便攜式數字電路實驗板的設計

余娟

【摘 要】數字電路實驗設備是學習數字電子技術的必要實驗裝置。針對傳統實驗箱體積大、重量重、攜帶不方便等缺點，設計了一種便捷的數字電路實驗板：采用USB電源供電；能提供數字電路實驗需要的高電平、低電平或矩形波信號；能簡單、準確區分邏輯電平的各種狀態；能進行數碼管的相關實驗；能直觀顯示BCD碼對應的十進制數碼；能搭建各種實驗電路。本實驗電路板具有便捷、準確、實驗功能豐富等特點。

【關鍵詞】數字電子技術；數字電路實驗板；便捷；邏輯電平顯示電路；USB供電

數字電子技術是高等理工科院校電類專業的一門重要專業基礎課，而數字電路實驗設備是學習數字電子技術的必要實驗裝置。傳統的數字電路實驗設備常常做成實驗箱的形式，需要220V交流電源供電，不能隨時隨地開展實驗，并且體積和重量都較大，攜帶很不方便。

本文設計一種便捷的數字電路實驗板，由電源電路、邏輯電平發生電路、邏輯電平顯示電路、脈沖發生電路、數碼管實驗電路、BCD碼顯示電路和電路搭建模塊等七大部分組成。電路板可提供+5V直流電源，產生數字電路實驗需要的高電平、低電平或矩形波信號，簡單、準確地區分低電平、高電平、高阻（含懸空）或脈沖信號這四種邏輯電平狀態，并能進行數碼管實驗，顯示BCD碼對應的十進制數碼，搭建各種實驗電路等，從而實現功能靈活的、可開展多種實驗、便捷的數字電路實驗設備。

1 電源電路

電源電路為數字電路實驗板上的其它電路提供+5V直流電源。采用通用串行總線USB母座接口可直接從電腦、電源適配器或充電寶獲得+5V直流電源，從而實現隨時隨地開展數字電路實驗，體現實驗電路板的可便攜性。USB母座接口的Vcc端和GND端分別連接多針排母，以同時輸出多路+5V電源。

2 邏輯電平發生電路

邏輯電平發生電路可以產生高或低電平信號。采用3腳2檔撥動開關，其上端接+5V電源端，下端接地，中間為信號輸出端。當開關撥到上端時，輸出高電平（+5V）信號；當開關撥到下端時，輸出低電平（0V）信號。若采用多個撥動開關將其上、下端并聯，則可輸出多路電平信號。

3 邏輯電平顯示電路

數字信號常見的邏輯電平狀態有四種：低電平、高電平、高阻（含懸空）、脈沖信號，邏輯電平顯示電路可以簡單、準確地區分邏輯電平的各種狀態，電路原理如圖1所示。

閾值電壓由電阻R1與電位器RV1串聯分壓決定，調節電位器的阻值可以改變比較器的閾值電壓。當測試信號電位低于閾值電壓（即為低電平）時，比較器U1輸出高電平，發光二極管 LED1-GREEN點亮；而比較器U2輸出低電平，因此與門U3輸出低電平，發光二極管LED1-RED不亮。

圖1 邏輯電平顯示電路原理圖

當測試信號電位高于閾值電壓（即為高電平）時，比較器U1輸出低電平，LED1-GREEN不亮，而比較器U2輸出高電平。同時，由于測試信號為高電平（常接近電源電壓），經過兩只二極管降壓（1.4V）后的電平仍然為高，因此與門U3輸出高電平， LED1-RED點亮。

當測試信號為脈沖信號（即高、低電平交替）時，以上兩種狀態交替變換。

當測試信號為高阻狀態（含懸空）時，測試信號端電位由電阻R2、二極管D1、二極管D2、電阻R3串聯支路分壓決定。以電源電壓Vcc為5V、設定比較器閾值電壓為2.3V為例，測試信號端的電位為：

U測試端=（5-1.4）*4.7k/（10k+4.7k）+1.4≈2.6V 【式1】

由于閾值電壓低于測試端電位，因此比較器U1輸出低電平， LED1-GREEN不亮，而比較器U2輸出高電平，即與門U3的1腳輸入高電平。同時，與門U3的2腳輸入端電位為：

U測試端=（5-1.4）*4.7k/（10k+4.7k）≈1.2V【式2】

此邏輯狀態區分電路中與門U3可以使用型號為C4081的邏輯器件，1.2V被其視為低電平輸入，因此與門U3輸出低電平，LED1-RED不亮。

4 脈沖發生電路

脈沖發生電路用于產生1Hz或10Hz矩形波信號。采用555構成的多諧振蕩器，能輸出頻率為1Hz和10Hz的矩形波信號。撥動開關K2，可以選擇輸出信號頻率為1Hz還是10Hz。

5 數碼管實驗電路

數碼管實驗電路可以用來進行數碼管的相關實驗，例如測試共陰極數碼管或共陽極數碼管的邏輯功能等，電路原理如圖2所示。操作撥動開關K3，可以選擇測試器件為共陰極數碼管還是共陽極數碼管。

圖2 數碼管實驗電路原理圖

6 電路搭建模塊

電路搭建模塊由多塊面包板拼接而成，面包板的數量可由用戶根據實驗需求確定。可根據實驗內容在面包板上插放各種電子元器件，如數字邏輯器件、電阻器和電容器等常用電子元器件，也可根據實驗需要搭建電路，從而免去元器件的焊接工作，而且元器件可以重復使用，實現實驗種類的多樣性。

本文設計的數字電路實驗板具有便捷、實驗種類豐富、實驗結果準確的特點，可用于學生在課堂上根據學習進度隨時開展實驗，或用于學生課后自由動手實踐，也可應用在課程設計或畢業設計等課程學習中。本實驗電路板已經應用在我校2014屆和2015屆應用電子技術專業學生數電課程學習中，教學效果好，得到了學生的認可。

【參考文獻】

[1]林珊，金福江.數字電路綜合實驗設計與研究[J].高等理科教育，2002（6）.

[2]謝永超.數字電子電路分析與應用[M].人民郵電出版社，2015.endprint