基于項目化教學的數(shù)電實驗模塊開發(fā)

黃文鋒

（廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門 361100）

一、引言

項目化教學的基礎在于理論與實踐相結合，因此，實訓課程的教學質(zhì)量顯得尤為重要，而實驗設備對教學效果的影響是十分巨大的。當前市面上數(shù)字邏輯實驗箱價格昂貴，而且多數(shù)實驗箱在使用一段時間后，容易出現(xiàn)跳線接觸不良、芯片損壞、電路板生銹等故障，無法正常使用。此外，隨著數(shù)字電子技術的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，實訓系統(tǒng)產(chǎn)品的淘汰速度亦是如此，容易出現(xiàn)學生“學非所用”、“技術脫鉤”等尷尬現(xiàn)象。實訓設備的自主研制可以擺脫實驗建設對教儀企業(yè)的依賴，也可以跟隨行業(yè)技術發(fā)展進行自主更新?lián)Q代，真正提升專業(yè)老師的專業(yè)技術水平和科研水平。

二、模塊設計原則

綜合考慮以往數(shù)電實驗設備存在的各種問題，在進行模塊設計時，主要遵循以下幾個原則：

1、本次設計是基于項目化教學的數(shù)電實驗模塊開發(fā)，因此，在實驗模塊開發(fā)上采用分項目分模塊設計模式，不像其他數(shù)字邏輯實驗箱將所有模塊固化在一個箱子里，而是分為各個獨立的實驗功能模塊。初步設計包括集成邏輯門電路驗證模塊、組合邏輯電路模塊、時序邏輯電路模塊、觸發(fā)器模塊、計數(shù)器模塊、555集成定時器模塊等六個模塊。

2、常規(guī)數(shù)字電路實驗設備采用引線搭建電路，連接方便，實驗方式靈活，但是有一個嚴重問題，即引線和接口在使用一段時間后容易出現(xiàn)接觸不良，導致實驗成功率低，錯誤檢查不易等。因此，在本電路設計之初，為了解決該問題，決定采用撥動開關加上部分接線柱的形式，雖然會使電路設計更為復雜，但可以保證電路板使用更長久，實驗成功率提升。

3、常見數(shù)電實驗設備采用實驗箱形式，將所有芯片集成在實驗箱內(nèi)，學生在使用時對電路原理不清楚，容易使學生對實驗失去興趣。因此，在本模塊設計時，會將電路原理圖直接顯示在模塊上，學生可以直觀地對電路原理圖進行學習，在實驗過程中結合該原理圖進行操作，大大提高了學生的學習興趣，也提高了學生對所學知識的接受能力。

4、部分數(shù)電實驗設備為了使設計更簡便，基本只保留電路的輸入輸出接口，而功能的實現(xiàn)已提前搭建好電路并固話在電路板中，這樣會使實驗模塊的功能性大大降低，學生只能做簡單的測試實驗，無法自己搭建電路。因此，本電路在設計時盡量豐富實驗模塊的調(diào)試功能，增加各種調(diào)試開關，使學生對所學知識有更深刻的理解。

三、模塊設計構思

模塊具體設計時，從電路設計的具體要求出發(fā)，主要考慮了以下幾個方面：

1、電路模塊搭建完成后，均先通過multisim 10軟件進行仿真，在確認電路無誤、實驗功能完整實現(xiàn)后，再進行PCB繪圖制板，提高制板效率。

2、為了方便學生對實驗的學習和理解，實驗模塊在設計之初就考慮將電路原理圖顯示在實驗模塊上，本設計將電路板絲印層進行改造，原本顯示在頂層絲印層的元件符號等改至底層絲印層，將原理圖繪制在頂層絲印層，簡單明了，便于學生掌握電路原理。

3、為了使頂層僅顯示電路原理圖，必須對電路進行改造，常規(guī)設計中置于頂層的元器件均移至底層，常規(guī)的直插式原件均需改成底層貼片式，因此，需要對各個元器件的電路封裝進行改造。自制原理圖元件尺寸必須參考電路板尺寸，太小看不清楚，太大會超出邊界。元件的外形及標注的層要注意選擇，因為頂層絲印層用于顯示電路原理圖，所以把元件的名稱和類型都改為底層絲印層，直插式元件的外形設置為頂層絲印層，貼片式元件的外形設置為底層絲印層。本模塊設計中的元器件封裝基本采用自行設計，元器件尺寸及管腳尺寸均需以實際元器件為參照，務必做到精確，否則容易出現(xiàn)短路或者虛焊。

4、實驗模塊電路板布線和敷銅均在底層完成，實現(xiàn)電路功能?？紤]到大部分元器件改成底層貼片式焊接，在進行敷銅時要適當增加敷銅與元器件引腳間的距離，防止焊接時不慎短路。對于直插改底面貼片元件，因為接入方式改變，由頂層插入變?yōu)榈讓淤N片，元件方向相反，因此，所有底面貼片元件的左右方向要對調(diào)，在創(chuàng)建元件封裝時就要改變元件的管腳方向。

