利用時基電路系列設計進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)

福建省三明工貿學校 徐順生

利用時基電路系列設計進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)

福建省三明工貿學校 徐順生

隨著高新技術的迅猛發(fā)展，對勞動者創(chuàng)新能力的要求日益提高。而目前中職學校的科技創(chuàng)新教育卻相當薄弱。面對中職學校學習相對弱勢的學生，如何激發(fā)學生的學習興趣，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，成為中職教師面臨的一項重要課題。我以時基集成電路系列電子設計為突破口，對電子電器和機電專業(yè)學生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，讓學生在“做中學，學中做”，取得了顯著效果。

中職 電路設計 創(chuàng)新能力 活動 學生

一、背景

進入二十一世紀之后，隨著高新技術的迅猛發(fā)展，對勞動者素質尤其是創(chuàng)新能力的要求越來越高，這就要求職業(yè)教育的培養(yǎng)目標也隨之提升。近幾年，我結合所在中職學校和學生實際，在電子電器和機電專業(yè)學生中，通過各種系列電子設計（如以單向可控硅為核心利用系列電子設計）進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以此為突破口，讓學生在“做中學，學中做”，取得了顯著效果。本人準備在接下來的科技教育活動中，采用用途極為廣泛的時基集成電路555進行系列電子設計，從而更好地對學生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、目標

小目標：通過科技創(chuàng)新活動，讓中職生多實驗，多動手，多體驗，從而激發(fā)他們的學習興趣，鍛煉他們的操作技能，由此恢復其學習的自信心，增強毅力和克服困難的勇氣。

大目標：以中職學校科技創(chuàng)新教育與職業(yè)教育相結合，充分發(fā)揮職業(yè)學校的優(yōu)勢，使科技創(chuàng)新成為職業(yè)教育的新亮點為研究根本，探索以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新人才教育為重點的職業(yè)教育革新。

三、對象

電子電器和機電專業(yè)的中職學生。

四、人數(shù)

成立電子科技小組，約20至30人（或本專業(yè)二年級學生數(shù)的30%～50%）。

五、活動重點

1、如何利用電路系列設計，對中職電子專業(yè)和機電的學生進行學習興趣培養(yǎng)。

2、如何利用電路系列設計，對中職電子專業(yè)和機電的學生進行觀察能力、分析能力、動手操作能力培養(yǎng)和專業(yè)技能訓練。

3、如何利用電路系列設計，對中職電子專業(yè)和機電的學生進行創(chuàng)造性思維，特別是發(fā)散思維、縱向思維、橫向思維的培養(yǎng)。

六、活動難點

電路的分析和設計，發(fā)散思維、縱向思維、橫向思維等創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)；學習興趣、勇于探索、堅韌不拔等非智力因素的培養(yǎng)。

七、主要器材

555時基集成電路、三極管、二極管、電阻、電容、發(fā)光二極管、喇叭、導線、焊錫、實驗用面包板、萬能電路板、敷銅板、計算機、電烙鐵、烙鐵架、鉗子、剪刀、鑷子、吸錫器、萬用表、直流電源、示波器等。

