需要另外連線，這一點在教學上非常重要。試想，如果要讓百十個學生在有限的上課時間等著教師檢查電路，課堂秩序都會出問題。特別是當電路復雜的時候，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

電子技術基礎實驗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。所以實驗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，數字電路是＋5V直流電壓源。完全可以用干電池來供電。

1.5 價格低廉

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

2 設計實例

下面就以三人表決器電路為例，具體闡述一下實驗演示儀的設計和制作過程與要點。

2.1 電路原理

三人表決器電路，又稱為多數“1”鑒別電路，如圖1所示。工作方式就是當三個輸入端中有任意兩個或者兩個以上輸出邏輯狀態(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 電路圖設計

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

圖2是三人表決器設計電路圖。

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

根據前面所述原則，我們采用74LS00和74LS20芯片。74LS00系芯片封裝了4個二輸入端與非門，其引腳排列如圖3所示；74LS20封裝了2個四輸入端與非門，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。即焊接安裝一個同規(guī)格的芯片插座，把芯片插上面使用，這樣一旦出現芯片故障，更換非常方便。

2.3.2 電源

因為此電路只需直流電壓源，而且最大電壓為＋5V，允許誤差為±10%。所以我們直接采用可容納四節(jié)5號或者7號干電池的電池盒來充當電源，電池以串聯方式連接。采用充電電池的話，總電壓為4.8V，在允許誤差范圍內；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；如果采用三節(jié)普通干電池（電池盒相應改一下），電壓為4.5V，也在允許誤差范圍內。

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

2.3.3 輸入、輸出端電路

輸入端用開關來控制輸入電平，一般選用單刀雙擲鈕子開關，并采用LED發(fā)光二極管作為邏輯電平指示燈。開關打開時就輸入邏輯電平“1”，對應的指示燈亮起；關閉時輸入邏輯電平“0”，對應的指示燈熄滅。

輸出端直接用一個LED發(fā)光二極管作為邏輯電平指示燈。

開關和按鈕電路應該有保護電路，這是因為若連接開關和按鈕的引腳被鎖定成輸出引腳，就有被開關和按鈕短路的危險，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，也可選用規(guī)格大點的發(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，使用時必須串聯限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計算[7]：

式中：E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED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，具體值可以查看對應的型號參數表。工作電流5～20mA左右。

由以上條件可計算出電路各處電阻范圍，選用合適的標準電阻。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、面包板和萬用板。從實用性、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]。有條件采用雕刻機刻制電路，采用熱轉印方式效果也不錯，因為芯片腳間距較小，不太適合手繪圖[9]。上述條件都達不到，建議干脆使用萬用板。

2.3.6 其他

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

2.4 功能擴展

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

圖5 電子技術基礎綜合實驗演示儀電路

2.4.1 芯片邏輯功能演示

開關K4向上接a位置時，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K4向下接b位置時，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 論

主要是提出設計出電子技術基礎課堂演示實驗用的演示儀，根據個人長期的實踐教學經驗闡述了設計的原則，并給出其中一個演示儀電路設計的實例。電子技術基礎演示實驗不是一個電路就能解決的，需要根據教學需要，制作一系列相應的演示儀。文章試列舉了一個電路來作為示范，其他電路依此也不難制作。太復雜的電路就不建議課堂演示了，還是放到專業(yè)實驗課里去解決。

[1]謝建明.電子技術基礎實驗教學改革探討[J].中國現代教育裝備，2006（8）：46－47.

[2]胡芳.淺談電子技術基礎實驗教學[J].中國電力教育，2008（3）：89－91.

[3]劉永須.電子技術實驗課改革初探[J].大學物理實驗，2001，14（3）：32－37.

[4]張晉平，吳飛斌.聲、光、電轉換演示儀的設計和制作[J].大學物理實驗，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.淺談三人表決器實驗電路的設計[J].物理實驗，2010（8）：33－35.

[7]謝自美.電子線路實驗·測試·設計[M].2版.武漢：華中理工大學出版，2003.

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

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