5、實驗模塊電路板頂層除了電路原理圖外，還有部分調(diào)試及顯示元器件需置于頂層，如撥動開關、接線柱、顯示用發(fā)光二極管、數(shù)碼管、輸入輸出信號接口等，在設計時這些元器件采用直插式設計，會產(chǎn)生過孔，因此設計時在有過孔的地方，頂層電路原理圖和底層原件標注保持一致，從而使電路原理圖完整準確。其他位置頂層和底層可以分開設計。

6、為了便于檢修，先把芯片底座焊接在電路板上，再將芯片插在底座上，便于在芯片損壞時更換。輸入輸出信號、電源接地信號等采用接線柱方式連接。為防止底層線路被學生有意或者無意的損壞，保護實驗模塊使用更長久，在實驗模塊底部加上保護擋板，通過螺絲及螺母將電路板與保護擋板連接，因此在電路設計時要對電路板四個角進行開孔，為了防止電路板割手，將電路板四個角倒圓角。

四、模塊實現(xiàn)

鑒于篇幅所限，本文僅以“計數(shù)器的設計”數(shù)電實驗為例，闡述電路實現(xiàn)步驟。

“計數(shù)器的設計”數(shù)電實驗目的在于了解計數(shù)器，譯碼器和數(shù)碼管的邏輯功能、熟悉計數(shù)器的各管腳功能以及進一步掌握數(shù)字電路邏輯關系的使用方法。本設計使用74LS160作為主計數(shù)芯片，搭配4511譯碼器和7段數(shù)碼顯示管進行功能顯示。學生通過搭接輸入信號、置數(shù)反饋信號、清零反饋信號、輸出反饋信號以及各個撥片開關等實現(xiàn)十進制內(nèi)的數(shù)字計數(shù)功能。另外，還可以通過級聯(lián)端子進行模塊與模塊的端接，實現(xiàn)一百進制內(nèi)的數(shù)字計數(shù)功能。具體實現(xiàn)步驟如下

首先使用multisim軟件進行電路仿真，經(jīng)過調(diào)試，六進制計數(shù)器可用，具體電路如下：

然后使用protel軟件進行電路原理圖的繪制，考慮到要使用撥片開關進行調(diào)試，以及置數(shù)、清零等不同功能的調(diào)試和后續(xù)端接功能需要，對電路進行了適當?shù)母脑?，加了部分端接端口和級?lián)開關，具體電路如下：

在繪制PCB圖紙時，電路尺寸采用20cm*15cm。具體電路設計時，需要注意：原設計輸入信號使用撥動開關分別接高低電平，通過開關撥動產(chǎn)生單次脈沖信號，經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)，這樣操作容易產(chǎn)生毛刺，導致計數(shù)不準確。后采用555定時器產(chǎn)生脈沖信號，消除了毛刺，計數(shù)器正常工作。具體設計如下：

正面圖

背面圖

具體功能實現(xiàn)如下圖(其他功能模塊制作可參考本電路)：

五、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

對于部分數(shù)字電路，可以多塊電路板進行聯(lián)調(diào)，如計數(shù)器的設計中，一塊電路板可以實現(xiàn)十以內(nèi)各進制計數(shù)器的功能，而要實現(xiàn)一百以內(nèi)各進制計數(shù)器功能，再重新開發(fā)電路費時費力，可以采用兩塊十進制計數(shù)器電路級聯(lián)，因此，在制作計數(shù)器電路模塊時，預留了級聯(lián)端口，可供多個模塊聯(lián)調(diào)使用，具體電路如下：

另外，數(shù)電實驗常常需要單次脈沖輸入或者連續(xù)脈沖輸入，如果使用普通撥動開關，容易出現(xiàn)毛刺，影響實驗結果?？梢詫?55構成單穩(wěn)態(tài)電路或者多諧振蕩電路的輸出信號作為其他模塊的脈沖輸入信號，實現(xiàn)模塊間的聯(lián)動使用。同理，可以采用觸發(fā)器輸出的脈沖信號作為其他模塊的脈沖輸入信號。因此，在設計觸發(fā)器模塊和555集成定時器模塊時要在輸出端預留聯(lián)調(diào)接口。

六、結 語

本文研究了基于項目化教學的數(shù)電實驗模塊開發(fā)，通過電路設計、實現(xiàn)、聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)了基于項目化教學的數(shù)電實驗模塊開發(fā)，該項目同時配套了相應的實驗指導書。限于篇幅限制，本文重點介紹了“計數(shù)器的設計”實驗模塊的設計。希望本文能對數(shù)字電子技術教師的實驗教學及實驗模塊開發(fā)或數(shù)字電子技術愛好者有所幫助。