利用DIS演示模數(shù)轉(zhuǎn)換原理

(江蘇省丹陽(yáng)高級(jí)中學(xué)，江蘇 丹陽(yáng) 212300)

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-2中《傳感器》一章，以前沿科技為導(dǎo)入，內(nèi)容新穎，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.特別是最后一節(jié)《傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)》，將理論和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合起來(lái)，體現(xiàn)了很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，在這里教科書(shū)介紹了應(yīng)用較為廣泛的一種非門(mén)電路――斯密特觸發(fā)器，其中有這樣一段介紹：當(dāng)加在它輸入端A的電壓逐漸上升到某個(gè)值(1.6V)時(shí)，輸出端Y會(huì)突然從高電平跳到低電平(0.25V)，而當(dāng)輸入端A的電壓逐漸下降到另一個(gè)值(0.8V)時(shí)，輸出端Y會(huì)突然從低電平跳到高電平(3.4V).

短短的這樣一段介紹對(duì)于初學(xué)數(shù)字電路的中學(xué)生來(lái)說(shuō)，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(xué)生面前呢？DIS系統(tǒng)為我們的教學(xué)提供了可能.

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1是本實(shí)驗(yàn)的原理圖，可以被分成3個(gè)部分：

圖1

(1)74LS14集成電路系統(tǒng)

①電源供給部分：對(duì)于任何集成電路來(lái)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(shí)驗(yàn)以電池組作為供電電源，電池組正極接在標(biāo)有“VCC”的集成腳，負(fù)極接在標(biāo)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(nèi)部有6個(gè)完全相同的非門(mén)電路，我們只需用其中的一個(gè).)

②信號(hào)輸入部分：此次實(shí)驗(yàn)輸入的模擬信號(hào)為學(xué)生電源提供的直流電壓信號(hào)，為了方便調(diào)節(jié)集成塊輸入電壓的幅度，我們又采用了一個(gè)分壓電路，所以集成塊的輸入信號(hào)實(shí)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(hào)的輸入腳.

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

(2)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了將轉(zhuǎn)換前的“模擬”信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的“數(shù)字”信號(hào)作同步對(duì)比，我們使用了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的兩個(gè)電壓傳感器.

(1)模擬信號(hào)輸入：電壓傳感器1負(fù)責(zé)接收模擬信號(hào)，所以它的“信號(hào)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(hào).

(2)數(shù)字信號(hào)輸入：電壓傳感器2負(fù)責(zé)接收數(shù)字信號(hào)，所以它的“信號(hào)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(hào).

(3)綜合信號(hào)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(hào)作相應(yīng)處理后，通過(guò)專用計(jì)算機(jī)接口電纜將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī).

(3)計(jì)算機(jī)處理、顯示系統(tǒng)

所用計(jì)算機(jī)必須安裝“DisLab”軟件系統(tǒng)，通過(guò)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(lái)，這樣我們就可以直觀地看到模擬信號(hào)及被轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

通過(guò)這一屏幕截圖，可以向?qū)W生作以下說(shuō)明：

(1)在數(shù)字邏輯電路的信號(hào)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(duì)應(yīng)，而輸出的“0”就與具體的“0.25V”以下電壓相對(duì)應(yīng)，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(gè)不同的閾值“0.8V”和“1.6V”，當(dāng)模擬信號(hào)電壓高于1.6V時(shí)，輸出的數(shù)字信號(hào)一定為“0”；當(dāng)模擬信號(hào)電壓低于0.8V時(shí)，輸出的數(shù)字信號(hào)一定為“1”；但當(dāng)模擬信號(hào)電壓介于0.8V和1.6V之間時(shí)，輸出的數(shù)字信號(hào)可能是“1”也可能是“0”，這是由觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)前的閾值電壓決定的.