電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新思考與實(shí)踐

姜嘵玲，曹萬蒼，孫福玉

（赤峰學(xué)院 物理與智能制造工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

在傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生通常使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，學(xué)生看不到完整的電路結(jié)構(gòu)和器件的全貌，只是通過插孔連接的方法進(jìn)行簡單布線，實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和器件結(jié)構(gòu)理解不深[1,2]。本文嘗試對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革，通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試的過程加深學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的理解。通過三個(gè)具體設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行電子技術(shù)教學(xué)創(chuàng)新思考，希望能夠提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 邏輯運(yùn)算演示裝置

設(shè)計(jì)一種邏輯運(yùn)算演示裝置，可應(yīng)用于數(shù)字電路的課堂教學(xué)，增加學(xué)生對(duì)與、或、非、與非、或非、異或、同或等邏輯運(yùn)算的理解。

通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源端子、獨(dú)立按鍵、輸入電平指示燈、輸出電平指示燈完成設(shè)計(jì)[3,4]。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，包括單片機(jī)、P0口上拉電阻、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)的單片機(jī)有40個(gè)管腳，電源端子輸出5伏直流電源，其正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的40管腳，負(fù)極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的20管腳。如圖1所示。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

邏輯運(yùn)算演示裝置電路如圖2所示，獨(dú)立按鍵包括7個(gè)按鍵，7個(gè)按鍵的一端接電源端子2的負(fù)極，另一端分別接單片機(jī)最小系統(tǒng)1中單片機(jī)的1、2、3、4、5、6、7 管腳。 輸入電平指示燈是 3 個(gè) LED燈，3個(gè)LED燈的負(fù)極連接在一起串聯(lián)一個(gè)電阻后接電源端子的負(fù)極，3個(gè)LED燈的正極分別接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的21、22、23管腳。輸出電平指示燈是一個(gè)LED燈，LED燈的負(fù)極串聯(lián)一個(gè)電阻后接電源端子的負(fù)極，LED燈的正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的28管腳。使用時(shí)，7個(gè)按鍵每次只能按下一個(gè)，按下時(shí)，分別進(jìn)行與、或、非、與非、或非、異或、同或邏輯運(yùn)算。

圖2 邏輯運(yùn)算演示裝置電路

例如進(jìn)行與非邏輯運(yùn)算時(shí)，按下獨(dú)立按鍵中的與非獨(dú)立按鍵，單片機(jī)產(chǎn)生參與邏輯運(yùn)算的三個(gè)數(shù)A、B、C，送入單片機(jī)的 21、22、23 管腳，A、B、C 的數(shù)值從000到111這8種狀態(tài)之間進(jìn)行周期性變化，數(shù)值的變化通過輸入電平指示燈的亮滅進(jìn)行觀察，單片機(jī)將A、B、C進(jìn)行與非運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入單片機(jī)的28管腳，運(yùn)算結(jié)果通過輸出電平指示燈的亮滅進(jìn)行觀察，使學(xué)生理解與非運(yùn)算的公式及結(jié)果。進(jìn)行非邏輯運(yùn)算時(shí)，按下獨(dú)立按鍵中的非獨(dú)立按鍵，單片機(jī)產(chǎn)生參與邏輯運(yùn)算的數(shù)A，送入單片機(jī)的21管腳，A數(shù)值在0、1之間進(jìn)行周期性變化，數(shù)值的變化通過輸入電平指示燈的亮滅進(jìn)行觀察，單片機(jī)將A進(jìn)行非運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入單片機(jī)的28管腳，運(yùn)算結(jié)果通過輸出電平指示燈的亮滅進(jìn)行觀察，能方便地使學(xué)生理解非運(yùn)算的公式及結(jié)果。進(jìn)行同或邏輯運(yùn)算時(shí)，按下獨(dú)立按鍵中的同或獨(dú)立按鍵，單片機(jī)產(chǎn)生參與邏輯運(yùn)算的二個(gè)數(shù)A、B，送入單片機(jī)的21、22管腳，A、B的數(shù)值從00到11這4種狀態(tài)之間進(jìn)行周期性變化，數(shù)值的變化通過輸入電平指示燈的亮滅進(jìn)行觀察，單片機(jī)將A、B進(jìn)行同或運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入單片機(jī)的28管腳，運(yùn)算結(jié)果通過輸出電平指示燈的亮滅進(jìn)行觀察，能方便地使學(xué)生理解同或運(yùn)算的公式及結(jié)果。

