一種運放控制的階梯式導電率教學演示器的製作方法

2023-04-28 06:35:36 2

屬於教學儀器演示領域。

背景技術：

創新是民族之魂，青年學生是創新的力量。

國家的強盛在於人材，人材的培養在於教育。教育的重點青少年，少年強則國強，少年進步則國進步，要培養少年對科學的熱愛，提高教學質量是關鍵，而實驗儀器的精準是提高教學的一個重要因素，實驗儀器好，所做的實驗更具說服力，從而使學生認識事物，了解自然現象，啟發學生的思維，對提高教育水平起到重要作用。因此，教學中的各種實驗儀器都在不斷的提升，但卻還存在著很多不足之處：一是實驗儀器的種類不足，特別是針對低年級學生的實驗儀器還不全面。二是教學儀器中寓教於樂的精神還不夠，三是現在多數教學儀器的成本太高，因而對一些偏遠的村莊學校，還不能普及到很多普遍的教學儀器。

電學是物理學中最重要的一種門類，充滿神奇的電學實驗，能激發少年的興趣，同時對建立電學的基本概念有著重要的作用，如果能研製一種多功能的導電演示儀而且演示儀能將抽象的將電學部分概念與定律形象化，顯然對受教育者有有著積極的幫助。

技術實現要素：

為了讓教學儀器普及到每所學校，豐富教學儀器的種類，本發明的措施是研製一種運放控制的階梯式導電率教學演示器，其目的一是讓學生從一種感性的角度，了解導電率的情況，理解導體，電阻，絕緣體物體的概念與意義，進而理解理解歐姆定律的意義，因而讓學生打下基礎。二是該儀器因具有光與聲的三種色彩的顯示，因此具有一定的趣味性，能培養起廣大青少年對科學的熱愛。三是成本低廉，可以成為一種在廣大學校普及的儀器。

本發明所採用的措施是：

1、一種運放控制的階梯式導電率教學演示器由測試棒、測試夾、測試儀接插孔、電子線路共同組成。

測試棒由導體構成，外表包有絕緣物；測試夾由鱷魚夾子構成。

測試儀接插孔有兩個插孔組成，其中一個連接在電子線路的輸入端上，另一個連接地線上。

電子線路由前置放大級、比較放大級、振蕩級、語音級、顯示推動級、清零級、顯示級組成。

前置放大級由靈敏可調電阻、靈敏限制電阻、前置放大管、測試電壓指示保護電阻、測試電壓指示發光管組成。

相互連接的方式是，靈敏可調電阻與靈敏限制電阻相互串聯，一端連接在測試儀的一個接插孔上，另一端連接在前置放大管的基極上，前置放大管的發射極連接電源，集電極連接了五路輸出，第一路連接了比較放大級中的第一單元輸入，第二路連接了比較放大級中的第二單元輸入，第三路連接了比較放大級中的第三單元輸入，第四路連接了由測試電壓指示保護電阻與測試電壓指示發光管的串聯而成的測試電壓指示支路的一端，測試電壓指示支路的另一端接地線，第五路接清零級的輸入。

比較放大級由三個單元組成，第一個單元由比較端上偏電阻一、同相端隔離二極體一、比較放大級下偏穩壓管一、比較放大級下偏穩壓管一、前置隔離二極體一、比較放大器一共同組成。

連接方式是，前置隔離二極體一的正極是輸入端，接前置放大管的集電極，前置隔離二極體一的負極連接了比較放大器一的同相輸入端；上偏電阻一的一端連接電源，另一端連接連接了三路，第一路連接了同相端隔離二極體一的正極，同相端隔離二極體一的負極連接比較放大器一的反相端，比較放大器一的反相端還連接了互鎖二極體3—2的負極與互鎖二極體2的負極，第二路連接了比較放大級下偏穩壓管一的正極，比較放大級下偏穩壓管一的負極接地線，第三路連接了比較放大級下偏穩壓管二的一端，比較放大器一的輸出端是比較放大級中一單元的輸出端。

比較放大級第二個單元由比較端上偏電阻二、同相端隔離二極體二、比較放大級下偏穩壓管二；下偏隔離二極體二、前置隔離二極體二、比較放大器二共同組成。

連接方式是，前置隔離二極體二的正極是輸入端，接前置放大管的集電極，前置隔離二極體二的負極連接了比較放大器二的同相輸入端，上偏電阻二的一端連接電源，另一端連接連接了三路，第一路連接了同相端隔離二極體二的正極，同相端隔離二極體二的負極連接比較放大器二的反相端，比較放大器二的反相端還連接了互鎖二極體3—1的負極；第二路接了比較放大級下偏隔離二極體二的正極，比較放大級下偏隔離二極體二的負極接比較放大級下偏穩壓管二的另一端，第三路連接了比較放大級下偏穩壓管三的一端，比較放大器二的輸出端是比較放大級中二單元的輸出端，連接了互鎖二極體2的正極。

比較放大級第三單元由比較端上偏電阻三、同相端隔離二極體三、比較放大級下偏穩壓管三、前置隔離二極體三、比較放大器三、互鎖二極體3--1、互鎖二極體3--2共同組成；連接方式是，比較放大器三的同相輸入端；接前置放大管的集電極，上偏電阻三的一端連接電源，另一端連接連接了兩路，第一路連接了同相端隔離二極體三的正極，同相端隔離二極體三的負極連接比較放大器三的反相端；第二路連接了前置隔離二極體三的正極，前置隔離二極體三的負極，連接了比較放大級下偏穩壓管三的另一端，比較放大器三的輸出端是比較放大級中三單元的輸出端，比較放大器三的輸出端連接了互鎖二極體3—1與互鎖二極體3—2的正極。

