基于電子技術(shù)實驗臺的開放型實驗面板的研究與設(shè)計*

付 裕 ， 鄧艷菲 ， 唐燕影

（1.江西省機電技師學(xué)院，江西 南昌 330001；2.江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計意義

高職教育培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)“素質(zhì)高+技能強”的高素質(zhì)技能型人才。高職培養(yǎng)的人才類型是實用型和應(yīng)用型，教學(xué)實踐環(huán)節(jié)對高職學(xué)生尤為重要。電子電路實驗是電類專業(yè)必須開設(shè)的基礎(chǔ)實驗，是一項重要的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。學(xué)生在做實驗過程中，不僅能積累知識，而且能對知識進一步內(nèi)化。實踐性環(huán)節(jié)可以鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的動手能力，這是課堂理論教學(xué)做不到的。所以，機電類和電子類專業(yè)的學(xué)生都需要進入電子實驗室進行操作練習(xí)，電子實驗室的實驗設(shè)備利用率也是非常之高。

1.2 設(shè)計背景

目前，江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子實驗室使用的是DZX-2 型電子學(xué)綜合實驗設(shè)備，該實驗設(shè)備有它的優(yōu)點，但是也存在不足。比如：因為模塊位置固定不能移動，當(dāng)使用到多塊芯片連接實驗電路時，會導(dǎo)致連接的線特別多，甚至還有相互交叉的現(xiàn)象，學(xué)生在遇到問題檢查線路時非常麻煩。另外，實驗臺的接插座使用時間一長，容易出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸點不夠靈敏，不易更換，直接影響實驗教學(xué)效果，甚至?xí)驌魧W(xué)生動手做實驗的積極性。

實驗室現(xiàn)有40 臺電子實驗臺，16 臺新設(shè)備和24 臺舊設(shè)備。目前，舊設(shè)備因?qū)嶒灻姘謇匣?、實驗效果差處于閑置狀態(tài)，僅有的16 臺新設(shè)備難以滿足機電類班級和電子類班級的教學(xué)需求。因此，對于DZX-2 型電子綜合實驗臺實驗面板的開放型改造顯得尤為重要，既能避開已有實驗臺面板的弊端，又能將現(xiàn)有的舊設(shè)備利用起來。這樣不僅能避免資源的浪費，還能提高實驗教學(xué)效果和設(shè)備利用率。

1.3 設(shè)計原則

電子實驗臺面板設(shè)計應(yīng)堅持兩個原則。1）能完成教學(xué)所需的各種實驗。在對電子實驗臺面板改造設(shè)計中，要結(jié)合電子技術(shù)應(yīng)用課程中所需安排的實驗內(nèi)容，摒棄不需要的電路部分，在滿足教學(xué)基本要求前提下，最大化靈活設(shè)計。2）實驗臺可擴展。在設(shè)計電子實驗面板過程中，既要兼顧基礎(chǔ)實驗教學(xué)部分，又要能方便學(xué)生完成一些綜合性的實驗電路。這樣除了滿足日常的基礎(chǔ)實驗教學(xué)外，還能針對參與電子設(shè)計競賽的同學(xué)或者電子愛好者做一些創(chuàng)新型、綜合型電路，并能留有接口連接虛擬儀器。

1.4 設(shè)計方法

根據(jù)現(xiàn)有電子教學(xué)實驗實訓(xùn)內(nèi)容，整理出數(shù)字電路部分實驗電路所需的元件、儀器，對實驗臺面板重新布局、調(diào)整。用PCB 板設(shè)計軟件進行繪圖設(shè)計、打版、焊接元器件、調(diào)試，根據(jù)實驗效果再重新調(diào)整設(shè)計，直至找出最適合的布局方式。

1.5 整體設(shè)計框圖

結(jié)合當(dāng)前電子技術(shù)實驗發(fā)展趨勢，針對鋁合金實驗箱維修難、容易壞、工藝一般的特點，研發(fā)的新型電子技術(shù)實驗箱留有虛擬示波器、虛擬信號源接口、電源接口、I/O 接口等常用接口，可以擴展虛擬電子技術(shù)仿真、虛擬儀器使用等現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的要求，全模塊化設(shè)計，同時全新設(shè)計了穩(wěn)壓電源，全部數(shù)字化設(shè)計大幅度提高了可靠性及使用效率[1-4]。實驗臺底座框圖如圖1 所示，固定電源輸出實物圖如圖2 所示，八位邏輯電平輸入指示實物圖如圖3 所示，八位邏輯電平輸出實物圖如圖4 所示，底座通訊口/虛擬示波器接口/網(wǎng)線通訊接口實物圖如圖5所示。

