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摘要本文以“信号产生电路”教学为例,阐述了中职学校教师对《电子技术基础》教学难点部分采用拓展教学法,可以拓展学生思维视野、提高学生课堂兴趣、促进学生掌握相关知识,达到提高教学质量之目的。
关键词振荡电路 拓展教学法 提高学习兴趣
中图分类号:G420文献标识码:A
“信号产生电路”部分是《模拟电子技术》教学的难点内容,学生学习起来不感兴趣、精力不能集中,为了让学生克服困难、接受知识,我在教学实践中采用拓展教学法,从人类文明进程与振荡方式的变革的关系讲起,逐渐引入产生正弦振荡的条件、LC正弦波振荡电路的工作原理、LC正弦波振荡电路的工作判别、石英晶体振荡电路及其工作原理等教学内容,并注意适当引导学生主动寻找生活中时钟振荡电路在各种智能控制电路的实例来说明“信号产生电路”在现代科技生活中的重要作用,拓展学生思维视野,提高学生课堂兴趣,收到良好的教学效果。实践教学中要注意以下几个拓展内容:
1 人类文明进程中的计时工具
上古时代人们日出而作日入而息,以日为计时单位,人类生活从狩猎转为农耕,生活节奏缓慢,活动半径以脚步度量。人们按照树木在日照不同时间形成的影子为原理,制成计时用的日晷,一年四季周而复始。1270年前后欧洲出现的早期机械式时钟,以秤锤作动力,每一小时自动报时一次。在接下来的几个世纪里,欧洲各国的教堂纷纷建起钟塔,人们在钟声伴随下生活慢慢发生着变化,商业从农业中分离出来。摆钟成为时间观念诞生的标志,由于惠更斯在螺旋弹簧的发明,游丝的出现使钟表体积大为缩小。1510年,第一块怀表诞生了,它的出现方便了钟表的随身携带,表盘上出现的分针和秒针,能更精确地显示时间。时间就是金钱成为商人获得利益的座右铭。钟表成为商人计划、协调和控制日常活动的工具。随着钟表制作技艺不断发展,钟表精度越来越高,人类文明的脚步从中世纪晚期到近代初期明显加快了节奏,被广泛使用的石英手表的精度远远大于机械手表。石英振荡技术的出现有力的推动现代社会文明节奏。
2 计时精度与时基系统
钟表有振动周期比较稳定的振荡系统,此为振荡时基。频率是振荡器每秒振动的次数。如机械钟表是以摆轮游丝为振荡系统或摆振荡系统作为时基,机械手表中摆轮游丝系统的振动频率稍好一点,最常见的为3Hz,最大不过10 Hz;石英电子钟表则以石英晶体振荡器作为时基。石英电子手表中的晶振频率一般为 32 768Hz,某些石英电子钟中的晶振频率为4 194 304Hz。原子钟的精度最高,其精度可以达到每100万年误差1秒。因此,常用振荡系统的振动频率或节拍数作为钟表的一项精度技术指标。
在1762年,最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精确程度,这样的时钟,即使放在如今的日常生活中,也足够用了。但在天文、物理等科学领域中,人们对时间精确度的要求,却并不以此为止境。
1949年在美国学者伊西多·伊萨克·拉比使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟,精确程度已经可以达到在30万年的时间中,既不会快1秒,也不会慢1秒了。1967年召开的国际计量大会(General Conference on Weights and Measures,简称CGPM)上,科学家们根据铯原子的振荡频率定义了秒的长度,那就是:铯133原子基态的两个超精细能量级间跃迁辐射振荡9 192 631 770周所持续的时间为1秒。自此,全世界的计时标准不再建立于天文学的基础上,而这一标准也一直被沿用至今。
3 现代生活中无处不在的时钟电路
采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准给人类带来的益处更是无处不在,被广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。从GPS卫星的导航定位系统,到无线通讯和光纤数据传输技术,精准计时被用来测试物理学的某些理论,如相对论和量子电动力学等尖端研究。它们的背后,都响着原子钟的“嘀哒”声。采用了精巧与精准的时钟电路,极大方便了人们的现代生活:
(1)手机中有一个不可缺少的器件(电路),就是13MHz的振荡器及产生13MHz时钟的电路,它在手机(下转第38页)(上接第34页)中用于产生锁相环的基准频率和主时钟信号,它的正常工作为手机系统正常开机和正常工作提供了必要条件。