2 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)演示裝置

設(shè)計(jì)一種計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)演示裝置，應(yīng)用于數(shù)字電路的課堂教學(xué)，增加學(xué)生對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過程的理解。通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源端子、數(shù)碼管、矩陣鍵盤、計(jì)數(shù)器芯片完成設(shè)計(jì)[5,6]。單片機(jī)最小系統(tǒng)和電源端子電路如圖1所示。計(jì)數(shù)器數(shù)碼管電路如圖3所示，數(shù)碼管是一個(gè)一位共陰數(shù)碼管，有10個(gè)管腳，它的5、8管腳懸空，3管腳串接一個(gè)電阻后接電源端子 2 的負(fù)極， 它的 7、6、4、2、1、9、10 管腳分別接單片機(jī)最小系統(tǒng)1中單片機(jī)的39、38、37、36、35、34、33 管腳。

圖3 計(jì)數(shù)器數(shù)碼管電路

矩陣鍵盤電路如圖4所示，矩陣鍵盤4有16個(gè)按鍵，16個(gè)按鍵按4行4列排列，在每一行上把按鍵的一端連接在一起分別接單片機(jī)最小系統(tǒng)1中單片機(jī)的1、2、3、4管腳，在每一列上把按鍵的另一端連接在一起串聯(lián)一個(gè)電阻后分別接單片機(jī)最小系統(tǒng) 1中單片機(jī)的 5、6、7、8管腳。

圖4 計(jì)數(shù)器矩陣鍵盤電路

計(jì)數(shù)器芯片電路如圖5所示，計(jì)數(shù)器是一個(gè)74HC161 芯片，它的 15 管腳懸空，3、4、5、6、8 管腳接電源端子 2的負(fù)極，7、9、10、16管腳接電源端子2 的正極，1、2、11、12、13、14 管腳分別接單片機(jī)最小系統(tǒng) 1 中單片機(jī)的 21、22、23、24、25、26 管腳。74HC161芯片是一個(gè)模16的計(jì)數(shù)器，它的計(jì)數(shù)狀態(tài)包括0至9、a至f這16個(gè)狀態(tài)，可以把它改為N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，N等于2至16，這時(shí)它稱為模N計(jì)數(shù)器，74HC161芯片的1管腳CLR接到單片機(jī)的21管腳，可以通過單片機(jī)21管腳的高低電平控制74HC161芯片的1管腳CLR，進(jìn)行清零法模N的改變。矩陣鍵盤有16個(gè)按鍵，使用15個(gè)按鍵，分別代表模N等于2至16。

圖5 計(jì)數(shù)器芯片電路

例如，當(dāng)演示模13計(jì)數(shù)器時(shí)，按下矩陣鍵盤模13鍵，單片機(jī)的22管腳對(duì)74HC161芯片的2管腳送入一個(gè)脈沖信號(hào)，74HC161 芯片的 11、12、13、14管腳輸出信號(hào)當(dāng)QAQBQCQD=1101，單片機(jī)控制計(jì)數(shù)器歸零，計(jì)數(shù)器從0至9、a至c循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果送入數(shù)碼管3顯示。當(dāng)演示模6計(jì)數(shù)器時(shí)，按下矩陣鍵盤模6鍵，單片機(jī)的22管腳對(duì)74HC161芯片的2管腳送入一個(gè)脈沖信號(hào)，74HC161芯片的11、12、13、14 管腳輸出信號(hào)當(dāng) QAQBQCQD=0110，單片機(jī)控制計(jì)數(shù)器歸零，計(jì)數(shù)器從0至5循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果送入數(shù)碼管3顯示。

