多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊 紅 李生明

0 引言

眾所周知，隨著我國(guó)社會(huì)市場(chǎng)主義經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的教學(xué)事業(yè)得到質(zhì)的飛躍，逐漸完成了由量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化，在這樣的社會(huì)背景下，各學(xué)院教學(xué)取得一定成效。然而“金無(wú)足赤人無(wú)完人”，部分院校在進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)儀的局限而導(dǎo)致教學(xué)效率停滯不前、教學(xué)質(zhì)量不如人意，學(xué)生的實(shí)踐能力得不到有效提高。鑒于此，本文就以“多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為主題進(jìn)行探析，并在此基礎(chǔ)上提出一些建設(shè)性意見(jiàn)，為設(shè)計(jì)出一款符合數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)儀貢獻(xiàn)微薄之力。

1 多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的電路構(gòu)成

現(xiàn)階段，隨著時(shí)間的不斷推移，多媒體信息技術(shù)以迅雷不及掩耳之勢(shì)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀已經(jīng)不能夠滿足教師教學(xué)需求以及學(xué)生學(xué)習(xí)需求。鑒于此，為了保障多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀能夠適用于數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)，設(shè)計(jì)者必須保障實(shí)驗(yàn)儀的電路具有以下資源：10進(jìn)制數(shù)碼顯示電路、連續(xù)脈沖發(fā)生電路、2進(jìn)制開(kāi)關(guān)輸入電路/數(shù)碼顯示電路、LED電平顯示電路、單拍脈沖發(fā)生電路、以及實(shí)驗(yàn)電路布線趨于等等，設(shè)計(jì)者還應(yīng)該將其進(jìn)行科學(xué)合理地分布，將這些資源巧妙地劃分到多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的各個(gè)區(qū)域，保障這些資源能夠?qū)⑵渥陨韮r(jià)值充分發(fā)揮[1]。

2 多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖

筆者結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗(yàn)以及查詢的相關(guān)資料，將各類資源進(jìn)行巧妙地分布，設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)框圖示意圖

3 多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

設(shè)計(jì)出的多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀能夠支持一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要?jiǎng)澐譃橐韵聝蓚€(gè)部分：其一，比較基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)部分。顯而易見(jiàn)，這一部分主要包含的都是比較基礎(chǔ)的內(nèi)容，比如一些簡(jiǎn)單的儀器使用、如何應(yīng)用計(jì)數(shù)器、譯碼器、觸發(fā)器、加法器、編碼器、555定時(shí)器、以及數(shù)值比較器等基礎(chǔ)內(nèi)容[2]；

其二，根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況來(lái)進(jìn)行選擇的實(shí)驗(yàn)部分。這一部分的內(nèi)容則是當(dāng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)內(nèi)容之后進(jìn)行適當(dāng)升華，以此來(lái)拓展學(xué)生的思維以及提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，主要包含以下內(nèi)容：測(cè)試Transister Transister Logic不同系列的芯片參數(shù)及其性能、測(cè)試門(mén)電路的驅(qū)動(dòng)能力、如何應(yīng)用時(shí)序電路、觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、寄存器、以及MSI加法器等、進(jìn)行邏輯筆的實(shí)驗(yàn)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)分析。[3]

4 多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)原理

正所謂“沒(méi)有規(guī)矩不能成方圓”，對(duì)于多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)而言也是同樣的道理，在實(shí)際設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該滿足相應(yīng)的原理，進(jìn)而才能夠展開(kāi)設(shè)計(jì)工作。此次設(shè)計(jì)遵循的一些基本原理主要有以下幾個(gè)方面：

其一，關(guān)于單拍脈沖發(fā)生電路的內(nèi)容。一般情況下，在進(jìn)行時(shí)序電路等數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，單拍脈沖信號(hào)必不可少、至關(guān)重要。并且“世界上沒(méi)有兩片相同的樹(shù)葉”，不相同的觸發(fā)器在操作的時(shí)候，其觸發(fā)方式也大相徑庭，觸發(fā)器的觸發(fā)方式豐富多彩、各種各樣，主要?jiǎng)澐譃樯涎赜|發(fā)以及下沿出發(fā)兩大類。鑒于此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)單拍脈沖發(fā)生電路的時(shí)候，應(yīng)該保障提供的單拍脈沖信號(hào)是正負(fù)兩個(gè)周期相同的。

