一種自主研發數電實驗板在數字電路實驗中的應用

鐘偉雄

摘要：本文結合10年的數字電路實驗教學與探索的經驗，自主研發一種適合獨立學院數字電路實驗教學使用的數字電路實驗板。實驗板由邏輯電平信號源產生模塊、脈沖信號產生模塊、交直流電源轉換模塊、LED電平顯示模塊、單位數碼管譯碼顯示模塊、面包板實驗區以及各接線端子模塊等構成。

關鍵詞：數字電路；自主研發；模塊

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0029-03

當前科技飛速發展，基于數字技術的計算機、通信和自動化控制領域成果累累。這一切的發展都依賴于當前的數字技術的高速發展。而數字技術發展的基礎——數字電路以及集成電路在這當中扮演著非常重要的角色。做為數字技術的基礎，數字電路一直是高等學校理工科一門極其重要的基礎應用課程。而數字電路實驗使得學習該課程的學生實現將枯燥的課堂理論知識遷移到實際應用上來，鍛煉學生的數字邏輯思維能力和運用數字集成芯片及其外圍電路解決實際問題的動手能力。以此提高學生硬件電路基礎和綜合電路應用能力。結合本學院學生的特點以及筆者10年的實驗教學經驗，自主研發一套數字電路實驗板子。經過三年的實驗教學實踐檢驗，符合我院數字電路實驗教學的實際。

1 自主研發數字電路實驗板的總體設計和硬件組成

本實驗板由開關邏輯電平信號源產生模塊、脈沖信號產生模塊、交直流電源轉換模塊、LED電平顯示模塊、單位數碼管譯碼顯示模塊、面包板實驗區以及各接線端子模塊等構成[1]。如圖1所示，數字電路實驗板的整板電源來至于交直流電源轉換模塊，該模塊負責將外來的交流電轉換成實驗板各個模塊區域所需的+5V電源并將電源輸送到各個模塊區域。邏輯電平信號源產生模塊產生實驗用的邏輯高電平和邏輯低電平信號，供各個實驗集成電路作為邏輯電平接入使用。脈沖信號產生模塊可以輸出觸發器和帶邏輯記憶電路實驗用的脈沖信號。LED電平顯示模塊用來觀察實驗電路實現效果，用LED燈亮代表輸出高電平，LED燈滅代表低電平。單位數碼管譯碼顯示模塊可以將輸入的四位二進制數據轉換成1位的十進制并顯示。面包板區域可以根據實驗需要任意插入各種型號的集成電路芯片并由電路板連接線接到實驗板的各個模塊。

2 數字電路實驗板的硬件電路設計

為了更好的說明實驗板的具體設計過程，筆者將對硬件各個部分進行分模塊設計分析[2-5]。

2.1 邏輯電平信號源產生模塊電路設計

如圖2所示，本實驗板邏輯電平信號源產生模塊部分一共設計10個圖中所示開關信號源模塊。利用撥動開關改變NPN型三極管的工作狀態，讓三極管工作在飽和區和截止區分別在SQ1引腳輸出低電平和高電平并可以使用狀態顯示燈DQ1表示電平的輸出狀態。

2.2 脈沖信號產生模塊電路設計

脈沖信號產生模塊電路如圖3所示，該圖包括非自鎖上拉電路，74HC00與非門電路和三極管信號檢測輸出電路組成。將非自鎖開關KEY的4，5腳接到74HC00的1，5腳，將三極管的輸入引腳和發射極旁路引腳接到74HC00的2，3腳并將2和6短接。如圖，當非自鎖按鈕被按下的時候，給與非門芯片一個觸發輸出的高低電平轉換，由于電容的延時作用，產生的電平轉換并未立即跳變，而是以脈沖的形式輸出。

2.3 交直流電源轉換模塊電路設計

實驗板所需要的電源是+5V，如圖4所示，交流電源通過撥動開關介入進來以后，經過前期整流（該部分整合到變壓器里，未在本電路圖中體現）、濾波、穩壓以后輸出+5V電壓。網絡標識號為VCC1。