振蕩級有三個單元，分別是振蕩一單元、振蕩二單元及振蕩三單元。

振蕩一單元由交連二極體一、振蕩一單元中振蕩電容一、振蕩一單元中振蕩電阻一、振蕩一單元中運放集成一、振蕩一單元同相端上偏端電阻一、振蕩一單元同相端下偏電阻一共同組成；連接方式是：交連二極體一的負極是本單元的輸入，連接了比較放大級第一單元的輸出端，即是比較放大器一的輸出端，交連二極體一的正極連接了振蕩一單元中運放集成一中的反相端，運放集成一中的反相端還連接了振蕩一單元中振蕩電容一的正極，振蕩電容一的負極接地，振蕩電阻一接在振蕩一單元中運放集成一的反相端與輸出端之間，振蕩一單元中運放集成一的輸出端連接了振蕩一單元同相端上偏端電阻一的一端，同相端上偏端電阻一的另一端連接了運放集成一的同相端，同相端下偏電阻一接在運放集成一的同相端與地線之間，運放集成一的輸出端是振蕩一單元的輸出端。

振蕩二單元由振蕩二單元由交連二極體二、振蕩二單元中振蕩電容二、振蕩二單元中振蕩電阻二、振蕩二單元中運放集成二、振蕩二單元同相端上偏端電阻二、振蕩二單元同相端下偏電阻二共同組成，連接方式是：連接方式是交連二極體二的負極是是二單元的輸入，連接了比較放大級第二單元的輸出端，即是比較放大器二的輸出端，交連二極體二的正極連接了振蕩二單元中運放集成二中的反相端，運放集成二中的反相端還連接了振蕩二單元中振蕩電容二的正極，振蕩電容二的負極接地，振蕩電阻二接在振蕩二單元中運放集成二的反相端與輸出端之間，振蕩二單元中運放集成二的輸出端連接了振蕩二單元同相端上偏端電阻二的一端，同相端上偏端電阻二的另一端連接了運放集成二的同相端，同相端下偏電阻二接在運放集成二的同相端與地線之間，運放集成二的輸出端是振蕩二單元的輸出端。

振蕩三單元由交連二極體三、振蕩三單元元中振蕩電容三、振蕩三單元中振蕩電阻三、振蕩三單元中運放集成三、振蕩三單元同相端上偏電阻三、振蕩三單元同相下偏端電阻三共同組成。

連接方式是連接方式是：交連二極體三的負極是是三單元的輸入，連接了比較放大級第三單元的輸出端，即是比較放大器三的輸出端，交連二極體三的正極連接了運放集成三中的反相端，運放集成三中的反相端還連接了振蕩三單元中振蕩電容三的正極，振蕩電容三的負極接地，振蕩電阻三接在振蕩三單元中運放集成三的反相端與輸出端之間，振蕩三單元中運放集成三的輸出端連接了振蕩三單元同相端上偏端電阻三的一端，同相端上偏端電阻三的另一端連接了運放集成三的同相端，同相端下偏電阻三接在運放集成三的同相端與地線之間，運放集成三的輸出端是振蕩三單元的輸出端。

語音級由語音第一單元、語音第二單元、語音第三共同組成。

語音級中語音第一單元的一端連接比較放大級中一單元中的輸出端；另一端接地。

語音級中語音第二單元的一端連接比較放大級中二單元中的輸出端；另一端接地。

語音級中語音第三單元的一端連接比較放大級中三單元中的輸出端；另一端接地。

顯示推動級由顯示推動一單元、顯示推動二單元、及顯示推動三單元共同組成。

顯示級由第一顯示單元、第二顯示單元、第三顯示單元組成，每個顯示單元中包含9個雙陽極共陰發光管，以及每個雙陽極共陰發光管的共陰電阻。

顯示推動一單元由顯示推動一單元中計數器，計數器輸出端所連接的或門二極體，清零端所連接的對地電阻共同組成；顯示推動二單元由顯示推動二單元中的第一計數器、顯示推動二單元中的第二計數器、兩計數器輸出端所連接的或門二極體，兩計數器清零端所連接的對地電阻共同組成；顯示推動三單元由顯示推動三單元中的第一計數器、顯示推動三單元中的第二計數器、顯示推動三單元中的第三計數器、三塊計數器輸出端所連接的或門二極體，三塊計數器清零端所連接的對地電阻共同組成。

顯示推動二單元中的第一計數器的最後一位輸出端連接了顯示推動二單元中第二計數器的振蕩輸入端，顯示推動三單元中第一計數器的最後一位輸出端連接了顯示推動三單元中第二計數器的振蕩輸入端，顯示推動三單元中第二計數器的最後一位輸出端連接顯示推動三單元中第三計數器的振蕩輸入端，顯示推動三單元中的三塊計數器的清零端都接一個清零隔離二極體的負極，三個清零隔離二極體的正極都接在顯示推動三單元中第三計數器的最後一位輸出端上。

