(江蘇省丹陽高級中學，江蘇 丹陽 212300)

普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2中《傳感器》一章，以前沿科技為導入，內容新穎，大大激發(fā)了學生學習物理的興趣.特別是最后一節(jié)《傳感器的應用實驗》，將理論和實際應用緊密結合起來，體現(xiàn)了很強的實用價值，在這里教科書介紹了應用較為廣泛的一種非門電路――斯密特觸發(fā)器，其中有這樣一段介紹：當加在它輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V)，而當輸入端A的電壓逐漸下降到另一個值(0.8V)時，輸出端Y會突然從低電平跳到高電平(3.4V).

短短的這樣一段介紹對于初學數(shù)字電路的中學生來說，并不是那么好理解的，能否有一種方式將斯密特觸發(fā)器的這樣一種輸入、輸出特性直觀地展示在學生面前呢？DIS系統(tǒng)為我們的教學提供了可能.

1 實驗原理

圖1是本實驗的原理圖，可以被分成3個部分：

圖1

(1)74LS14集成電路系統(tǒng)

①電源供給部分：對于任何集成電路來講，其工作都需要消耗電能，故必須要有電源為其提供能量，本實驗以電池組作為供電電源，電池組正極接在標有“VCC”的集成腳，負極接在標有“GND”的集成腳，這樣集成電路就處于工作狀態(tài).(注：由于74LS14集成塊內部有6個完全相同的非門電路，我們只需用其中的一個.)

②信號輸入部分：此次實驗輸入的模擬信號為學生電源提供的直流電壓信號，為了方便調節(jié)集成塊輸入電壓的幅度，我們又采用了一個分壓電路，所以集成塊的輸入信號實際是由分壓電路提供的，這一電壓加在“1A”和“GND”之間，故“1A”就可以看作是模擬信號的輸入腳.

③信號輸出部分：從“1A”輸入的模擬信號經(jīng)“1A”和“1Y”之間的非門電路處理后，被轉化成跳躍變化的“數(shù)字”信號從“1Y”輸出，我們可以認為這一“數(shù)字”信號是加在“1Y”和“GND”之間的.

(2)DIS實驗系統(tǒng)

為了將轉換前的“模擬”信號和轉換后的“數(shù)字”信號作同步對比，我們使用了DIS實驗系統(tǒng)中的兩個電壓傳感器.

(1)模擬信號輸入：電壓傳感器1負責接收模擬信號，所以它的“信號輸入電纜1”是接在“1A”和“GND”之間的，所以它顯示的也就是集成塊“1A”腳的輸入信號.

(2)數(shù)字信號輸入：電壓傳感器2負責接收數(shù)字信號，所以它的“信號輸入電纜2”是接在“1Y”和“GND”之間的，所以它顯示的也就是集成塊“1Y”腳的輸出信號.

(3)綜合信號輸出：DIS數(shù)據(jù)采集處理電路將電壓傳感器1和電壓傳感器2接收到的信號作相應處理后，通過專用計算機接口電纜將數(shù)據(jù)輸入計算機.

(3)計算機處理、顯示系統(tǒng)

所用計算機必須安裝“DisLab”軟件系統(tǒng)，通過這一軟件將由接口電纜輸入的數(shù)據(jù)最終用圖像的形式在屏幕上顯示出來，這樣我們就可以直觀地看到模擬信號及被轉化后的數(shù)字信號.

2 實驗結果

圖2是本實驗的一個屏幕截圖，該圖生動、完美地呈現(xiàn)了斯密特觸發(fā)器是如何將一個連續(xù)變化的正弦波形“模擬信號”轉化為跳躍變化的矩形“數(shù)字信號”的.

通過這一屏幕截圖，可以向學生作以下說明：

(1)在數(shù)字邏輯電路的信號分析中常用“1”、“0”代表不同的高低電壓，“1”表示高電位狀態(tài)，用“0”表示低電位狀態(tài).

(2)“1”不是1V電壓，“0”也不是0V電壓.

圖2

(3)在不同的工作電路中，“1”和“0”可能代表不同的具體電壓，如斯密特觸發(fā)器輸出的“1”就與具體的“3.4V”以上電壓相對應，而輸出的“0”就與具體的“0.25V”以下電壓相對應，不能一概而論.

(4)由于高低電壓的觸發(fā)值不是同一值，而是兩個不同的閾值“0.8V”和“1.6V”，當模擬信號電壓高于1.6V時，輸出的數(shù)字信號一定為“0”；當模擬信號電壓低于0.8V時，輸出的數(shù)字信號一定為“1”；但當模擬信號電壓介于0.8V和1.6V之間時，輸出的數(shù)字信號可能是“1”也可能是“0”，這是由觸發(fā)器翻轉前的閾值電壓決定的.