四门振荡科普仪的制作方法

属于教学仪器演示领域。

背景技术：

创新是民族之魂，青年学生是创新的力量。

国家的强盛在于人材，人材的培养在于教育。教育的重点青少年，少年强则国强，少年进步则国进步，要培养少年对科学的热爱，提高教学质量是关键，而实验仪器的精准是提高教学的一个重要因素，实验仪器好，所做的实验更具说服力，从而使学生认识事物，了解自然现象，启发学生的思维，对提高教育水平起到重要作用。因此，教学中的各种实验仪器都在不断的提升，但却还存在着很多不足之处：一是实验仪器的种类不足，特别是针对低年级学生的实验仪器还不全面。二是教学仪器中寓教于乐的精神还不够，三是现在多数教学仪器的成本太高，因而对一些偏远的村庄学校，还不能普及到很多普遍的教学仪器。

电学是物理学中最重要的一种门类，充满神奇的电学实验，能激发少年的兴趣，同时对建立电学的基本概念有着重要的作用，如果能研制一种优秀的试验电路，而这种试验电路即能将抽象的将电学部分概念与定律形象化，显然对受教育者有有着积极的帮助。如果这种电路又能成为初学者的自制试验电路，无疑将对提升学生的素质教育有着积极的意义。

但是要设计一种具有一种演示仪器的电路同时又能成为初学者的自制试验电路存在着难点，一是从演示效果上，由于电学中的概念很多，是作那方面的演示，二是本仪拟定主要是针对电容、电感等与频率有紧密联系的元件作物理性质的演示，而要作那几方面的演示，才能将其物理性得到充分的展示，三是，特别重要的一点是，尽管一些线路能达到演示目的，但不能成为一种优秀的自制实验电路，因为一种优秀的自制实验电路还迁涉各单元实验主题宜于初学者，同时还迁涉初学者的趣味性，以及是否易安装成功等等系列问题，所以这类优秀线路还必须丰富、创新、发展。

本发明就是以两输入门作为一种基本有源件，作为单元的有源要件，可以组成多种功能的逻辑关系，从而拓展学生的思维。

技术实现要素：

本发明就是以两输入门作为一种基本有源件，作为单元的有源要件，可以组成多种功能的逻辑关系，成为一种优秀的电路，其目的一是该线路可以成为一种演示仪，通过这种演示仪演示可以了解抗性元件结构与频率的紧密的联系，进而理解容抗与感抗的意义，从而让初学者打下一定的电学基础，这种演示仪可以成为一种在广大学校普及的仪器。二是该仪器因具有光与声的三种色彩的显示，因此具有一定的趣味性，能培养起广大青少年对科学的热爱。三是成为一种优秀的制作实验线路，该电路具有多种特点，因而有利于制着，对提高学生的基本素质发挥积极作用。

本发明所采用的措施是：

1、四门振荡科普仪由按钮转换开关，四门振荡源，测试孔，复合提升电路，等差降压电路，逻辑预置级，显示级，语音级共同组成。

其中：按钮转换开关由开关的四个门与两个状态指示，按钮开关，开关钳位二极管组成：按钮开关的一端接地线，另一端接开关门三门与开关四门的一个输入端，开关四门的另一个输入端接开关三门的输出端，开关三门的另一个输入端接开关二门的输出端，开关一门与开关二门的输出端分别接一个状态指示，开关三门的输出端接开关一门的一个输入端，开关四门的输出端接开关二门的一个输入端，开关一门的另一个输入端接开关二门的输出端，开关二门的另一个输入端接开关一门的输出端，开关二门的输出端即是按钮转换开关的输出，接开关钳位二极管的负极，开关钳位二极管的正极接四门振荡源中振荡隔离门的输入端。

四门振荡源由振荡门一、振荡门二、振荡门三、振荡门四、振荡隔离门、振荡可调限值电阻、振荡可调电阻、振荡电容、振荡隔离电阻组成：振荡门三的输出端接振荡门四的两输入端，振荡门的输出端接振荡门一的一输入端，振荡门四的输出端接振荡门二的一输入端，振荡门一的另一输入端接振荡门二的输出端，振荡门二的另一输入端接振荡门一的输出端，振荡可调限值电阻与振荡可调电阻串联在振荡门二的输出端与振荡门三的两输入端，振荡电容接振荡门三的控制端与地线之间，振荡隔离电阻接在振荡门二的输出端与振荡隔离门的两输入端之间，振荡隔离门的输出接测试孔到复合提升电路的整流二极管。

复合提升电路由整流二极管、一级电容、提升二极管一、二级电容、提升二极管二、三级电容、提升二极管三、四级电容、射随触发电阻、射随器组成：整流二极管串联各提升二极管后接射随触发电阻到射随器的基极，其串联点各接一电容的正极，一级电容的负极接地线，二级电容的负极接振荡门一的输出端，三级电容的负极接振荡门二的输出端，四级电容的负极接地线，射随器的集电极接电源，射随器的发射极即是复合提升电路的输出。

等差降压电路由多级等差分压组成：每级等差分压均由稳压管与接地电阻组成，每个稳压管串联，其串联点即是各等差分压输出点，与地线接接地电阻，各等差分压输出点接逻辑预置级中的一预置单元，预置单元的输出成为显示级的一个显示单元的逻辑电源。

逻辑预置级由多个逻辑预置单元组成。

逻辑预置单元由两个预置器与两预置二极管组成：两预置器串联，其输入接对应等差分压输出点，输出接显示级的一个显示单元的逻辑电源，两个预置二极管的负极接在逻辑预置单元的输出上。