第一顯示單元中的第一個雙陽極共陰發光管的兩個陽極中第一陽極為兩路，一路接顯示推動一單元中計數器的第一輸出所接的或門二極體的負極，第二路接顯示推動三單元中第一計數器的第一輸出端所連的第一或門二極體的負極，第二陽極為兩路，第一路接顯示推動二單元中第一計數器的第一輸出端所連的或門二極體的負極，第二路接顯示推動三單元中第一計數器的第一輸出端所連的第二或門二極體的負極，第一顯示單元中的其餘雙陽極共陰發光管的兩個陽極接法相同，不同之處是第一顯示單元中的第二個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第二輸出端，第一顯示單元中的第三個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第三輸出端，第一顯示單元中的第四個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第四輸出端，第一顯示單元中的第五個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第五輸出端，第一顯示單元中的第六個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第六輸出端，第一顯示單元中的第七個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第七輸出端，第一顯示單元中的第八個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第八輸出端，第一顯示單元中的第九個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第九輸出端。

第二顯示單元中的第一個雙陽極共陰發光管的兩個陽極中第一陽極接顯示推動三單元中第二計數器的第一輸出端，第二顯示單元中的第一個雙陽極共陰發光管的第二陽極為兩路，一路接顯示推動二單元中第二計數器的第一輸出端所連的或門二極體的負極，第二路接顯示推動三單元中第二計數器的第一輸出端所連的第二或門二極體的負極，第二顯示單元中的其餘雙陽極共陰發光管的兩個陽極接法相同，不同之處是第二顯示單元中的第二個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第二輸出端，第二顯示單元中的第三個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第三輸出端，第二顯示單元中的第四個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第四輸出端，第二顯示單元中的第五個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第五輸出端，第二顯示單元中的第六個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第六輸出端，第二顯示單元中的第七個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第七輸出端，第二顯示單元中的第八個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第八輸出端，第二顯示單元中的第九個雙陽極共陰發光管接對應計數器的第九輸出端。

第三顯示單元中的第一個雙陽極共陰發光管的兩個陽極都接顯示推動三單元中第三計數器的第一輸出端，第三顯示單元中的另8個雙陽極共陰發光管的兩個陽極依次連接在顯示推動三單元中第三計數器的另8位輸出端上。

每塊計數器的清零端與地線之間都連接一個接地電阻。

顯示級所有發光管的負極分別連接了一隻電阻到地線。

清零級由清零微分電路與6個清零或門二極體組成。

清零微分電路由清零微分電容、清零微分電阻、清零交連電阻、清零N管、清零P管組成。

清零微分電容的一端為清零級的輸入，與前置放大管的集電極相接，清零微分電容的另一端為兩路，一路接清零微分電阻到地線，另一路接清零N管的基極，清零N管的發射極接地線，清零N管與清零P管的基極之間接清零交連電阻，清零P管的發射極接電源，清零P管的集電極接6個清零或門二極體的正極，清零或門二極體一的負極接顯示推動一單元中計數器的清零端，清零或門二極體二的負極接顯示推動二單元中第一計數器的清零端，清零或門二極體三的負極接顯示推動二單元中第二計數器的清零端，清零或門二極體三的負極接顯示推動三單元中第一計數器的清零端，清零或門二極體四的負極接顯示推動三單元中第二計數器的清零端，清零或門二極體五的負極接顯示推動三單元中第二計數器的清零端，清零或門二極體六的負極接顯示推動三單元中第三計數器的清零端。

2、顯示推動第一單元的二進位計數器與顯示推動第二單元的二進位計數器是採用集成電路CD4060。

3、顯示推動第三單元的三塊十進位計數器是採用集成電路CD4017。

對上述措施的意義解釋如下：

一、整個電路圖所產生的原理：當所測的物體連在測試孔兩端時，根據物體導電的性能，對前置放大管PNP管（圖2中2.03）產生偏流，其集電極產生放大電流，該電流經過了三個前置隔離二極體（圖2中的3.105、3.205、3.305）加在了三個比較放大器（圖2中的3.106、3.206、3.306）的同相輸入端，這時三個比較放大器，將根據輸入信號的強弱可能產生輸出，從而激勵演示推動單元動作（圖1中的第六單元），讓演示部分產生對應演示現象。由於本儀設計有清零級，其功能是每次測試時，將對推動單元動作中所有計數器清零端加瞬態電壓清零，從而保證了顯示級的邏輯正確。

二、三個比較放大器的門坎電壓不一樣，成為階梯的數值，其原因是單元一隻有一個比較放大級下偏穩壓管一（圖2中的3.104、），而二單元在此基礎上增加了一個下偏隔離二極體一（圖2中的3.203）一個比較放大級下偏穩壓管二（圖2中的3.204），同理三單元在二單元元的基礎上又增加了增加了一個下偏隔離二極體一（圖2中的3.303）一個比較放大級下偏穩壓管二（圖2中的3.304）。所以在測試中，良導體經前置放大管放大後，能超過門坎最高的第三單元，次之的電阻經前置放大管放大後，能超過門坎次之的的第二單元，再次之的電阻經前置放大管放大後，只能超過門坎再次之的的第三單元，絕緣體則不能觸動比較放大器。三個比較放大單元的特點一是採用比較放大器，所以觸發門坎閥值特徵強，同時有很高的靈敏度。二是輸出端要麼是高位，要麼是低位，輸出特徵強。三是三個比較放大器均為同相端輸入，好處是輸入阻抗很高，對接口三極體的影響很小，又加之三個比較放大器的輸入間焊有前置隔離二極體（圖2中，3.105、3.205、3.305），所以相互之間不會產生影響。

