黃文鋒

（廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361100）

一、引言

項(xiàng)目化教學(xué)的基礎(chǔ)在于理論與實(shí)踐相結(jié)合，因此，實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)教學(xué)效果的影響是十分巨大的。當(dāng)前市面上數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格昂貴，而且多數(shù)實(shí)驗(yàn)箱在使用一段時(shí)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(wú)法正常使用。此外，隨著數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)產(chǎn)品的淘汰速度亦是如此，容易出現(xiàn)學(xué)生“學(xué)非所用”、“技術(shù)脫鉤”等尷尬現(xiàn)象。實(shí)訓(xùn)設(shè)備的自主研制可以擺脫實(shí)驗(yàn)建設(shè)對(duì)教儀企業(yè)的依賴(lài)，也可以跟隨行業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行自主更新?lián)Q代，真正提升專(zhuān)業(yè)老師的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平和科研水平。

二、模塊設(shè)計(jì)原則

綜合考慮以往數(shù)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在的各種問(wèn)題，在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，主要遵循以下幾個(gè)原則：

1、本次設(shè)計(jì)是基于項(xiàng)目化教學(xué)的數(shù)電實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)，因此，在實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)上采用分項(xiàng)目分模塊設(shè)計(jì)模式，不像其他數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱將所有模塊固化在一個(gè)箱子里，而是分為各個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)功能模塊。初步設(shè)計(jì)包括集成邏輯門(mén)電路驗(yàn)證模塊、組合邏輯電路模塊、時(shí)序邏輯電路模塊、觸發(fā)器模塊、計(jì)數(shù)器模塊、555集成定時(shí)器模塊等六個(gè)模塊。

2、常規(guī)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用引線搭建電路，連接方便，實(shí)驗(yàn)方式靈活，但是有一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，即引線和接口在使用一段時(shí)間后容易出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成功率低，錯(cuò)誤檢查不易等。因此，在本電路設(shè)計(jì)之初，為了解決該問(wèn)題，決定采用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)加上部分接線柱的形式，雖然會(huì)使電路設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，但可以保證電路板使用更長(zhǎng)久，實(shí)驗(yàn)成功率提升。

3、常見(jiàn)數(shù)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)箱形式，將所有芯片集成在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，學(xué)生在使用時(shí)對(duì)電路原理不清楚，容易使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)失去興趣。因此，在本模塊設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)將電路原理圖直接顯示在模塊上，學(xué)生可以直觀地對(duì)電路原理圖進(jìn)行學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中結(jié)合該原理圖進(jìn)行操作，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的接受能力。

4、部分?jǐn)?shù)電實(shí)驗(yàn)設(shè)備為了使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便，基本只保留電路的輸入輸出接口，而功能的實(shí)現(xiàn)已提前搭建好電路并固話在電路板中，這樣會(huì)使實(shí)驗(yàn)?zāi)K的功能性大大降低，學(xué)生只能做簡(jiǎn)單的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，無(wú)法自己搭建電路。因此，本電路在設(shè)計(jì)時(shí)盡量豐富實(shí)驗(yàn)?zāi)K的調(diào)試功能，增加各種調(diào)試開(kāi)關(guān)，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有更深刻的理解。

三、模塊設(shè)計(jì)構(gòu)思

模塊具體設(shè)計(jì)時(shí)，從電路設(shè)計(jì)的具體要求出發(fā)，主要考慮了以下幾個(gè)方面：

1、電路模塊搭建完成后，均先通過(guò)multisim 10軟件進(jìn)行仿真，在確認(rèn)電路無(wú)誤、實(shí)驗(yàn)功能完整實(shí)現(xiàn)后，再進(jìn)行PCB繪圖制板，提高制板效率。

2、為了方便學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和理解，實(shí)驗(yàn)?zāi)K在設(shè)計(jì)之初就考慮將電路原理圖顯示在實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，本設(shè)計(jì)將電路板絲印層進(jìn)行改造，原本顯示在頂層絲印層的元件符號(hào)等改至底層絲印層，將原理圖繪制在頂層絲印層，簡(jiǎn)單明了，便于學(xué)生掌握電路原理。

3、為了使頂層僅顯示電路原理圖，必須對(duì)電路進(jìn)行改造，常規(guī)設(shè)計(jì)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(duì)各個(gè)元器件的電路封裝進(jìn)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(huì)超出邊界。元件的外形及標(biāo)注的層要注意選擇，因?yàn)轫攲咏z印層用于顯示電路原理圖，所以把元件的名稱(chēng)和類(lèi)型都改為底層絲印層，直插式元件的外形設(shè)置為頂層絲印層，貼片式元件的外形設(shè)置為底層絲印層。本模塊設(shè)計(jì)中的元器件封裝基本采用自行設(shè)計(jì)，元器件尺寸及管腳尺寸均需以實(shí)際元器件為參照，務(wù)必做到精確，否則容易出現(xiàn)短路或者虛焊。

4、實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路板布線和敷銅均在底層完成，實(shí)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(jìn)行敷銅時(shí)要適當(dāng)增加敷銅與元器件引腳間的距離，防止焊接時(shí)不慎短路。對(duì)于直插改底面貼片元件，因?yàn)榻尤敕绞礁淖儯身攲硬迦胱優(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(duì)調(diào)，在創(chuàng)建元件封裝時(shí)就要改變?cè)墓苣_方向。

