梁麗勤, 徐天運(yùn), 張寶健, 才 溪

(1. 東北大學(xué)秦皇島分校 實(shí)驗(yàn)教育中心， 河北 秦皇島 066004； 2. 東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 3. 東北大學(xué)秦皇島分校 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004)

基于黑匣子的門電路邏輯功能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

梁麗勤1, 徐天運(yùn)2, 張寶健2, 才 溪3

(1. 東北大學(xué)秦皇島分校 實(shí)驗(yàn)教育中心， 河北 秦皇島 066004； 2. 東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 3. 東北大學(xué)秦皇島分校 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004)

設(shè)計(jì)了基于黑匣子的門電路邏輯功能測試實(shí)驗(yàn),同時(shí)設(shè)計(jì)了黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K及其保護(hù)電路等裝置。學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路、測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用所學(xué)邏輯知識(shí)推理得出黑匣子內(nèi)部所用74LS系列的二輸入門電路芯片類型。學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣和實(shí)驗(yàn)效果得到提高,在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要的意義。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)； 黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K； 保護(hù)電路

數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)的門電路邏輯功能測試實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[1-3]?，F(xiàn)有模電/數(shù)電綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)沒有設(shè)計(jì)對于實(shí)驗(yàn)芯片的防反接保護(hù)電路[4-5],而門電路邏輯功能測試實(shí)驗(yàn)是數(shù)字電子技術(shù)課程的第一個(gè)實(shí)驗(yàn),學(xué)生對芯片的使用掌握不熟練,經(jīng)常發(fā)生電源正負(fù)極反接或不接的情況,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)芯片的損壞或?qū)嶒?yàn)的失敗。

1 黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

受“黑匣子”[6-8]理論的啟發(fā),以及對數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究的思考[9-11],設(shè)計(jì)了一種黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖1),它是基于門電路的邏輯功能測試實(shí)驗(yàn)的重要組成部分,旨在利用黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K,將原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步延伸為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可利用黑匣子中所包含的實(shí)驗(yàn)?zāi)K自行設(shè)計(jì)測試電路,根據(jù)已知條件分析經(jīng)測試所得輸入和輸出數(shù)據(jù),來探究其內(nèi)部存在的邏輯關(guān)系。

1.1 黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K外觀設(shè)計(jì)

黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)包含黑匣子模塊面板(見圖2)、黑匣子外殼、黑匣子保護(hù)電路(見圖3)。

其中,黑匣子模塊面板上放置一個(gè)類似于芯片外觀的小盒子來模擬未知的芯片,這個(gè)小盒子內(nèi)部沒有放置芯片,只是為了模擬芯片的外觀。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)芯片放置在黑匣子模塊面板背面的保護(hù)電路的芯片底座上,因此學(xué)生無法通過黑匣子的外觀觀察得知芯片的型號(hào)和功能。在未知芯片小盒子四周設(shè)計(jì)了相應(yīng)的芯片引腳,學(xué)生可以通過這些引腳孔連接導(dǎo)線,完成測試電路的搭建。為了便于實(shí)驗(yàn)管理人員的檢修與維護(hù),本設(shè)計(jì)將黑匣子的外殼設(shè)計(jì)為開放式的結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)管理人員可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求,在保護(hù)電路的芯片底座上放入不同功能的芯片。

圖1 黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K外觀設(shè)計(jì)