圖1 實驗臺底座框圖

圖2 固定電源輸出實物圖

圖3 八位邏輯電平輸入指示實物圖

圖4 八位邏輯電平輸出實物圖

圖5 底座通訊口/虛擬示波器接口/網(wǎng)線通訊接口實物圖

2 拓展板設(shè)計

數(shù)字電路擴展板配置模塊4 塊，其中1 塊為基本模塊，另外3塊為基礎(chǔ)實踐模塊。

2.1 基本模塊

本模塊采用CPLD 設(shè)計，設(shè)置有單次脈沖和連續(xù)脈沖、數(shù)碼管、555芯片插座及基本元件等電路，能與其他模塊配合完成虛擬操作與實驗。脈沖源為CPLD設(shè)計，相比較單片機，CPLD 具有高可靠性和高速度的優(yōu)點，以此為基礎(chǔ)制作的信號源可靠度高?；灸K實物圖如圖6所示。

圖6 基本模塊實物圖

2.2 基礎(chǔ)實踐模塊

該模塊配置了5 個芯片插座（3 個14 腳，2 個16腳），每個芯片插座根據(jù)實驗需要來放不同的芯片，底座采用卡座設(shè)計，方便裝取芯片。根據(jù)實驗電路要求可以任意裝取芯片進行電路搭接，靈活性很強，可做的實驗電路很多?；A(chǔ)實踐模塊實物圖如圖7所示。

圖7 基礎(chǔ)實踐模塊實物圖

模塊采用2 mm 厚印制線路板制成，設(shè)計電路時盡可能地采用貼片式元件對電路板進行設(shè)計，大大縮小了電路所占位置，提高了模塊的利用率。模塊正面是絲印，標(biāo)示元器件圖形符號及相應(yīng)的走線，方便學(xué)生做實驗過程中識別電路及走線；模塊反面則是印刷線路和焊接好的元件，方便后續(xù)維修。實驗臺整體視圖如圖8 所示。

圖8 實驗臺整體視圖

3 實驗案例

TTL 集成邏輯門的參數(shù)測試。本實驗采用四輸入雙與非門74LS20，74LS20 里含有兩個互相獨立的與非門，每個與非門有四個輸入端。

3.1 TTL與非門的主要參數(shù)

1）低電平輸出電源電流ICCL和高電平輸出電源電流ICCH。與非門處于不同的工作狀態(tài)，電源提供的電流是不同的。ICCL與ICCH測試電路如圖9（a）、（b）所示。

圖9 TTL與非門靜態(tài)參數(shù)測試電路圖

2）低電平輸入電流IiL和高電平輸入電流IiH。IiL與IiH的測試電路如圖9（c）、（d）所示。

3）電壓傳輸特性。門的輸出電壓Vo隨輸入電壓Vi而變化的曲線Vo＝f(Vi)稱為門的電壓傳輸特性，通過它可讀得門電路的一些重要參數(shù)，如輸出高電平VOH、輸出低電平VOL、關(guān)門電平VOff、開門電平VON、閾值電平VT及抗干擾容限VNL、VNH等值。采用逐點測試法，即調(diào)節(jié)RW，逐點測得Vi及Vo，然后繪成曲線。傳輸特性測試電路圖如圖10所示。

圖10 傳輸特性測試電路圖

4）平均傳輸延遲時間tpd。tpd是衡量門電路開關(guān)速度的參數(shù)，它是指輸出波形邊沿的0.5Vm至輸入波形對應(yīng)邊沿0.5Vm點的時間間隔。

3.2 實驗內(nèi)容

選取一個基礎(chǔ)實踐模塊放于實驗臺上，將芯片裝于一個14P 插座上，對應(yīng)好缺口位置插裝好74LS20集成芯片。參考上述實驗電路圖接線，依次測試各參數(shù)，并驗證電路的邏輯功能，將數(shù)據(jù)填入表1中。

3.3 74LS20主要參數(shù)的測試

分別按圖9、圖10 接線并進行測試，將測試結(jié)果記入表1 中。

表1 接線測試結(jié)果

4 總結(jié)

本實驗臺可以做數(shù)字電路中的所有實驗，相比以前的電子實驗臺，本實驗臺占地小、靈活性強、電路穩(wěn)定性好、實驗效果佳、方便保存和攜帶，避免了空間和時間的浪費。通過學(xué)生使用該實驗臺發(fā)現(xiàn)，不僅實驗成功率高，而且有可拓展的部分，方便對電路進行拓展，有利于進行分層教學(xué)。