电子技术基础实验演示仪的研究与设计

谢建明

（盐城师范学院，江苏 盐城 224002）

《电子技术基础》（含模拟和数字两大部分）是高等学校理科类学生广泛选修的课程，对于电子、通信等专业更是必修的基础入门课程[1]，具有较强的理论性和实践性。由于理论的枯燥和学生认知的局限，传统的“黑板加粉笔”的教学模式已经不能获得很好的教学效果。对于一些重点、难点相关的内容，学生需要通过直观实验结果来完全理解该问题的内涵，所以实践教学是学好电子技术基础的不可或缺的部分[2－4]。

现在有条件的学校，上课主要借助以PPT为主的多媒体。运用多媒体技术，的确可以做到形象、生动地展现一些抽象的教学内容，所以许多教师特别喜欢多媒体教学，逐渐觉得课堂演示实验可有可无。但是借助多媒体技术毕竟只是主要以图片、动画的方式展示一些实验的过程，与用做实验所带来的直观性、互动性是无法相比的。

目前电子技术方面的实践教学都是独立设课，几乎没有相应的课堂演示实验。这样虽然有利于全面协调安排有关实验项目，但是理论课上有一些需要借助实验才能清楚表达的内容不能及时得到解决。

与普通物理、化学具有丰富的演示实验器材相比，市面上几乎没有相关的电子技术基础课堂演示实验用的器材。而实验室用到的实验器材比较笨重，不方便携带。所以设计实用性较强的简单便携的电子技术基础演示实验用的演示仪就显得很有必要。

1 设计原则

1.1 轻便易携

实验演示仪一定不能笨重，要方便教师携带。现在教师上课一般都要带不少的教学文件，而且办公室离教室较远，还可能要爬楼，要是每次上课都要扛个大实验仪器到教室，肯定吃不消。所以实验演示仪最好大小不超过一本课本，重量不超过一部手机。

1.2 结构简单

实验演示仪是用来帮助理论课教学的，不能搞得太复杂，如果为了解释实验演示仪的功能就要花上大半节课，那就得不偿失了。电子产品结构越简单，故障率就越低。所以板上电路要相对简单，各个元器件要一目了然，演示仪上管脚说明和文字标记清楚，管脚和外围元件之间的连接关系可以从实验板上直接看到。为了防止突然故障，这个演示仪上的主要元件还应该做到容易更换[5]。

1.3 方便操作

演示实验重在演示实验过程和结果，而不是花大量时间教会学生做实验，所以要提高实验电路稳定性。因此，这个演示仪的连线完全是固定的，不需要另外连线，这一点在教学上非常重要。试想，如果要让百十个学生在有限的上课时间等着教师检查电路，课堂秩序都会出问题。特别是当电路复杂的时候，教师一着急，再遇到像误将输入端定义成输出端而损坏了器件之类的事情，这课就没法上了。

1.4 附带电源

电子技术基础实验演示仪肯定是要用电的，可要是还需要接插座来工作，既不安全，也不方便老师手持操作，一旦遇到教室没电，那就没法演示了。所以实验演示仪最好自带电源。一般模拟电路常用电压是＋12V直流电压源，数字电路是＋5V直流电压源。完全可以用干电池来供电。

1.5 价格低廉

实验演示仪并不是什么高科技，基本上做到能可靠的演示实验现象即可。随身携带，工作环境也不是很好，免不了时有损坏，而且有的演示电路可能一年才用到一两次，不宜花费太多资金去制作精品，所以元器件只要采用常规实验耗材即可。这样方便采购，教师也就可以自行制作了。

2 设计实例

下面就以三人表决器电路为例，具体阐述一下实验演示仪的设计和制作过程与要点。

2.1 电路原理

三人表决器电路，又称为多数“1”鉴别电路，如图1所示。工作方式就是当三个输入端中有任意两个或者两个以上输出逻辑状态为“1”，则电路输出状态为“1”；否则电路输出状态为“0”。其逻辑功能如表1所示[6]。可广泛应用于各种比赛的裁判电路。

图1 三人表决器电路原理图

表1 逻辑功能

2.2 电路图设计

图1所示电路需要选用合适的芯片去实现，另外还加上电源、输入端电路、输出端电路才能工作。

图2是三人表决器设计电路图。

图2 三人表决器电路图

2.3 电路说明

2.3.1 主电路芯片选择

根据前面所述原则，我们采用74LS00和74LS20芯片。74LS00系芯片封装了4个二输入端与非门，其引脚排列如图3所示；74LS20封装了2个四输入端与非门，其引脚排列如图4所示。