2.4 LED電平顯示模塊電路設計

采用三極管擴流和集電極電流放大回路，如圖5所示，實驗板上設計了10組圖中電路。以DL1到DL10等10個接入引腳連接到面包板的電路輸出引腳。當三極管接收到高電平信號時，三極管導通，驅動發光二極管工作，狀態顯示為高電平，反之發光二極管不工作，狀態顯示為低電平。

2.5 單位數碼管譯碼顯示模塊電路設計

本實驗板采用74LS48芯片這種常用的七段數碼管譯碼器驅動器，將由實驗面包板區送來的4位二進制數據進行譯碼轉換成十進制的數據并經共陰極數碼管顯示數字。如圖6所示，接口JSHU1作為4位二進制數據的引入端，接到74LS48的7，1，2，6腳，數碼管的13，12，11，10，9，15，14分別接到數碼管的A到G引腳。模塊的工作電壓為+5V。本實驗板設計了4組單位數碼管譯碼電路模塊，以滿足學生實驗的需求。

3 實驗板PCB輸出以及成品

實驗板的最終形態PCB如圖7所示，結合實驗板布局和學生實驗操作習慣，對各個模塊區域進行功能分配。

該實驗板實際成品如圖8所示，中間部分為面包板區域，學生可以根據實驗的要求在面包板上插上各個實驗所需的TTL集成電路芯片并用電路板連接線將芯片和板上的各個模塊電路連接起來組合成實驗的電路形態。由于實驗電路連接讓學生自己根據電路完成，這個過程中就給了學生自主思考以及識別電路和芯片引腳的機會，讓學生在做實驗過程中能夠融會貫通在理論課上學到的各部分知識。

4 結語

該數字電路實驗板于2014年暑假研發成功。2014年下半年請信息技術系任課教師和部分學生做電路使用測試后全面進入數字電路實驗課程教學使用。截止到2016年12月份，已滿足2013級電子信息工程、2013級通信工程、2013級物聯網工程、2014級電子信息工程、2014級通信工程、2014級物聯網工程、2015級電子信息工程、2015級通信工程、2015級物聯網工程等9個不同年級專業約900多名學生7200人學時左右的數字電路實驗課程需求。大部分實驗板在實驗過程中運行正常，未發現大量故障，小故障維護很及時，大大提高實驗效率和穩定性。

以一個學期為分析單位，分析每個實驗課上課周期，實驗板的使用情況。我們以一組學生在一個實驗板上完成一個實驗為基準次數，一個實驗室一共投入一次實驗課程實驗使用的實驗板為20個，一個學期一共有8個實驗課程安排，每個實驗課程安排6個班，以此計算一個學期的故障率計算公式為：故障次數/（實驗課程數*實驗班數*實驗板數）。因此按照該公式計算，其分母為6*8*20=960。對實驗板實驗以來的故障次數統計后列出數據，如表1所示。

對上表進行數據分析，做出分析圖表如圖9所示。

從圖9可以看出，該實驗板經歷多個學期使用以來，板子的完好程度保持很好，每個學期的故障排除率均達到100%。單個學期學生實驗過程出現的故障次數也較為穩定，沒有出現太大的偏差。因此，對于福建師范大學協和學院這樣一個成長型的獨立學院的學生來說，該數字電路實驗板是可以滿足學院該課程的實驗教學需求的。

參考文獻

[1]郭曉玲，明平軍.淺析數字電路實驗的設計[J].數字技術與應用，2011，（6）：182-183.

[2]王爾申，龐濤，李鵬，鄭丹.Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗技術與管理，2013，（3）：78-81.

[3]薛小鈴，劉志群.單片機接口模塊應用與開發詳例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4]郭天祥.單片機C語言教程[M].電子工業出版社，2009.

[5]周圍，韓建，于波.基于Multisim和Authorware的數字電路仿真實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，2015，（4）：119-122.endprint