在使用過程中，預(yù)先通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣鍵盤、數(shù)碼管、計(jì)數(shù)器的控制，實(shí)現(xiàn)不同模下計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行顯示?？蓱?yīng)用于數(shù)字電路的課堂教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過程的理解。

3 脈沖信號(hào)占空比測量裝置

設(shè)計(jì)一種脈沖信號(hào)占空比測量裝置，可以方便地測量矩形脈沖信號(hào)的占空比。通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源、脈沖信號(hào)發(fā)生器、LCD顯示器進(jìn)行設(shè)計(jì)[7,8]。單片機(jī)最小系統(tǒng)和電源端子電路如圖1所示。

脈沖信號(hào)發(fā)生器電路如圖6所示，脈沖信號(hào)發(fā)生器由555多諧振蕩器構(gòu)成，包含1個(gè)555芯片，2個(gè)固定電阻，1個(gè)可變電阻，2個(gè)二極管和2個(gè)電容，工作時(shí)，從555芯片的3管腳輸出矩形脈沖，調(diào)節(jié)可變電阻的數(shù)值，可以改變矩形脈沖的占空比，555芯片的3管腳接單片機(jī)最小系統(tǒng)1中單片機(jī)的14管腳。

圖6 脈沖信號(hào)發(fā)生器電路

顯示器電路如圖7所示，采用LCD顯示器型號(hào)為LCD1602，LCD顯示器4共有16個(gè)管腳，其4至14管腳分別接單片機(jī)最小系統(tǒng)1中單片機(jī)的6、7、8、39、38、37、36、35、34、33、32 管腳。

圖7 顯示器電路

脈沖信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻的數(shù)值時(shí)，輸出的矩形脈沖信號(hào)占空比發(fā)生變化，但其幅值UM不變，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)1求出其平均值UO，即可算出占空比=UO/UM，算出的占空比數(shù)值送入LCD1602顯示。在使用過程中，預(yù)先通過單片機(jī)編程完成對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果送入LCD顯示器顯示，實(shí)現(xiàn)矩形脈沖信號(hào)的占空比測量功能。

4 結(jié)語

在課堂教學(xué)過程中，單純的理論講解和電路介紹也不能使學(xué)生清楚地理解電路的結(jié)構(gòu)和信號(hào)的傳輸過程。傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)生通常使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，學(xué)生不能看到完整的電路結(jié)構(gòu)和器件的全貌，只是通過插孔連接的方法進(jìn)行簡單的布線，實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和器件結(jié)構(gòu)理解不深。本文嘗試對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和課堂演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源端子、獨(dú)立按鍵、輸入、輸出電平指示燈、數(shù)碼管、矩陣鍵盤、計(jì)數(shù)器芯片、脈沖信號(hào)發(fā)生器、顯示器等電子技術(shù)教學(xué)中常見器件設(shè)計(jì)了邏輯運(yùn)算演示裝置、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)演示裝置、物體運(yùn)動(dòng)軌跡演示裝置三個(gè)電子技術(shù)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。

邏輯運(yùn)算演示裝置，可應(yīng)用于數(shù)字電路的課堂教學(xué)，增加學(xué)生對(duì)與、或、非、與非、或非、異或、同或等邏輯運(yùn)算的理解。通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源端子、獨(dú)立按鍵、輸入電平指示燈、輸出電平指示燈完成設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)演示裝置，應(yīng)用于數(shù)字電路的課堂教學(xué)，增加學(xué)生對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過程的理解。通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源端子、數(shù)碼管、矩陣鍵盤、計(jì)數(shù)器芯片完成設(shè)計(jì)。脈沖信號(hào)占空比測量裝置設(shè)計(jì)一種脈沖信號(hào)占空比測量裝置，可以方便地測量矩形脈沖信號(hào)的占空比。通過單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源、脈沖信號(hào)發(fā)生器、LCD顯示器進(jìn)行設(shè)計(jì)。以三個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為例嘗試對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革，通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試的過程加深對(duì)電子技術(shù)的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[9，10]。設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)也可應(yīng)用于電子技術(shù)的課堂教學(xué)，增加學(xué)生對(duì)電子技術(shù)電路的理解。