电子技术实验教学创新思考与实践

姜哓玲，曹万苍，孙福玉

（赤峰学院 物理与智能制造工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

在传统的电子技术实验课上，学生通常使用实验台或实验箱进行，在实验进行过程中，学生看不到完整的电路结构和器件的全貌，只是通过插孔连接的方法进行简单布线，实验完成后对实验原理和器件结构理解不深[1,2]。本文尝试对电子技术实验进行教学改革，通过学生自主设计、焊接、调试的过程加深学生对电子技术的理解。通过三个具体设计实例进行电子技术教学创新思考，希望能够提高学生的动手能力、实践能力和创新能力。

1 逻辑运算演示装置

设计一种逻辑运算演示装置，可应用于数字电路的课堂教学，增加学生对与、或、非、与非、或非、异或、同或等逻辑运算的理解。

通过单片机最小系统、电源端子、独立按键、输入电平指示灯、输出电平指示灯完成设计[3,4]。单片机最小系统电路，包括单片机、P0口上拉电阻、时钟电路和复位电路，单片机最小系统的单片机有40个管脚，电源端子输出5伏直流电源，其正极接单片机最小系统中单片机的40管脚，负极接单片机最小系统中单片机的20管脚。如图1所示。

图1 单片机最小系统电路

逻辑运算演示装置电路如图2所示，独立按键包括7个按键，7个按键的一端接电源端子2的负极，另一端分别接单片机最小系统1中单片机的1、2、3、4、5、6、7 管脚。 输入电平指示灯是 3 个 LED灯，3个LED灯的负极连接在一起串联一个电阻后接电源端子的负极，3个LED灯的正极分别接单片机最小系统中单片机的21、22、23管脚。输出电平指示灯是一个LED灯，LED灯的负极串联一个电阻后接电源端子的负极，LED灯的正极接单片机最小系统中单片机的28管脚。使用时，7个按键每次只能按下一个，按下时，分别进行与、或、非、与非、或非、异或、同或逻辑运算。

图2 逻辑运算演示装置电路

例如进行与非逻辑运算时，按下独立按键中的与非独立按键，单片机产生参与逻辑运算的三个数A、B、C，送入单片机的 21、22、23 管脚，A、B、C 的数值从000到111这8种状态之间进行周期性变化，数值的变化通过输入电平指示灯的亮灭进行观察，单片机将A、B、C进行与非运算，运算结果送入单片机的28管脚，运算结果通过输出电平指示灯的亮灭进行观察，使学生理解与非运算的公式及结果。进行非逻辑运算时，按下独立按键中的非独立按键，单片机产生参与逻辑运算的数A，送入单片机的21管脚，A数值在0、1之间进行周期性变化，数值的变化通过输入电平指示灯的亮灭进行观察，单片机将A进行非运算，运算结果送入单片机的28管脚，运算结果通过输出电平指示灯的亮灭进行观察，能方便地使学生理解非运算的公式及结果。进行同或逻辑运算时，按下独立按键中的同或独立按键，单片机产生参与逻辑运算的二个数A、B，送入单片机的21、22管脚，A、B的数值从00到11这4种状态之间进行周期性变化，数值的变化通过输入电平指示灯的亮灭进行观察，单片机将A、B进行同或运算，运算结果送入单片机的28管脚，运算结果通过输出电平指示灯的亮灭进行观察，能方便地使学生理解同或运算的公式及结果。

2 计数器计数演示装置

设计一种计数器计数演示装置，应用于数字电路的课堂教学，增加学生对计数器计数过程的理解。通过单片机最小系统、电源端子、数码管、矩阵键盘、计数器芯片完成设计[5,6]。单片机最小系统和电源端子电路如图1所示。计数器数码管电路如图3所示，数码管是一个一位共阴数码管，有10个管脚，它的5、8管脚悬空，3管脚串接一个电阻后接电源端子 2 的负极， 它的 7、6、4、2、1、9、10 管脚分别接单片机最小系统1中单片机的39、38、37、36、35、34、33 管脚。

图3 计数器数码管电路

矩阵键盘电路如图4所示，矩阵键盘4有16个按键，16个按键按4行4列排列，在每一行上把按键的一端连接在一起分别接单片机最小系统1中单片机的1、2、3、4管脚，在每一列上把按键的另一端连接在一起串联一个电阻后分别接单片机最小系统 1中单片机的 5、6、7、8管脚。

