一种放电延时型双用启发器的制作方法

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的门电路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的门电路作为一种基本有源件，作为单元的有尖源要件，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：

对上述措施的意义解释如下：

1、一种放电延时型双用启发器由两门振荡源，计数开关，测试孔，来回式放大单元，串联式分压单元，逻辑接口单元，延时单元，光显示级，循环单元，语音级共同组成。

其中：计数开关由按钮开关、开关一门、开关二门、开关引导电容一、开关引导电容二、开关引导电阻一、开关引导电阻二、开关钳位二极管、开关引导电阻三、两开关门的电源电阻组成：按钮开关的一端接地线，按钮开关的另一端与电源接开关引导电阻三，按钮开关的另一端即是按钮线路的输出端，接两开关引导电容的正极，开关引导电容一的负极为两路，一路接开关一门的一输入端，另一路接开关引导电阻一到开关一门的输出端，开关引导电容二的负极为两路，一路接开关二门的一输入端，另一路接开关引导电阻二到开关二的输出端，开关一门的另一输入端接开关二门的输出端，开关二门的另一输入端接开关一门的输出端，开关一门的输出端与开关二门的输出端与电源各接一状态指示，两开关门的输出端与电源之间各接一个电源电阻，开关二门的输出端即是计数开关的输出，接开关钳位二极管的负极。

两门振荡源由振荡电路与振荡隔离电路组成。

振荡电路由振荡一门、振荡二门、振荡交叉电容一、振荡交叉电容二、振荡一门的上偏电阻、振荡启动微分电容、振荡启动二极管、振荡启动微分放电电阻、振荡一门下偏电阻、振荡二门上偏固定电阻、振荡二门上偏可调电阻、振荡二门下偏电阻组成。

振荡电路由振荡隔离门、振荡隔离电阻组成：振荡一门的两输入端相连，电源到振荡一门的输入端之间接振荡一门的上偏电阻，振荡启动微分电容串联振荡启动二极管在电源与振荡一门的输入端之间，其串联点接振荡启动微分放电电阻到地线，振荡二门上偏可调电阻与振荡二门上偏固定电阻串接在电源与振荡二门的一输入端之间，振荡一门的输入端与振荡二门的一输入端各对地接一个下偏电阻，振荡一门的输出端接振荡交叉电容一到振荡二门的另一输入端，振荡二门的输出端接振荡交叉电容二到振荡一门的输入端，振荡二门的输出端接振荡隔离电阻到振荡隔离门的输入端，振荡隔离门的两输入端相连，振荡隔离门的输入端接开关钳位二极管的正极，振荡隔离输出端即是两门振荡源的输出，接测试孔一。

来回式放大单元由两门振荡源中的振荡电路与四个电容、四个提升二极管，整流二极管及射随放大管组成：测试孔二连接整流二极管到一级电容的正极，三个提升二极管串联在一级电容的正极与射随放大管的基极之间，各串联点分别接一个电容的正极，二级电容的负极接振荡一门的输出端，三级电容的负极接振荡二门的输出端，四级电容的负极接地线，射随放大管的集电极接电源，射随放大管的发射极即是来回式放大单元的输出。

串联式分压单元由多级分压支路组成，每级分压支路均由稳压管与通道电阻组成，所有稳压管串联在来回式放大单元的输出与地线之间，成为多级分压输出点，每级分压输出点接一个通道电阻到地线。

延时单元由多个延时电路组成，每个延时电阻、延时电容、延时隔离二极管组成。

光显示级由多个光显示单元与变色单元组成：每个交显示单元都由显示驱动门与发光指示组成。

逻辑接口单元由多个接口非门组成。

每个接口非门的两输入端相连，各接一个分压输出点，除第一个接口非门与第一显示驱动门外，其余每个接口非门对应一个延时电路，每个延时电路对应一个显示驱动门，第一个接口非门的输出端直接接光显示级中第一显示驱动门的输入端，第一个接口非门的输出端还接延时电阻一到延时电容一到地线，除第一个接口非门外的所有接口非门的输出端都各接一个隔离二极管到对应显示驱动门的输入端，从第二显示驱动门开始，以后的每个显示驱动门的输入端都接一个延时电容到地线，每个发光指示都由共阳电阻与共阳极发光管串联成，每个显示驱动门的输出端接共阳电阻的一端，共阳电阻的另一端接共阳极发光管的阳极。

