數字電路開發板

彭佩烘

研究背景

“數字電路”是中職學校電工、電子、機電、信息、通信等專業的一門非常重要的專業課。在實際教學中，多數中職學校的教師們往往只是在黑板上進行電路分析和邏輯分析，實際效果非常抽象，學生難于理解和掌握有關知識點。目前，針對這門課程所用到的實驗、實訓設備，要么是實驗箱，要么是實訓桌。這些設備存在成本較高（數千元甚至上萬元）、操作不夠靈活等問題，一般條件不夠好的學校都沒有能力配備使用。在使用這些設備的學校中也普遍存在損壞嚴重、使用率不高等現象。更主要的是，這種實驗箱、實訓桌開發創新的功能不夠強，基本上只能按部就班進行操作，對學生的創新思維培養極為不利，而且對學生的專業能力和動手能力培養的效果也不是很好，更談不上讓學生進行數字電路的開發。為解決這些問題，我經過不斷查找資料，不斷與學校老師、企業技術人員探討，不斷改進，最終設計出這種數字電路開發板。

開發板結構及工作原理實現過程

總體結構

完成后的開發板如圖1所示。此開發板采用層疊結構，整個開發板分為主板和擴展板（可多塊），擴展板可用4個螺絲固定在主板的上方。開發板的主板上設置了穩壓電源、可調電源、信號發生、觸發脈沖、BCD譯碼、數碼顯示、二極管顯示、按鍵、開關等電路，擴展板上設置了眾多的電子元件擴展接線柱或集成電路測試座。各電子元件的連接是通過固定在開發板上的銅雞眼進行插按的，具有結實耐用、直觀明了的特點。圖1顯示的是開發板上安裝了1塊NE555和1塊CD4017集成電路以及幾個阻容元件，安裝了1個十進制閃爍電路。圖1中，1塊擴展板已經裝在主板上，主板和擴展板也能分開放置。擴展板還可以進行多層構建。

電源電路

穩壓電源、可調電源電路如圖2所示。

三極管V101、V102、可控硅T、紅色發光二極管LEDl以及電阻R101、R102、R103、R104、R105、R106、電容C103等組成過載保護、過載指示電路。三極管V101、V102組成復合三極管。平時可控硅T截止，復合三極管通過R101、R102得到電流而工作。當流過負載的電流達到300mA以上時，R105上的壓降達到0.7V左右，導致可控硅T被觸發導通，對應復合三極管截止，切斷電源輸出，同時紅色LEDl發光指示。此時，只有先切斷開關S101，對負載進行檢查后，再閉合S101才能使電源恢復輸出。電路中，三端穩壓器7805內部具有過流保護、熱保護和調整管安全工作區保護功能，由于保護措施完善，所以即便使用過程中發生輸出端瞬時對地短路，也不會燒毀。二極管D101可確保外按的直流電源只能是上正下負。二極管D102可防止三端穩壓器的輸出端電壓比輸入端電壓高。經過多次用導線對5V電源進行短路測試，過載保護電路每次均能可靠工作，確保5V電源安然無恙。通過調節RW101電位器的阻值，可改變0～5V的輸出電壓。

信號發生電路

用1塊NE555時基集成電路和1塊CD4069六反相器中的2個反相器，以及電位器、電阻電容等元件，組成脈沖信號發生電路。改變電位器阻值，可改變脈沖信號的頻率。由于此脈沖信號是加給數字集成電路作為控制信號的，所需的負載電流很小，因此在脈沖信號輸出端處設置了限流電阻，可有效防止學生因按線錯誤而導致開發板的損壞。

觸發脈沖電路

用1塊NE555時基集成電路和上文所述CD4069六反相器中的另外3個反相器，以及常開按鈕、電阻電容等元件，組成觸發脈沖發生電路。每按一次按鈕，就可同時輸出1個正脈沖、1個負脈沖。由于此脈沖信號是加給數字集成電路作為控制信號的，所需的負載電流很小，因此在脈沖信號輸出端處按照與信號發生電路的相同處理方法，也設置了限流電阻，可有效防止學生因接線錯誤而導致開發板的損壞。