图4 计数器矩阵键盘电路

计数器芯片电路如图5所示，计数器是一个74HC161 芯片，它的 15 管脚悬空，3、4、5、6、8 管脚接电源端子 2的负极，7、9、10、16管脚接电源端子2 的正极，1、2、11、12、13、14 管脚分别接单片机最小系统 1 中单片机的 21、22、23、24、25、26 管脚。74HC161芯片是一个模16的计数器，它的计数状态包括0至9、a至f这16个状态，可以把它改为N进制计数器，N等于2至16，这时它称为模N计数器，74HC161芯片的1管脚CLR接到单片机的21管脚，可以通过单片机21管脚的高低电平控制74HC161芯片的1管脚CLR，进行清零法模N的改变。矩阵键盘有16个按键，使用15个按键，分别代表模N等于2至16。

图5 计数器芯片电路

例如，当演示模13计数器时，按下矩阵键盘模13键，单片机的22管脚对74HC161芯片的2管脚送入一个脉冲信号，74HC161 芯片的 11、12、13、14管脚输出信号当QAQBQCQD=1101，单片机控制计数器归零，计数器从0至9、a至c循环计数，计数结果送入数码管3显示。当演示模6计数器时，按下矩阵键盘模6键，单片机的22管脚对74HC161芯片的2管脚送入一个脉冲信号，74HC161芯片的11、12、13、14 管脚输出信号当 QAQBQCQD=0110，单片机控制计数器归零，计数器从0至5循环计数，计数结果送入数码管3显示。

在使用过程中，预先通过单片机编程实现对矩阵键盘、数码管、计数器的控制，实现不同模下计数器计数，并将计数结果进行显示。可应用于数字电路的课堂教学，加深学生对计数器计数过程的理解。

3 脉冲信号占空比测量装置

设计一种脉冲信号占空比测量装置，可以方便地测量矩形脉冲信号的占空比。通过单片机最小系统、电源、脉冲信号发生器、LCD显示器进行设计[7,8]。单片机最小系统和电源端子电路如图1所示。

脉冲信号发生器电路如图6所示，脉冲信号发生器由555多谐振荡器构成，包含1个555芯片，2个固定电阻，1个可变电阻，2个二极管和2个电容，工作时，从555芯片的3管脚输出矩形脉冲，调节可变电阻的数值，可以改变矩形脉冲的占空比，555芯片的3管脚接单片机最小系统1中单片机的14管脚。

图6 脉冲信号发生器电路

显示器电路如图7所示，采用LCD显示器型号为LCD1602，LCD显示器4共有16个管脚，其4至14管脚分别接单片机最小系统1中单片机的6、7、8、39、38、37、36、35、34、33、32 管脚。

图7 显示器电路

脉冲信号发生器，当调节可变电阻的数值时，输出的矩形脉冲信号占空比发生变化，但其幅值UM不变，通过单片机最小系统1求出其平均值UO，即可算出占空比=UO/UM，算出的占空比数值送入LCD1602显示。在使用过程中，预先通过单片机编程完成对脉冲信号发生器输出信号的计算，并将计算结果送入LCD显示器显示，实现矩形脉冲信号的占空比测量功能。

4 结语

在课堂教学过程中，单纯的理论讲解和电路介绍也不能使学生清楚地理解电路的结构和信号的传输过程。传统的电子技术实验学生通常使用实验台或实验箱进行，在实验进行过程中，学生不能看到完整的电路结构和器件的全貌，只是通过插孔连接的方法进行简单的布线，实验完成后对实验原理和器件结构理解不深。本文尝试对电子技术实验和课堂演示实验进行教学改革，通过单片机最小系统、电源端子、独立按键、输入、输出电平指示灯、数码管、矩阵键盘、计数器芯片、脉冲信号发生器、显示器等电子技术教学中常见器件设计了逻辑运算演示装置、计数器计数演示装置、物体运动轨迹演示装置三个电子技术创新型实验。

逻辑运算演示装置，可应用于数字电路的课堂教学，增加学生对与、或、非、与非、或非、异或、同或等逻辑运算的理解。通过单片机最小系统、电源端子、独立按键、输入电平指示灯、输出电平指示灯完成设计。计数器计数演示装置，应用于数字电路的课堂教学，增加学生对计数器计数过程的理解。通过单片机最小系统、电源端子、数码管、矩阵键盘、计数器芯片完成设计。脉冲信号占空比测量装置设计一种脉冲信号占空比测量装置，可以方便地测量矩形脉冲信号的占空比。通过单片机最小系统、电源、脉冲信号发生器、LCD显示器进行设计。以三个实验的设计为例尝试对电子技术实验进行教学改革，通过学生自主设计、焊接、调试的过程加深对电子技术的理解，提高学生的动手能力、实践能力和创新能力[9，10]。设计的演示实验也可应用于电子技术的课堂教学，增加学生对电子技术电路的理解。