显示级由多个显示单元组成。

每个显示单元都由三个显示驱动门、三个交连电容、三个发光指示、三个显示驱动门的输出端电阻、输入上偏电阻及输入下偏电阻与变色单元组成。

每个显示驱动门的一输入端分别接逻辑电源；每个显示驱动门的另一输入端与逻辑电源接输入上偏电阻，与地线接输入下偏电阻；第一交连电容接在第一显示驱动门的输出端与第二显示驱动门的另一输入端之间，第二交连电容接在第二显示驱动门的输出端与第三显示驱动门的另一输入端，第三交连电容接在第三显示驱动门的输出端与第一显示驱动门的另一输入端；每个显示驱动门的输出端与逻辑电源接输出端电阻。

每个发光指示都由共阴极发光管与共阴电阻串接成，每个显示驱动门的输出端接一个共阴电阻的一端，共阴电阻的另一端接共阴发光管的阴极。

变色单元由两个变色计数器组成：每个变色计数器由两个变色门、变色引导电容、变色引导电阻、变色二极管组成：变色引导电容一与变色引导电容二的一端相连，接第三显示驱动门的输出端，变色引导电容一的另一端为两路，一路接变色门一的一输入端，另一路接变色引导电阻一到变色门一的输出端，变色引导电容二的另一端为两路，一路接变色门二的一输入端，另一路接变色引导电阻二到变色门二的输出端，变色门一的另一输入端接变色门二的输出端，变色门二的另一输入端接变色门一的输出端，变色门一的输出端接变色二极管一到对应显示单元中共阴极发光管的一个阳极，变色门二的输出端接变色二极管二到对应显示单元中共阴极发光管的另一个阳极，变色引导电容三与变色引导电容四的一端相连，接变色门二的输出端，变色引导电容三的另一端为两路，一路接变色门三的一输入端，另一路接变色引导电阻三到变色门三的输出端，变色引导电容四的另一端为两路，一路接变色门四的一输入端，另一路接变色引导电阻四到变色门四的输出端，变色门三的另一输入端接变色门四的输出端，变色门四的另一输入端接变色门三的输出端，变色门三的输出端接两个第三色变色二极管到对应显示单元共阴极发光管的两个阳极，变色引导电容二的另一端与变色引导电容四的另一端各接预置二极管的正极。

语音级由多个语音器组成：每个显示单元中第三显示驱动门的输出端与逻辑电源都接一个语音器串联语音电阻。

2、等差降压电路中各稳压管的稳压值一致。

3、射随器采用npn三极管8050。

4、变色门、显示驱动门、预置器、振荡门、振荡隔离门、开关门采用同一类型的两输入式非门集成电路。

对上述措施的意义解释如下：

一、整个电路图所产生的原理。

本发明是以两输入与非门为主要有源要件，用他组成了逻辑单元，然后再以逻辑单元组成了多种功能。

用两输入非门组成了一种四门振荡源，作为四门振荡源，当阻抗性元件，（即是电容、电感与电阻，），连在测试孔两端时，与四门振荡源成为了串联关系，四门振荡源产生的电流经过所测的频率元件后，进入到复合提升电路，进行放大，复合提升电路输出激励了等差降压电路，该电路有多个分压输出点，分别连接了一个逻辑预置单元，然后每个逻辑预置单元的输出直接控制了显示级中的一个显示单元，当分压输出点无电压时，逻辑预置单元中的预置器，封闭了显示单元。其分压输出点超过门坎电压后，逻辑预置单元中的预置器激励显示单元工作。由此可知，复合提升电路输出信号越强，等差降压电路的等差分压输出点数越多，逻辑预置级中的预置器有高位输出的多，因而所激励显示单元越多。因而能从多种方面演示了阻抗性元件在电路中所体现的的系列特性。

为演示效果丰富，本措施注意到了以下几点：

一是四门振荡源，可以成为具频率的脉冲电源形式，又可以成为频率为零即是直流的形式，用两种不同的电源，可以增进对抗性元件的了解。因为两种电源对频率元件将产生非常不同的效果。

二是两种电源的变换是通过按钮转换开关来执行，按钮转换开关具有电子自保持，操作轻触，便于状态指示，生产无飞线等系列优点，因而可以显著提升整体性能。

三是在四门振荡源，中增加的频率可调，因此不仅可以演示抗性元件在有频率与直流的两种特殊，可以进一步观察频率高低对元件的影响。

四为拓展效果，增加了进入到复合提升电路，进行放大拓展了演示效果。

五是演示效果上采用了光与声效果。

六是其显示效果为流水型式，其好处是即能将抽象的电流，变成了所熟悉的水流，同时在循环过程中，自动变三种颜色，增加了趣味性。

七是本发明的措施中体现出了是一种优秀的试验制着线路，因有利于激发青年的学习热情，有利于提高学生的素质教育。原因一是注重了主题突出，本电种突出了对两输入非门的认识，因为几乎所有单元均是由两输入与非门组成。能避免初学者产生繁而厌学的情况。二是一种简单的两输入与非门逻辑关系，经过不同的组合，可以演变成系列的逻辑关系，因而可以引导初学者积极思维，拓展想象空间，有利于提高素质教育。三是各单元相对独立，各单元联系科学，调试简单，基本上一装就成。四是各单元检查时有一定趣味性，引导试验者深入。五是两输入与非门电路在构造上仅比非门多了一输入，但在线路演变上，比非门的变化更多，而且线路简。六是用两输入与非门组成的辑单元组的振荡与开关两大单元有很大的相同点，但就是因为有一点约束的差异，就产生了完全不同的电所性能，因而有有很大的启发性。

二、四门振荡源的说明。

四门振荡源由振荡门一（图1中的2.1）、振荡门二（图1中的2.2）、振荡门三（图1中的2.3）、振荡门四（图1中的2.4）、振荡隔离门（图1中的2.5）、振荡可调限值电阻（图1中的2.6）、振荡可调电阻（图1中的2.7）、振荡电容（图1中的2.8）、振荡隔离电阻（图1中的2.9）组成。

