利用DIS演示模數轉換原理

(江蘇省丹陽高級中學，江蘇 丹陽 212300)

普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2中《傳感器》一章，以前沿科技為導入，內容新穎，大大激發了學生學習物理的興趣.特別是最后一節《傳感器的應用實驗》，將理論和實際應用緊密結合起來，體現了很強的實用價值，在這里教科書介紹了應用較為廣泛的一種非門電路――斯密特觸發器，其中有這樣一段介紹：當加在它輸入端A的電壓逐漸上升到某個值(1.6V)時，輸出端Y會突然從高電平跳到低電平(0.25V)，而當輸入端A的電壓逐漸下降到另一個值(0.8V)時，輸出端Y會突然從低電平跳到高電平(3.4V).

短短的這樣一段介紹對于初學數字電路的中學生來說，并不是那么好理解的，能否有一種方式將斯密特觸發器的這樣一種輸入、輸出特性直觀地展示在學生面前呢？DIS系統為我們的教學提供了可能.

1 實驗原理

圖1是本實驗的原理圖，可以被分成3個部分：

圖1

(1)74LS14集成電路系統

①電源供給部分：對于任何集成電路來講，其工作都需要消耗電能，故必須要有電源為其提供能量，本實驗以電池組作為供電電源，電池組正極接在標有“VCC”的集成腳，負極接在標有“GND”的集成腳，這樣集成電路就處于工作狀態.(注：由于74LS14集成塊內部有6個完全相同的非門電路，我們只需用其中的一個.)

②信號輸入部分：此次實驗輸入的模擬信號為學生電源提供的直流電壓信號，為了方便調節集成塊輸入電壓的幅度，我們又采用了一個分壓電路，所以集成塊的輸入信號實際是由分壓電路提供的，這一電壓加在“1A”和“GND”之間，故“1A”就可以看作是模擬信號的輸入腳.

③信號輸出部分：從“1A”輸入的模擬信號經“1A”和“1Y”之間的非門電路處理后，被轉化成跳躍變化的“數字”信號從“1Y”輸出，我們可以認為這一“數字”信號是加在“1Y”和“GND”之間的.

(2)DIS實驗系統

為了將轉換前的“模擬”信號和轉換后的“數字”信號作同步對比，我們使用了DIS實驗系統中的兩個電壓傳感器.

(1)模擬信號輸入：電壓傳感器1負責接收模擬信號，所以它的“信號輸入電纜1”是接在“1A”和“GND”之間的，所以它顯示的也就是集成塊“1A”腳的輸入信號.

(2)數字信號輸入：電壓傳感器2負責接收數字信號，所以它的“信號輸入電纜2”是接在“1Y”和“GND”之間的，所以它顯示的也就是集成塊“1Y”腳的輸出信號.

(3)綜合信號輸出：DIS數據采集處理電路將電壓傳感器1和電壓傳感器2接收到的信號作相應處理后，通過專用計算機接口電纜將數據輸入計算機.

(3)計算機處理、顯示系統

所用計算機必須安裝“DisLab”軟件系統，通過這一軟件將由接口電纜輸入的數據最終用圖像的形式在屏幕上顯示出來，這樣我們就可以直觀地看到模擬信號及被轉化后的數字信號.

2 實驗結果

圖2是本實驗的一個屏幕截圖，該圖生動、完美地呈現了斯密特觸發器是如何將一個連續變化的正弦波形“模擬信號”轉化為跳躍變化的矩形“數字信號”的.

通過這一屏幕截圖，可以向學生作以下說明：

(1)在數字邏輯電路的信號分析中常用“1”、“0”代表不同的高低電壓，“1”表示高電位狀態，用“0”表示低電位狀態.

(2)“1”不是1V電壓，“0”也不是0V電壓.

圖2

(3)在不同的工作電路中，“1”和“0”可能代表不同的具體電壓，如斯密特觸發器輸出的“1”就與具體的“3.4V”以上電壓相對應，而輸出的“0”就與具體的“0.25V”以下電壓相對應，不能一概而論.

(4)由于高低電壓的觸發值不是同一值，而是兩個不同的閾值“0.8V”和“1.6V”，當模擬信號電壓高于1.6V時，輸出的數字信號一定為“0”；當模擬信號電壓低于0.8V時，輸出的數字信號一定為“1”；但當模擬信號電壓介于0.8V和1.6V之間時，輸出的數字信號可能是“1”也可能是“0”，這是由觸發器翻轉前的閾值電壓決定的.