多功能數字電路實驗儀的設計與實現分析

清遠職業技術學院 楊 紅 李生明

0 引言

眾所周知，隨著我國社會市場主義經濟的高速發展，我國的教學事業得到質的飛躍，逐漸完成了由量變到質變的轉化，在這樣的社會背景下，各學院教學取得一定成效。然而“金無足赤人無完人”，部分院校在進行數字電子技術課程實驗與實訓教學的過程中，由于實驗儀的局限而導致教學效率停滯不前、教學質量不如人意，學生的實踐能力得不到有效提高。鑒于此，本文就以“多功能數字電路實驗儀的設計與實現”為主題進行探析，并在此基礎上提出一些建設性意見，為設計出一款符合數字電子技術課程實驗與實訓教學需求的實驗儀貢獻微薄之力。

1 多功能數字電路實驗儀的電路構成

現階段，隨著時間的不斷推移，多媒體信息技術以迅雷不及掩耳之勢迅猛發展，傳統的數字電路實驗儀已經不能夠滿足教師教學需求以及學生學習需求。鑒于此，為了保障多功能數字電路實驗儀能夠適用于數字電子技術課程實驗與實訓教學，設計者必須保障實驗儀的電路具有以下資源：10進制數碼顯示電路、連續脈沖發生電路、2進制開關輸入電路/數碼顯示電路、LED電平顯示電路、單拍脈沖發生電路、以及實驗電路布線趨于等等，設計者還應該將其進行科學合理地分布，將這些資源巧妙地劃分到多功能數字電路實驗儀的各個區域，保障這些資源能夠將其自身價值充分發揮[1]。

2 多功能數字電路實驗儀的結構框圖

筆者結合自身多年的工作經驗以及查詢的相關資料，將各類資源進行巧妙地分布，設計的多功能數字電路實驗儀的結構框圖如圖1所示：

圖1 多功能數字電路實驗儀結構框圖示意圖

3 多功能數字電路實驗儀的實驗項目

設計出的多功能數字電路實驗儀能夠支持一些實驗項目，主要劃分為以下兩個部分：其一，比較基礎的實驗部分。顯而易見，這一部分主要包含的都是比較基礎的內容，比如一些簡單的儀器使用、如何應用計數器、譯碼器、觸發器、加法器、編碼器、555定時器、以及數值比較器等基礎內容[2]；

其二，根據實際教學情況來進行選擇的實驗部分。這一部分的內容則是當學生掌握基礎內容之后進行適當升華，以此來拓展學生的思維以及提高學生的動手實踐能力，主要包含以下內容：測試Transister Transister Logic不同系列的芯片參數及其性能、測試門電路的驅動能力、如何應用時序電路、觸發器、單穩態觸發器、寄存器、以及MSI加法器等、進行邏輯筆的實驗并在此基礎上進行詳細分析。[3]

4 多功能數字電路實驗儀的設計原理

正所謂“沒有規矩不能成方圓”，對于多功能數字電路實驗儀的設計而言也是同樣的道理，在實際設計之前，應該滿足相應的原理，進而才能夠展開設計工作。此次設計遵循的一些基本原理主要有以下幾個方面：

其一，關于單拍脈沖發生電路的內容。一般情況下，在進行時序電路等數字電路實驗的過程中，單拍脈沖信號必不可少、至關重要。并且“世界上沒有兩片相同的樹葉”，不相同的觸發器在操作的時候，其觸發方式也大相徑庭，觸發器的觸發方式豐富多彩、各種各樣，主要劃分為上沿觸發以及下沿出發兩大類。鑒于此，設計者在設計單拍脈沖發生電路的時候，應該保障提供的單拍脈沖信號是正負兩個周期相同的。

其二，關于連續脈沖發生電路的內容。在設計此部分電路的時候，需要進行全方位、多角度地考慮，提供幾種頻率不相同的連續脈沖信號，此多功能數字電路實驗儀一共設計了四種，這樣做的主要目的是為了保障教師與學生在實驗的過程中能夠結合實際情況來進行科學、合理地選擇，進而再借助導線來將其引入輸入端。[4]

其三，關于2進制開關輸入電路的內容。此部分電路的構成部分是二十四個撥動開關，這二十四個撥動開關具有共同點，它們均帶有2進制的特性，并且每一個開關都有其相對應的輸出插孔，輸出插孔存在的主要目的是為了讓其與輸入信號順利連接。一般情況下，假若撥動開關的方向為上時，則是表明其向實驗電路輸入“1”信號，假若撥動開關的方向為下時，則是表明其向實驗電路輸入“0”信號。假若我們想要更加直觀、清晰地觀察撥動開關的實際情況，那么設計者就需要在設計2進制開關輸入電路的過程中添加“發光二極管”。假若發光二極管沒有亮，則說明開關沒有輸入高電平，假若發光二極管亮，則說明開關輸入高電平。這里需要注意的是，在實際試驗的時候，不需要將二十四個撥動開關都進行應用，應該結合實驗實際情況來科學、合理地選用其中某個或某幾個開關。

其四，關于實驗電路布線區域的內容。眾所周知，實驗電路布線區域在整個實驗中具有至關重要的作用，在實際實驗過程中，進行實驗的人應該結合實驗情況來選擇芯片，將其放置到此區域。實驗內容不相同，那么實驗過程中使用的芯片也不相同，實驗員則需要結合實驗內容來分配電路組件以及集成電路組件。鑒于此，為了保障設計的多功能數字電路實驗儀能夠滿足教師與學生的實驗需求，在設計的過程中，放置了一塊實驗面包板，幫助實驗員分配集成電路組件，提高實驗質量以及實驗效率。

其五，關于LED電平顯示電路的內容。之所以設置LED電平顯示電路，是為了掌握實驗電路最終的輸出結果。其六，關于2進制數碼顯示電路的內容。通常情況下，2進制數碼顯示電路靈活結合了2進制譯碼技術。為了控制成本，減少支出，我們可以應用VHDL語言將2進制數碼顯示電路寫入GAL芯片。[5]

5 多功能數字電路實驗儀的功能測試

結合上述的多功能數字電路實驗儀設計方案進行樣機生產，樣機生產應該完全遵循設計方案，不可進行添加、刪減，將生產出來的樣機進行測試，觀察測試結果是否與方案相同，是否符合設計的基本要求，通過實踐可知，設計的多功能數字電路實驗儀可行，并且具有較高的可靠性以及可行性。

6 結束語

綜上所述，隨著時代的不斷更迭，各類教學資源都在與時俱進，為了滿足教師與學生的需求，我們應該結合數字電子技術課程實驗與實訓課程的實際情況來進行多功能數字電路實驗儀的設計，明確設計的指導思想，確定設計方案，逐步進行設計，遵循相應的設計原理，最終進行樣機生產，并測試樣機效果，一旦有誤差，則應該排查問題來源，從真正意義上做到具體問題具體分析。最終設計出的多功能數字電路實驗儀，能夠適用于教學，有利于提高學生的實踐動手能力，提高教師教學效率以及教學質量。