形成的振荡原理是：本级中振荡门一与振荡门二的输入端相互连接成了rs触发器的新电路，非门中两输入端其中一位成为了两个输入端，当一个输入端为低位时，而另一端为高位时，将实现翻转。

本级中振荡门三与振荡门四组成了反相器，两个门的输出端连接了rs触发器的两个触发端。因此在振荡门三与振荡门四的输出端中，一门输出为高，则另一门低，反之一门输出为低位，则另一门为高。这两种信号加到rs触发器的两输入端时，会成为有效触发信号。由于振荡门二的输出端经过振荡可调电阻与振荡可调限值电阻的串联连接了振荡门三的输入端，所以当振荡门二的输出端为高位时，振荡门三的输入端为高，输出端为低，振荡门四的输入端为低，输出端为高，对rs触发器的两个触发端触发时，rs触发器的两输出端必定翻转，而且成为一次新的状态，如果之前状态为高位，则振荡门二的输出端将由高位变低位。当第二次翻转时将由低变高。第三次时将由高变低以后重复这样的规律，从而产生振荡。

振荡门二输出端连接到振荡门三输入端的振荡可调电阻与振荡可调限值电阻入振荡电容起了三重作用，一是将振荡门二输出端的变化传递给振荡门三，二是使振荡门三的输入端与振荡门二的输出端的变化有一定的微差，从而造成振荡的必然条件。三是组成的积分常数成为了频率可调。即是在线路中振荡可调电阻与振荡可调限值的串联与振荡电容共同形成了振荡频率的时间常数，调节振荡可调电阻即可以调试振荡频率，其中的振荡可调限值电阻是对可调的一种限制。

本仪单元之所以采用这样的电路，主要有以下好处，作为一种演示仪，有以下好处，一是这种振荡电路，具有易起振荡，稳定，二是频率可调，为整体电路即产品的性能奠定了良好的条件。作为一种优秀的实验制着电路有以下好处，一是采用两输入非门构成逻辑基本要件，使发明整体都采用这样的器件，其好处是逻辑规律，不需要高深的专业知识，初学者易接受，二是以这种要件作为振荡电路，资料基本未作介绍，作为自制线路，有利于拓展思维空间。是一种带启发性的优秀的单元电路。

三、按钮转换开关的说明。

按钮转换开关由开关的四个门与两个状态指示，按钮开关，开关钳位二极管组成。

其主要目的控制四门振荡源的工作状况，使四门振荡源成为有频率的测试源，或是成为频率为零的直流电源，让观看者了解抗性元件在这两种电源的情况下，的物理现象。从而揭示抗性元件与频率的关系。

开关对四门振荡源的控制逻辑是，开关二门的输出端为逻辑控制端，也即是按钮转换开关的输出，直接连接了振荡隔离门的输入端，当按钮转换开关的输出为低位时，振荡隔离门被封门，振荡隔离门的输出端为高位，四门振荡源此时输出是频率为零的电流，即是直流。当按钮转换开关的输出为高位时，振荡隔离门仍按振荡的规律变化，对输出无影响，输出的是脉冲频率的电流。

四门式开关开关具备三特性，一是具有输出端的状态可变性（在按钮的配合下），即是能输出高位信号，也能输出低位信号，二是具有自保持特性，即是一种输出信号能自保持到下次新的信号到来之前。三是逻辑可靠。

形成的原理是，开关一门的一个输入端与开关二门的一个输入端相互连接成了rs触发器的新电路，该新电路有两个触发端，分别为开关一门的另一输入端与开关二门的另一输入端，当两触发端其中一位为低位时，而另一位为高位时，将实现翻转。

开关三门与开关四门组成了一对带约束的反相器，两个门的输出端分别连接了rs触发器的两个触发端。因此在开关三门与开关四门的输出端中，开关三门输出为高，则开关四门输出低，反之开关三门输出为低位，则开关四门输出为高。这两种信号加到rs触发器的两输入端时，会成为有效触发信号。将成为rs触发器翻转触发的实现这种充要条件。由于开关二门的输出连接了开关三的另一输入端，所以如果去掉开关三门与开关四门的一个输入端与按钮开关之间的约束因素，所以当开关二门的输出端为高位时，开关三门的输出端为低，开关四门的输出端为高，对rs触发器的两个触发端触发时，rs触发器的两输出端必定翻转而且与产生一次新的状态，即是输出端将由高变低，当第二次翻转时将由低变高。第三次时将由高变低，以后重复这样的规律。

由于开关三门与开关四门的一输入连接了按钮开关的触点，当按钮开关与地线相通时开关三门与开关四门被封门，仅管开关二门的输出连接了开关三门的另一输入端，但不能造成开关三门与开关四门的输出端有新的状态输出，只能在按钮的封门信号解除之后产生。

所以每当按钮开关断开后，开关三门与开关四门的输出端有一次新的信号输出，又加之开关二门的输出端连接了开关三门的另一输入端，所以每按一次按钮，rs触发器翻转一次，并且与原有状态相反。

采用按钮转换开关后主要有以下突出的好处，一是配套的按钮是一种轻触钮，同时也便于安装状态指示。整体高档，受用，二是按钮开关在生产时不产生飞线，可以直接和印刷板产生联系，因而可进一步保证产品质量。三是按钮属一种普通元件，易于购买。四作为试验线路时，有源件统一，便于初学者试验制着。五是在采用统一的两输入与非门元件时，逻辑可靠，外围件少。线路简洁。特别重要的六是，该单元与所控制的振荡单元电路是同是一种电路很相近的电路，只是后者对开关三门与开关四门有约束（按钮的约束）所以造成了完全不同的电气性能，作为自制电路，是一种启发思维的优秀电路。