三、由於三個比較放大器之間，連接有互鎖電路，比較級只有一個單元唯一輸出。其結構是，門坎最高的第三單元通過互鎖二極體3--1（圖2中的3.307）與互鎖二極體3--2（圖2中的3.3071）鎖定了門坎低第二單元與第一單元，門坎次高的第二單元通過互鎖二極體2（圖2中的3.207）鎖定了門坎低最低的第一單元。所以形成了這樣的原理，這三個放大器中只能有一個處於放大狀態，且是門坎相對高的一個比較放大器工作，（因為該放大級輸出高位後，其餘的放大級因互鎖而不可能工作）。它表示也是導電率最高的等級。形成互鎖的原理是，當該級放大器工作後，輸出為高位，這時將電位傳到了其它放大器的門坎電壓上，門坎電壓驟然提升，將高於同相端的輸入電壓，所以使原級本可以工作而演變成了不能工作的狀態。由於上述原因，比較放大級只可能有一個單元有輸出，所以顯示推動級中也只可能有一個單元對應工作。所以顯示導電的情況只能是一種情況，而不存在兩種情況的共存情況。所以顯示的效果是唯一的。

四、振蕩級對應了顯示級發光管的亮熄演示頻率。振蕩級的結構與原理如下：比較放大級中三個單元分別對應振蕩級中的一個振蕩單元，當比較放大級中三個單元的一個單元工作時，振蕩級中只有一個對應的振蕩單元，工作，形成的原理是，當沒有測試信號時，比較放大級沒有輸出信號，即是低位零信號，振蕩級中的每個單元反相端分別被對應的交連二極體（圖2中4.11，4.21，4.31）鉗位，所以不產生振蕩信號，不激勵後級的演示顯示推動級工作。

當振蕩級中的對應單元輸出為高位時，對應的交連二極體負極為高位，為反向偏置，這時對應的振蕩級單元工作開始振蕩。由於三個單元振蕩線路對稱，現以第一單元為例說明產生振蕩的原理：

產生的原理是：當振蕩一單元中運放集成一（圖2中的4.15）輸出端為高位時，通過振蕩一單元中振蕩電阻一（圖2中4.13）向振蕩一單元中振蕩電容一（圖2中4.12），當振蕩電容的電壓高過同相端的分壓電壓後，運算放大器輸出端發生變化，由高位變為低位，這時同相端電壓變低，成為振蕩的前半周期，這時振蕩電容通過振蕩電阻放電，當反相端電壓低到同相端電壓時，運算放大器輸出再次由低位變為高位，成為振蕩的後半周期，這樣產生第二周期，三周期及無數周期，產生振蕩。

該電路線路簡單，易起振蕩，振蕩穩定，易於與後級線路配合。

振蕩電阻設計為可調電阻，便於調整振蕩頻率。

五、顯示推動級各單元連接了顯示級對應發光管，此此各單元的激勵決定了所連發光管的數量與規律。顯示推動級形成的結構與原理如下：振蕩級中的三個單元中分別對應於顯示推動的一個單元。由於顯示推動級的核心件是計數器，所以振蕩級的輸出端連接了計數器的振蕩輸入端。計數器的輸出端直接激勵了顯示級的發光管，每個單元的計數器所連的發光管數量不一樣，而且有很明顯的差別。每個單元的激勵信號頻率也完全不一樣，視角效果有明顯的不同。

A、顯示推動第一單元。

該單元的特點一是門坎最低，只能是導電率最低的物體可能通過的閥值，二是計數器由二進位計數器如4060組成，三是該單元的計數器最少，因而的所帶的發光管數量也最少，四是計數器的頻率為最慢，五是計數器的輸出端連接了顯示級雙陽極共陰發光管的一極，因而所激勵的發光管所產生的色彩是一種顏色。

因為連線如上特點，所以其發光管亮的規律一是二進位計數器輸出的規律，即是先是第一燈亮然後是第二燈亮，繼而是以後的 發光管。二是所亮的發光管僅是眾多發光管的一部分，且是最少的一部分。三是發光管由熄變亮時，頻率極低。

B、顯示推動第二單元。

該單元的特點一是門坎比一單元高，但比第三單元低，所以只能是導電率中等的物理通過的閥值，二是計數器由二進位計數器如4060組成，三是該單元的計數器比一單元多，因而的帶的發光管數量比一單元多，四是計數器的頻率比第一單元快，而且有明顯差別，但比第三單元慢，五是計數器的輸出端連接了顯示級雙陽極共陰發光管的第二極，因而所激勵的發光管所產生的色彩是第二種顏色。

因為連線是如上特點，所以其發光管亮的規律一是二進位計數器輸出的規律，即是先是第一燈亮然後是第二燈亮，繼而是以後的 發光管。二是所亮的發光管僅是眾多發光管的一部分，三是發光管由熄變亮時，頻率較快。

