利用時(shí)基電路系列設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)

福建省三明工貿(mào)學(xué)校 徐順生

利用時(shí)基電路系列設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)

福建省三明工貿(mào)學(xué)校 徐順生

隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)勞動(dòng)者創(chuàng)新能力的要求日益提高。而目前中職學(xué)校的科技創(chuàng)新教育卻相當(dāng)薄弱。面對(duì)中職學(xué)校學(xué)習(xí)相對(duì)弱勢(shì)的學(xué)生，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，成為中職教師面臨的一項(xiàng)重要課題。我以時(shí)基集成電路系列電子設(shè)計(jì)為突破口，對(duì)電子電器和機(jī)電專業(yè)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，取得了顯著效果。

中職 電路設(shè)計(jì) 創(chuàng)新能力 活動(dòng) 學(xué)生

一、背景

進(jìn)入二十一世紀(jì)之后，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)勞動(dòng)者素質(zhì)尤其是創(chuàng)新能力的要求越來(lái)越高，這就要求職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)也隨之提升。近幾年，我結(jié)合所在中職學(xué)校和學(xué)生實(shí)際，在電子電器和機(jī)電專業(yè)學(xué)生中，通過(guò)各種系列電子設(shè)計(jì)（如以單向可控硅為核心利用系列電子設(shè)計(jì)）進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以此為突破口，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，取得了顯著效果。本人準(zhǔn)備在接下來(lái)的科技教育活動(dòng)中，采用用途極為廣泛的時(shí)基集成電路555進(jìn)行系列電子設(shè)計(jì)，從而更好地對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、目標(biāo)

小目標(biāo)：通過(guò)科技創(chuàng)新活動(dòng)，讓中職生多實(shí)驗(yàn)，多動(dòng)手，多體驗(yàn)，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉他們的操作技能，由此恢復(fù)其學(xué)習(xí)的自信心，增強(qiáng)毅力和克服困難的勇氣。

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

三、對(duì)象

電子電器和機(jī)電專業(yè)的中職學(xué)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(jí)學(xué)生數(shù)的30%～50%）。

五、活動(dòng)重點(diǎn)

1、如何利用電路系列設(shè)計(jì)，對(duì)中職電子專業(yè)和機(jī)電的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)。

2、如何利用電路系列設(shè)計(jì)，對(duì)中職電子專業(yè)和機(jī)電的學(xué)生進(jìn)行觀察能力、分析能力、動(dòng)手操作能力培養(yǎng)和專業(yè)技能訓(xùn)練。

3、如何利用電路系列設(shè)計(jì)，對(duì)中職電子專業(yè)和機(jī)電的學(xué)生進(jìn)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(dòng)難點(diǎn)

電路的分析和設(shè)計(jì)，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(xué)習(xí)興趣、勇于探索、堅(jiān)韌不拔等非智力因素的培養(yǎng)。

七、主要器材

555時(shí)基集成電路、三極管、二極管、電阻、電容、發(fā)光二極管、喇叭、導(dǎo)線、焊錫、實(shí)驗(yàn)用面包板、萬(wàn)能電路板、敷銅板、計(jì)算機(jī)、電烙鐵、烙鐵架、鉗子、剪刀、鑷子、吸錫器、萬(wàn)用表、直流電源、示波器等。

八、活動(dòng)注意事項(xiàng)

1、注意安全用電，進(jìn)行安全用電教育。

2、正確使用儀表、工具，特別是萬(wàn)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(zhǎng)發(fā)的女生要戴帽。

4、設(shè)計(jì)制作出的各種電路，通電前要認(rèn)真檢查，特別要防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

5、使用三氯化鐵進(jìn)行印制板制作時(shí)，防止外濺，以免對(duì)其他設(shè)備、工具造成腐蝕。

九、方案內(nèi)容

1、進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握555時(shí)基集成電路的原理及基本運(yùn)用，學(xué)會(huì)觀察分析。