四、关于复合提升电路的说明。

本部分的线路特点一是，利用四门振荡源电路单元共同组成了第一部分的振荡单元，二是由整流二极管（图1中的5.1）、一级电容（图1中的5.11）、提升二极管一（图1中的5.2）、二级电容（图1中的5.21）、提升二极管二（图1中的5.3）、三级电容（图1中的5.31）、提升二极管三（图1中的5.4）、四级电容（图1中的5.41）、射随触发电阻（图1中的5.5）、射随器（图1中的5.7）组成了第二部分。

该电路的主要目的是，当抗性元件如电容，电感经过四门振荡源后，会产生电压下降的情况，如果直接激励显示单元，有可能发生显示不够清楚的情况，而经过该电路放大后，能量有所提升，因而是显示效果更加宏观。

复合提升电路形成的原理是，因为振荡门一（图1中的2.1）与振荡门二（图1中的2.2），连接了本级中的两个电容，因而能产生信号放大提升作用。

当抗性元件接上后，经过整流后充电在一级电容上充满了直流电压，当振荡门一的输出端为低时，一级电容经过提升二极管一向二级电容充电，该电容成为一倍电压，当振荡门一的输出端为高位时，振荡门一输出端一倍电压端叠加二级电容电压成为二倍电压，当振荡门二输出端为低时，三级电容的电压被充电，该电容被充为二倍电压，当振荡门二输出端为高位时，与三级电容电压叠加成为三倍电压。

这样的组成本单元有五项突出的优点。

一是当输入无信号时，一级电容，无电压，所以输出不可能产生倍压效果。为零伏，即是该电路的输出不产生附加静态电位。

二是特别重要的是，一级电容上的电压是四门振荡源经过测试抗性元件降压后的电压，抗性大小不同，产生的电压值也不一样，所以产生的提升电压数量也不一不样。也即是多倍电压的基础取决于抗性元件降压后的电压，提升电路的输出与所测试的抗性有着直接的关系。

三是因为采用了振荡源中两振荡门与两级电容，所效率高，灵敏度较高。

四是该电路的输出为射随器作隔离，所以该电路有良好的负载能力。

五、等差降压电路单元的说明。

a、线路特点是由多个参数相当的稳压管串联而成，每个稳压管对地连接有电阻，成为该稳压的对地通道，从而以每个稳压管与对地电阻形成了一级稳压单位的等差分压输出点，当该输出点无电压时，因接地电阻的存在，可以认为该输出点为低位。反之有电压输出且值高于受控门坎后，可以认为是高位输出。

b、当前级复合提升电路单元的输出的电压高，则能击穿的稳压管的数量越多。当输出分压点的输出电压超过控制的门坎后，激励后级显示单元工作。

c、因为复合提升电路的输出采用了射随器隔离，具有较大的负载能力，所以本单元能采用这样的线路结构。

六、逻辑预置级的说明。

逻辑预置级由多个逻辑预置单元组成，每个逻辑预警单元都有两个预置器串联，其输入端连接了等差降压电路的输出点，其输出端连接了显示单元中中的对应的显示单元的逻辑电源，所以形成了这样的原理，当等差降压电路输出点为低位时，由于该器为两个预置器串联而成，根据非门的逻辑，输出为低，当输入端为高时，输出端为高。

该单元控制了三路，一路是对应显示单元的逻辑电源，一路是控制了显示单元中三个显示驱动门，三是控制了变色单元中的变色门，决定了初始状态。

本级的输出端在低位时，显示单元的逻辑电源无电，不产生逻辑运行，显示驱动门被封门，发光指示不亮；决定了变色单元中的变色门为一定的初始状态。

反之，当该单元输出高位时，显示单元的逻辑电源带电，产生逻辑运行，显示驱动门被封门解除，发光指示亮；变色单元中的变色门开始以初始状态开始工作。

七、光显示说明。

显示级由多个显示单元组成，每个显示单元都由三个显示驱动门、三个交连电容、三个发光指示、三个显示驱动门的输出端电阻、输入上偏电阻及输入下偏电阻与变色单元组成。

由于本级为多个显示单元组成，每个显示单元的三个显示驱动门的线路结构一样，而每个显示单元的组成结构又是一样，所以只用其中的一个单元说明。

其原理是，逻辑预置单元输出高位时，显示单元的逻辑电源有电压开始工作。即是显示驱动门的输出端为低位时，共阴极发光管产生对地通道，发亮。

显示单元发光指示亮的状态特点一是：当稳定后，其中的一个发光指示亮，其中的两个发光指示熄。二是顺序发光，成为流水状，如先是第一发光指示亮，第二与第三发光指示熄，再继而是第二发光指示亮，第一与三发光指示熄，再继而是第三发光指示亮，第一与第二发光指示熄，这种流水状态的循环的好处是，将电流的抽象概念变为了初学易理解的水流状态，如果等差降压电路的分压输出点越多，则所触发的显示单元越多，所显示的这种水流将流得越远。这种水流状态在自作试验线路时充满着一定的趣味。

