利用DIS演示模数转换原理

(江苏省丹阳高级中学，江苏 丹阳 212300)

普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2中《传感器》一章，以前沿科技为导入，内容新颖，大大激发了学生学习物理的兴趣.特别是最后一节《传感器的应用实验》，将理论和实际应用紧密结合起来，体现了很强的实用价值，在这里教科书介绍了应用较为广泛的一种非门电路――斯密特触发器，其中有这样一段介绍：当加在它输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平(0.25V)，而当输入端A的电压逐渐下降到另一个值(0.8V)时，输出端Y会突然从低电平跳到高电平(3.4V).

短短的这样一段介绍对于初学数字电路的中学生来说，并不是那么好理解的，能否有一种方式将斯密特触发器的这样一种输入、输出特性直观地展示在学生面前呢？DIS系统为我们的教学提供了可能.

1 实验原理

图1是本实验的原理图，可以被分成3个部分：

图1

(1)74LS14集成电路系统

①电源供给部分：对于任何集成电路来讲，其工作都需要消耗电能，故必须要有电源为其提供能量，本实验以电池组作为供电电源，电池组正极接在标有“VCC”的集成脚，负极接在标有“GND”的集成脚，这样集成电路就处于工作状态.(注：由于74LS14集成块内部有6个完全相同的非门电路，我们只需用其中的一个.)

②信号输入部分：此次实验输入的模拟信号为学生电源提供的直流电压信号，为了方便调节集成块输入电压的幅度，我们又采用了一个分压电路，所以集成块的输入信号实际是由分压电路提供的，这一电压加在“1A”和“GND”之间，故“1A”就可以看作是模拟信号的输入脚.

③信号输出部分：从“1A”输入的模拟信号经“1A”和“1Y”之间的非门电路处理后，被转化成跳跃变化的“数字”信号从“1Y”输出，我们可以认为这一“数字”信号是加在“1Y”和“GND”之间的.

(2)DIS实验系统

为了将转换前的“模拟”信号和转换后的“数字”信号作同步对比，我们使用了DIS实验系统中的两个电压传感器.

(1)模拟信号输入：电压传感器1负责接收模拟信号，所以它的“信号输入电缆1”是接在“1A”和“GND”之间的，所以它显示的也就是集成块“1A”脚的输入信号.

(2)数字信号输入：电压传感器2负责接收数字信号，所以它的“信号输入电缆2”是接在“1Y”和“GND”之间的，所以它显示的也就是集成块“1Y”脚的输出信号.

(3)综合信号输出：DIS数据采集处理电路将电压传感器1和电压传感器2接收到的信号作相应处理后，通过专用计算机接口电缆将数据输入计算机.

(3)计算机处理、显示系统

所用计算机必须安装“DisLab”软件系统，通过这一软件将由接口电缆输入的数据最终用图像的形式在屏幕上显示出来，这样我们就可以直观地看到模拟信号及被转化后的数字信号.

2 实验结果

图2是本实验的一个屏幕截图，该图生动、完美地呈现了斯密特触发器是如何将一个连续变化的正弦波形“模拟信号”转化为跳跃变化的矩形“数字信号”的.

通过这一屏幕截图，可以向学生作以下说明：

(1)在数字逻辑电路的信号分析中常用“1”、“0”代表不同的高低电压，“1”表示高电位状态，用“0”表示低电位状态.

(2)“1”不是1V电压，“0”也不是0V电压.

图2

(3)在不同的工作电路中，“1”和“0”可能代表不同的具体电压，如斯密特触发器输出的“1”就与具体的“3.4V”以上电压相对应，而输出的“0”就与具体的“0.25V”以下电压相对应，不能一概而论.

(4)由于高低电压的触发值不是同一值，而是两个不同的阈值“0.8V”和“1.6V”，当模拟信号电压高于1.6V时，输出的数字信号一定为“0”；当模拟信号电压低于0.8V时，输出的数字信号一定为“1”；但当模拟信号电压介于0.8V和1.6V之间时，输出的数字信号可能是“1”也可能是“0”，这是由触发器翻转前的阈值电压决定的.