便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)

廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃國(guó)爵

便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)

廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃國(guó)爵

目前我國(guó)高校的數(shù)字電路技術(shù)課程都會(huì)用到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板，而以往使用的實(shí)驗(yàn)箱因其既費(fèi)時(shí)，又費(fèi)力的缺點(diǎn)正面臨淘汰?；诖?，本文為方便實(shí)驗(yàn)，針對(duì)目前的實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款具有邏輯電平輸入、邏輯電平顯示、1HZ時(shí)鐘信號(hào)及1位數(shù)碼顯示功能的便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板。

數(shù)字電路；實(shí)驗(yàn)板；IC插座

1 引言

本文在設(shè)計(jì)這種便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板時(shí)，力求做到體積小成本低，時(shí)刻關(guān)注設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)板的性價(jià)比，保證在擁有便攜性的同時(shí)又滿足實(shí)驗(yàn)的正常要求。文章對(duì)于實(shí)驗(yàn)板的電路不斷改進(jìn)，在材料選取和接線布置方面投入了大量精力，最終研制出了這款適合學(xué)生研究學(xué)習(xí)使用的簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板。經(jīng)實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)板能完全滿足任何地點(diǎn)任何形式的實(shí)驗(yàn)要求，現(xiàn)分享出實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)和原理，希望為廣大師生提供便利。

2 便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板電路原理和優(yōu)勢(shì)分析

本文設(shè)計(jì)的便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板具有體積小巧、電路簡(jiǎn)單、制作方便、操作簡(jiǎn)便、便于存放的特點(diǎn)。該便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板具體由電源部分、邏輯開關(guān)輸入部分、邏輯開關(guān)輸入電路部分、邏輯電平顯示電路部分、時(shí)鐘信號(hào)電路部分、數(shù)碼顯示電路部分、IC測(cè)試插座部分這七種基本部分組成，其中有4個(gè)VCC、GND端子，分別負(fù)責(zé)高低電平提高，4個(gè)直插芯片幫助實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行電路拼接。邏輯電平開關(guān)負(fù)責(zé)接收制數(shù)字邏輯高、低電平信號(hào)，邏輯電平顯示電路顯示電平的高低狀態(tài)，數(shù)碼顯示電路顯示0-9數(shù)字之間的十進(jìn)制數(shù)，IC測(cè)試插座安插四種規(guī)格的芯片，四種規(guī)格分別為：8P、14P、16P、20P。整個(gè)電路板電路輸出輸入接口的連接點(diǎn)均采用空心銅鉚釘為材料，將導(dǎo)線焊接于空心銅鉚釘上以連接六個(gè)部分的電路元件[1]。

相比現(xiàn)有的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板，該電路板更易于操作，實(shí)驗(yàn)板的操作面板比現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱更簡(jiǎn)潔，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，更適應(yīng)初學(xué)。且采用鉚釘連接導(dǎo)線的方式更可靠，解決了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱經(jīng)常發(fā)生的接觸不良問題。由于體積小，材料低廉，實(shí)驗(yàn)板的成本只需幾十元，學(xué)生可自行制作，方便了課程開展。實(shí)驗(yàn)板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，即使長(zhǎng)時(shí)間高頻率使用導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)板發(fā)生故障，學(xué)生也可以在簡(jiǎn)單指導(dǎo)下輕松維修。

3 便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板組成設(shè)計(jì)

3.1 電源部分

實(shí)驗(yàn)板電源電路用直流電源插座將5V/1A的開關(guān)直流電源作為穩(wěn)定電源。開關(guān)電源自身具有的保護(hù)短路功能可以過載保護(hù)實(shí)驗(yàn)板避免實(shí)驗(yàn)電路在使用中受到嚴(yán)重短路的損害，降低故障發(fā)生幾率。電源指示燈采用LED，實(shí)驗(yàn)板所有電路所接受的5V電壓均由+5V和GND的電源連接點(diǎn)提供。邏輯電平產(chǎn)生電路、單次脈沖產(chǎn)生電路、邏輯電平指示電路由印刷電路板線連接到電源電路的方式供電，其余部分需要依靠導(dǎo)線連接電源供電。

3.2 邏輯電平開關(guān)輸入電路

邏輯電平開關(guān)輸入電路由4個(gè)邏輯開關(guān)K1～K4及兩端的VCC和GND共同組成。四個(gè)開關(guān)連接到兩端的VCC和GND，模擬8位的二進(jìn)制數(shù)，負(fù)責(zé)邏輯電平開關(guān)輸入電路高電平和低電平的輸出。開關(guān)分為上中下三擋，當(dāng)開關(guān)撥至上檔時(shí)，開關(guān)連接到VCC端，則輸出電平為高電平（1），撥至下檔時(shí)，開關(guān)連接到GND端，則輸出電平為低電平（0），開關(guān)懸置中檔時(shí)為高阻狀態(tài)，則無信號(hào)輸出。

