論電路實(shí)驗(yàn)在555定時(shí)器一課中的應(yīng)用

李君，王兆欣，宋亞姬

（空軍航空大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130021）

1 理實(shí)一體化教學(xué)模式

電類(lèi)課程具有實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，在理論課的講授過(guò)程中融匯實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)，能夠起到事半功倍的教學(xué)效果。在555定時(shí)器一課的教學(xué)過(guò)程中，精選電路實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受抽絲剝繭，層層深入的科學(xué)研究過(guò)程。圍繞理實(shí)一體化教學(xué)模式，課堂貫穿任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和問(wèn)題式教學(xué)法，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)際任務(wù)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。在課前以學(xué)習(xí)小組為單位制作電路的過(guò)程中，理論聯(lián)系實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。在課上，學(xué)生展示自己的電路實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生適時(shí)的評(píng)價(jià)和激勵(lì)，有助于學(xué)生進(jìn)一步地學(xué)習(xí)。無(wú)論是課上還是課下，給學(xué)生思考空間，挖掘?qū)W生無(wú)限潛能，讓學(xué)生成為課堂上的主角，掌握集成芯片的使用方法。學(xué)生在制作電路的過(guò)程中，遇到了很多實(shí)際問(wèn)題，教師及時(shí)鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識(shí)和技能去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中自然而然地理解了555定時(shí)器的典型應(yīng)用，完成了教學(xué)目標(biāo)。

2 引入面包板實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境

2.1 觸摸開(kāi)關(guān)電路

圖1所示是一個(gè)簡(jiǎn)易觸摸開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)手摸金屬片時(shí)，發(fā)光二極管亮，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，發(fā)光二極管熄滅。在課前，我們引導(dǎo)學(xué)生去觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析輸入信號(hào)，分析輸入與輸出的關(guān)系；更換不同的電阻和電容、觀(guān)察發(fā)光二極管能亮多長(zhǎng)時(shí)間；短時(shí)間觸碰金屬片、長(zhǎng)時(shí)間觸摸金屬片、連續(xù)多次觸摸金屬片，觀(guān)察發(fā)光狀態(tài)的變化。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓學(xué)生直觀(guān)認(rèn)識(shí)555定時(shí)器、會(huì)使用555定時(shí)器，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納總結(jié)，能夠質(zhì)疑并合作學(xué)習(xí)。

輸出端電路稍加改變就可以接門(mén)鈴、短時(shí)用照明燈、廚房排煙風(fēng)扇等。

圖1 觸摸開(kāi)關(guān)電路

2.2 防盜報(bào)警電路

圖2 防盜報(bào)警電路

圖2 所示是一個(gè)防盜報(bào)警電路，a、b兩端被一細(xì)銅絲接通，此銅絲置于認(rèn)為盜竊者必經(jīng)之處。當(dāng)盜竊者闖入室內(nèi)將銅絲碰斷后，揚(yáng)聲器即發(fā)出報(bào)警聲。在課前，我們引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，與RC橋式振蕩電路做對(duì)比；更換不同的電阻和電容、傾聽(tīng)喇叭聲音的變化。在課上，幫助學(xué)生分析電路，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用555定時(shí)器的4管腳——直接復(fù)位端，學(xué)會(huì)根據(jù)需要對(duì)電路做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

2.3 電子門(mén)鈴電路

圖3所示為電子門(mén)鈴電路。在這個(gè)電路中，第一片555定時(shí)器和外圍元件組成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，第二片555定時(shí)器和外圍元件組成了多諧振蕩器，剛好是本課講授的555定時(shí)器的兩種應(yīng)用電路。所以，我們選擇它作為課堂測(cè)試題，考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)考查結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

圖3 電子門(mén)鈴電路

據(jù)研究表明，一堂45分鐘的課堂教學(xué)，學(xué)生的注意力介于15分鐘到20分鐘之間。我們根據(jù)學(xué)生的課堂關(guān)注力，采用了三個(gè)面包板電路實(shí)驗(yàn)將課堂時(shí)間劃分成三塊。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)又是由淺入深、層層遞進(jìn)的關(guān)系。當(dāng)學(xué)生在教師的引領(lǐng)下，經(jīng)歷了這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的討論交流后，就會(huì)對(duì)555定時(shí)器及其應(yīng)用電路有一個(gè)直觀(guān)地、清晰地、深刻地認(rèn)知，這個(gè)認(rèn)知是自己去發(fā)現(xiàn)的，能夠體會(huì)到樂(lè)趣、建立自信心。

3 引入Multisim仿真實(shí)驗(yàn)突破教學(xué)重、難點(diǎn)

3.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

圖4 由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器仿真圖

在555定時(shí)器外圍連接電阻R和電容C，2管腳外接輸入信號(hào)（800Hz、12V、占空比可調(diào)的矩形波），4管腳接到電源，5管腳接電容（不用控制電壓）。引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)測(cè)輸入、輸出兩路信號(hào)的波形，并分析工作原理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)不同的輸入條件、不同的電阻和電容數(shù)值對(duì)輸出信號(hào)的影響，引導(dǎo)學(xué)生歸納分析得出結(jié)論：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)；在外界觸發(fā)脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。

由于具備這些特點(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時(shí)（產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖）、報(bào)警以及定時(shí)（產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào)）等。

3.2 多諧振蕩器

引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察電路，比較單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的電路組成。與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不同的是：多諧振蕩器將555定時(shí)器的放電晶體管T的集電極（7管腳）經(jīng)電阻R1* MERGEFORMAT接到Vcc上，便組成了一個(gè)反相器。7管腳對(duì)地接R2、C積分電路，積分電容C再接2腳和6腳。與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相同的是：4管腳接到電源，5管腳接電容（不用控制電壓）。

引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)測(cè)輸入、輸出信號(hào)。比較有趣的是：這個(gè)電路沒(méi)有輸入信號(hào)。那輸出會(huì)是什么樣的呢？觀(guān)測(cè)輸出波形，并分析工作原理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)不同的電阻和電容數(shù)值對(duì)輸出信號(hào)的影響，引導(dǎo)學(xué)生歸納分析得出結(jié)論：

多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)電容的充電和放電，使兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，使輸出端產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習(xí)慣上又將矩形波振蕩器稱(chēng)為多諧振蕩器。

圖5 由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器仿真圖

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用直觀(guān)的波形演示幫助學(xué)生理解電路的工作原理，收到了非常好的教學(xué)效果。

4 結(jié)論

理實(shí)一體化教學(xué)模式，能夠幫助學(xué)生達(dá)成這個(gè)目標(biāo)。在555定時(shí)器一課的教學(xué)過(guò)程中，多個(gè)電路實(shí)驗(yàn)串聯(lián)了教學(xué)內(nèi)容，從課前布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，到課上對(duì)555定時(shí)器典型電路的理解和綜合運(yùn)用，學(xué)生通過(guò)完成這些任務(wù)，在學(xué)習(xí)中獲得“知識(shí)”，在實(shí)踐中獲得“技能”，最終提高了“素質(zhì)”。