數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

摘 要：數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)對(duì)促進(jìn)學(xué)生電路知識(shí)的融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)生的綜合動(dòng)手能力非常重要。本文提出了數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，并以數(shù)控迷你小風(fēng)扇和數(shù)字溫度計(jì)為例闡述了該原則在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)模結(jié)合 綜合性實(shí)驗(yàn) 數(shù)控風(fēng)扇 數(shù)字溫度計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（b）-0090-02

數(shù)字電路課程和模擬電路課程是電子學(xué)領(lǐng)域的兩門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生理解這兩門(mén)課程的理論知識(shí)及進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)“以學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)，以綜合應(yīng)用為核心，以培養(yǎng)創(chuàng)造性思維為重點(diǎn)”的培養(yǎng)目標(biāo)，近年來(lái)，深圳大學(xué)信息工程學(xué)院將數(shù)字電路和模擬電路教學(xué)都放在了大學(xué)二年級(jí)上學(xué)期開(kāi)展，同時(shí)將數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室和模擬電路實(shí)驗(yàn)室合并，成立了數(shù)模復(fù)用實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生加深電子學(xué)領(lǐng)域的理論認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合動(dòng)手能力建立了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍。相應(yīng)的，這兩門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了改進(jìn)，增加了數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文以數(shù)控迷你小風(fēng)扇和數(shù)字溫度計(jì)為例，具體闡述數(shù)模復(fù)用實(shí)驗(yàn)室綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)和模擬電路實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展一般都是以特定的目的、孤立的功能單元而開(kāi)設(shè)。數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)包括各種常用芯片的功能測(cè)試及簡(jiǎn)單應(yīng)用，不涉及任何模擬電路部分；模擬電路實(shí)驗(yàn)包括分立元件（三極管）放大電路和集成運(yùn)算放大電路的性能及簡(jiǎn)單運(yùn)用，不涉及任何數(shù)字電路部分。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案存在以下兩大問(wèn)題：一是實(shí)驗(yàn)的目的一般都是理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺少對(duì)學(xué)生興趣的考慮，不能激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力；二是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與模擬電路實(shí)驗(yàn)“各自為政”，致使學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后感到知識(shí)不連貫，不能綜合理解和運(yùn)用數(shù)字電路和模擬電路的知識(shí)體系，以至于很難達(dá)到融會(huì)貫通，學(xué)以致用的目的。

基于以上問(wèn)題，數(shù)模綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是興趣主動(dòng)性；二是數(shù)模綜合性。古代教育家孔子曾說(shuō)過(guò)：“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者”。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程的興趣主動(dòng)性，使學(xué)生愿意開(kāi)始干，愿意投入干，干完后有成就感，就能起到事半功倍的教學(xué)效果。在興趣的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生對(duì)完成實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性更強(qiáng)，對(duì)所學(xué)數(shù)字電路理論知識(shí)和模擬電路理論知識(shí)的融會(huì)貫通性就會(huì)更好，從而能夠保證綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到最初的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的，即加深學(xué)生的理論認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

體現(xiàn)數(shù)模綜合性設(shè)計(jì)原則的實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括數(shù)字電路部分、模擬電路部分、以及數(shù)模（模數(shù)）轉(zhuǎn)換電路部分。一般有兩種形式，如圖1、圖2所示。在數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）綜合實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)輸入數(shù)字控制信號(hào)，如調(diào)節(jié)風(fēng)扇遙控器，該信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，一般的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬信號(hào)都比較微弱，無(wú)法驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行裝置，因此，該微弱信號(hào)需要再通過(guò)模擬放大電路，進(jìn)行電流或者電壓等功率放大，最終驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行系統(tǒng)，如調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。在模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）綜合實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采集外界環(huán)境中的模擬信號(hào)信息，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等，一般，傳感器采集到的信號(hào)比較微弱，需要通過(guò)模擬放大電路進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示。模擬放大電路不僅能放大模擬信號(hào)，還能夠減小模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分的轉(zhuǎn)換誤差，從而更精確的進(jìn)行數(shù)字顯示。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)控迷你小風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

風(fēng)扇在現(xiàn)實(shí)生活中普遍使用，學(xué)生對(duì)這個(gè)項(xiàng)目不會(huì)產(chǎn)生陌生感，而且該項(xiàng)目具有很大實(shí)用性，容易學(xué)生的興趣和主動(dòng)性。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求是：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)控迷你小風(fēng)扇，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制通過(guò)數(shù)字輸入。電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。參考電路設(shè)計(jì)如圖4所示。大二學(xué)生還沒(méi)有接觸過(guò)鍵盤(pán)輸入控制電路，因此，本項(xiàng)目采用自鎖式開(kāi)關(guān)這種簡(jiǎn)單的器件進(jìn)行數(shù)字輸入控制。例如，希望轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到100轉(zhuǎn)/分，就可以利用8個(gè)自鎖式開(kāi)關(guān)輸入“01100100”，開(kāi)為“1”，關(guān)為“0”。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片：根據(jù)輸入的八位二進(jìn)制，輸出該二進(jìn)制所代表的電流值。框圖中的驅(qū)動(dòng)部分對(duì)應(yīng)電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)射極跟隨器，輸入微電流控制發(fā)射極輸出電壓，在發(fā)射極端接負(fù)載小風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)。三極管可以采用最普通的9013。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

溫度計(jì)在日常生活中也很多見(jiàn)。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)。為了保護(hù)大二學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，不讓他們產(chǎn)生畏難情緒，測(cè)量溫度范圍定位20～29攝氏度。設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。十進(jìn)制的“2”為固定數(shù)字，學(xué)生只要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)溫度個(gè)位數(shù)的顯示即可，參考電路設(shè)計(jì)如圖6所示。溫度傳感器LM35可以探測(cè)周?chē)h(huán)境溫度從而輸出不同電壓，輸出的電壓值隨溫度的變化呈線性變化，例如，20攝氏度，LM35輸出0.20 V，25攝氏度，LM35輸出0.25 V。LM741運(yùn)算放大器電路部分雖然沒(méi)有電壓放大，但是增加了電路的帶載能力，增強(qiáng)了模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的輸入穩(wěn)定性。ADC 0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片根據(jù)輸入的電壓值，輸出代表其電壓值的八位二進(jìn)制。74LS573鎖存器：OE腳為使能端，LE為鎖存端，當(dāng)LE為1時(shí)，D端的數(shù)據(jù)輸出到O端，當(dāng)LE為0時(shí)，D端的數(shù)據(jù)無(wú)法輸出到O端，O端輸出上一個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。74LS283全加器對(duì)輸入的四位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行加減法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)碼功能。74LS48根據(jù)輸入的四位二進(jìn)制數(shù)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，顯示相應(yīng)數(shù)字（0～9）。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生電路領(lǐng)域的理論認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。本文作者所在的深圳大學(xué)信息工程學(xué)院將數(shù)電、模電實(shí)驗(yàn)室合并，成立了數(shù)模復(fù)用實(shí)驗(yàn)室，為數(shù)模綜合性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供了良好的環(huán)境和氛圍。本文提出了數(shù)模綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，并提供了實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩個(gè)項(xiàng)目供兄弟院校電學(xué)實(shí)驗(yàn)室參考，希望能起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)

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①基金項(xiàng)目：深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理研究基金（2012010）。

作者簡(jiǎn)介：胡媛媛（1978—），女，博士，深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電工電子相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。