3.3 邏輯電平顯示電路

邏輯電平顯示電路可以檢測(cè)信號(hào)高低電平的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)板的邏輯電平顯示電路主要分為兩部分：三極管VT1和VT2、發(fā)光二極管VD1和VD2。當(dāng)電路測(cè)出高電平時(shí)，電平顯示電路紅色LED燈亮，表示測(cè)出的信號(hào)為高電平“1”，測(cè)出低電平時(shí)，電平顯示電路綠色LED燈亮，表示測(cè)出的信號(hào)為低電平“0”。具體工作原理為：邏輯電平輸入連接點(diǎn)為L(zhǎng)1-L8，當(dāng)L1-L8的輸入連接點(diǎn)被輸入為高電平時(shí)，VT2被截止，VD2不亮，二極管VD1顯示為紅色，當(dāng)L1-L8的輸入連接點(diǎn)被輸入為低電平時(shí)，VT2導(dǎo)通，VT1被截止，二極管VD1不亮，VD2顯示為綠色，以上為邏輯電平顯示電路工作原理[2]。在安裝時(shí)要注意，發(fā)光二極管必須貼板安裝，三極管元件體與電路板的高度距離要小于三毫米。

3.4 1HZ時(shí)鐘信號(hào)源電路

時(shí)鐘信號(hào)源電路依靠產(chǎn)生的1HZ矩形波信號(hào)為數(shù)字電路提供時(shí)鐘信號(hào)，而1HZ的脈沖信號(hào)由多諧振蕩器產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)者只要選擇合適的電阻與電容元件，就可以讓多諧振蕩器電路從三個(gè)輸出端口輸出1HZ脈沖信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)板電路的多諧振蕩器由555定時(shí)器構(gòu)成，有3腳可輸出1HZ的脈沖信號(hào)，通過分析多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)維持高低電平的時(shí)間，以及多諧振蕩器的振蕩周期和振蕩頻率，計(jì)算出電阻大約為71KΩ時(shí)，電路可得到1HZ的脈沖信號(hào)。

3.5 單次脈沖產(chǎn)生電路

本電路主要包含一個(gè)按鈕開關(guān)和一個(gè)集成電路IC5，IC5中的兩個(gè)與非門組成一個(gè)RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器具有的特點(diǎn)是其兩個(gè)輸入端如果加入了不同邏輯的電平，那么觸發(fā)器的輸出端會(huì)表現(xiàn)出一種互補(bǔ)的穩(wěn)定狀態(tài)，在R=1、S=0時(shí)，稱之為S端，觸發(fā)器為置位，反之則為復(fù)位。在電路中利用這種特點(diǎn)，當(dāng)按動(dòng)一次按鈕開關(guān)時(shí)，觸發(fā)器輸出1個(gè)無抖動(dòng)的高電平脈沖在DQ1輸出連接點(diǎn)上，用以計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)，從而有效得防止在輸入單個(gè)脈沖時(shí)產(chǎn)生多個(gè)脈沖串，減少實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)率。

3.6 1位數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼顯示電路顯示十個(gè)十進(jìn)制數(shù)，較邏輯電平顯示電路更為直觀。本部分電路包括一個(gè)1位數(shù)碼管插座、限流電阻R17-R24和A-G五個(gè)連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)分別與數(shù)碼管中的發(fā)光二極管相連接，其中COM連接點(diǎn)是數(shù)碼管的公共引腳。在用導(dǎo)線將數(shù)碼管安裝在插座上時(shí)，如果安裝共陽極數(shù)碼管，則將COM連接點(diǎn)連接到電源的+5V一端，如果安裝共陰極數(shù)碼管，則將COM連接點(diǎn)連接到電源的GND一端。

3.7 IC插座測(cè)試電路

IC插座就是可以插入多引腳集成電路的腳座。本實(shí)驗(yàn)板中安裝有四塊雙列16腳的集成電路插座IC1-IC4，并在插座上安插8P、14P、16P、20P這4種規(guī)格的直插式芯片，每個(gè)插座的引腳都要與外圍的連接點(diǎn)相連接，在需連接集成電路引腳時(shí)直接用導(dǎo)線連接到對(duì)應(yīng)的連接點(diǎn)，進(jìn)行“棚架式”搭建電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多塊實(shí)驗(yàn)板也能互相拼接，以滿足更復(fù)雜的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

綜上所述，我國(guó)目前高校所用的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板確實(shí)有待改進(jìn)。由分析可知：使數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板改進(jìn)原有的體積大、故障多、成本高的特點(diǎn)，增強(qiáng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板的便攜性、操作性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出既滿足基本的電路教學(xué)，又能完成相對(duì)復(fù)雜電路實(shí)驗(yàn)的便攜性簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板可以打破了教學(xué)的地域限制，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的速度，可以引導(dǎo)學(xué)生有關(guān)電路設(shè)計(jì)的思想，也讓學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)一步提升，讓電子類課程的教學(xué)成果更加顯著。

[1]趙巧妮．便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)[J]．科技廣場(chǎng),2016,04:46-48．

[2]黃穎松．簡(jiǎn)易型數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)板[J]．電子世界,2013,15:103．