C、顯示推動第三單元。

該單元的特點一是門坎最高，所以只能是導電率最好的良導體通過的閥值，二是計數器由十進位計數器如4017組成，三是該單元的計數器所用的輸出端最多，因而的帶的發光管數量為最多，四是計數器的輸出端通過或門二極體同時連接了顯示級雙陽極共陰發光管的兩陽極，因而所激勵的發光管所產生的色彩是第三種顏色。五是計數器最後一塊計數器最後一位輸出端對所有計數器的清零端清零。

因為連線是如上特點，所以其發光管亮的規律一是十進位計數器輸出的規律，即是先是第一燈亮然後是第二燈亮，繼而依次是所有 發光管亮一次。二是所以該單元所激勵的顯示級的發光管，為循環狀態。

六、顯示級部分由多個發光管組成，在附圖3中，為表達清楚，省掉了很多發光管。該部分有以下特點：

一是這些眾多的發光管可以按一定規律作機械排列，可以形成多種好的視覺效果。

二是因為採用了雙陽極共陰發光管，同時在兩個單元共同連接的發光管的陽極上分別連接有或門二極體，所以激勵時互不影響，會發出三種顏色。代表不同的單元激勵。

三是由於顯示級的發光管分別與三個單元對應，所以每組發光管的數量，亮的頻率，方式，色彩都不一樣。發光管可以出現三種色彩的情況。

七、由於 本措施中設計有語音級，該級有三個單元分別與比較放大級三個單元對應，所以當對應單元工作時，會輸出高位時，激勵語音單元會發聲。

八、清零級原理與特點。

每次測試物體時，前置放大管會輸出電壓，經過清零微分電容與清零微分電阻的傳遞，激勵清零N管（圖3中8.6），因此清零P管（圖3中8.7.）；集電極有瞬態高壓輸出，通過清零或門二極體一（圖3中8.71、）對顯示推動三單元中第一塊計數器清零端清零；同理通過清零或門二極體二（圖3中8.72）；清零或門二極體三（圖3中8.73）；清零或門二極體四（圖3中8.74）；清零或門二極體五（圖3中8.75）；對所有單元中的計數器的清零，由於清零N管與清零P管組成為互補放大，增益很高，只要前置放大管集電極有微小輸出，由兩管組成的有源微分電路均會有可靠輸出，從而保證了光亮邏輯。

實施後有以下突出的優點：

1、電學是物理學中重要的內容，學生能清楚地能過儀器感悟到，什麼是良導體，電阻、絕緣體、電流的概念，幫助初學者建立電學中最基本概念有著積極的作用。

2、歐姆定律是電學中最重要的基本定律，學好歐姆定律對電學的深化學習有重要的鋪墊作用。初學者感到定義抽象，通過本儀器定型地演示，能使初學者對歐姆定律消化理解，而不是簡單地產生只是機械式的呆板記憶。

A、定型地演示歐姆定律揭示的電壓一定時，電流與電阻之間的關係。電阻越大，電流越小的視覺效果。

而本儀的眾多發光管寓意是一條河流，將抽象的電流比喻成為了水流。當電流過測試體時，導電率高的物體所演示的現象是電流如河水一樣能從始點流向終點，（直觀視覺效果是在始點的發光管及終點的發光管均要亮，）而且速度很快（體現在頻率快，而且產生循環），因而直觀視覺效果是電流過物體時受到的阻力（即電阻）很小，因而電流很暢通。電通過導電率差的物體種類，受到的阻力大（即電阻大），如水流一樣，流動困難，不僅速度慢（直觀視覺效果是頻率慢），而且很難流到終點。（體現在終點的發光管不亮，只能是始點及以後的部分發光管亮）。

B、定型地演示歐姆定律揭示的當電阻為一定時，電壓越大，電流越大。以及電壓越小，電流越小的視覺效果。

用一隻電阻作為測試物體，演示時其顯示發光管為部分發光管亮，此時減少靈敏度調整電阻的阻值，測試電壓指示發光管明亮，其演示意義是提高所測電阻的端電壓，此時顯示級的發光管亮的數量升位成為良導體的體現的現象，從而表示出電流增大的視覺效果。反之，此時增大靈敏度調整電阻的阻值，測試電壓指示發光管熄，其演示意義是減少所測電阻的端電壓，此時顯示發光管亮的數量降位成為電阻大的表現的現象，從而表示電流減少。

由於本儀最大好處是能將抽象的概念變得形象化，這對初學者特別是邊遠的山區的學生教育，是很有幫助。

3、本儀器主要是幫助初學者認知而對導體、絕緣體、電阻，電流、歐姆定律概念的定型理解作出演示，其最大好處是對這些抽象的電學有關參數的意義，從多角度，多方面的視角的獲得感悟，將抽象的東西變易理解的現象，主要有以下幾點：

一、顯示級是發光管群，其布局可成為大家所熟悉的東西，如排列成喻意的一條河流，將通過物理的抽象電流模擬成為了大家熟悉的形象水流，成為第一視角。

二、又加上所測試的導體，電阻、絕緣體及所通過測試體均是這一條條河表示，因此可比性，直觀性強。

三、電流強，所亮的發光管為全部，頻率很快，而且產生循環，形象地表示電流如水流一樣流得十分流暢。電流中與小，所亮的發光管為部分，或最小數，而且頻率隨之變慢，或最慢，初學者理解易。