八、活動注意事項

1、注意安全用電，進行安全用電教育。

2、正確使用儀表、工具，特別是萬用表各種擋位的正確選擇，電烙鐵正確操作使用。

3、使用電鉆注意安全，有長發(fā)的女生要戴帽。

4、設計制作出的各種電路，通電前要認真檢查，特別要防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

5、使用三氯化鐵進行印制板制作時，防止外濺，以免對其他設備、工具造成腐蝕。

九、方案內容

1、進行基礎知識的學習，掌握555時基集成電路的原理及基本運用，學會觀察分析。

555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結合在同一硅片上的組合集成電路。555時基電路的內部等效電路可簡化為如圖1所示的等效功能電路，內含兩個比較器A1和A2、一個觸發(fā)器、一個驅動器和一個放電晶體管。兩個比較器分別被電阻R1、R2和R3構成的分壓器設定的?VDD和?VDD參考電壓所限定。三個5kΩ電阻組成的分壓器，使內部的兩個比較器構成一個電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平為?VDD，下觸發(fā)電平為?VDD。在5腳控制端外接一個參考電源Vc，可以改變上、下觸發(fā)電平值。不用外加控制電壓時，可用0.01mF的電容使5腳交流接地，以旁路高頻干擾。4腳是低電平復位端，在4端施加低電平時，可以強制復位，使輸出Q為0。通常是將4腳接電源VCC的正極。放電晶體管VT構成放電開關，當Q=0時，VT截止；當Q=1時，VT飽和導通，可見晶體管VT作為放電開關，其通斷狀態(tài)由觸發(fā)器的狀態(tài)決定。

圖1

555各功能腳的關系是：只要2腳的電位低于?VDD，即有觸發(fā)信號加入時，必使輸出端3腳為高電平；而當6腳的電位高于VDD時，即有觸發(fā)信號加進時，且同時2腳的電位高于VDD時，才能使輸出端3腳有低電平輸出。否則3腳輸出保持不變。

555的基本應用有三項：構成單穩(wěn)電路、觸發(fā)電路、振蕩電路。分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2

圖3

圖4

2.創(chuàng)新之一：各種定時電路。

利用555構成的單穩(wěn)電路可以設計成定時開關。定時時間由圖2電路中的電阻RT和電容CT決定，具體為1.1RT× CT。此電路可以進行哪些創(chuàng)新呢？

首先，從圖2電路上可看出，在定時過程中555的3腳輸出是高電平，能否設計成在定時過程中555的3腳輸出是低電平呢？答案是肯定的，只要把定時電阻和定時電容對換一下位置即可。

另外，分析一下圖2右邊電路，當?shù)谝淮味〞r結束后關斷電源，再次接通電源又要進行定時，則會出現(xiàn)什么情況呢？會出現(xiàn)因定時電容上仍有電荷而不能正常進行再次定時的現(xiàn)象。如何改進呢？只要在定時電阻上并接一個放電用二極管即可。

還有，要增大圖2電路的定時時間，就要增大定時電阻阻值和定時電容容量，但是此電阻阻值和電容容量是不能無限度增大的，起碼會影響定時的精度。一種創(chuàng)新是我們可以利用電容與三極管構成的電容容量倍增電路，來大大增大有效電容容量。第二種創(chuàng)新是我們可以再采用一塊555時基集成電路構成大周期振蕩電路，來對定時電容進行間歇充電。第三種創(chuàng)新是我們可以采用十進制或十二進制計數(shù)分頻數(shù)字集成電路，通過對大周期555振蕩電路產生的脈沖進行分頻，從而得到長時間的定時。如此等等，不斷地對單穩(wěn)電路進行創(chuàng)新。

3.創(chuàng)新之二：各種振蕩電路。

圖4中是基本振蕩電路，定時阻容為R1、R2、C1，C1在充電時，電流經過R1、R2。C1在放電時電流只經過R2，振蕩周期T為0.693（R1＋2R2）C1。此電路可以進行哪些創(chuàng)新呢？

首先，從圖4電路上可看出，C1充電的時間和放電的時間不同，3腳輸出的不是方波信號。如何得到方波信號呢？我們可以用一個二極管與R2并聯(lián)，結果C1在充電時，電流只經過R1，沒有經過R2；C1放電時，電流經過R2，只要R1 =R2，輸出就是方波信號。我們也可以把定時電阻連接到輸出端，結果定時電容的充電和放電都只經過這個定時電阻，輸出的也就是方波信號。電路如圖5所示。

圖5

圖6

另外，根據(jù)定時電阻阻值的改變、或者定時電容容量的改變，振蕩電路的振蕩頻率就會改變，我們可以設計出光控變音調的振蕩器，電路如圖6所示。光線強弱變化時，電路發(fā)出的聲音頻率也隨之發(fā)生變化，可以制作成怪聲玩具、聲控報警器等。