变色单元由两级变色计数器与变色初始微分电路组成：每级变色计数器中各含有两个变色驱动门、变色引导电阻、变色引导电容、变色二极管。

变色引导电容一与变色引导电容二的一端相连，成为一级变色计数器的输入，最后一个接口非门的输出端接一级变色计数器的输入，变色引导电容一的另一端为两路，一路接变色驱动门一的一输入端，另一路接变色引导电阻一到变色驱动门一的输出端，变色引导电容二的另一端为两路，一路接变色驱动门二的一输入端，另一路接变色引导电阻二到变色驱动门二的输出端，变色驱动门一的另一输入端接变色驱动门二的输出端，变色驱动门二的另一输入端接变色驱动门一的输出端，一级变色计数器的两个输出，即是变色驱动门一的输出端与变色驱动门二的输出端，变色驱动门一的输出端接变色二极管一到所有共阳极发光管的一个阴极，变色驱动门二的输出端接变色二极管二到所有共阳极发光管的另一个阴极；变色引导电容三的一端与变色引导电容四的一端相连，成为二级变色计数器的输入，变色驱动门二的输出端接二级变色计数器的输入，变色引导电容三的另一端为两路，一路接变色驱动门三的一输入端，另一路接变色引导电阻三到变色驱动门三的输出端，变色引导电容四的另一端为两路，一路接变色驱动门四的一输入端，另一路接变色引导电阻四到变色驱动门四的输出端，变色驱动门三的另一输入端接变色驱动门四的输出端，变色驱动门四的另一输入端接变色驱动门三的输出端，变色驱动门三的输出端即是二级变色计数器的输出，所有共阳极发光管的两个阴极各接一个变色二极管到二级变色计数器的输出。

变色初始微分电路由变色初始微分电容、变色初始非门、变色初始微分放电电阻、变色初始二极管一、变色初始二极管二组成：变色初始微分电容的一端接电源，另一端为两路，一路接变色初始微分放电电阻到地线，另一路接变色初始非门的输入端，变色初始二极管一接在变色驱动门一的一输入端到变色初始非门的输出端，变色初始二极管二接在变色驱动门三的一输入端到变色初始非门的输出端。

循环单元由循环启动门、循环微分电容、循环微分放电电阻、循环微分导向二极管、循环接地电阻、循环二极管组成：循环微分电容的一端接最后一个显示驱动门的输出端，循环微分电容的另一端为两路，一路接循环微分导向二极管到循环启动门的输入端，另一路接循环微分放电电阻到地线，循环启动门的输入端接循环接地电阻，循环二极管接在射随放大管的基极与循环启动门的输出端之间。

语音级：由多个语音器组成：串联式分压单元的每个分压输出点都接一个语音器。

2、循环启动门、变色初始非门、变色驱动门、显示驱动门、接口非门、振荡门、振荡隔离门、开关门都采用两输入的门电路。

3、微分电容与引导电容采用无极电容。

一、整个电路图所产生的原理。

本发明是以两输入的门电路为主要有源要件，组成了逻辑单元，然后再以逻辑单元组成了多种功能。用两个门组成了一种两门振荡器，作为两门振荡源，当阻抗性元件，（即是电容、电感与电阻，），连在两测试孔时，与两门振荡源成为了串联关系，两门振荡源产生的电流经过所测的频率元件后，进入到来回式放大单元，进行放大，来回式放大单元输出激励了串联式分压单元，该电路有多个分压输出点，分别连接了逻辑接口单元中的接口非门，然后从第二个接口非门起，直接控制了一组延时电路，延时电路控制了显示单元，与变色单元，当分压输出点无电压时，逻辑接口单元中的接口非门，通过延时电路单元封闭了显示单元与变色单元。其分压输出点超过门坎电压后，接口非门激励延时单元中的对应延时电路，延时电路激励了显示单元启动。发光指示光亮。此同时，显示单元中的第一驱动门，控制了变色单元的工作状态。在变色单元的作用下，让发光指示发出了三种颜色的光亮。来回式放大单元输出信号越强，串联式分压单元的分压输出高位点数越多，则发光管亮得越多。

为演示效果丰富，本措施注意到了以下几点：

一是两门振荡源，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计数开关来执行，计数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。

三是在两门振荡源，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，增加了进入到来回式放大单元，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门电路的认识，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。