产生的原理是：由于在安装调试时，对显示驱动门输入上偏电阻（与逻辑电源相接的电阻），下偏电阻（与地线相连的电阻）分压比超过输入门坎电压，和第二显示驱动门、第三显示驱动门参数有略有差异，所以第一显示驱动门的输出端首先为低，所带的第一个发光指示先亮，第二显示驱动门第三显示驱动门的输出端为高位，所带的发光指示熄，第二显示驱动门输入上偏电阻向第一显示驱动门输出端与第二显示驱动门另一输入端相连的第一交连电容充电，当电压超过第二显示驱动门输入端电压时，第二显示驱动门输出端为低位，第二门所带的发光指示亮，此时第三显示驱动门输入上偏电阻向第二显示驱动门输出端与第三显示驱动门另一输入端相连的第二交连电容充电，当电压超过第三显示驱动门输入端电压时，第三显示驱动门输出端为低位，第三非门所带的发光指示亮，由于此时第三显示驱动门与第一显示驱动门的第三交连电容电压不能路跃变，所以第一显示驱动门输入端电压成负压，输出端为高位，所带发光指示为熄。以后亮的规律成为稳定的闪亮规律状态。即是当第一显示驱动门输出端为高位后，与第一交连电容及第二显示驱动门个输入下偏电阻成为充电回路。第二显示驱动门输入端为高位，输出端为低位，所带的发光指示亮。当第一交连电容充电完毕，成隔离状态，输入端为低位，输出端高低，第二显示驱动门所带的发光指示熄。同理，当第二显示驱动门输出为高时，与第二交连电容及第三显示驱动门输入下偏电阻成为充电回路。第三显示驱动门输入端为高位，输出端为低位，第三显示驱动门所带的发光指示亮。同时第三交连电容不能跃变，第一显示驱动门的输入呈现负压，所以第一显示驱动门输出为高位，所带的发光指示熄。根据此原理，以后发光指示亮的规律再次是第一发光指示亮，第二发光指示熄，第三发光指示熄；再后是第一发光指示熄，第二发光指示亮，第三发光指示熄；再后是第一发光指示熄，第二发光指示熄，第三发光指示亮，再次是第一发光指示亮，第二发光指示熄，第三发光指示亮，按此规律形成循环成流水状。

八、变色单元的说明。

变色单元由两个变色计数器组成：线路特点是，一个显示单元配有一个变色单元，一个变色单元有四个变色门，两个变色门串联为一个变色计数器，每个变色计数器由两个变色门、变色引导电容、变色引导电阻、变色二极管组成。两变色计数器形成了串联关系。即是用第一变色计数器的输出（即变色门二的输出端）连接了第二变色计数器的输入端（即变色引导电容三与变色引导电容四的相连点）。

形成计数器的原理是，变色门一与变色门二的另一输入端交叉连接，形成了正反馈，相互连接成了rs触发器的新电路，两变色门中的一输入端成为了触发端，当两触发端其中一位为负压时，而另一位触发端为正信号时，将实现翻转。

实现这种必要条件的原理是：当第一变色计数器输入端（变色引导电容一与变色引导电容二的连接点）为高位时，即是显示单元中第三显示驱动器输出端为高位时，输出端将与变色引导电容一、变色引导电阻一、变色门一的输出端形成充电回路（此时假定变色门一的输出端为低位，变色门二输出端为高位）。而与变色引导电容二、变色引导电阻二、变色门二的输出端形成断路。当第一变色计数器输入端为低位时，即是显示单元中第三显示驱动器输出端为低位时，变色引导电容一因不能跃变其负极成为负压状态。变色门一输入端为负，而变色引导电容二不发生变化，不产生负压，满足rs触发器翻转条件，从而变色门二输出端为高位。由于第一变色计数器输入端在不断地为高位低位，所以第一变色计数器将不断地进行计数翻转。

而第二变色计数器的翻转情况与第一变色计数器一样，不同之处在于，第二变色计数器的输入端（变色引导电容三与变色引导电容四的连接点）是连接了第一变色计数器的输出（变色门二的输出端），所以在第一变色计数器翻转了两次后，第二变色计数器才形成一次翻转。

变色引导电容二的另一端与变色引导电容四的另一端（变色门二与变色门四的输入端）连接有预置二极管，两预置二极管连接在对应逻辑预置单元的输出上，当通电未有测试物体时，该预置单元输出为低位，从而保证了两变色计数器的初始状态，保证了起始的颜色。由于第一变色计数器的输入端连接了显示单元最后一个显示驱动门的输出，由于该门工作时为高位低位的交替，所以第一变色计数器会被激励工作，而且最后一个显示驱动门高低变化一次，第一变色计数器翻转一次。第二变色计数器的输入端（变色引导电容三与变色引导电容四的连接点）是连接了第一变色计数器的输出（变色门二的输出端），所以在第一变色计数器翻转了两次后，第二变色计数器才形成一次翻转。

该单元的主要作用是使发光指示亮出三种规律的颜色进行流水式的闪动，像水一样的流动。

具体规律是：发光指示首先是第一种颜色发光闪动，当最后发光指示亮后，新的循环方式按第二种颜色，原有方式进行流水式的向前闪动循环，当最后发光指示亮后，新的循环方式又按第三种颜色，原有方式进行流水式的向前闪动循环。第四次的循环方式又按第一种颜色，第五次的循环方式又按第二种颜色，第六次的循环方式又按第三种颜色，后按这样的循环方式永远循环下去。

产生三种颜色闪动规律的原因：

变色单元中的两变色计数器的三个输出端分别以三种不同方式连接了共阴极发光管的两个阳极，而共阴极极发光管的特性是，当第一阳极为高位时，为一种颜色，当第二阳极为高位时，则为第二种颜色，当第一阳极与第二阳极同时为高位时，则为第三种颜色。

由于第一变色计数器两输出端通过两只变色二极管分别连接了共阴极发光管的两个阳极，第二变色计数器的变色门三的输出端通过两个三色变色二极管同时连接了共阴极发光管的两个阳极。所以共阴极发光管在第一次循环时，变色门一输出端为高，共阴极二极管第一阳极为高位，循环时，发光管以第一种颜色作流水式的循环闪动。当再次被触发时，第一变色计数器翻转，变色门二的输出端为高，共阴极发光管第二阳极为高位，共阴极发光管以第二种颜色作流水式的循环闪动。在第三次循环时变色门三的输出端为高，因为变色门三的输出端共同连接了共阴极发光管的两个阳极，所以共阴极发光管两阳极同为高位，共阴极发光管以第三种颜色作流水式的循环闪动。以后按上述规律循环。