(2)电脑时钟电路大多数由一个晶振、一个时钟芯片、电阻、电容等构成,部分主板由一个晶振、多个时钟芯片构成。(无晶振的时钟芯片是专门给内存和北桥提供时钟的),晶振工作之后会输出一个基本频率,由时钟芯片(又叫分频器)分割成不同周期的信号,再对这些信号进行升频或降频处理,最后通过时钟芯片旁边的电阻(外围元件)输出,大多会连接到各个设备去,有的会连接到无晶振的时钟芯片去。晶体产生的频率总和是14.318M。
(3)空调时钟电路石英晶振主要用于CPU时钟电路。振荡电路提供微处理器时钟基准信号,振荡信号的频率是4.19MHz.用示波器测量14脚可以看到4.19M的正弦波。时钟电路是由晶体NT及两个启振电容、DC5V组成并联谐振电路,与主芯片内部振荡电路相连,其内部电路以一定频率自激振荡,为主芯片工作提供时钟脉冲,用以控制压缩机工作频率(变频)。
(4)电视机、智能家电等复杂的电子产品,晶振是必须的,而RC或LC振荡无法企及,原因就是信号的稳定性不够,晶振和晶体又称作有源和无源器件,无源的没有电压的问题,信号电平可以改变,并且可以和其它电路组成振荡器,适应于多种电压,而有源的信号质量好,比较稳定,连接方式相对也较简单。晶体振荡器主要作用于各类振荡电路中,以及通信系统中用作频率发生器,为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号,常用于数字电路中。
4 把“最精确”作为一种追求
或许“最精确”是个一出现就立刻成为过去时的概念,或许它是一个永远都无法企及的将来时,但无论如何,在从精确到更精确的现在时中,人类在进步。从人类计时工具的演进“日晷→机械钟表→石英晶体振荡器→原子钟” 无一不是时基系统的演进。时基系统的演进是一个渐进式的永恒主题,不会停止,是现代技术文明的金钥匙,谁掌握了这把金钥匙,谁就能够打开通向未来科技世界的大门。
总之,采用拓展教学法,注重教学过程,拓展学生思维,可以使“信号产生电路”部分教学变的轻松、有趣。课堂上通过引导学生了解人类计时文明的演进,调动学生主动寻找生活中的各种具体“信号产生电路”,让其扩大视野、延伸视觉,从而使学生获得兴趣、自信,使教与学不再相互孤立。真正认识、掌握时钟电路不仅为商业活动提供精准的时间,同时还为供电、交通、医疗、科研、军事活动提供基准信号。
关键词振荡电路 拓展教学法 提高学习兴趣
中图分类号:G420文献标识码:A
“信号产生电路”部分是《模拟电子技术》教学的难点内容,学生学习起来不感兴趣、精力不能集中,为了让学生克服困难、接受知识,我在教学实践中采用拓展教学法,从人类文明进程与振荡方式的变革的关系讲起,逐渐引入产生正弦振荡的条件、LC正弦波振荡电路的工作原理、LC正弦波振荡电路的工作判别、石英晶体振荡电路及其工作原理等教学内容,并注意适当引导学生主动寻找生活中时钟振荡电路在各种智能控制电路的实例来说明“信号产生电路”在现代科技生活中的重要作用,拓展学生思维视野,提高学生课堂兴趣,收到良好的教学效果。实践教学中要注意以下几个拓展内容:
1 人类文明进程中的计时工具
上古时代人们日出而作日入而息,以日为计时单位,人类生活从狩猎转为农耕,生活节奏缓慢,活动半径以脚步度量。人们按照树木在日照不同时间形成的影子为原理,制成计时用的日晷,一年四季周而复始。1270年前后欧洲出现的早期机械式时钟,以秤锤作动力,每一小时自动报时一次。在接下来的几个世纪里,欧洲各国的教堂纷纷建起钟塔,人们在钟声伴随下生活慢慢发生着变化,商业从农业中分离出来。摆钟成为时间观念诞生的标志,由于惠更斯在螺旋弹簧的发明,游丝的出现使钟表体积大为缩小。1510年,第一块怀表诞生了,它的出现方便了钟表的随身携带,表盘上出现的分针和秒针,能更精确地显示时间。时间就是金钱成为商人获得利益的座右铭。钟表成为商人计划、协调和控制日常活动的工具。随着钟表制作技艺不断发展,钟表精度越来越高,人类文明的脚步从中世纪晚期到近代初期明显加快了节奏,被广泛使用的石英手表的精度远远大于机械手表。石英振荡技术的出现有力的推动现代社会文明节奏。
2 计时精度与时基系统
钟表有振动周期比较稳定的振荡系统,此为振荡时基。频率是振荡器每秒振动的次数。如机械钟表是以摆轮游丝为振荡系统或摆振荡系统作为时基,机械手表中摆轮游丝系统的振动频率稍好一点,最常见的为3Hz,最大不过10 Hz;石英电子钟表则以石英晶体振荡器作为时基。石英电子手表中的晶振频率一般为 32 768Hz,某些石英电子钟中的晶振频率为4 194 304Hz。原子钟的精度最高,其精度可以达到每100万年误差1秒。因此,常用振荡系统的振动频率或节拍数作为钟表的一项精度技术指标。