二、两门振荡源的说明。

由振荡电路与振荡隔离电路组成；振荡电路由振荡一门（图1中的2.1）、振荡二门（图1中的2.2）、振荡交叉电容一（图1中的2.11）、振荡交叉电容二（图1中的2.21）、振荡一门的上偏电阻（图1中的2.12）、振荡启动微分电容（图1中的2.13）、振荡启动二极管（图1中的2.15）、振荡启动微分放电电阻（图1中的2.16）、振荡二门上偏固定电阻（图1中的2.23）、振荡二门上偏可调电阻（图1中的2.22）、振荡二门下偏电阻（图1中的2.25）组成；振荡电路由振荡隔离门（图1中的2.3）、振荡隔离电阻（图1中的2.8）组成。

线路特点是，振荡一门的两输入端相连，电源到振荡一门的输入端之间接振荡一门的上偏电阻，振荡启动微分电容串联振荡启动二极管在电源与振荡一门的输入端之间，其串联点接振荡启动微分放电电阻到地线，振荡二门上偏可调电阻与振荡二门上偏固定电阻串接在电源与振荡二门的一输入端之间，振荡一门的输入端与振荡二门的一输入端各对地接一个下偏电阻，振荡一门的输出端接振荡交叉电容一到振荡二门的另一输入端，振荡二门的输出端接振荡交叉电容二到振荡一门的输入端，所以振荡一门比振荡二门多接一个微分电路。

形成振荡的原理是：当开通电源后，因为振荡一门的输入端多接了一个微分电路，因而振荡一门的输入端的电压高于振荡二门的输入端，所以不会冒险竞争，而必定会产生振荡二门的输出端向高位发展的趋向，因此振荡二门的输出端、振荡交叉电容二、振荡一门下偏电阻形成充电通道，因振荡交叉电容二不能跃变，因此当振荡一门输入端会更高，输出端会更低，同理因振荡交叉电容一不能跃变，振荡二门输入端会更低，而输出端会更高，形成强烈的正反馈，直到振荡交叉电容二充电完毕，而形成振荡的前半周期。当振荡交叉电容二充电结束，振荡二门上偏电阻通过振荡交叉电容一及第一非门的输出端形成反方向的充电电路，振荡二门输入电压将逐渐升高，输出端将由高位逐渐向低位变化，当输入电压高过门坎电压时，振荡两交叉电容不能跃变，再次发生强烈的正反馈，振荡两门输出端发生翻转，成为振荡的后半周期，如此原理产生第二次周期，第三次周期------等等。

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、计数开关的说明。

计数开关由按钮开关（图1中的1.0）、开关一门（图1中的1.1）、开关二门（图1中的1.2）、开关引导电容一（图1中的1.11）、开关引导电容二（图1中的1.21）、开关引导电阻一（图1中的1.12）、开关引导电阻二（图1中的1.22）、开关钳位二极管（图1中的1.8）、开关引导电阻三（图1中的1.08）、两开关门的电源电阻（图1中的1.18与1.28）组成。

其主要目的控制两门振荡源的工作状况，使两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。

开关对两门振荡源的控制逻辑是，开关二门的输出端即是逻辑控制端，也是计数开关的输出，该端直接连接了振荡隔离门的输入端，当开关二门的输出端为低位时，振荡隔离门被封门，振荡隔离门输出端为高位，两门振荡源此时输出是频率为零的电流，即是直流。当开关二门输出端为高位时，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。

计数开关具备三特性，一是具有输出端的状态可变性（在按钮开关的配合下），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，开关一门与开关二门经过交叉的连接成为了一种正反馈电路，即是如果开关一门输出端为高，则开关二门输出端为低，反之如果开关一门输出端为低，则开关二门输出端为高。

开关中按钮开关与引导电阻三，组成了高位低位状态的按钮线路，其中连接按钮端是按钮线路输出端，形成的原理是，当按钮开关为断开状态时，因为引导电阻三的一端连接了电源，所以另一端为高位。当按钮开关为闭合状态时，因为引导电阻的该端连接了地线，所以输出为低位。