九、音乐声响说明。

当每一显示单元的第三显示驱动门的输出端为低位时，对应语音器有对应通道，所以发出音乐。

实施后有以下突出的优点：

一、作为一种科普演示仪其优点是。

1、电学是物理学中重要的内容。而对初学者来说，对直流电的理解相对容易，而对具有频率的电流对电路元件的影响会感到抽象。而本仪的演示会使初学者的抽象概念变得实际。因此对深入学习电学有着积极意义。具体情况如下：

（1）、因为本演示仪中的四门振荡源可以在按钮转换开关的切换下，可以变为脉冲电源，也可以变为直流电，所以可以清楚地演示出抗性元件（如电容，或电感）在频率为零的情况（即是直流电），与具有频率的脉冲电流情况下的物理现象是完全不同的。

如电容（电容其构造是两块不相连的导电物质平面），这种特殊的构造在在直流状态下，只可能瞬态地一次性充电，最后成为断路状态（表现为显示部分发光管只瞬态的亮一下，然后全熄）。但在在频率的脉冲电源下，却发生了戏剧性的变化，因这种不相连的两面能顺利地通过电流（表现为显示部分的发光管一直为光亮状态，成流水状）。

如电感在直流状态下，是一个很好的良导体，（表现为显示部分的发光管一直为光亮状态，成流水状，而且从头到尾）。但是在通过频率的脉冲电流时，但在在频率的脉冲电源下，却发生了戏剧性的变化，因这种首尾相连的导线却对电流存在阻力，其物理特性完全变化。（表现为显示部分的发光管只显现部分的光亮状态，成流水状，即光亮发管减少）。

（2）、本发明中四门振荡源的频率可调。可以演示出频率越高，对频率元件的影响效果越大，如同一参数电容，频率越高，导通性越好，（表现为显示部分的发光管显现部分的光亮状态，成流水状，光亮发管增多）。

又如同一参数电感线圈，频率越高，其呈现的阻力越大。（表现为显示部分的发光管显现部分的光亮状态，成流水状，但光亮发管减少）。

（3）、可以演示出，在同样的电压下，电容越大，容抗越小，即是对电流的阻力越小，而电感越大，则感抗越大，即是对电流的阻力越大。（表现为发光指示光亮状态，成流水状，显示单元启动增多）。

（4）、可以演示出电容中呈现容抗的大小的主要内部原因，如电容的内部不相连的两导电面越大，则容抗越小，两导电面之间的绝缘层越厚，则容抗越小。（表现为发光指示光亮状态，成流水状，启动的显示单元增多）。

（5）、可以演示出电感中呈现感抗的大小的主要内部原因，如线圈的直径越大，则感抗越大，（表现为发光指示光亮状态，成流水状，启动的显示单元减少）。反之感抗越少，（表现为发光指示光亮状态，成流水状，启动的显示单元增多）。

（6）、感抗还与线圈中的是否有导磁材料有关，并与导磁材料的性质有关。

2、按钮转换开关为按钮电子开关，有以下突出的好处，一是按钮是一种轻触钮，手感好。二是每按一次状态变换一次，操作方便。三是可以清楚地显示出是当前控制的状态，如是直流状态，这时指示灯为一种颜色，如是脉冲的频率电源，又会成另一处颜色，在清楚明瞭整体高档。四是按钮开关在生产时不产生飞线，可以直接和印刷板产生联系，因而可进一步保证产品质量。五是按钮属一种普通元件，易于购买。这些优点，也便于试验电路购买。

3、在复合提升电路采用了转换开关，提升了整体的性能，其原因是实现了放大灵敏度的进一步可调，拓宽了演示效果，同时该部分指示清楚，同时具有按钮转换开关的一切优点。

4、显示的量化效果好，一是本仪具有复合提升电路，因而具有较高的灵敏度，特别是对当容抗较大时，亦能清楚显示。二是复合提升电路的输入直接采用经过测试件的压降后电压，所以有很强的跟踪性，即是保证了所测件的不同，其显示效果不同，具有严格的科学性。三是复合提升电路输入为零时，其输出信号为零，不存在初始电位，进一步保证了显示的准确。

5、显示的观感效果好，一是本仪有光显示与声显示并存，增加了趣味效果，观看者寓教于乐。二是光显示呈现流水状态，容易把抽象概念(如电流)理解为所熟悉的的流水状，根据发光管亮的多少与“路程”远近，很容易理解多种参与之间的相互关系。三是光显示动感性强趣味性强，因为每次发光指示闪亮的颜色不一样，成为三种颜色的闪亮规律，能增加眼球的吸引力。用这种器件产生这种规律的闪亮线路没有资料介绍。

6、可以演示出电阻、绝缘体、电流的概念，演示出当电压一定时，电流与电阻之间的关系。电阻越大，电流越小的视觉效果。以让年纪更小的学生建立更基础的电学知识。

7、因为上述几点原因，同时所本仪属于最初级的普及型的演示仪。适应面广，小学与中学都适合，因而需求量大。

8、本仪有源件几乎全部是二输入与非门，所以易生产，调试简单，成本低，便于普及。

二、作为一种一种实验电路产生的优点。

本发明线路精简，各单元联系科学，可操作性很强，因此可以启发学生自行试验安装，通过自制，可以进一步提高学生动手能力与实践水平，这对提高学生素质有着积极的意义。而本发明在自制上有以下特点，因而十分适合自制：

1、有源件除了一晶体管以外，全为两输入与非门，因此便于初学者对两输入与非门的认识，由于有源件品种单一，重点突出，有利于初学者学习，避免繁而厌学，或贪多不烂的情况。

2、各单元独立，可以以单元为单位通电检验。而且每个单元充满着一定趣味性，如显示单元，成功后发光管光亮为流水循环状，而且成为三种不同颜色进行循环，又如复合提升电路，可以演变出出提高电压的趣味现象。