BCD譯碼與數碼顯示電路

BCD譯碼與數碼顯示電路如圖3所示。

CD4511是1塊用于驅動共陰極LED數碼管顯示器的BCD碼7段譯碼器，具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、7段譯碼及驅動功能。它能提供較大的拉入電流，可直接驅動LED顯示器。開發板上設置了2組BCD譯碼、數碼顯示電路。每組電路都設計了4個BCD碼輸入插口及7個擴展輸出插口。在輸入插口和擴展輸出插口處也都設置了限流電阻R401—404和R405R411，可有效防止學生因接線錯誤而導致開發板的損壞。

二極管顯示、按鍵與開關電路

LEDI—EDl0發光二極管可作為數字集成電路輸出高電平時的顯示，LEDlI—ED20發光二極管可作為數字集成電路輸出低電平時的顯示。每個發光二極管電路中都串按有1個1的限流電阻，因此，無論學生如何錯誤接線也不會導致開發板的損壞。

按鍵電路中按鍵未按下時，輸出為高電平；按鍵按下后，輸出為低電平。按鍵與開關電路中同樣設置有保護用限流電阻。

使用

使用時，不用其他任何電子元件，僅僅利用主板就可以進行有關555振蕩、555觸發延時、BCD譯碼、數碼顯示等電路的探究。

利用主板，外加相應的集成電路，可以進行有關數字集成電路以及555時基電路的實驗驗證、電路探究。

如果再利用擴展板，外加相應的電阻電容、晶體管以及集成電路等電子器件，就可以有效、方便地進行眾多有關數字電路方面的電路設計、開發創新，有效實現行動導向教學、項目教學等。

例如可利用此開發板進行各種邏輯門電路包括與門、或門、與非門、或非門等的設計與創新開發，各種組合邏輯電路包括編碼器、譯碼器、數碼顯示器、譯碼驅動器、數據選擇器和數據分配器等的設計與創新開發，各種集成觸發器包括基本RS觸發器、同步觸發器、邊沿觸發器等的設計與創新開發，各種時序邏輯電路包括寄存器、計數器的設計與創新開發，脈沖波形的產生、整形及其應用設計與創新開發，555時基電路及其應用設計與創新開發，等等。

項目特點及創新性

此開發板不僅能有效地進行數字電路的實驗驗證，更重要的是能有效地進行數字電路的創新開發。與傳統的實驗箱、實訓桌平面化、符號化的形式不同，這種開發板是開放的，元器件以及它們的連接全部展現在學生眼前。這種開發板可用于常見的各種數字集成電路的教學實驗和創新開發，輸入/輸出信號都能用發光二極管指示或數碼管顯示，具有功能較全、構造簡單、價格低廉、體積小巧、不易損壞、開放直觀、創新性強、易于推廣等特點。教學中使用這種開發板，能真正實現理論與實踐相結合，非常適合行動導向教學法、項目教學法和系統分析法的開展，對學生行動能力開發、關鍵能力培養非常有效，可以大大提高學生的實踐能力、操作能力、創新能力和解決實際問題的能力。此開發板的優點和創新性體現在如下幾個方面：

功能較全。幾乎所有中職數字電路課程教學中講到的電路都能進行實驗、驗證。

構造簡單。只要具備當前一般中職學生的基礎，都能很快熟練操作使用，順利進行創新開發。

價格低廉。每套成本不到100元，一般的中職學校都能實現人手一套，確保行動導向教學法、項目教學法的順利開展。

體積小巧。采用層疊結構，可以在較小的面積內進行更多的電路連接、電路設計。

不易損壞。多重的短路保護、限流保護，一改傳統實訓桌、實驗箱的嬌氣，能有效防止開發板因線路按錯而造成損壞。

開放直觀。開發板上各部分的電路組成直觀明了，而不必像傳統實訓桌、實驗箱那樣“暗箱操作”。

此開發板經過1年多在多個中職學校使用，感覺效果很好。對學生學習興趣的培養、行動能力的開發，以及對實踐能力、操作能力和創新能力的提高都非常有效。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果物理教學類一等獎。

該項目的主要內容是有機地集成了數字電路的相關教學演示內容。該項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。