图3 74LS00引脚排列

图4 74LS20引脚排列

集成电路不直接焊接，而是采用插接式安装。即焊接安装一个同规格的芯片插座，把芯片插上面使用，这样一旦出现芯片故障，更换非常方便。

2.3.2 电源

因为此电路只需直流电压源，而且最大电压为＋5V，允许误差为±10%。所以我们直接采用可容纳四节5号或者7号干电池的电池盒来充当电源，电池以串联方式连接。采用充电电池的话，总电压为4.8V，在允许误差范围内；采用普通干电池的话，电压为6V，可采用电阻分压的方式使主电路电压控制在规定范围内；如果采用三节普通干电池（电池盒相应改一下），电压为4.5V，也在允许误差范围内。

另外，芯片附近的电源和地线之间可并接一个0.1μF的独石电容，以抑制电源干扰。

2.3.3 输入、输出端电路

输入端用开关来控制输入电平，一般选用单刀双掷钮子开关，并采用LED发光二极管作为逻辑电平指示灯。开关打开时就输入逻辑电平“1”，对应的指示灯亮起；关闭时输入逻辑电平“0”，对应的指示灯熄灭。

输出端直接用一个LED发光二极管作为逻辑电平指示灯。

开关和按钮电路应该有保护电路，这是因为若连接开关和按钮的引脚被锁定成输出引脚，就有被开关和按钮短路的危险，一旦短路就有可能烧毁芯片。

LED发光二极管选择Φ5mm规格的小功率草帽型发光二极管，采用灌电流接法。如果方便采购，也可选用规格大点的发光二极管。输入端指示灯用一种颜色（常规是红色），输出端用另一种颜色（可用绿色），便于学生观察。

2.3.4 限流电阻

发光二极管的反向击穿电压约5V。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算[7]：

式中：E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。

普通的发光二极管正饱和压降为1.6～2.1V，最常见的压降大约1.8V，具体值可以查看对应的型号参数表。工作电流5～20mA左右。

由以上条件可计算出电路各处电阻范围，选用合适的标准电阻。电阻采用最常见的色环电阻，1／4W 规格即可。

2.3.5 电路板

电路板一般有敷铜板、面包板和万用板。从实用性、可靠性、美观性和布局灵活性等方面考虑，采用环氧玻璃布敷铜板[8]。有条件采用雕刻机刻制电路，采用热转印方式效果也不错，因为芯片脚间距较小，不太适合手绘图[9]。上述条件都达不到，建议干脆使用万用板。

2.3.6 其他

在丝网漏印层将芯片管脚、开关、电阻、发光二极管等元件的连接关系标记清楚。布局要考虑各功能部分明确清晰分开，方便教师操作和学生观察。

2.4 功能扩展

为了提高电路利用率，我们可以把电路适当修改，使其功能得到扩展。修改图如图5所示。主要是增加了功能切换开关K4。最后再添上电源开关以及电源指示灯，电路也就完整了。

图5 电子技术基础综合实验演示仪电路

2.4.1 芯片逻辑功能演示

开关K4向上接a位置时，如果IC1位置芯片为74LS00，则可以演示与非门功能；如果IC1位置芯片为74LS08，则可以演示与门功能；如果IC1位置芯片为74LS32，则可以演示或门功能；如果IC1位置芯片为74LS86，则可以演示异或门功能；如果IC1位置芯片为CC4001，则可以演示或非门功能；

2.4.2 三人表决器电路功能演示

开关K4向下接b位置时，如果IC1位置芯片为74LS00，IC2位置芯片为74LS20，则可以演示三人表决器电路功能。

3 结 论

主要是提出设计出电子技术基础课堂演示实验用的演示仪，根据个人长期的实践教学经验阐述了设计的原则，并给出其中一个演示仪电路设计的实例。电子技术基础演示实验不是一个电路就能解决的，需要根据教学需要，制作一系列相应的演示仪。文章试列举了一个电路来作为示范，其他电路依此也不难制作。太复杂的电路就不建议课堂演示了，还是放到专业实验课里去解决。

[1]谢建明.电子技术基础实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2006（8）：46－47.

[2]胡芳.浅谈电子技术基础实验教学[J].中国电力教育，2008（3）：89－91.

[3]刘永须.电子技术实验课改革初探[J].大学物理实验，2001，14（3）：32－37.

[4]张晋平，吴飞斌.声、光、电转换演示仪的设计和制作[J].大学物理实验，2012，25（1）：43－44.

[5]尹建友.如何减少电子电路制作过程中的人为故障[J].科技信息，2007，25：104.

[6]吴勇灵.浅谈三人表决器实验电路的设计[J].物理实验，2010（8）：33－35.

[7]谢自美.电子线路实验·测试·设计[M].2版.武汉：华中理工大学出版，2003.

[8]胡向南.实用手工制作电路板的几种方案[J].科技信息，2010，15：88－93.

[9]俞国林.电路板制作方法的比较分析[J].科技信息，2006（1）：166－167.