3、各单元间之间连接科学，基本上不会产生故障，所以在完成单元调试后，就可完成整体工作。

4、这种简单的两输入非门逻辑关系，经过不同的组合，可以演变成系列的逻辑关系，与多种功能，因而可以引导初学者积极思维，拓展想象空间，有利于提高素质教育。

5、可以让初学者理解到，两输入与非门电路在构造上仅比非门多了一输入，但在线路演变上，比非门的变化更多，而且线路简。

6、特别是设计了四门振荡源，与按钮开关电路两单元，该两单元不仅都是用两输入与非门组成，而在单元的组合上，有很大的相同点，但就是因为一点的差异，就产生了完全不同的电所性能，因而有有很大的启发性。

附图说明

图1是四门振荡科普仪的按钮转换开关、四门振荡源、测试孔、复合提升电路、电子电路图。

图中：1.0、按钮开关；1.1、开关一门，1.2、开关二门，1.3、开关三门；1.4、开关四门；1.11、开关一门的状态指示；1.21、开关二门的状态指示；1.5、开关钳位二极管；2.1、振荡门一；2.2、振荡门二；2.3、振荡门三；2.4、振荡门四；2.5、振荡隔离门；2.6、振荡可调限值电阻；2.7、振荡可调电阻；2.8、振荡电容；2.9、振荡隔离电阻；3.1、测试孔一；3.2、测试孔二；5.1、整流二极管；5.11、一级电容；5.2、提升二极管一；5.21、二级电容；5.3、提升二极管二；5.31、三级电容；5.4、提升二极管三；5.41、四级电容；5.5、射随触发电阻；5.8、复合提升电路的输出；5.7、射随器。

图2是等差降压电路、逻辑预置级、显示级、语音级的电子电路图。

图中：5.7、射随器；5.8、复合提升电路的输出；6.1、等差分压一；6.11、等差分压一的接地电阻；6.2、等差分压二；6.21、等差分压二的接地电阻；7.1、第一逻辑预置单元；7.11、第一逻辑预置级的预置器一；7.12、第一逻辑预置级的预置器二；7.17、第一逻辑预置级的预置二极管一；7.18、第一逻辑预置级的预置二极管二；7.2、第二逻辑预置单元；8.1、第一显示单元；8.2、第二显示单元；8.11、第一显示单元的第一显示驱动门；8.111、第一显示单元的第一发光指示；8.112、第一显示单元的第一显示驱动门的输出端电阻；8.113、第一显示单元的第一交连电容；8.115、第一显示单元的第一显示驱动门输入上偏电阻；8.116、第一显示单元的第一显示驱动门输入下偏电阻；8.12、第一显示单元的第二显示驱动门；8.121、第一显示单元的第二发光指示；8.122、第一显示单元的第二显示驱动门的输出端电阻；8.123、第一显示单元的第二交连电容；8.125、第一显示单元的第二显示驱动门输入上偏电阻；8.126、第一显示单元的第二显示驱动门输入下偏电阻；8.13、第一显示单元的第三显示驱动门；8.131、第一显示单元的第三发光指示；8.132、第一显示单元的第三显示驱动门的输出端电阻；8.133、第一显示单元的第三交连电容；8.135、第一显示单元的第三显示驱动门输入上偏电阻；8.136、第一显示单元的第三显示驱动门输入下偏电阻；8.15、第一显示单元的变色门一；8.151、第一显示单元的变色引导电容一；8.152、第一显示单元的变色引导电阻一；8.153、第一显示单元的变色二极管一；8.16、第一显示单元的变色门二；8.161、第一显示单元的变色引导电容二；8.162、第一显示单元的变色引导电阻二；8.163、第一显示单元的变色二极管二；8.17、第一显示单元的变色门三；8.171、第一显示单元的变色引导电容三；8.172、第一显示单元的变色引导电阻三；8.173、第一显示单元的第三色变色二极管一；8.178、第一显示单元的第三色变色二极管二；8.18、第一显示单元的变色门四；8.181、第一显示单元的变色引导电容四；8.182、第一显示单元的变色引导电阻四；9.1、第一语音器；9.11、第一语音保护电阻。

具体实施方式

一、选元件：按图选定有源件，等差降压电路中各稳压管的稳压值一致。

射随器采用npn三极管8050。

变色门、显示驱动门、预置器、振荡门、振荡隔离门、开关门采用同一类型的两输入式非门集成电路，采用电子集成电路采用4011。

共阴极发光管采用高亮度型。语音器采用响时为较短时间类。按钮开关采用与印刷板能直接焊接的种类。电容选用漏电小的种类。阻件无特殊要求。

二、焊接：按钮转换开关、四门振荡源、测试孔、复合提升电路、电子电路如图1所示连接，等差降压电路、逻辑预置级、显示级、语音级的电子电路如图2所示焊接。由一个等差分压输出点连接一个逻辑预置单元，按钮转换开关状态指示发光管为两种不同的颜色。

三、调试。

1、检查与调试四门振荡源。

a、用频率计数器其冷端接地，热端连接振荡二门输出端，此时，会有频率显示，若无，则是振荡二门输出端与振荡三门输入端连线脱焊，或振荡三门输入端的电容脱焊。

b、用频率计数器，连接振荡二门的输出端，调节振荡可调电阻，示波器显示波形会发生变化，而且在设计的要求之内。如果不正确，则应调整振荡可调电阻所串联的振荡可调限值电阻阻值，其规律是阻值越大，频率越慢。