其二，關(guān)于連續(xù)脈沖發(fā)生電路的內(nèi)容。在設(shè)計(jì)此部分電路的時(shí)候，需要進(jìn)行全方位、多角度地考慮，提供幾種頻率不相同的連續(xù)脈沖信號(hào)，此多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀一共設(shè)計(jì)了四種，這樣做的主要目的是為了保障教師與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中能夠結(jié)合實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行科學(xué)、合理地選擇，進(jìn)而再借助導(dǎo)線來(lái)將其引入輸入端。[4]

其三，關(guān)于2進(jìn)制開(kāi)關(guān)輸入電路的內(nèi)容。此部分電路的構(gòu)成部分是二十四個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，這二十四個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)具有共同點(diǎn)，它們均帶有2進(jìn)制的特性，并且每一個(gè)開(kāi)關(guān)都有其相對(duì)應(yīng)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(hào)順利連接。一般情況下，假若撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的方向?yàn)樯蠒r(shí)，則是表明其向?qū)嶒?yàn)電路輸入“1”信號(hào)，假若撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的方向?yàn)橄聲r(shí)，則是表明其向?qū)嶒?yàn)電路輸入“0”信號(hào)。假若我們想要更加直觀、清晰地觀察撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的實(shí)際情況，那么設(shè)計(jì)者就需要在設(shè)計(jì)2進(jìn)制開(kāi)關(guān)輸入電路的過(guò)程中添加“發(fā)光二極管”。假若發(fā)光二極管沒(méi)有亮，則說(shuō)明開(kāi)關(guān)沒(méi)有輸入高電平，假若發(fā)光二極管亮，則說(shuō)明開(kāi)關(guān)輸入高電平。這里需要注意的是，在實(shí)際試驗(yàn)的時(shí)候，不需要將二十四個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)都進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)該結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況來(lái)科學(xué)、合理地選用其中某個(gè)或某幾個(gè)開(kāi)關(guān)。

其四，關(guān)于實(shí)驗(yàn)電路布線區(qū)域的內(nèi)容。眾所周知，實(shí)驗(yàn)電路布線區(qū)域在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中具有至關(guān)重要的作用，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的人應(yīng)該結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況來(lái)選擇芯片，將其放置到此區(qū)域。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不相同，那么實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的芯片也不相同，實(shí)驗(yàn)員則需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)分配電路組件以及集成電路組件。鑒于此，為了保障設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀能夠滿足教師與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，放置了一塊實(shí)驗(yàn)面包板，幫助實(shí)驗(yàn)員分配集成電路組件，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量以及實(shí)驗(yàn)效率。

其五，關(guān)于LED電平顯示電路的內(nèi)容。之所以設(shè)置LED電平顯示電路，是為了掌握實(shí)驗(yàn)電路最終的輸出結(jié)果。其六，關(guān)于2進(jìn)制數(shù)碼顯示電路的內(nèi)容。通常情況下，2進(jìn)制數(shù)碼顯示電路靈活結(jié)合了2進(jìn)制譯碼技術(shù)。為了控制成本，減少支出，我們可以應(yīng)用VHDL語(yǔ)言將2進(jìn)制數(shù)碼顯示電路寫(xiě)入GAL芯片。[5]

5 多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的功能測(cè)試

結(jié)合上述的多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樣機(jī)生產(chǎn)，樣機(jī)生產(chǎn)應(yīng)該完全遵循設(shè)計(jì)方案，不可進(jìn)行添加、刪減，將生產(chǎn)出來(lái)的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，觀察測(cè)試結(jié)果是否與方案相同，是否符合設(shè)計(jì)的基本要求，通過(guò)實(shí)踐可知，設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀可行，并且具有較高的可靠性以及可行性。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著時(shí)代的不斷更迭，各類教學(xué)資源都在與時(shí)俱進(jìn)，為了滿足教師與學(xué)生的需求，我們應(yīng)該結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)，明確設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，確定設(shè)計(jì)方案，逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)原理，最終進(jìn)行樣機(jī)生產(chǎn)，并測(cè)試樣機(jī)效果，一旦有誤差，則應(yīng)該排查問(wèn)題來(lái)源，從真正意義上做到具體問(wèn)題具體分析。最終設(shè)計(jì)出的多功能數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀，能夠適用于教學(xué)，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，提高教師教學(xué)效率以及教學(xué)質(zhì)量。