良導體對電的阻力很小，所以電流很大。

電阻值小的電阻，對電流存在阻力，即是電阻，但因仍能導電，所以亮的發光管數仍較多，頻率較快，但不能如導體一樣產生循環，形象地表示電流如水流一樣，雖能流，但不暢。

電阻阻值過大，導電率差，所亮的發光管很少，且亮的頻率很慢，也根本不可能循環。其形象地表示電流如水流一樣，電流在電阻上流動時，阻力很大，因此電流流動很困難而吃力。

絕緣體因完全不導電，所以發光管完全不亮，

測試良導體，電阻、絕緣體時，發光管所亮的色彩不一樣，每種色對應於一類物體，這種多色分別對應，既便於記憶理解。

有語音報導，因而宣染了氛圍。

隨著教材的普及與下放，初學者年齡小，因此本演示儀也注意到演示現象的趣味性，而上述特點，正是考慮到這一實際。

4、本儀可以讓學生了解一些簡單物理與化學現象，以激勵青少年的科學激情。

（1）、建立半導體的最基本概念。

將一個二極體的兩性按極性插入測試孔中，此時顯示上會出現良導體現象。如果反極性插入測試孔中，此時顯示上會出現絕緣體的不通電現象。

（2）、建立物體導電率與溫度有關的概念。

如用本儀所配的兩測試棒的一端分別插入本儀中，測試棒的另一端分別放在置水的容器中，調節測試棒的遠近，這時顯示級的發光管會完全不亮，這時加熱水，這時顯示級的發光管會發生變化，這說明溫度升高與降低，影響導電率。

（3）、了解電解液導電率的現象。

測試棒的處理如上、同這時在水裡加上鹽，這時該通道又會成為導通的顯示狀態，這說明導電體不光是固態的金屬類，而且存在於液體。

（4）、了解同樣的物體導電性能與環境有關。

如用鱷魚夾子夾住乾燥的木材的兩端，這時顯示級發光管亮得很少，甚至不亮，但將水灑在所測試的本材上，發光管所亮的數量會增加，這說明木材受潮後導電性能會增加。

5、性能好。因為一是各級與各單元之間匹配好，且線路精簡，同時設計有清零單元，保證了邏輯正確。二是比較放大級中各單元的閥值電壓採用串聯關係，因此閥值電壓差距十分明顯，成為閥值階梯。三是本儀中的比較放大級是本儀重要邏輯的第一級，而比較放大線路是電子線路重要的精典線路，可靠，靈敏度高。

6、本儀屬於最初級的普及型的演示儀。需求量大，而本儀易生產，調試簡單，成本低，便於普及。

附圖說明

圖1是一種運放控制的階梯式導電率教學演示器單元之間的相互關係圖。

圖中：1、測試棒的輸入；2、前置放大級；3、比較放大級；3.1、比較放大級中一單元；32、比較放大級中二單元；3.3、比較放大級中三單元；4、振蕩級；4.1、振蕩一單元；4.2、振蕩二單元；4.3、振蕩三單元；5、語音級；5.1、語音一單元；5.2、語音二單元、5.3、語音三單元；6、顯示推動級；6.1、顯示推動一單元；6.2、顯示推動二單元；B1、顯示推動二單元中第一計數器；B2、顯示推動二單元中第二計數器；6.3、顯示推動三單元； E1、顯示推動三單元中第一計數器；E2、顯示推動三單元中第二計數器；E3、顯示推動三單元中第三計數器；7、顯示級；7.0、第一顯示單元；7.1、第二顯示單元；7.2、第三顯示單元；8、清零級。

圖2是一種運放控制的階梯式導電率教學演示器前半部分的一種電子元件原理圖(該圖表示比較放大級有多個單元)。

圖中：101、對外插孔；2.01、靈敏可調電阻；2.02、靈敏限制電阻；2.03、前置放大管；2.04、測試電壓指示保護電阻；2.05、測試電壓指示發光管；3.101、比較放大級中一單元中的比較端上偏電阻一；3.102、同相端隔離二極體一；3.104、比較放大級下偏穩壓管一；3.105、前置隔離二極體一； 3.106、比較放大器一；3.201、比較放大級中二單元中的比較端上偏電阻二；3.202、同相端隔離二極體二；3.203下偏隔離二極體二；3.204、比較放大級下偏穩壓管二；3.205、前置隔離二極體二；3.206、比較放大器二；3.207、互鎖二極體2；3.301、比較放大級中三單元中的比較端上偏電阻三；3.302、同相端隔離二極體三；3.303下偏隔離二極體三；3.304、比較放大級下偏穩壓管三；3.305、前置隔離二極體三；3.306、比較放大級中三單元中的運放集成三；3.307、互鎖二極體3--1；3.3071、互鎖二極體3--2；4.11、交連二極體一；4.12、振蕩一單元中振蕩電容一；4.13、振蕩一單元中振蕩電阻一；4.15、振蕩一單元中運放集成一；4.16、振蕩一單元同相端上偏端電阻一；4.17、振蕩一單元同相端下偏電阻一；4.151、振蕩一單元的輸出；4.21、交連二極體二；4.22、振蕩二單元中振蕩電容二；4.23、振蕩二單元中振蕩電阻二；4.25、振蕩二單元中運放集成二；4.26、振蕩二單元同相端上偏電阻二；4.27、振蕩二單元同相端下偏電阻二；4.251、振蕩二單元的輸出；4.31、交連二極體三；4.32、振蕩三單元元中振蕩電容三；4.33、振蕩三單元中振蕩電阻三；4.35、振蕩三單元中運放集成三；4.36、振蕩三單元同相端上偏電阻三；4.37、振蕩三單元同相下偏端電阻三；4.351、振蕩三單元的輸出；5.1、語音級中語音一單元；5.2、語音級中語音二單元；5.3、語音級中語音三單元；6.1、顯示推動一單元；6.2、顯示推動二單元；6.3、顯示推動三單元；7、顯示單元；8.21、與前置放大級集電極輸出的連接點。

