一种自主研发数电实验板在数字电路实验中的应用

钟伟雄

摘要：本文结合10年的数字电路实验教学与探索的经验，自主研发一种适合独立学院数字电路实验教学使用的数字电路实验板。实验板由逻辑电平信号源产生模块、脉冲信号产生模块、交直流电源转换模块、LED电平显示模块、单位数码管译码显示模块、面包板实验区以及各接线端子模块等构成。

关键词：数字电路；自主研发；模块

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0029-03

当前科技飞速发展，基于数字技术的计算机、通信和自动化控制领域成果累累。这一切的发展都依赖于当前的数字技术的高速发展。而数字技术发展的基础——数字电路以及集成电路在这当中扮演着非常重要的角色。做为数字技术的基础，数字电路一直是高等学校理工科一门极其重要的基础应用课程。而数字电路实验使得学习该课程的学生实现将枯燥的课堂理论知识迁移到实际应用上来，锻炼学生的數字逻辑思维能力和运用数字集成芯片及其外围电路解决实际问题的动手能力。以此提高学生硬件电路基础和综合电路应用能力。结合本学院学生的特点以及笔者10年的实验教学经验，自主研发一套数字电路实验板子。经过三年的实验教学实践检验，符合我院数字电路实验教学的实际。

1 自主研发数字电路实验板的总体设计和硬件组成

本实验板由开关逻辑电平信号源产生模块、脉冲信号产生模块、交直流电源转换模块、LED电平显示模块、单位数码管译码显示模块、面包板实验区以及各接线端子模块等构成[1]。如图1所示，数字电路实验板的整板电源来至于交直流电源转换模块，该模块负责将外来的交流电转换成实验板各个模块区域所需的+5V电源并将电源输送到各个模块区域。逻辑电平信号源产生模块产生实验用的逻辑高电平和逻辑低电平信号，供各个实验集成电路作为逻辑电平接入使用。脉冲信号产生模块可以输出触发器和带逻辑记忆电路实验用的脉冲信号。LED电平显示模块用来观察实验电路实现效果，用LED灯亮代表输出高电平，LED灯灭代表低电平。单位数码管译码显示模块可以将输入的四位二进制数据转换成1位的十进制并显示。面包板区域可以根据实验需要任意插入各种型号的集成电路芯片并由电路板连接线接到实验板的各个模块。

2 数字电路实验板的硬件电路设计

为了更好的说明实验板的具体设计过程，笔者将对硬件各个部分进行分模块设计分析[2-5]。

2.1 逻辑电平信号源产生模块电路设计

如图2所示，本实验板逻辑电平信号源产生模块部分一共设计10个图中所示开关信号源模块。利用拨动开关改变NPN型三极管的工作状态，让三极管工作在饱和区和截止区分别在SQ1引脚输出低电平和高电平并可以使用状态显示灯DQ1表示电平的输出状态。

2.2 脉冲信号产生模块电路设计

脉冲信号产生模块电路如图3所示，该图包括非自锁上拉电路，74HC00与非门电路和三极管信号检测输出电路组成。将非自锁开关KEY的4，5脚接到74HC00的1，5脚，将三极管的输入引脚和发射极旁路引脚接到74HC00的2，3脚并将2和6短接。如图，当非自锁按钮被按下的时候，给与非门芯片一个触发输出的高低电平转换，由于电容的延时作用，产生的电平转换并未立即跳变，而是以脉冲的形式输出。

2.3 交直流电源转换模块电路设计

实验板所需要的电源是+5V，如图4所示，交流电源通过拨动开关介入进来以后，经过前期整流（该部分整合到变压器里，未在本电路图中体现）、滤波、稳压以后输出+5V电压。网络标识号为VCC1。

2.4 LED电平显示模块电路设计

采用三极管扩流和集电极电流放大回路，如图5所示，实验板上设计了10组图中电路。以DL1到DL10等10个接入引脚连接到面包板的电路输出引脚。当三极管接收到高电平信号时，三极管导通，驱动发光二极管工作，状态显示为高电平，反之发光二极管不工作，状态显示为低电平。

2.5 单位数码管译码显示模块电路设计

本实验板采用74LS48芯片这种常用的七段数码管译码器驱动器，将由实验面包板区送来的4位二进制数据进行译码转换成十进制的数据并经共阴极数码管显示数字。如图6所示，接口JSHU1作为4位二进制数据的引入端，接到74LS48的7，1，2，6脚，数码管的13，12，11，10，9，15，14分别接到数码管的A到G引脚。模块的工作电压为+5V。本实验板设计了4组单位数码管译码电路模块，以满足学生实验的需求。

3 实验板PCB输出以及成品

实验板的最终形态PCB如图7所示，结合实验板布局和学生实验操作习惯，对各个模块区域进行功能分配。

该实验板实际成品如图8所示，中间部分为面包板区域，学生可以根据实验的要求在面包板上插上各个实验所需的TTL集成电路芯片并用电路板连接线将芯片和板上的各个模块电路连接起来组合成实验的电路形态。由于实验电路连接让学生自己根据电路完成，这个过程中就给了学生自主思考以及识别电路和芯片引脚的机会，让学生在做实验过程中能够融会贯通在理论课上学到的各部分知识。

4 结语

该数字电路实验板于2014年暑假研发成功。2014年下半年请信息技术系任课教师和部分学生做电路使用测试后全面进入数字电路实验课程教学使用。截止到2016年12月份，已满足2013级电子信息工程、2013级通信工程、2013级物联网工程、2014级电子信息工程、2014级通信工程、2014级物联网工程、2015级电子信息工程、2015级通信工程、2015级物联网工程等9个不同年级专业约900多名学生7200人学时左右的数字电路实验课程需求。大部分实验板在实验过程中运行正常，未发现大量故障，小故障维护很及时，大大提高实验效率和稳定性。

以一个学期为分析单位，分析每个实验课上课周期，实验板的使用情况。我们以一组学生在一个实验板上完成一个实验为基准次数，一个实验室一共投入一次实验课程实验使用的实验板为20个，一个学期一共有8个实验课程安排，每个实验课程安排6个班，以此计算一个学期的故障率计算公式为：故障次数/（实验课程数*实验班数*实验板数）。因此按照该公式计算，其分母为6*8*20=960。对实验板实验以来的故障次数统计后列出数据，如表1所示。

对上表进行数据分析，做出分析图表如图9所示。

从图9可以看出，该实验板经历多个学期使用以来，板子的完好程度保持很好，每个学期的故障排除率均达到100%。单个学期学生实验过程出现的故障次数也较为稳定，没有出现太大的偏差。因此，对于福建师范大学协和学院这样一个成长型的独立学院的学生来说，该数字电路实验板是可以满足学院该课程的实验教学需求的。

参考文献

[1]郭晓玲，明平军.浅析数字电路实验的设计[J].数字技术与应用，2011，（6）：182-183.

[2]王尔申，庞涛，李鹏，郑丹.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，（3）：78-81.

[3]薛小铃，刘志群.单片机接口模块应用与开发详例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4]郭天祥.单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009.

[5]周围，韩建，于波.基于Multisim和Authorware的数字电路仿真实验平台设计[J].实验技术与管理，2015，（4）：119-122.endprint