5、實(shí)驗(yàn)?zāi)K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(dòng)開(kāi)關(guān)、接線柱、顯示用發(fā)光二極管、數(shù)碼管、輸入輸出信號(hào)接口等，在設(shè)計(jì)時(shí)這些元器件采用直插式設(shè)計(jì)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)孔，因此設(shè)計(jì)時(shí)在有過(guò)孔的地方，頂層電路原理圖和底層原件標(biāo)注保持一致，從而使電路原理圖完整準(zhǔn)確。其他位置頂層和底層可以分開(kāi)設(shè)計(jì)。

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(shí)更換。輸入輸出信號(hào)、電源接地信號(hào)等采用接線柱方式連接。為防止底層線路被學(xué)生有意或者無(wú)意的損壞，保護(hù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K使用更長(zhǎng)久，在實(shí)驗(yàn)?zāi)K底部加上保護(hù)擋板，通過(guò)螺絲及螺母將電路板與保護(hù)擋板連接，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)電路板四個(gè)角進(jìn)行開(kāi)孔，為了防止電路板割手，將電路板四個(gè)角倒圓角。

四、模塊實(shí)現(xiàn)

鑒于篇幅所限，本文僅以“計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)”數(shù)電實(shí)驗(yàn)為例，闡述電路實(shí)現(xiàn)步驟。

“計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)”數(shù)電實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诹私庥?jì)數(shù)器，譯碼器和數(shù)碼管的邏輯功能、熟悉計(jì)數(shù)器的各管腳功能以及進(jìn)一步掌握數(shù)字電路邏輯關(guān)系的使用方法。本設(shè)計(jì)使用74LS160作為主計(jì)數(shù)芯片，搭配4511譯碼器和7段數(shù)碼顯示管進(jìn)行功能顯示。學(xué)生通過(guò)搭接輸入信號(hào)、置數(shù)反饋信號(hào)、清零反饋信號(hào)、輸出反饋信號(hào)以及各個(gè)撥片開(kāi)關(guān)等實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制內(nèi)的數(shù)字計(jì)數(shù)功能。另外，還可以通過(guò)級(jí)聯(lián)端子進(jìn)行模塊與模塊的端接，實(shí)現(xiàn)一百進(jìn)制內(nèi)的數(shù)字計(jì)數(shù)功能。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下

首先使用multisim軟件進(jìn)行電路仿真，經(jīng)過(guò)調(diào)試，六進(jìn)制計(jì)數(shù)器可用，具體電路如下：

然后使用protel軟件進(jìn)行電路原理圖的繪制，考慮到要使用撥片開(kāi)關(guān)進(jìn)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(duì)電路進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑?，加了部分端接端口和?jí)聯(lián)開(kāi)關(guān)，具體電路如下：

在繪制PCB圖紙時(shí)，電路尺寸采用20cm*15cm。具體電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意：原設(shè)計(jì)輸入信號(hào)使用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)分別接高低電平，通過(guò)開(kāi)關(guān)撥動(dòng)產(chǎn)生單次脈沖信號(hào)，經(jīng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，這樣操作容易產(chǎn)生毛刺，導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。后采用555定時(shí)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，消除了毛刺，計(jì)數(shù)器正常工作。具體設(shè)計(jì)如下：

正面圖

背面圖

具體功能實(shí)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(duì)于部分?jǐn)?shù)字電路，可以多塊電路板進(jìn)行聯(lián)調(diào)，如計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)中，一塊電路板可以實(shí)現(xiàn)十以?xún)?nèi)各進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能，而要實(shí)現(xiàn)一百以?xún)?nèi)各進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能，再重新開(kāi)發(fā)電路費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可以采用兩塊十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路級(jí)聯(lián)，因此，在制作計(jì)數(shù)器電路模塊時(shí)，預(yù)留了級(jí)聯(lián)端口，可供多個(gè)模塊聯(lián)調(diào)使用，具體電路如下：

另外，數(shù)電實(shí)驗(yàn)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(dòng)開(kāi)關(guān)，容易出現(xiàn)毛刺，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢詫?55構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路或者多諧振蕩電路的輸出信號(hào)作為其他模塊的脈沖輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模塊間的聯(lián)動(dòng)使用。同理，可以采用觸發(fā)器輸出的脈沖信號(hào)作為其他模塊的脈沖輸入信號(hào)。因此，在設(shè)計(jì)觸發(fā)器模塊和555集成定時(shí)器模塊時(shí)要在輸出端預(yù)留聯(lián)調(diào)接口。

六、結(jié) 語(yǔ)

本文研究了基于項(xiàng)目化教學(xué)的數(shù)電實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了基于項(xiàng)目化教學(xué)的數(shù)電實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)，該項(xiàng)目同時(shí)配套了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。限于篇幅限制，本文重點(diǎn)介紹了“計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)。希望本文能對(duì)數(shù)字電子技術(shù)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)或數(shù)字電子技術(shù)愛(ài)好者有所幫助。