還有，根據(jù)5腳的功能，我們可以設計出一種改變振蕩器頻率的壓控振蕩器，電路如圖7所示。電位器W滑動端位置改變時，5腳電壓發(fā)生變化，對應定時電容充電時間改變，結果振蕩路的振蕩頻率隨之改變。

圖7

圖8

我們還可以根據(jù)4腳的復位功能創(chuàng)新設計出過載報警器、防盜報警器，等等。圖8是一種斷線防盜報警器。正常時，漆包線把4腳接地，電路不振蕩。當漆包線被弄斷時，電路振蕩，喇叭發(fā)出報警聲。利用此原理我們還可以創(chuàng)新設計出光控防盜報警器、干簧管防盜報警器等。

利用555振蕩電路，我們還可以創(chuàng)新設計出各種信號發(fā)生器、電路檢測器、元件測量器、頻率變換器、升壓器，等等。

4、創(chuàng)新之三：各種觸摸開關電路。

圖3是555構成的兩種基本觸發(fā)電路。此電路可以進行哪些創(chuàng)新呢？

首先，我們可以把555的6、7腳相連，一起外接定時電阻、電容，2腳外接一塊金屬觸摸片，就可制作成觸摸定時開關，電路如圖9所示。手碰一下金屬片，555的3腳就會輸出高電平，電珠LAMP點亮。一段時間延時后3腳輸出變?yōu)榈碗娖剑娭長AMP熄滅。

圖9

另外，我們可以在2腳和6腳處各自接上一塊觸摸金屬片，7腳空著不用，就可制作成觸摸電子開關。用手碰一下2腳的金屬片，555的3腳就輸出高電平，碰一下6腳的金屬片，555的3腳就輸出低電平。

5、動手實踐：利用設計出來的電路進行組裝、檢測、調試、分析、總結。

十、評價方式

1、對學生設計的實驗方案、實驗制作及創(chuàng)新給予肯定并指出不足和改進方向。

2、同學暢談創(chuàng)新收獲、寫出心得體會。評選出好的思維方法、有創(chuàng)意的點子，對不怕困難、勇于探索、堅忍不拔、善于觀察、實事求是、團結協(xié)作的同學給予表揚。

十一、活動反思與拓展

本方案是一種利用時基555系列電子設計，對中職電子專業(yè)學生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與之前本人所進行的以單向可控硅為核心，利用系列電子設計進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相比，更為先進、更能結合當前生活生產實際，對學生要求也更高，能更有效地對學生進行學習興趣、動手能力、勇于探索等方面的培養(yǎng)。當然，我們還可以利用某一種、或某幾種COMS 4000系列數(shù)字集成電路，例如CD4001、CD4013、CD4017、CD4066、CD4069等，通過系列電子設計，也能夠有效地對中職電子專業(yè)學生的創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新能力，以及各種有關非智力因素進行培養(yǎng)，因為CMOS 4000系列數(shù)字集成電路在當前生活、生產中，用途也是非常廣泛的。

十二、活動的作用及效果

中職學生在學習上沒有升學的壓力，身心輕松，對多彩的課余文化生活會有更多的渴望和追求。555時基集成電路設計新穎，構思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設計人員和電子愛好者的青睞。通過分析它在單穩(wěn)電路、觸發(fā)電路、振蕩電路的基本應用，不斷挖掘它的功能，不斷進行電路改革、創(chuàng)新，使學生在自主參與、寓教于樂的實踐體驗中得到了很好的鍛煉，從而有效培養(yǎng)學生學習興趣、改進學習態(tài)度，有效鍛煉學生的思維能力、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)和提高學生的科學素養(yǎng)及自主探索創(chuàng)造精神。

[1]葉桂娟、陳有卿：《555時基電路原理、設計與應用》，電子工業(yè)出版社2007年出版。

[2]陳有卿：《實用555時基電路300例》，中國電力出版社 2005年出版。

[3]孫余凱、吳鳴山、項綺明：《555時基電路識圖》，電子工業(yè)出版社2007出版。

個人簡介：徐順生（1970—），男，實驗師，畢業(yè)于福建師范大學。