彭文竹，王 欽，楊 璐

(集美大學(xué)誠毅學(xué)院，福建廈門 361021)

0 引言

“電路分析”“模擬電路”和“數(shù)字電路”實驗課程是電子信息類專業(yè)應(yīng)用性較強的必修課程[1-5].其主要任務(wù)是讓學(xué)生利用工程實驗設(shè)計加深對相關(guān)課程理論原理的理解，掌握相應(yīng)的實驗設(shè)計及測試方法，提升學(xué)生的動手實踐能力.然而，很多高校依然采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，實驗設(shè)備往往都是采用企業(yè)定制好的固定實驗電路板，學(xué)生只需進行簡單的連線，并在相關(guān)儀器設(shè)備上進行實驗驗證測試，學(xué)生通過這種實驗?zāi)Ｊ胶茈y理解真實的電路原理，無法熟悉各種元器件的具體原理及使用方法，較難實現(xiàn)自主實驗創(chuàng)新設(shè)計，從而制約著綜合性工程應(yīng)用實驗的開展[6-8].由于這三門課程有其共同的特點，因此可以將三門課程實驗設(shè)備進行整合，采用自主創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ剑O(shè)計一款三合一電子電路實驗箱，配以虛擬儀器及相應(yīng)口袋實驗?zāi)K，即可滿足電路分析、模擬電路和數(shù)字電路等多門課程實驗實踐教學(xué)以及電子信息類學(xué)科競賽開放設(shè)計要求，不僅能提高學(xué)生自主實驗?zāi)芰Γ€可增加實驗設(shè)備使用率，有效節(jié)約實驗室建設(shè)經(jīng)費.

1 設(shè)計思路

三合一實驗箱設(shè)計主要目的為滿足“電路分析”“模擬電路”和“數(shù)字電路”等多門課程實驗統(tǒng)一規(guī)范進行，鍛煉學(xué)生自主實驗?zāi)芰?，主要有以下特點.

1.1 自主實驗電路設(shè)計

實驗箱上設(shè)計面包板自主電路搭建區(qū)，學(xué)生需根據(jù)實驗要求，利用面包板進行基礎(chǔ)性電路及綜合性實驗電路的自主搭建驗證、設(shè)計和測試，摒棄利用傳統(tǒng)現(xiàn)成電路進行實驗測試的方法.

1.2 NI myDAQ虛擬儀器和實驗箱的有效結(jié)合

NI myDAQ虛擬儀器模塊包含有數(shù)字萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器和波特圖分析儀等多種測試儀器[9-11].因此，可在實驗箱上設(shè)計NI myDAQ模塊接口區(qū)域，通過專用設(shè)計接口線進行連接，將其信號轉(zhuǎn)換至實驗箱上，實現(xiàn)現(xiàn)實電路和虛擬儀器的綜合實驗測試，節(jié)約儀器儀表建設(shè)經(jīng)費.

1.3 多課程學(xué)習(xí)

實驗箱上根據(jù)多門課程特點，設(shè)置有電路分析實驗區(qū)、模擬電路實驗區(qū)和數(shù)字電路實驗區(qū)，學(xué)生可根據(jù)課程要求，結(jié)合不同實驗?zāi)K完成相應(yīng)課程實驗.

1.4 多種導(dǎo)線接口

實驗箱上各模塊接線點設(shè)計有通用銅芯導(dǎo)線接口、面包板導(dǎo)線接口，根據(jù)不同課程特點，在相應(yīng)部分區(qū)域增加排針接口、Q9座信號同軸接口等，可滿足不同模塊之間實驗時的有效連接，以及不同專業(yè)學(xué)生實驗需求.

2 三合一實驗箱整體方案及主要模塊設(shè)計

根據(jù)設(shè)計思路及課程內(nèi)容要求，實驗箱整體設(shè)計方案如圖1所示.

圖1 三合一實驗箱整體設(shè)計方案Fig.1 Design scheme of three-in-one experimental box

2.1 實驗箱主要模塊設(shè)計

2.1.1 實驗箱導(dǎo)線接口的設(shè)計 因電子電路實驗教學(xué)平臺將開展多門專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗，且需滿足電類與非電類專業(yè)學(xué)生需求，因此有以下導(dǎo)線接口設(shè)計方案：

(1)為方便面包板上所設(shè)計搭建電路和實驗箱之間的連接，實驗箱所有接口均設(shè)計有2個面包板細線銀針接口；

(2)為方便電流轉(zhuǎn)接測試等功能及非電類專業(yè)學(xué)生實驗需求，所有接口均設(shè)計有1個銅芯導(dǎo)線接口；

(3)為滿足數(shù)字電路FPGA系統(tǒng)板和實驗箱之間進行實驗連接，單次脈沖源、12路電平指示電路、12路邏輯開關(guān)電路各端口增加設(shè)計2個排針接口；

(4)NI myDAQ信號區(qū)數(shù)字輸入輸出部分增加設(shè)計有Q9座同軸線接口，方便數(shù)字電路實驗測試使用.

