斯密特触发器的教学实验设计探究，本文主要内容关键词为：触发器论文,斯密论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
人教版普通高中课程标准实验教科书《物理选修3-2》“传感器”一章，以前沿科技为导入，内容新颖，与实际应用联系紧密，有实用价值。对于教师而言，要讲好这一部分内容，却具有很强的挑战性，其中“传感器的应用实验”一节应用集成斯密特触发器来设计一个光控模仿路灯难度最大。不仅电路的调试有一定难度，而且从教学的角度看，如果不通过实验加以说明，大部分学生就很难准确理解其工作原理和一些相关表述。如“在涉及门电路集成块的电路图中，表示的是电路中的逻辑关系，通常不把电流的通路完整地画出来”等。
为解决这一问题，作者将一成品电路的设计制作过程和心得写下来，和各位同仁一起分享。
一、前期准备
1.元器件的准备
电烙铁一把（附松香、焊锡丝）、导通电压为 2.5V的红色发光二极管一个（其他颜色均可）、阻值为20Ω的定值电阻一只(
)、最大值为5kΩ的可调电阻两个(
)、电压表，电流表各一只（也可用多用电表）、直流电源一个、74LS14集成块一个，光敏电阻、热敏电阻、继电器各一个、导线若干，部分元件外观图片如图1所示。
图1
2.74LS14集成块的使用说明
74LS14集成块的结构（如图2所示）及其使用参数表附下（如附表所示），以便准确掌握其工作特性。
从说明书上可看出：①其工作电压范围为 4.75V～5.25V；②对任意一个非门，高低电平的触发电压分别为1.6V和0.8V，实践也证实，当加在它输入端A的电压逐渐上升到1.6V时，输出端Y会突然从高电平跳到低电子，大约为0.25V，而当输入端A的电压逐渐下降到0.8V时，输出端Y会突然从低电平跳到高电平，大约为3.4V。
二、电路设计
由于课本上只给出了逻辑关系原理图（如图3所示），并不是真正的实验电路，故应先画出中学生能理解的实际电路连接示意图（如图4所示），从电路图中可以看到：
图3
(1)集成块接入电路实际有4个引脚，而不是逻辑关系图中的两个脚，其中
接电源正极，GND为共同接地点，接电源负极；
(2)集成块中一共有6个非门电路，选任意一个接入电路均可，本人实验中接的是第6个非门，6A为输入端，6Y为输出端；
图4
(3)由于光敏电阻的阻值受环境影响较大，故将原电路中的光敏电阻
先改为可调电阻
，这样就可以通过电阻上的调节旋钮准确控制的阻值，待调试结束后，再改接光敏电阻；
(4)由于该斯密特触发器的翻转电压是突变的，故在调试过程中对两个可调电阻的大小调节时，在一定范围内可能看不到实验反应，为能对调试过程做到即时监控，故在两端并联一电压表，监测A端电势的变化，这样在对两电阻调节时，可以通过电压表示数的变化，判断调整方向是否准确，做到一目了然，大大减少调整过程所花时间和调整难度。
三、实验过程
1.可调电阻阻值的选择
由于两个电阻所起的作用是控制6A输入端的电压，故从减少电路功率消耗的角度看可选用大阻值的电阻，本人实验用的是最大阻值为5kΩ的电阻，其电流大约为0.8mA，这一点可通过欧姆表和电流表测出其阻值和电流向学生展示，使之体会该部分电路的作用是纯粹的电压控制功能。之所以选用最大阻值为5kΩ的电阻，是因为对本实验中的光敏电阻进行测量后发现，正常室内日光灯光照条件下其最大阻值就约为5kΩ，强光照射下大约为0.2kΩ，所以用5kΩ的电阻调试好电路后，就可直接改接光敏电阻了。
2.A点电势的预设
在将接入电路之前，将之与欧姆表两表笔相连，将阻值设定为3kΩ，并旋转其上部调节旋钮，了解旋钮调节方向和阻值输出的关系（实验表明顺时针方向旋转，阻值变小），以便于接入电路后有针对性的调整。
3.路灯点亮与熄灭的模拟