555時(shí)基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。555時(shí)基電路的內(nèi)部等效電路可簡(jiǎn)化為如圖1所示的等效功能電路，內(nèi)含兩個(gè)比較器A1和A2、一個(gè)觸發(fā)器、一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)放電晶體管。兩個(gè)比較器分別被電阻R1、R2和R3構(gòu)成的分壓器設(shè)定的?VDD和?VDD參考電壓所限定。三個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器，使內(nèi)部的兩個(gè)比較器構(gòu)成一個(gè)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(gè)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(shí)，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(fù)位端，在4端施加低電平時(shí)，可以強(qiáng)制復(fù)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(gòu)成放電開(kāi)關(guān)，當(dāng)Q=0時(shí)，VT截止；當(dāng)Q=1時(shí)，VT飽和導(dǎo)通，可見(jiàn)晶體管VT作為放電開(kāi)關(guān)，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(guān)系是：只要2腳的電位低于?VDD，即有觸發(fā)信號(hào)加入時(shí)，必使輸出端3腳為高電平；而當(dāng)6腳的電位高于VDD時(shí)，即有觸發(fā)信號(hào)加進(jìn)時(shí)，且同時(shí)2腳的電位高于VDD時(shí)，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(yīng)用有三項(xiàng)：構(gòu)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(shí)電路。

利用555構(gòu)成的單穩(wěn)電路可以設(shè)計(jì)成定時(shí)開(kāi)關(guān)。定時(shí)時(shí)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(jìn)行哪些創(chuàng)新呢？

首先，從圖2電路上可看出，在定時(shí)過(guò)程中555的3腳輸出是高電平，能否設(shè)計(jì)成在定時(shí)過(guò)程中555的3腳輸出是低電平呢？答案是肯定的，只要把定時(shí)電阻和定時(shí)電容對(duì)換一下位置即可。

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

還有，要增大圖2電路的定時(shí)時(shí)間，就要增大定時(shí)電阻阻值和定時(shí)電容容量，但是此電阻阻值和電容容量是不能無(wú)限度增大的，起碼會(huì)影響定時(shí)的精度。一種創(chuàng)新是我們可以利用電容與三極管構(gòu)成的電容容量倍增電路，來(lái)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(shí)基集成電路構(gòu)成大周期振蕩電路，來(lái)對(duì)定時(shí)電容進(jìn)行間歇充電。第三種創(chuàng)新是我們可以采用十進(jìn)制或十二進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻數(shù)字集成電路，通過(guò)對(duì)大周期555振蕩電路產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行分頻，從而得到長(zhǎng)時(shí)間的定時(shí)。如此等等，不斷地對(duì)單穩(wěn)電路進(jìn)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(shí)阻容為R1、R2、C1，C1在充電時(shí)，電流經(jīng)過(guò)R1、R2。C1在放電時(shí)電流只經(jīng)過(guò)R2，振蕩周期T為0.693（R1＋2R2）C1。此電路可以進(jìn)行哪些創(chuàng)新呢？

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

圖5

圖6

另外，根據(jù)定時(shí)電阻阻值的改變、或者定時(shí)電容容量的改變，振蕩電路的振蕩頻率就會(huì)改變，我們可以設(shè)計(jì)出光控變音調(diào)的振蕩器，電路如圖6所示。光線強(qiáng)弱變化時(shí)，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(bào)警器等。

還有，根據(jù)5腳的功能，我們可以設(shè)計(jì)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(dòng)端位置改變時(shí)，5腳電壓發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)定時(shí)電容充電時(shí)間改變，結(jié)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(fù)位功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)出過(guò)載報(bào)警器、防盜報(bào)警器，等等。圖8是一種斷線防盜報(bào)警器。正常時(shí)，漆包線把4腳接地，電路不振蕩。當(dāng)漆包線被弄斷時(shí)，電路振蕩，喇叭發(fā)出報(bào)警聲。利用此原理我們還可以創(chuàng)新設(shè)計(jì)出光控防盜報(bào)警器、干簧管防盜報(bào)警器等。

