便攜式數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)

余娟

【摘 要】數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備是學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的必要實(shí)驗(yàn)裝置。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱體積大、重量重、攜帶不方便等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種便捷的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板：采用USB電源供電；能提供數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)需要的高電平、低電平或矩形波信號(hào)；能簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確區(qū)分邏輯電平的各種狀態(tài)；能進(jìn)行數(shù)碼管的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；能直觀顯示BCD碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)碼；能搭建各種實(shí)驗(yàn)電路。本實(shí)驗(yàn)電路板具有便捷、準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)功能豐富等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電子技術(shù)；數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板；便捷；邏輯電平顯示電路；USB供電

數(shù)字電子技術(shù)是高等理工科院校電類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，而數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備是學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的必要實(shí)驗(yàn)裝置。傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備常常做成實(shí)驗(yàn)箱的形式，需要220V交流電源供電，不能隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并且體積和重量都較大，攜帶很不方便。

本文設(shè)計(jì)一種便捷的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板，由電源電路、邏輯電平發(fā)生電路、邏輯電平顯示電路、脈沖發(fā)生電路、數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)需要的高電平、低電平或矩形波信號(hào)，簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地區(qū)分低電平、高電平、高阻（含懸空）或脈沖信號(hào)這四種邏輯電平狀態(tài)，并能進(jìn)行數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)，顯示BCD碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)碼，搭建各種實(shí)驗(yàn)電路等，從而實(shí)現(xiàn)功能靈活的、可開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)、便捷的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1 電源電路

電源電路為數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地開(kāi)展數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(shí)輸出多路+5V電源。

2 邏輯電平發(fā)生電路

邏輯電平發(fā)生電路可以產(chǎn)生高或低電平信號(hào)。采用3腳2檔撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，其上端接+5V電源端，下端接地，中間為信號(hào)輸出端。當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到上端時(shí)，輸出高電平（+5V）信號(hào)；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到下端時(shí)，輸出低電平（0V）信號(hào)。若采用多個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)將其上、下端并聯(lián)，則可輸出多路電平信號(hào)。

3 邏輯電平顯示電路

數(shù)字信號(hào)常見(jiàn)的邏輯電平狀態(tài)有四種：低電平、高電平、高阻（含懸空）、脈沖信號(hào)，邏輯電平顯示電路可以簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地區(qū)分邏輯電平的各種狀態(tài)，電路原理如圖1所示。

閾值電壓由電阻R1與電位器RV1串聯(lián)分壓決定，調(diào)節(jié)電位器的阻值可以改變比較器的閾值電壓。當(dāng)測(cè)試信號(hào)電位低于閾值電壓（即為低電平）時(shí)，比較器U1輸出高電平，發(fā)光二極管 LED1-GREEN點(diǎn)亮；而比較器U2輸出低電平，因此與門U3輸出低電平，發(fā)光二極管LED1-RED不亮。

圖1 邏輯電平顯示電路原理圖

當(dāng)測(cè)試信號(hào)電位高于閾值電壓（即為高電平）時(shí)，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(shí)，由于測(cè)試信號(hào)為高電平（常接近電源電壓），經(jīng)過(guò)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(diǎn)亮。

當(dāng)測(cè)試信號(hào)為脈沖信號(hào)（即高、低電平交替）時(shí)，以上兩種狀態(tài)交替變換。

當(dāng)測(cè)試信號(hào)為高阻狀態(tài)（含懸空）時(shí)，測(cè)試信號(hào)端電位由電阻R2、二極管D1、二極管D2、電阻R3串聯(lián)支路分壓決定。以電源電壓Vcc為5V、設(shè)定比較器閾值電壓為2.3V為例，測(cè)試信號(hào)端的電位為：

U測(cè)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(cè)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(shí)，與門U3的2腳輸入端電位為：

U測(cè)試端=（5-1.4）*4.7k/（10k+4.7k）≈1.2V【式2】

此邏輯狀態(tài)區(qū)分電路中與門U3可以使用型號(hào)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(fā)生電路

脈沖發(fā)生電路用于產(chǎn)生1Hz或10Hz矩形波信號(hào)。采用555構(gòu)成的多諧振蕩器，能輸出頻率為1Hz和10Hz的矩形波信號(hào)。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)K2，可以選擇輸出信號(hào)頻率為1Hz還是10Hz。

5 數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)電路

數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)電路可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)碼管的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，例如測(cè)試共陰極數(shù)碼管或共陽(yáng)極數(shù)碼管的邏輯功能等，電路原理如圖2所示。操作撥動(dòng)開(kāi)關(guān)K3，可以選擇測(cè)試器件為共陰極數(shù)碼管還是共陽(yáng)極數(shù)碼管。

圖2 數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)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(shù)量可由用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求確定?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在面包板上插放各種電子元器件，如數(shù)字邏輯器件、電阻器和電容器等常用電子元器件，也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(fù)使用，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)種類的多樣性。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板具有便捷、實(shí)驗(yàn)種類豐富、實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可用于學(xué)生在課堂上根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度隨時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，或用于學(xué)生課后自由動(dòng)手實(shí)踐，也可應(yīng)用在課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程學(xué)習(xí)中。本實(shí)驗(yàn)電路板已經(jīng)應(yīng)用在我校2014屆和2015屆應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生數(shù)電課程學(xué)習(xí)中，教學(xué)效果好，得到了學(xué)生的認(rèn)可。

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