接入电路后，由于的阻值相等，6A输入端点的电势大约为2.2V，为高电平，故6Y输出端为低电平，此时二极管是点亮的，如果把视为原电路图中的光敏电阻的话，相当于此时天色较暗，的阻值较大，路灯亮；接入就可模拟天色变亮的情况：天色亮时，光照增加，的阻值变小，这时可以通过减小替代电阻的阻值来模拟这一变化，顺时针调节上的旋钮，可以看到电压表的示数由原来的2.2V不断减小，当减至0.8V时，二极管突然熄灭，体现了天亮时路灯能自动关闭的工作特点。反之6A输入端的电压上升至1.6V时，二极管突然点亮，路灯能自动打开。
4.模拟信号转数字信号的理解
由于以上调节过程是一个动态变化的过程，虽然6A输入端的电压也是逐渐变化的，但6Y输出端的电压却是突变的，为增强演示效果，可在 6Y输出端和地之间再接一电压表，可观察到其测量值确实只在两高低电压之间跳变，也即其输出只有两种状态，要么是低电平的0.25V，要么是高电平的3.4V，用逻辑符号来表示就是“0”或“1”这两个数字，从而将6A输入端电势连续变化的这样一种模拟信号转化为6Y输出端的“0”和“1”这种数字信号，通过这一过程的演示，不仅让学生了解非门电路工作的特点，而且能深刻理解课本上所述“斯密特触发器可以将连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号，而这正是进行光控所需要的”这段话的含义，达到极好的演示效果。
5.感光度调节电阻
的作用
课本上有一个问题“要想在天更暗时路灯才会点亮，应该把的阻值调大些好还是调小些好”？这一问题可通过以下实验操作加以模拟，在路灯点亮与熄灭的模拟中已调节（使之增大，相当于天色变暗）再次使发光二极管处于发光状态，按照要求，要天色更暗时二极管才发光，所以此时应使二极管熄灭，所以调节及，使之阻值增大，可看到6A输入端电势逐渐下降，降至0.8V时，二极管熄灭，再增大（相当于天色变得更暗），可看到6A输入端电势逐渐上升，升至1.6V时，6Y转入低电平，二极管才发光。从而实现了电阻对路灯开启条件的调节作用。
6.对电流通路的理解
由于课本上只画出了电路原理图，并不是中学生熟悉的闭合电路图，所以往往对其中电流的流向产生误解，如图5所示。为了纠正学生这一认识误区，本人在实验过程中设置了7个电流监测点，如图6所示，通过在这7个位置接入电流表，不仅显示了电流的大小，而且给出了电流的流向；从而对课本电路原理图有一个正确的认识，做到真正理解课本上“在涉及门电路集成块的电路图中，表示的是电路中的逻辑关系，通常不把电流的通路完整地画出来”这段话的含义。特别是图示中监测点3处的电流，从原理图来看，感觉电流是向左流的，而事实通过对实际电路的测量，在图中电流是向右流的，正好相反；而且在原理图中，感觉监测点3处的电流和二极管中电流相等，而在实际电路中，二极管内电流是25mA，而监测点3处的电流仅为0.2mA，印证了课本中“实际上集成块74LS14还有电源正极的接点和共同接地点GND，电源通过这两点向发光二极管提供了工作电流”，进一步加深了学生的理解。
四、实验拓展
在以上各步骤能调试完成的情况下，只要将其中的改变为光敏电阻（即图3所示的），该电路就变成了具有实际应用价值的光控电路了，演示时将手电远离和靠近光敏电阻，即可看到发光二极管随之变亮或熄灭，取得了很好的教学效果；若再把发光二极管改为继电器，就制成了可由低压电路控制高压电路通断的控制电路了，示意图如图7所示。
若又将其中的改变为热敏电阻
，将发光二极管改为蜂鸣器，该电路就变成了具有实际应用价值的温控发声报警电路了（如图8），在此电路中 反过来成为报警温度调节器了。
其实通过第一个实验的研究，对斯密特触发器的工作特性有了基础认知之后，后面其他实验的改进与拓展就自然得心应手了，所以在此不再作具体介绍。