圖3是一種運放控制的階梯式導電率教學演示器顯示推動極中三單元與顯示級的發光管的連線原理示意圖。

圖中： 4.151、振蕩一單元輸出；A、顯示推動一單元中計數器；a1、顯示推動一單元中計數器第一位輸出端所連的或門二極體；a9、顯示推動一單元中計數器第九位輸出所連的或門二極體；a11、顯示推動一單元中計數器清零端所連接的對地電阻；a12、顯示推動一單元中計數器的振蕩輸入端；4.251、振蕩二單元輸出；B1、顯示推動二單元中第一計數器；B2、顯示推動二單元中第二計數器；b1.1、顯示推動二單元中第一計數器第一位輸出所連的或門二極體；b1.9、顯示推動二單元中第一計數器第九位輸出所連的或門二極體；b10、顯示推動二單元中第一計數器最後一位輸出端；b2.11、顯示推動二單元中第二計數器第一位輸出端所連接的或門二極體；b2.91、顯示推動二單元中第二塊計數器位第九位輸出端所連的或門二極體；b21、顯示推動二單元中第一塊計數器振蕩輸入端；b22、顯示推動二單元中第二塊計數器振蕩輸入端；b31；顯示推動二單元中第一計數器清零端所連接的對地電阻；b32；顯示推動二單元中第二計數器清零端所連接的對地電阻；4.351、振蕩三單元輸出；E1、顯示推動三單元中第一計數器；E2、顯示推動三單元中第二計數器；E3、顯示推動三單元中第三計數器；e1.11、顯示推動第三單元中第一計數器第一位輸出端所連的第一隻或門二極體；e1.12、顯示推動第三單元中第一計數器第一位輸出所連的第二隻或門二極體；e1.91、顯示推動第三單元中第一計數器第九位輸出所連的第一隻或門二極體；e1.92、顯示推動第三單元中第一計數器第九位輸出所連的第二隻或門二極體；e10、顯示推動第三單元中第一塊數器最後一位輸出； e2.11、顯示推動第三單元中第二計數器第一位輸出所連的或門二極體；e2.91、顯示推動第三單元中第二塊計數器第九位輸出所連的或門二極體；e2.10、顯示推動第三單元中第二計數器的最後一位輸出端；e21、顯示推動第三單元中第二計數器的振蕩輸入端；e31、顯示推動第三單元中第三計數器振蕩輸入端；e34、顯示推動三單元中第一塊計數器清零端所連接的對地電阻；e34.2、清零隔離二極體一；e35、顯示推動三單元中第二塊計數器清零端所連接的對地電阻；e35.2、清零隔離二極體二；e38、顯示推動三單元中第三塊計數器清零端所連接的對地電阻；e38.2、清零隔離二極體三；7.01、第一顯示單元中第一個雙陽極共陰發光管；7.011、第一顯示單元中第一個雙陽極共陰發光管的共陰電阻；7.09、第一顯示單元中第九個雙陽極共陰發光管；7.091、第一顯示單元中第九個雙陽極共陰發光管的共陰電阻；7.11、第二顯示單元中第一個雙陽極共陰發光管；7.111、第二顯示單元中第一個雙陽極共陰發光管的共陰電阻；7.19、第二顯示單元中第九個雙陽極共陰發光管；7.191、第二顯示單元中第九個雙陽極共陰發光管的共陰電阻；7.20、第三顯示單元中第一個雙陽極共陰發光管；7.201、第三顯示單元中第一個雙陽極共陰發光管的共陰電阻；7.28、第三顯示單元中第九個雙陽極共陰發光管；7.281、第三顯示單元中第九個雙陽極共陰發光管的共陰電阻；8.1、電源；8.21、與前置放大級集電極輸出的連接點；8.3、清零微分電容；8.4、清零微分電阻；8.5、清零交連電阻；8.6、清零N管；8.7、清零P管；8.71、清零或門二極體一；8.72、清零或門二極體二；8.73、清零或門二極體三；8.74、清零或門二極體四；8.75、清零或門二極體五；8.76、清零或門二極體六。

具體實施方式

圖1、2、3共同描述了具體實施的一種方式。

一、選元件：按圖選定有源件，比較放級及振蕩級各單元集成電路選用運算集成324，顯示推動級第一與第二單元集成電路選用二進位計數器4060，第三單元集成電路選用十進位計數器4017，三極體選PNP管8550，前置放大級中的靈敏可調電阻及振蕩級中的振蕩電阻選用可調電阻，振蕩電容選漏電小的種類。其它穩壓管、二極體與阻容件無特殊要求，語音級中的語音片事先錄好內容發音內容，如與第三單元配對的的語音片應事先錄製出是良導體的聲音，或是第一種音樂。如與第二單元配對的的語音片應事先錄製出是導體的聲音，或是第二種音樂。如與第一單元配對的的語音片應事先錄製出是導電率很差的物體，或是第三種音樂。