利用555振蕩電路，我們還可以創(chuàng)新設(shè)計(jì)出各種信號(hào)發(fā)生器、電路檢測(cè)器、元件測(cè)量器、頻率變換器、升壓器，等等。

4、創(chuàng)新之三：各種觸摸開(kāi)關(guān)電路。

圖3是555構(gòu)成的兩種基本觸發(fā)電路。此電路可以進(jìn)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(shí)電阻、電容，2腳外接一塊金屬觸摸片，就可制作成觸摸定時(shí)開(kāi)關(guān)，電路如圖9所示。手碰一下金屬片，555的3腳就會(huì)輸出高電平，電珠L(zhǎng)AMP點(diǎn)亮。一段時(shí)間延時(shí)后3腳輸出變?yōu)榈碗娖?，電珠L(zhǎng)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(kāi)關(guān)。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(dòng)手實(shí)踐：利用設(shè)計(jì)出來(lái)的電路進(jìn)行組裝、檢測(cè)、調(diào)試、分析、總結(jié)。

十、評(píng)價(jià)方式

1、對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)制作及創(chuàng)新給予肯定并指出不足和改進(jìn)方向。

2、同學(xué)暢談創(chuàng)新收獲、寫(xiě)出心得體會(huì)。評(píng)選出好的思維方法、有創(chuàng)意的點(diǎn)子，對(duì)不怕困難、勇于探索、堅(jiān)忍不拔、善于觀察、實(shí)事求是、團(tuán)結(jié)協(xié)作的同學(xué)給予表?yè)P(yáng)。

十一、活動(dòng)反思與拓展

本方案是一種利用時(shí)基555系列電子設(shè)計(jì)，對(duì)中職電子專業(yè)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與之前本人所進(jìn)行的以單向可控硅為核心，利用系列電子設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相比，更為先進(jìn)、更能結(jié)合當(dāng)前生活生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)學(xué)生要求也更高，能更有效地對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力、勇于探索等方面的培養(yǎng)。當(dāng)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(guò)系列電子設(shè)計(jì)，也能夠有效地對(duì)中職電子專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新能力，以及各種有關(guān)非智力因素進(jìn)行培養(yǎng)，因?yàn)镃MOS 4000系列數(shù)字集成電路在當(dāng)前生活、生產(chǎn)中，用途也是非常廣泛的。

十二、活動(dòng)的作用及效果

中職學(xué)生在學(xué)習(xí)上沒(méi)有升學(xué)的壓力，身心輕松，對(duì)多彩的課余文化生活會(huì)有更多的渴望和追求。555時(shí)基集成電路設(shè)計(jì)新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員和電子愛(ài)好者的青睞。通過(guò)分析它在單穩(wěn)電路、觸發(fā)電路、振蕩電路的基本應(yīng)用，不斷挖掘它的功能，不斷進(jìn)行電路改革、創(chuàng)新，使學(xué)生在自主參與、寓教于樂(lè)的實(shí)踐體驗(yàn)中得到了很好的鍛煉，從而有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改進(jìn)學(xué)習(xí)態(tài)度，有效鍛煉學(xué)生的思維能力、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及自主探索創(chuàng)造精神。

[1]葉桂娟、陳有卿：《555時(shí)基電路原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社2007年出版。

[2]陳有卿：《實(shí)用555時(shí)基電路300例》，中國(guó)電力出版社 2005年出版。

[3]孫余凱、吳鳴山、項(xiàng)綺明：《555時(shí)基電路識(shí)圖》，電子工業(yè)出版社2007出版。

個(gè)人簡(jiǎn)介：徐順生（1970—），男，實(shí)驗(yàn)師，畢業(yè)于福建師范大學(xué)。