自制簡易非門電路演示器

李如虎

摘要:高中物理新教材“簡單的邏輯電路”的教學內容中有用“非”門電路實現的邏輯關系的要求。筆者用三極管作為“非”門的替代品設計了該儀器,不僅演示效果比較理想,而且還可以拓展進行探究性實驗。演示儀器具有直觀性強、操作簡單、取材方便、易制作維護、原理呈現清楚等優點。

關鍵詞:非門;門電路演示器;邏輯電路;三極管

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2009)7(S)-0053-3

以數字信號為特征的現代信息技術發展迅猛,計算機、數碼相機、移動電話、數字電視、等與數字信號相關的電子產品,已經深入到我們生活的方方面面,可以說我們的生活時時處處都與數字信號連在了一起。處理數字信號的電路叫數字電路,也稱邏輯電路。數字信號在變化過程中只有兩個狀態:“有”或“沒有”,在邏輯電路中用“1”和“0”來表示。高中物理新課改教材中增加了“簡單的邏輯電路”這一節教學內容,就是為了適應時代發展而引入的。因為“非”門電路是邏輯電路的一個基本單元,為了幫助學生理解“非”門電路的工作原理,在實驗室沒有現成的配套演示儀器的條件下,我們按照教材中對非門電路實現的邏輯關系的要求,[1]用三極管作為“非”門的替代品設計了該儀器。介紹如下:

1 教具裝置原理圖和實物照片

2 教具特點及用途

本演示儀器具有直觀性強,操作方便;對實驗原理的顯示比較清楚、明了;取材方便,器材簡單,制作容易,易維修等優點。

本儀器不僅可以演示“非門”電路的功能,將“非門”電路的真值表演示出來;還可以進行的一些拓展研究,比如:演示如何實現光、聲音、溫度、濕度的自動控制或報警等,也為處理教材的課后習題與應用的問題做了實驗上的準備,實為一舉多得。

3 制作材料

3DG142三極管1只(3DG系列,9013,9014等均可),發光二極管2只,30Ω電阻3只,470kΩ可變電阻1只,光敏電阻1只,有機玻璃外殼2只, 40cm×30cm×0.7cm木板(或塑料板)一塊,金屬(或其他)支架1對,φ=0.5cm左右的插口、插頭15組,單刀雙擲開關1只,導線、螺絲若干。

4 制作方法

(1)將發光二極管、光敏電阻和插頭裝入有機玻璃盒內,各種插頭連接線做好;

(2)按照原理圖(圖1)在木板的正面按合適的比例用2B鉛筆畫好布線圖;

(3)用電鉆將各插口和安裝單刀雙擲開關的孔打好,將各15組插口和3只單刀雙擲開關安裝好;

(4)在木板的背面,用電烙鐵將該連接的導線按照原理圖連接好(圖2)。

5 實驗原理及使用方法

5.1 演示“非門”電路的邏輯功能和演示“非門”電路的真值表

演示“非”邏輯關系的連接方法如圖3所示:插口P1不接,將R1斷開;插口P4、P5斷開;插口P6、P7用連接線短接,這時作為輸入顯示的發光二極管LED1按照“左正右負”的方向插入P2、P3插口,作為輸出顯示的發光二極管LED3按照“上正下負”的方向插入P8、P9插口,將作為輸入信號源的電壓源E1(6V, 高電平,表示輸入“1” )、E2(1.5V ,低電平,表示輸入“0” )和“非”門工作電源E3(6V)連接好,就可以進行實驗了。

當電鍵S接高電平(6V表示輸入“1” )的位置時,三極管3DG142處于導通狀態,輸出端C極為低電平,輸入信號顯示器LED1亮,輸出信號顯示器LED3不亮(表示輸入為“1”時,輸出是“0” );當電鍵S接低電平(1.5V 表示輸入“0” )的位置時,三極管3DG142處于截止狀態,輸出端C極為高電平,輸入信號顯示器LED1不亮,輸出信號顯示器LED3亮(表示輸入為“0”時,輸出是“1” )。這表明實現了“非”的邏輯關系。非門電路真值表如表1所示,可以用該儀器將它很好的演示出來。

5.2 拓展研究

(1)用光敏電阻輸入信號,實現光的自動控制。

用光敏電阻輸入信號演示“光控”的連接方法如圖4所示:插口P1與P3短接(注意要與插口P2斷開);將LED1、LED3斷開;R2用光敏電阻接通,作為信號輸入元件;插口P6 、P7接LED2作為輸出信號顯示。當有光照射光敏電阻時,此時光敏電阻阻值較小,輸入為低電平,就光的亮度而言,可以認為是輸入了“1”,三極管3DG142處于截止狀態,輸出端C極為高電平,輸出信號顯示器LED2不亮;將照射光敏電阻的強光遮住,不讓光照射到光敏電阻上,此時雖然輸入為高電平,但是就光的亮度而言,可以認為是輸入了“0”,三極管3DG142處于導通狀態,輸出端C極為低電平,輸出信號顯示器LED2亮。這表明了輸入光信號是“1”時,輸出是“0”;而輸入光信號是“0”時,輸出則是“1”,實現了“非”的邏輯關系。此電路原理還可以拓展應用:實現馬路上路燈亮、暗的自動控制;②危險工作環境的信號報警;③學生學習時防止光線太暗,影響視力的燈光亮度自動報警;④選取合適材料(阻值與濕度變化關系明顯的材料)進行濕度的"非"的邏輯關系實驗等。

(2)用熱敏電阻輸入信號,實現溫度的自動控制

演示“溫控”的連接方法與“光控”的連接方法相同,只要將光敏電阻換成熱敏電阻即可。當熱敏電阻處于室溫時,其阻值很大,此時輸入為高電平,表示輸入了“1”,三極管3DG142處于導通狀態,輸出端C極為低電平,輸出信號顯示器LED2亮(輸出端C極為低電平,表示為輸出“0”);當將熱敏電阻放在高溫的熱水中時,其阻值變小,此時輸入為低電平,表示輸入了“0”,三極管3DG142處于截止狀態,輸出端C極為高電平,輸出信號顯示器LED2不亮(輸出端C極為高電平,表示輸出為“1”)。這表明實現了“非”的邏輯關系。此原理可以拓展為:溫度自動報警控制電路。

(3)用駐極體拾音頭輸入信號,實現聲音的自動控制。

演示“聲控”的連接方法也與“光控”的連接方法相同,只要將光敏電阻換成駐極體話筒即可。當環境噪音較小(沒有信號輸入)時,駐極體話筒容抗較大,此時輸入端b極為低電平,表示輸入了“0”,三極管3DG142處于截止狀態,輸出端C極為高電平,輸出信號顯示器LED2不亮(輸出端C極為高電平,表示輸出為“1”);當環境噪音較大(如對著話筒吹氣,有信號輸入)時,駐極體話筒容抗較小,此時輸入端b極為高電平,三極管3DG142處于導通狀態,輸出端C極為低電平,即表示輸入為“1”時,輸出端C極為低電平,表示輸出為“0”,輸出信號顯示器LED2亮。此原理可以拓展為:噪聲自動報警控制電路。

本儀器可以充分發揮學生的想象力,只要好好開發與利用,可以實現多種教育教學功能。

參考文獻:

[1]張維善.普通高中課程標準教科書.物理?選修3-1. 第2版.北京:人民教育出版社.2006

(欄目編輯王柏廬)