在通电时，假如开关二门的输出端为高位，开关一门的输出端为低位，当按钮开关没有按下时，按钮触点为断开，按钮线路输出端为高位。此时开关引导电阻三将与开关引导电容一、开关引导电阻一、开关一门的输出端形成充电回路。而与开关引导电容二、开关引导电阻二、开关二门的输出端形成断路。按钮开关触点为闭合时，按钮线路输出低位，开关引导电容一因不能跃变其负极成为负压状态，开关一门输入端为负，从而开关一门输出端为高位，开关二门输出端为低位，实现了翻转。

当按钮开关触点再次断开时，开关引导电阻三与开关引导电容二、开关引导电阻二、开关二门的输出端形成充电回路。而与开关引导电容一、开关引导电阻一、开关一门的输出端形成断路。按钮开关触点为闭合时，按钮线路输出端为低位，开关引导电容二因不能跃变其负极成为负压状态。开关二门输入端为低，从而开关二门输出端为高位，再次实现了翻转，以后的翻转原理同前。

采用此开关后主要有以下突出的好处，一是按钮开关是一种轻触钮，同时也便于安装状态指示。整体高档，受用，二是按钮属一种普通元件，易于购买。三是按钮在生产时不产生飞线，可以直接和印刷板产生联系，同时电路简化，因而可进一步保证产品质量。四是作为制着实验线路有利于拓展青少年思维。五是采用按钮线路线路后，可以精简一定线路。

四、关于来回式放大单元的说明。

本部分的线路特点一是，第一部分利用了两门振荡源中的振荡电路形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5.5）、四级电容（图1中的5.51）、射随放大管（图1中的5.8）共同组成了第二部分。

该电路的主要目的是，当抗性元件如电容，电感经过两门振荡源后，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。

来回式放大单元形成的原理是，因为振荡一门与振荡二门，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，当振荡一门输出端为低时，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，当振荡一门输出端为高位时，振荡一门输出端一倍电压端叠加二级电容电压成为二倍电压，当振荡二门输出端为低时，三级电容的电压被充电，该电容被充为二倍电压，当振荡二门输出端为高位时，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两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。

三是因为采用了两个振荡门与两级提升电容，所效率高，灵敏度较高。

四是该电路的输出为射随放大管作隔离，所以该电路有良好的负载能力

五是采用了两门振荡源的综合利用，简化了线路，对提高可靠性，都有积极的作用。

五、串联式分压单元的说明。

由多级分压支路组成，每级分压支路均由稳压管与通道电阻组成，所有稳压管串联在来回式放大单元的输出与地线之间，成为多级分压输出点，每级分压输出点接一个通道电阻到地线。

a、线路特点是由每个稳压管的参数相当，当无电压时，因通道电阻的存在，可以认为该输出点为低位。反之有电压输出且值高于接口非门的门坎后，可以认为是高位输出。

b、当来回式放大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、因为来回式放大单元输出采用了射随放大管隔离，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、逻辑接口单元的说明。

本单元由多个接口非门组成，而接口非门是由两输入与非门将两输入并联而成。每个接口非门的输入端连接了串联式分压单元的一个分压输出点，其输出端连接了延时单元中的一个延时电路，根据非门的性质，当分压输出点为低位时，该接口非门输出端高位，反之，当输入端为高时，接口非门输出端为低位。

七、延时单元的说明。

该单元由多个延时电路组成。每个延时电路参数一样，均由延时电容，延时电阻，延时隔离二极管共同组成。为此每个延时电路产生的原理一样。现只用其中个延时电路说明。

其原理是：当接口非门输出端为高位时，延时隔离二极管为正向偏置，这时将对延时电容充电，由于二极管为正向偏置电阻很小，所以充电时间很快。如果前级的接口非门输出端为低位，则通过延时电阻向前级接口非门输出端放电，因此放电延时由延时电容与延时电阻共同组成延时时间常数。

八、光显示说明。

光显示级中的多个光显示单元，每个光显示单元都由都由显示驱动门与发光指示组成，每个发光指示都由共阳电阻与共阳极发光管串联成，每个显示驱动门的输出端接共阳电阻的一端，共阳电阻的另一端接共阳极发光管的阳极。

共阳发光管亮的状态特点一是：先是第一光显示单元的共阳极发光管亮，之后是第二光显示单元的共阳级发光管亮，但第一光显示单元的共阳极发光管不熄，再之后是第三光显示单元的共阳极发光管仍亮，其它光显示单元的共阳极发光管不熄，以后按这种规律直到最后。到最后一个光显示单元的共阳极发光管发光。

