廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃國爵

便攜式簡易數(shù)字電路實驗板的設(shè)計

廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃國爵

目前我國高校的數(shù)字電路技術(shù)課程都會用到數(shù)字電路實驗箱或?qū)嶒灠?，而以往使用的實驗箱因其既費時，又費力的缺點正面臨淘汰?；诖耍疚臑榉奖銓嶒?，針對目前的實驗板進行設(shè)計改進，設(shè)計了一款具有邏輯電平輸入、邏輯電平顯示、1HZ時鐘信號及1位數(shù)碼顯示功能的便攜式簡易數(shù)字電路實驗板。

數(shù)字電路；實驗板；IC插座

1 引言

本文在設(shè)計這種便攜式簡易數(shù)字電路實驗板時，力求做到體積小成本低，時刻關(guān)注設(shè)計出的實驗板的性價比，保證在擁有便攜性的同時又滿足實驗的正常要求。文章對于實驗板的電路不斷改進，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)使用的簡易數(shù)字電路實驗板。經(jīng)實踐證明，該實驗板能完全滿足任何地點任何形式的實驗要求，現(xiàn)分享出實驗板的結(jié)構(gòu)和原理，希望為廣大師生提供便利。

2 便攜式簡易數(shù)字電路實驗板電路原理和優(yōu)勢分析

本文設(shè)計的便攜式簡易數(shù)字電路實驗板具有體積小巧、電路簡單、制作方便、操作簡便、便于存放的特點。該便攜式簡易數(shù)字電路實驗板具體由電源部分、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、時鐘信號電路部分、數(shù)碼顯示電路部分、IC測試插座部分這七種基本部分組成，其中有4個VCC、GND端子，分別負(fù)責(zé)高低電平提高，4個直插芯片幫助實驗板進行電路拼接。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，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)字之間的十進制數(shù)，IC測試插座安插四種規(guī)格的芯片，四種規(guī)格分別為：8P、14P、16P、20P。整個電路板電路輸出輸入接口的連接點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部分的電路元件[1]。

相比現(xiàn)有的數(shù)字電路實驗板，該電路板更易于操作，實驗板的操作面板比現(xiàn)有的實驗箱更簡潔，簡化了實驗操作，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)有的實驗箱經(jīng)常發(fā)生的接觸不良問題。由于體積小，材料低廉，實驗板的成本只需幾十元，學(xué)生可自行制作，方便了課程開展。實驗板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，即使長時間高頻率使用導(dǎo)致實驗板發(fā)生故障，學(xué)生也可以在簡單指導(dǎo)下輕松維修。

3 便攜式簡易數(shù)字電路實驗板組成設(shè)計

3.1 電源部分

實驗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短路功能可以過載保護實驗板避免實驗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，實驗板所有電路所接受的5V電壓均由+5V和GND的電源連接點提供。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個邏輯開關(guān)K1～K4及兩端的VCC和GND共同組成。四個開關(guān)連接到兩端的VCC和GND，模擬8位的二進制數(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，開關(guān)連接到VCC端，則輸出電平為高電平（1），撥至下檔時，開關(guān)連接到GND端，則輸出電平為低電平（0），開關(guān)懸置中檔時為高阻狀態(tài)，則無信號輸出。

3.3 邏輯電平顯示電路

邏輯電平顯示電路可以檢測信號高低電平的狀態(tài)。本實驗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)電路測出高電平時，電平顯示電路紅色LED燈亮，表示測出的信號為高電平“1”，測出低電平時，電平顯示電路綠色LED燈亮，表示測出的信號為低電平“0”。具體工作原理為：邏輯電平輸入連接點為L1-L8，當(dāng)L1-L8的輸入連接點被輸入為高電平時，VT2被截止，VD2不亮，二極管VD1顯示為紅色，當(dāng)L1-L8的輸入連接點被輸入為低電平時，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時鐘信號源電路

時鐘信號源電路依靠產(chǎn)生的1HZ矩形波信號為數(shù)字電路提供時鐘信號，而1HZ的脈沖信號由多諧振蕩器產(chǎn)生。實驗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輸出端口輸出1HZ脈沖信號。本實驗板電路的多諧振蕩器由555定時器構(gòu)成，有3腳可輸出1HZ的脈沖信號，通過分析多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)狀態(tài)維持高低電平的時間，以及多諧振蕩器的振蕩周期和振蕩頻率，計算出電阻大約為71KΩ時，電路可得到1HZ的脈沖信號。

3.5 單次脈沖產(chǎn)生電路

本電路主要包含一個按鈕開關(guān)和一個集成電路IC5，IC5中的兩個與非門組成一個RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器具有的特點是其兩個輸入端如果加入了不同邏輯的電平，那么觸發(fā)器的輸出端會表現(xiàn)出一種互補的穩(wěn)定狀態(tài)，在R=1、S=0時，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，當(dāng)按動一次按鈕開關(guān)時，觸發(fā)器輸出1個無抖動的高電平脈沖在DQ1輸出連接點上，用以計數(shù)器實驗，從而有效得防止在輸入單個脈沖時產(chǎn)生多個脈沖串，減少實驗出錯率。

3.6 1位數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼顯示電路顯示十個十進制數(shù)，較邏輯電平顯示電路更為直觀。本部分電路包括一個1位數(shù)碼管插座、限流電阻R17-R24和A-G五個連接點，這些連接點分別與數(shù)碼管中的發(fā)光二極管相連接，其中COM連接點是數(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，如果安裝共陽極數(shù)碼管，則將COM連接點連接到電源的+5V一端，如果安裝共陰極數(shù)碼管，則將COM連接點連接到電源的GND一端。

3.7 IC插座測試電路

IC插座就是可以插入多引腳集成電路的腳座。本實驗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，每個插座的引腳都要與外圍的連接點相連接，在需連接集成電路引腳時直接用導(dǎo)線連接到對應(yīng)的連接點，進行“棚架式”搭建電路，同時實現(xiàn)多塊實驗板也能互相拼接，以滿足更復(fù)雜的數(shù)字電路實驗。

4 結(jié)論

綜上所述，我國目前高校所用的數(shù)字電路實驗板確實有待改進。由分析可知：使數(shù)字電路實驗板改進原有的體積大、故障多、成本高的特點，增強數(shù)字電路實驗板的便攜性、操作性和穩(wěn)定性，設(shè)計出既滿足基本的電路教學(xué)，又能完成相對復(fù)雜電路實驗的便攜性簡易數(shù)字電路實驗板可以打破了教學(xué)的地域限制，提高了學(xué)生實驗的速度，可以引導(dǎo)學(xué)生有關(guān)電路設(shè)計的思想，也讓學(xué)生的動手能力進一步提升，讓電子類課程的教學(xué)成果更加顯著。

[1]趙巧妮．便攜式簡易數(shù)字電路實驗板的設(shè)計[J]．科技廣場,2016,04:46-48．

[2]黃穎松．簡易型數(shù)字集成電路實驗板[J]．電子世界,2013,15:103．