二、按圖2與圖3所示焊接。

三、調試。

1、檢查與調試前置放大級。

先確定一隻演示電阻，電阻的阻值根據設計要而定。將假測試體連接在測試孔兩端。用電壓表檢測前置放大管的集電極與地線間的電壓。

通電檢查，將2.01、靈敏度可調電阻的阻值，從最小值調到最大值，此時前置放大管的集電極有最大輸出與最小輸出，其最大值超過比較放大級第三單元的觸發閥值，最小值小於或等於第一單元的觸發閥值。同時靈敏度可調電阻的阻值在一定區間時，測試電壓指示發光管亮；在一定區間時，，測試電壓指示發光管亮熄。

2、調試前置級與比較放大級之配合。

先焊接一個假測試體，該測試體由一個固定電阻與可調電阻串聯而成。兩電阻的串聯阻值根據最有代表的阻值而定。將假測試體連接在測試孔兩端。同時將靈敏度可調電阻調到適中的位置，用電壓表檢測前置放大管的集電極與地線間的電壓。

A、通電檢查，將假負載的阻值調到最大值，此時比較放大級只有第一單元輸出端有高位輸出。如果無輸出，應減少比較放大級下偏穩壓管一；（圖2中3.104）之值。

B、通電檢查，將假負載的阻值調到中值，此時比較放大級只有第二單元輸出端有高位輸出。如果無輸出，應減少比較放大級下偏穩壓管二（圖2中3.204）穩壓值。如果第一單元與第二單元同時有高位輸出，則是比較放大級中互鎖二極體2（圖2中3.207），或極性焊反或脫焊。

C、通電檢查，將假負載的阻值調到最小值，此時比較放大級只有第三單元輸出端有高位輸出。如果無輸出，應減少比較放大級下偏穩壓管三的穩壓值。（圖2中3.304）。

如果第一單元有高位輸出，則是比較放大級中互鎖二極體3--1，（圖2中3.307）未連上，或極性焊反。如果第二單元有高位輸出，則是比較放大級中互鎖二極體3--2，（圖2中3.3071）未連上，或極性焊反。

3、調試振蕩級中各單元的振蕩頻率。

A、調試振蕩級中第一單元的頻率，調整振蕩電阻一的阻值（圖2中4.13）將頻率調到設計值。

B、調試振蕩級中第二單元的頻率，調整振蕩電阻二的阻值（圖2中4.23）將頻率調到設計值，此振蕩應大大快於第一單元。

C、調試振蕩級中第三單元的頻率，調整振蕩電阻三的阻值（圖2中4.33）將頻率調到設計值，此振蕩應大大快於第二單元。

4、檢查顯示推動級與顯示級。

在安裝顯示級的所有發光管時，將所有發光管排成一條直線。

A、將假測試體的值調到比較放大器第一單元的觸發閥值，此時顯示級中的發光管只亮其中的一部分，即是推動顯示第一單元計數器所有輸出端所連的或門二極體所對應的所有發光管，而且亮的規律是應為依次而亮，否則是該單元的計數器輸出與顯示級的發光管未連接上或連錯。

同時所亮的發光管為第一種顏色，否則是對雙陽極共陰發光管的陽極焊錯。

B、將假測試體的值調到比較放大器第二單元的觸發閥值，此時顯示級中的發光管除了第一單元所有的發光管應亮以外，還應增加一部分新的發光管，即是推動顯示第二單元計數器所有輸出端所連的或門二極體所對應的所有發光管，而且亮的規律是應為依次而亮，否則是顯示級中第二單元的的計數器各輸出端與所對應的發光管未連接上或連錯。

同時所亮的發光管為第二種顏色，否則是對雙陽極共陰發光管的陽極焊錯。

C、將假測試體的值調到比較放大器第三單元的觸發閥值，此時顯示級中的所有發光管均應依次而亮，且全部發光管應均亮一次。否則是顯示級中第三單元的的計數器各輸出端與發光管未連接上或錯焊。

同時所亮的發光管為第三種顏色，否則是與輸出端所連的或門二極體連錯

同時所有發光管的亮產生循環，如果不循環則是第三單元中最後一塊計數器最後一位輸出端與所有計數器的清零端未連接好。

5、檢語音級的情況。

A、將假測試體的值調到比較放大器第一單元的觸發閥值，此時語音一單元應發出與之相配的語音，不能紊亂。

B、將假測試體的值調到比較放大器第二單元的觸發閥值，此時語音一單元應發出與之相配的語音，不能紊亂。

C、將假測試體的值調到比較放大器第三單元的觸發閥值，此時語音一單元應發出與之相配的語音，不能紊亂。

6、檢查與調試清零單元。

用示波器檢查，用示波器熱端連接測試點，冷端接地。

A、用波器熱端連接清零P管（圖3中8.7）集電極，當每次測試孔連有測試體時，.清零P管集電極有瞬態高位輸出，由於該級線路放大倍數高，應不產生故障，否則是連線錯誤。

B、用波器熱端連接各單元計數器清零端，當每次測試孔連有測試體時，各單元計數器清零端有瞬態高位，同時顯示級的發光管亮的邏輯順序不亂。否則是與清零端所連的清零或門二極體極性焊反或脫焊。