圖2 黑匣子模塊面板正面圖

圖3 基于Multisim13.0的黑匣子模塊面板背面電路圖

1.2 黑匣子實(shí)驗(yàn)?zāi)K保護(hù)電路

由于學(xué)生初次接觸門電路芯片,對芯片的使用不夠熟練,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電源正負(fù)極接反或不接的情況,這直接導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)芯片的損壞或?qū)嶒?yàn)的失敗。鑒于這種情況,為了避免芯片的損壞,設(shè)計(jì)了黑匣子模塊保護(hù)電路(見圖3),其具有聲光報(bào)警指示和防反接保護(hù)功能。當(dāng)電源連接正確時(shí),即芯片的7號(hào)引腳經(jīng)D1接地,14號(hào)引腳接VCC時(shí),芯片可以正常工作,同時(shí)綠色的指示燈亮,提示工作正常；當(dāng)電源反接時(shí),D1放置方式不變,此時(shí)紅色指示燈亮及蜂鳴器報(bào)警,提示工作異常,同時(shí)芯片電源兩側(cè)的D1保證芯片正負(fù)極之間斷開,防止芯片反接燒毀；當(dāng)電源沒有接通時(shí),綠色指示燈和紅色指示燈均不亮,蜂鳴器靜默,提示電源沒有連接。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過黑匣子門電路邏輯能測試實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生理解和掌握與或非等常用的邏輯關(guān)系和常用門電路芯片的使用。

實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生對黑匣子內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)芯片的型號(hào)是未知的,只知道黑匣子內(nèi)的芯片是2輸入14個(gè)引腳的門電路(與門74LS08、或門74LS32、與非門74LS00、或非門74LS02、異或門74LS86)中的一種。根據(jù)芯片引腳圖,自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖,按照輸入的邏輯電平狀態(tài)測試輸出邏輯電平狀態(tài)。通過輸入與輸出的對應(yīng)邏輯電平狀態(tài),進(jìn)一步確定輸入輸出之間的邏輯關(guān)系(如:Y=AB或Y=A+B等),最終確定黑匣子內(nèi)部是哪種功能或型號(hào)的芯片。

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用效果

(1) 提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,培養(yǎng)其獨(dú)立進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與測試的能力。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使學(xué)生帶著探究黑匣子內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)芯片的問題去實(shí)驗(yàn),充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性,實(shí)驗(yàn)后對所測試的門電路的功能有了更深刻的理解,并培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與測試的能力。

(2) 該實(shí)驗(yàn)?zāi)K具有可擴(kuò)展性?？梢杂眠@些不同功能的黑匣子,設(shè)計(jì)構(gòu)成其他復(fù)雜的門電路、組合邏輯電路等,進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(3) 該實(shí)驗(yàn)?zāi)K具有較高的安全性和穩(wěn)定性。首先由于模塊設(shè)計(jì)了對芯片的保護(hù)電路,不僅可以提醒首次使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的學(xué)生如何正確地使用芯片和儀器,而且還對黑匣子內(nèi)部的芯片起到了保護(hù)作用,避免了由于芯片的損壞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,也減輕了實(shí)驗(yàn)管理人員的工作量。其次,黑匣子的外殼是開放性的結(jié)構(gòu),便于實(shí)驗(yàn)管理人員的檢修與維護(hù)。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生對DIP14封裝的74LS系列芯片的引腳分布和邏輯關(guān)系的基本概念掌握得很清晰,介紹了一種開放性的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),在門電路芯片型號(hào)未知的情況下,讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)測試電路,通過提供的實(shí)驗(yàn)器材搭建電路來探究芯片內(nèi)部的邏輯功能、確定其型號(hào),能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問題的能力。本文將“黑匣子”思想應(yīng)用到數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,是針對二輸入門電路邏輯功能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一次有益的、全新的嘗試。

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Experimental design of logic function test of gate circuit based on black box

Liang Liqin1, Xu Tianyun2, Zhang Baojian2, Cai Xi3

(1. Laboratory Education Center, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China; 2. School of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China; 3.School of Computer and Communication Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004, China)

This paper presents a black box-based logic function test of the gate circuit. At the same time, the experimental module of the black box, its protection circuit and other devices are designed. By means of designing the test circuit and measuring experimental data, students could infer the 74LS series of two-input gate circuit chip type of the black box used from the logic knowledge .The interest of students in the experiment and the effect of the experiment are improved, which is of great significance in the basic experimental teaching of digital electronic technology.

comprehensive designing experiment； black box-based experiment module；protection circuit

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.044

2016-09-29 修改日期：2016-11-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于視覺的智能健康監(jiān)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”(61601108)資助

梁麗勤(1980—),女,河北石家莊,碩士,講師,主要研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)管理與研究、圖像識(shí)別.

TN79

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1002-4956(2017)3-0173-03