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，如果串联式分压单元的分压输出点越多，则所触发的光显示单元越多，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。

其原理是，串联式分压单元的分压输出点输出高位时，对应接口非门输出低位，显示驱动门输出端为高位，共阳极发光管的阳极有电开始发光。

产生的原理是：由于在安装调试时，第一显示驱动门的输入端无延时电路，与其它显示驱动门的输入有差异，所以在串联式分压单元启动后，必定是第一显示驱动门的输出端先有电压，所带的第一发光指示先发光。而其后的各显示驱动门的输入端的延时电容还未能放电，为高位，所以，其后的各显示驱动门的输出端为低位，所带的各发光指示无阳极电压，不发光。而由于延时电容与延时电阻共同形成了延时的时间常数，因此，必需要要前一级的接口非门为低位时，延时电容才通过延时电阻向前一级的接口非门输出端放电，当延时电容放电完毕后，对应的显示驱动门才启动，对应发光指示才启动，因此，第二显示驱动门启动的过程是，在第一接口非门的输出端为低位时，延时电容一通过延时电阻一向第一接口非门的输出端放电，当放电完毕后，第二显示驱动门启动，第二个发光指示发光，在第二接口非门的输出端为低位时，延时电容二通过延时电阻二向第二接口非门的输出端放电，放电完毕后，第三显示驱动门启动，第三个发光指示发光……直到最后一个显示驱动启动，最后一个显示驱动的输出端为高位时，会启动循环单元，通过循环二极管钳位射随放大管，让串联式分压单元失电，接口非门的输出端恢复为高位向延时电容充电，所有发光指示熄，当循环微分电容微分完毕后，光显示又开始下一轮的流水式循环。

九、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，变色单元有两个变色计数器，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。第一变色计数器有两个输出，用第一变色计数器的输出即变色驱动门二的输出端，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，变色驱动门一与变色驱动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，即是最后一个显示驱动门输出端为高位时，（此时假定变色驱动门一的输出端为低位，变色驱动门二输出端为高位）与变色引导电容一、变色引导电阻一、变色驱动门一的输出端形成充电回路。而与变色引导电容二、变色引导电阻二、变色驱动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。变色驱动门一输入端为负，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，从而变色驱动门二输出端为高位。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（变色驱动门二的输出端），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。

变色驱动门一的一输入端与变色驱动门三的一输入端各接一个初始二极管到变色初始非门的输出端上，在每次通电时，变色驱动门三与变色驱动门一被钳位，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最后一个接口非门的输出，由于该门工作时，因为有循环单元的关系，所以该门为高位低位的交替，所以第一变色计数器会被激励工作，而且最后一个接口非门高低变化一次，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（变色驱动门二的输出端），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，新的循环方式由第二种颜色，按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，新的循环方式又由第三种颜色，按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是第一种颜色，第五次的循环方式又是第二种颜色，第六次的循环方式又是第三种颜色，后由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钳位了共阳极发光管的两个阴极，而共阳极发光管的特性是，当第一阴极为低位时，为一种颜色，当第二阴极为低位时，则为第二种颜色，当第一阴极与第二阴极同时为低位时，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钳位了共阳极发光管的两个阴极，第二变色计数器的变色驱动门三的输出端通过两个变色二极管同时钳位了共阳极发光管的两个阴极。所以共阳极发光管在第一次循环时，变色驱动门一输出端为低，共阴极二极管第一阴极为低位，循环时，共阳极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，变色驱动门二的输出端为低，共阳极发光管第二阴极为低位，共阳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驱动门三的输出端为低，因为变色驱动门三的输出端共同连接了共阳极发光管的两个阴极，所以共阳极发光管两阴极同为高位，共阳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。

十、循环单元的说明：循环单元由循环启动门（图1中的12.1）、循环微分电容（图1中的12.2）、循环微分放电电阻（图1中的12.3）、循环微分导向二极管（图1中的12.5）、循环接地电阻（图1中的12.7）、循环二极管（图1中的12.8）组成。

在最后一个显示驱动门输出高位时，循环启动门被瞬态触发，钳位射随放大管的基极，使串联式分压单元失电，后级单元不再启动，直到循环微分结束，才又开始下一次的显示循环。

十一、音乐声响说明：每个分压输出点接一个语音器，当分压输出点有电压时，对应语音器发出音乐，当有高位输出的分压输出点越多，被激励的语音器越多，间接的显示出频率与元件的关系。