在1762年,最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精确程度,这样的时钟,即使放在如今的日常生活中,也足够用了。但在天文、物理等科学领域中,人们对时间精确度的要求,却并不以此为止境。
1949年在美国学者伊西多·伊萨克·拉比使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟,精确程度已经可以达到在30万年的时间中,既不会快1秒,也不会慢1秒了。1967年召开的国际计量大会(General Conference on Weights and Measures,简称CGPM)上,科学家们根据铯原子的振荡频率定义了秒的长度,那就是:铯133原子基态的两个超精细能量级间跃迁辐射振荡9 192 631 770周所持续的时间为1秒。自此,全世界的计时标准不再建立于天文学的基础上,而这一标准也一直被沿用至今。
3 现代生活中无处不在的时钟电路
采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准给人类带来的益处更是无处不在,被广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。从GPS卫星的导航定位系统,到无线通讯和光纤数据传输技术,精准计时被用来测试物理学的某些理论,如相对论和量子电动力学等尖端研究。它们的背后,都响着原子钟的“嘀哒”声。采用了精巧与精准的时钟电路,极大方便了人们的现代生活:
(1)手机中有一个不可缺少的器件(电路),就是13MHz的振荡器及产生13MHz时钟的电路,它在手机(下转第38页)(上接第34页)中用于产生锁相环的基准频率和主时钟信号,它的正常工作为手机系统正常开机和正常工作提供了必要条件。
(2)电脑时钟电路大多数由一个晶振、一个时钟芯片、电阻、电容等构成,部分主板由一个晶振、多个时钟芯片构成。(无晶振的时钟芯片是专门给内存和北桥提供时钟的),晶振工作之后会输出一个基本频率,由时钟芯片(又叫分频器)分割成不同周期的信号,再对这些信号进行升频或降频处理,最后通过时钟芯片旁边的电阻(外围元件)输出,大多会连接到各个设备去,有的会连接到无晶振的时钟芯片去。晶体产生的频率总和是14.318M。
(3)空调时钟电路石英晶振主要用于CPU时钟电路。振荡电路提供微处理器时钟基准信号,振荡信号的频率是4.19MHz.用示波器测量14脚可以看到4.19M的正弦波。时钟电路是由晶体NT及两个启振电容、DC5V组成并联谐振电路,与主芯片内部振荡电路相连,其内部电路以一定频率自激振荡,为主芯片工作提供时钟脉冲,用以控制压缩机工作频率(变频)。
(4)电视机、智能家电等复杂的电子产品,晶振是必须的,而RC或LC振荡无法企及,原因就是信号的稳定性不够,晶振和晶体又称作有源和无源器件,无源的没有电压的问题,信号电平可以改变,并且可以和其它电路组成振荡器,适应于多种电压,而有源的信号质量好,比较稳定,连接方式相对也较简单。晶体振荡器主要作用于各类振荡电路中,以及通信系统中用作频率发生器,为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号,常用于数字电路中。
4 把“最精确”作为一种追求
或许“最精确”是个一出现就立刻成为过去时的概念,或许它是一个永远都无法企及的将来时,但无论如何,在从精确到更精确的现在时中,人类在进步。从人类计时工具的演进“日晷→机械钟表→石英晶体振荡器→原子钟” 无一不是时基系统的演进。时基系统的演进是一个渐进式的永恒主题,不会停止,是现代技术文明的金钥匙,谁掌握了这把金钥匙,谁就能够打开通向未来科技世界的大门。
总之,采用拓展教学法,注重教学过程,拓展学生思维,可以使“信号产生电路”部分教学变的轻松、有趣。课堂上通过引导学生了解人类计时文明的演进,调动学生主动寻找生活中的各种具体“信号产生电路”,让其扩大视野、延伸视觉,从而使学生获得兴趣、自信,使教与学不再相互孤立。真正认识、掌握时钟电路不仅为商业活动提供精准的时间,同时还为供电、交通、医疗、科研、军事活动提供基准信号。