自制简易非门电路演示器

李如虎

摘要:高中物理新教材“简单的逻辑电路”的教学内容中有用“非”门电路实现的逻辑关系的要求。笔者用三极管作为“非”门的替代品设计了该仪器,不仅演示效果比较理想,而且还可以拓展进行探究性实验。演示仪器具有直观性强、操作简单、取材方便、易制作维护、原理呈现清楚等优点。

关键词:非门;门电路演示器;逻辑电路;三极管

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2009)7(S)-0053-3

以数字信号为特征的现代信息技术发展迅猛,计算机、数码相机、移动电话、数字电视、等与数字信号相关的电子产品,已经深入到我们生活的方方面面,可以说我们的生活时时处处都与数字信号连在了一起。处理数字信号的电路叫数字电路,也称逻辑电路。数字信号在变化过程中只有两个状态:“有”或“没有”,在逻辑电路中用“1”和“0”来表示。高中物理新课改教材中增加了“简单的逻辑电路”这一节教学内容,就是为了适应时代发展而引入的。因为“非”门电路是逻辑电路的一个基本单元,为了帮助学生理解“非”门电路的工作原理,在实验室没有现成的配套演示仪器的条件下,我们按照教材中对非门电路实现的逻辑关系的要求,[1]用三极管作为“非”门的替代品设计了该仪器。介绍如下:

1 教具装置原理图和实物照片

2 教具特点及用途

本演示仪器具有直观性强,操作方便;对实验原理的显示比较清楚、明了;取材方便,器材简单,制作容易,易维修等优点。

本仪器不仅可以演示“非门”电路的功能,将“非门”电路的真值表演示出来;还可以进行的一些拓展研究,比如:演示如何实现光、声音、温度、湿度的自动控制或报警等,也为处理教材的课后习题与应用的问题做了实验上的准备,实为一举多得。

3 制作材料

3DG142三极管1只(3DG系列,9013,9014等均可),发光二极管2只,30Ω电阻3只,470kΩ可变电阻1只,光敏电阻1只,有机玻璃外壳2只, 40cm×30cm×0.7cm木板(或塑料板)一块,金属(或其他)支架1对,φ=0.5cm左右的插口、插头15组,单刀双掷开关1只,导线、螺丝若干。

4 制作方法

(1)将发光二极管、光敏电阻和插头装入有机玻璃盒内,各种插头连接线做好;

(2)按照原理图(图1)在木板的正面按合适的比例用2B铅笔画好布线图;

(3)用电钻将各插口和安装单刀双掷开关的孔打好,将各15组插口和3只单刀双掷开关安装好;

(4)在木板的背面,用电烙铁将该连接的导线按照原理图连接好(图2)。

5 实验原理及使用方法

5.1 演示“非门”电路的逻辑功能和演示“非门”电路的真值表

演示“非”逻辑关系的连接方法如图3所示:插口P1不接,将R1断开;插口P4、P5断开;插口P6、P7用连接线短接,这时作为输入显示的发光二极管LED1按照“左正右负”的方向插入P2、P3插口,作为输出显示的发光二极管LED3按照“上正下负”的方向插入P8、P9插口,将作为输入信号源的电压源E1(6V, 高电平,表示输入“1” )、E2(1.5V ,低电平,表示输入“0” )和“非”门工作电源E3(6V)连接好,就可以进行实验了。

当电键S接高电平(6V表示输入“1” )的位置时,三极管3DG142处于导通状态,输出端C极为低电平,输入信号显示器LED1亮,输出信号显示器LED3不亮(表示输入为“1”时,输出是“0” );当电键S接低电平(1.5V 表示输入“0” )的位置时,三极管3DG142处于截止状态,输出端C极为高电平,输入信号显示器LED1不亮,输出信号显示器LED3亮(表示输入为“0”时,输出是“1” )。这表明实现了“非”的逻辑关系。非门电路真值表如表1所示,可以用该仪器将它很好的演示出来。

5.2 拓展研究

(1)用光敏电阻输入信号,实现光的自动控制。

用光敏电阻输入信号演示“光控”的连接方法如图4所示:插口P1与P3短接(注意要与插口P2断开);将LED1、LED3断开;R2用光敏电阻接通,作为信号输入元件;插口P6 、P7接LED2作为输出信号显示。当有光照射光敏电阻时,此时光敏电阻阻值较小,输入为低电平,就光的亮度而言,可以认为是输入了“1”,三极管3DG142处于截止状态,输出端C极为高电平,输出信号显示器LED2不亮;将照射光敏电阻的强光遮住,不让光照射到光敏电阻上,此时虽然输入为高电平,但是就光的亮度而言,可以认为是输入了“0”,三极管3DG142处于导通状态,输出端C极为低电平,输出信号显示器LED2亮。这表明了输入光信号是“1”时,输出是“0”;而输入光信号是“0”时,输出则是“1”,实现了“非”的逻辑关系。此电路原理还可以拓展应用:实现马路上路灯亮、暗的自动控制;②危险工作环境的信号报警;③学生学习时防止光线太暗,影响视力的灯光亮度自动报警;④选取合适材料(阻值与湿度变化关系明显的材料)进行湿度的"非"的逻辑关系实验等。

(2)用热敏电阻输入信号,实现温度的自动控制

演示“温控”的连接方法与“光控”的连接方法相同,只要将光敏电阻换成热敏电阻即可。当热敏电阻处于室温时,其阻值很大,此时输入为高电平,表示输入了“1”,三极管3DG142处于导通状态,输出端C极为低电平,输出信号显示器LED2亮(输出端C极为低电平,表示为输出“0”);当将热敏电阻放在高温的热水中时,其阻值变小,此时输入为低电平,表示输入了“0”,三极管3DG142处于截止状态,输出端C极为高电平,输出信号显示器LED2不亮(输出端C极为高电平,表示输出为“1”)。这表明实现了“非”的逻辑关系。此原理可以拓展为:温度自动报警控制电路。

(3)用驻极体拾音头输入信号,实现声音的自动控制。

演示“声控”的连接方法也与“光控”的连接方法相同,只要将光敏电阻换成驻极体话筒即可。当环境噪音较小(没有信号输入)时,驻极体话筒容抗较大,此时输入端b极为低电平,表示输入了“0”,三极管3DG142处于截止状态,输出端C极为高电平,输出信号显示器LED2不亮(输出端C极为高电平,表示输出为“1”);当环境噪音较大(如对着话筒吹气,有信号输入)时,驻极体话筒容抗较小,此时输入端b极为高电平,三极管3DG142处于导通状态,输出端C极为低电平,即表示输入为“1”时,输出端C极为低电平,表示输出为“0”,输出信号显示器LED2亮。此原理可以拓展为:噪声自动报警控制电路。

本仪器可以充分发挥学生的想象力,只要好好开发与利用,可以实现多种教育教学功能。

参考文献:

[1]张维善.普通高中课程标准教科书.物理•选修3-1. 第2版.北京:人民教育出版社.2006

(栏目编辑王柏庐)