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）、因为本演示仪中的脉冲电源可以在计数开关的切换下，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）、本发明中两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）。

（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）。

（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，光亮发管减少）。反之感抗越少，（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）。

（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、计数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、在来回式放大单元采用了转换开关，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，同时具有计数开关的一切优点。

4、显示的量化效果好，一是本仪具有来回式放大单元，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。二是来回式放大单元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。三是来回式放大单元输入为零时，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，因为每次发光管闪亮的颜色不一样，成为双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、有源件几乎全为两输入与非门，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，又如来回式放大单元，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、特别是设计了两门振荡电路，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是一种放电延时型双用启发器的两门振荡源，计数开关，测试孔，来回式放大单元，串联式分压单元的电子电路图。

图中：1.0、按钮开关；1.08、开关引导电阻三；1.1、开关一门；1.2、开关二门；1.11、开关引导电容一；1.21、开关引导电容二；1.12、开关引导电阻一；1.22、开关引导电阻二；1.18、开关一门的电源电阻；1.28、开关二门的电源电阻；1.8、开关钳位二极管；2.1、振荡一门；2.2、振荡二门；2.3、振荡隔离门；2.11、振荡交叉电阻一；2.21、振荡交叉电阻二；2.12、振荡一门的上偏电阻；2.13、振荡启动微分电容；2.15、振荡启动二极管；2.16、振荡启动微分放电电阻；2.18、振荡一门下偏电阻；2.23、振荡二门上偏固定电阻；2.22、振荡二门上偏可调电阻；2.25、振荡二门下偏电阻；2.8、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；5.5、提升二极管三；5.51、四级电容；5.8、射随放大管；6.11、一级分压支路；6.12、一级分压输出点；6.21、二级分压支路；6.22、二级分压输出点；6.31、三级分压支路；6.32、三级分压输出点；6.n1、最后一级分压支路；6.n2、最后一级分压输出点。

图2是一种放电延时型双用启发器的逻辑接口单元，延时单元，光显示级，循环单元，语音级电子电路图。

图中：5.8、射随放大管；6.11、一级分压支路；6.12、一级分压输出点；6.21、二级分压支路；6.22、二级分压输出点；6.31、三级分压支路；6.32、三级分压输出点；6.n1、最后一级分压支路；6.n2、最后一级分压输出点；7.1、第一接口非门；7.2、第二接口非门；7.3、第三接口非门；7.n、最后一个接口非门；8.21、延时电阻一；8.22、延时电容一；8.23、延时隔离二极管一；8.31、延时电阻二；8.32、延时电容二；8.33、延时隔离二极管二；8.n1、延时电阻n；8.n2、延时电容n；8.n3、延时隔离二极管n；9.11、第一个显示驱动门；9.12、第一个发光指示；9.21、第二个显示驱动门；9.22、第二个发光指示；9.31、第三个显示驱动门；9.32、第三个发光指示；9.n1、最后一个显示驱动门；9.n2、最后一个发光指示；10.1、变色驱动门一；10.11、变色引导电容一；10.12、变色引导电阻一；10.15、变色二极管一；10.2、变色驱动门二；10.21、变色引导电容二；10.22、变色引导电阻二；10.25、变色二极管二；10.5、变色驱动门三；10.51、变色引导电容三；10.52、变色引导电阻三；10.57、三色的变色二极管一；10.58、三色的变色二极管二；10.8、变色驱动门四；10.81、变色引导电容四；10.82、变色引导电阻四；11.1、变色初始微分电容；11.2、变色初始非门；11.3、变色初始微分放电电阻；11.5、变色初始二极管一；11.8、变色初始二极管二；12.1、循环启动门；12.2、循环微分电容；12.3、循环微分放电电阻；12.5、循环微分导向二极管；12.7、循环接地电阻；12.8、循环二极管；13.1、第一语音器；13.2、第二语音器；13.3、第三语音器；13.n、最后一个语音器。

具体实施方式

一、选元件：按图选定有源件，循环启动门、变色初始非门、变色驱动门、显示驱动门、接口非门、振荡门、振荡隔离门、开关门都采用两输入的门电路。

微分电容与引导电容采用无极电容。

发光管采用两阴极且为高亮度型的共阳极发光管。音乐片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。阻件无特殊要求。