2、检查与调试按钮转换开关。

用万用表检查。

a、用万用表的正极连接开关四门的输出端，暂时断开开关二门输出端与开关三门的连线。将开关三门的输入端接地，同时按下按钮开关，之后松手，此时开关三门的输出端应为高位，开关四门的输出端应为低，如果将开关三门的输入端接电源，则开关三门输出端则为低，则开关四门则为高，否则是开关三门与开关四门没有连成反相器。如果在未按按钮时就发生了变化，则是开关三门与开关四门与按钮开关连接错误。

b、用万用表的正极连接开关二门的输出端，恢复开关二门输出端与开关三门的连线。同时按下按钮开关，之后松手，此时开关二门的输出端会发生一次变化，如由低位变为高，或由高位变为低。如果不正确，则是开关一门与开关二门交叉连线接错，没有成为rs触发器。

c、每按一次按钮所连接的两状态指示的发光管会变化一次，始终为一管亮一管熄，如不正确，则是状态指示中的发光管极性焊反。

3、检查与调试复合提升电路。

（1）、检查调试复合提升电路中信号放大情况。

用示波器检查，热端接各检测输出端，冷端接地。

a、用一个电容或电感连接在测试孔上，用示波器热端连接测试插孔二此时示波器有振荡波形显示，否则是线路有错。

b、用示波器热端连接一级电容正端，此时示波器的波形为直流状，否则是整流二极管焊错。

c、用示波器热端连接二级电容正端，此时示波器的波形为直流状，但幅度应比一级电容处的振幅高一倍。如不正确则是连在二级电容负极与振荡门一的输出端脱焊。

d、用示波器热端连接三级电容正极，此时示波器的波形为直流状，但幅度应为一级电容处振幅的三倍。如不正确则是三级电容负极与振荡门二输出端脱焊。

（2）、检查调试复合提升电路的射随输出情况：（在之前应调整转换开关，其调试方法如前按钮转换开关）。

用万用表检查，用万用表的热端（即是红表笔）接射随器发射极电压，冷端（即是黑表笔）接地。

e、该点电压应近似于基极电压，（仅差0.7伏左右）。

f、在发射极并上一个较小的电阻，此时电压数应变化不大，否则是射随器的放大值不够。

4、检查与调试等差降压电路。

用示波器或万用表检查，用万用表的热端依次接该电路各分压输出点的电压。

a、在测试孔上，连接一个测试电容，调节脉冲振荡源的频率，加大频率，此时等差降压电路的各输出分压点，会出现较高电压的分压输出点会增多。

b、在测试孔上，连接一个测试电感，调节脉冲振荡源的频率，加大频率，此时等差降压电路的各输出分压点，会出现较高电压的分压输出点会减少。

5、检查与调试逻辑预置单元。

用示波器或万用表检查，用万用表的热端依次接该单元中的预置器一的输入与预置器二的输出端。

a、当等差降压电路的输出端小于门坎电压时，预置器二输出端为低位位。

b、当等差降压电路的输出端高于门坎电压时，预置器二输出端为高位位。

6、检查与调试显示级，以其中的一个显示单元为例。

a、在将演示元件插入测试孔时，发光指示应不亮，否则是预置器的输出端与显示单元中显示驱动的一输入端未接好，即是逻辑电源与封门线未连好。

b、在灯亮的流水循环过程中，发光指示规律是一是一亮两熄，二是顺序亮，不断循环。即是先是第一发光指示亮，第二第三发光指示熄，然后是第二指示指示亮，第一第三发光指示熄，后是第三发光指示亮，第一第二发光指示熄，不断循环，不正确则是线路连错，或交连电容漏电严重。

c、调节循环的频率，调节输入上偏电阻、输出电阻与交连电容，使之符合要求，其规律是阻容越小，循环越快，反之越慢。

8、检查与变色单元。

a、断开变色单元中两个变色计数器的预置二极管，用示波器（或万用表）的正极连接变色单元第一变色计数器，其中一输出端为高位，则另一输出端为高位，否则，是第一变色计数器的两变色门相互连接的反馈交叉线连接错误，未能实现正反馈。

b、断开变色单元中两个变色计数器的预置二极管，用示波器（或万用表）的正极连接变色单元第二变色计数器，其中一输出端为高位，则另一输出端为高位，否则，是第一变色计数器的两变色门相互连接的反馈交叉线连接错误，未能实现正反馈。

c、断开显示单元第三显示驱动门的输出端与变色单元第一变色计数器输入端的连线，用第一变色计数器的输入端的引线接触一下电源端，然后再接触一下地线，此时该第一变色计数器两变色门的输出端将发生一次变化如由低位变为高位，重复上步骤，其输出端将又变生一次变化，否则是线路有错。

d、断开变色单元第一变色计数器与第二变色计数器之间的连线，用第二极计数器输入端的引线接触一下电源端，然后再接触一下地线，此时第二变色计数器两变色门的输出端将发生一次变化如由低位变为高位，重复上步骤，否则是线路有错。

e、恢复第一变色计数器与第二变色计数器与预置二极管，通电时。变色门一与变色门三的输出端为低位，否则是预置二极管脱焊，或极性焊反。

f、恢复显示单元第三显示驱动门的输出端与第一变色计数器输入端的连线，当第一次循环完毕后，第二次循环闪亮为第二种颜色，第三次循环闪亮为第三种颜色，如果不正确，则是对应变色二极管未连接好。

g、每一显示单元的第三显示驱动门为低位时，对应语音器会发出音乐声音。否则应检查语音器是否脱焊。

9、检查四门振荡源为直流状态下的工作情况。

a、用按钮开关将脉冲电源切换在直流状态下，此时示波器的显示为直流，而且最后输出的电压幅值与在第一级电容测试点电压幅值近似，略小一些。

b、在测试孔上，连接不同阻值的电阻，如果阻值越小，则亮的单元越多。

c、在测试孔上，连接一个测试电容，这时显示单元会出现瞬态的亮一下。

d、在测试孔上，连接一个容量较大的电容，这时显示单元会出现瞬态的亮一下，而且所亮的发光管会增多。

e、在测试孔上，连接一个测试电感，这时显示级会出现所有单元亮的情况。