二、焊接：两门振荡源，计数开关，测试孔，来回式放大单元，串联式分压单元的电子电路如图1所示连接；逻辑接口单元，延时单元，光显示级，循环单元，语音级电子电路如图2所示焊接。计数开关状态指示发光管为两种不同的颜色。

三、调试。

1、检查与调试两门振荡源。

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，则是振荡二门与振荡三门交叉连线脱焊。

b、用频率计数器，连接振荡二门的输出端，调节振荡二门上偏可调，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，则应调整所串联的上偏固定电阻阻值，其规律是阻值越大，频率越慢。

2、检查与调试计数开关。

a、用万用表的红表笔连接按钮线路输出端，黑表笔接地线，按下按钮开关，即是当按钮开关的触点为接通状态下，按钮线路输出端为零，再按一下按钮开关，即是当按钮开关的触点为断开状态下，按钮线路输出端为高位电压输出，如不正确则是开关引导电阻三未与电源接好。

b、用万用表的红表笔连接开关二门的输出端，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的交叉连线接错，没有成为rs触发器。

c、每按一次按钮开关，开关二门的输出端都会变化一次，开关一门与开关二门连接的两状态指示发光管会变化一次，始终为一亮一熄，如不正确，则是状态指示中的发光管极性焊反。

3、检查与调试来回式放大单元单元。

（1）、检查调试来回式放大单元单元中信号放大情况。

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，但幅度应比一级整流高一倍。如不正确则是连在二级电容负极与振荡一门输出端脱焊。

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，但幅度应为一级整流的三倍。如不正确则是三级电容负极与振荡二门输出端脱焊。

（2）、检查调试来回式放大单元单元的射随输出情况。

用万用表检查，用万用表的热端（即是红表笔）接射随放大管的发射极电压，冷端（即是黑表笔）接地。

a、该点电压应近似于基极电压，（仅差0.7伏左右）。

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

4、检查与调试串联式分压单元。

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，此时串联式分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，此时串联式分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、检查与调试逻辑接口单元。

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接口非门的输入与输出端。

a、当串联式分压电路的输出端小于门坎电压时，接口非门输出端为高位位。

b、当串联式分压电路的输出端高于门坎电压时，接口非门输出端为低位位。

6、检查与调试光显示单元。

a、在未将演示元件插入测试孔时，各发光指示应不亮，否则是连线有误。

b、在灯亮的流水循环过程中，先是第一光显示单元的共阳极发光管亮，之后是第二光显示单元的共阳级发光管亮，但第一光显示单元的共阳极发光管不熄，再之后是第三光显示单元的共阳极发光管仍亮，其它光显示单元的共阳极发光管不熄，以后按这种规律直到最后。到最后一个光显示单元的共阳极发光管发光。不断循环，不正确则是线路连错。

7、检查与变色单元。

a、断开变色单元中两个变色计数器的初始二极管，用示波器（或万用表）的正极连接变色单元第一计数器，其中一输出端为低位，则另一输出端为高位，否则，是两驱动器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计数器，其中一输出端为低位，则另一输出端为高位，否则，是两驱动器相互连接的反馈交叉线连接错误，未能实现正反馈。

c、断开接口非门输出端与变色单元第一级计数器输入端的连线，用第一级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，此时该计数器的两输出端将发生一次变化如由低位变为高位，重复上步骤，第一计数器的输出端又将发生一次变化，如由高位变低位，其输出端将又变生一次变化，否则是线路有错。

d、断开变色单元第一级计数器与第二计数器输入端之间的连线，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，此时第二计数器的输出端将发生一次变化，如由低位变为高位，重复上步骤，第二计数器的输出端又将发生一次变化，如由高位变低位，否则是线路有错。

e、恢复第一级计数器与第二级计数器的初始二极管，通电时。变色驱动门一与变色驱动门三的输出端均为高位，否则是初始二极管脱焊，或极性焊反。

f、恢复变色单元第一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，则是变色单元与发光指示之间的变色二极管未连接好。

8、检测循环单元。

用电压表的红表笔测循环启动门的输出端，当最后一个显示驱动门输出高位时，循环启动门的输出端应输出低位，否则是循环启动输入的微分未接好。

9、语音级的检测：当分压输出点输出高位时，激励对应的语音器工作，否则是语音器未接好。

10、检查两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，这时光显示级会出现所有单元亮的情况。