2.1.2 NI myDAQ口袋平臺實驗信號區(qū)設(shè)計 為實現(xiàn)電子電路實驗箱和NI myDAQ虛擬儀器模塊之間信號的有效連接，采用DB25針20芯連接線將NI myDAQ模塊的螺栓端子I/O信號直接引到實驗箱對應(yīng)面板接口位置，實現(xiàn)NI myDAQ模塊I/O接口與實驗箱之間的信號轉(zhuǎn)換，信號轉(zhuǎn)換接口設(shè)置在實驗箱右上角，設(shè)計布局如圖2所示.DB25針串口線路各信號接口對應(yīng)含義如表1所示.圖3是連接線實物圖.

圖2 三合一實驗箱與NI myDAQ信號轉(zhuǎn)換設(shè)計布局圖Fig.2 Design layout of signal conversion between three-in-one experimental box and NI myDAQ

圖3 NI myDAQ信號轉(zhuǎn)換至實驗箱自制DB25連接線實物圖Fig.3 The DB25 connecting line of NI myDAQ signal convert to experimental box

表1 DB25針和NI myDAQ信號接口對應(yīng)連接表Tab.1 Connection table of DB25 pin and NI myDAQ signal interface

2.1.3 直流穩(wěn)壓電源及可調(diào)直流電源的設(shè)計 實驗箱中分別采用78、79系列穩(wěn)壓芯片設(shè)計多路±5 、±12、±15 V直流穩(wěn)壓電源，并采用LM317可調(diào)穩(wěn)壓電源芯片設(shè)計兩路0～20 V可調(diào)直流電源，以上每路電源均設(shè)置有獨立開關(guān)、電源指示燈及短路過流報警系統(tǒng).圖4所示為實驗箱中各種直流電源的具體設(shè)計布局圖，圖5為±12 V直流電源及0～20 V可調(diào)穩(wěn)壓電源設(shè)計電路原理.

圖4 多路直流穩(wěn)壓電源及可調(diào)直流電源設(shè)計布局圖Fig.4 Design layout of multi-channel DC power and adjustable DC power

圖5 直流電源模塊部分原理圖Fig.5 Schematic diagram of DC power module

2.1.4 譯碼顯示電路設(shè)計 譯碼顯示電路采用共陰極數(shù)碼管及CD4511BCD碼七段譯碼器驅(qū)動電路.CD4511是一種七段譯碼CMOS電路，所提供的拉電流相對較大，有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制等特點[11].該譯碼顯示電路可用于數(shù)字電路技術(shù)等綜合設(shè)計實驗中.圖6所示為4位BCD譯碼顯示電路設(shè)計布局圖.

圖6 譯碼顯示電路設(shè)計布局圖Fig.6 Design layout of decoding display circuit

2.1.5 數(shù)字邏輯輸入輸出電路設(shè)計 實驗箱設(shè)計有12路數(shù)字邏輯電平顯示電路、12位邏輯電平輸出電路，該模塊電路不僅設(shè)計有LED指示燈，預(yù)留有排針接口，以滿足數(shù)字電路綜合設(shè)計實驗中FPGA系統(tǒng)板通過杜邦線進行連接測試.圖7所示為12路數(shù)字邏輯電平指示和輸出模塊設(shè)計布局圖，圖8為邏輯電平輸入輸出電路原理圖.

圖7 十二位邏輯電平輸入輸出設(shè)計布局圖Fig.7 Design layout of 12 bit logic level I/O圖8 邏輯電平輸入輸出電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of logiclevel input and output circuit

2.1.6 單次脈沖源電路設(shè)計 系統(tǒng)單次脈沖模塊電路提供有2路獨立的正負脈沖信號，該單脈沖電路由74LS00與非門、CD4050反相緩沖器構(gòu)成，可同時產(chǎn)生正負單次脈沖信號，圖9為單次脈沖信號電路原理圖.

2.1.7 實驗箱整體結(jié)構(gòu)及模塊布局 根據(jù)以上主要模塊設(shè)計原理，合理分布各實驗?zāi)K，如圖10所示為電子電路實驗箱整體實物圖.實驗箱數(shù)字電路芯片插槽部分包含有2個8腳、3個14腳及3個16腳帶開關(guān)芯片管腳座，設(shè)計有0.1、1、4.7、10、47、100、470 KΩ和1 MΩ等多種多圈電位器，并有整流橋、瓷罐線圈、撥碼盤、鈕子開關(guān)與電流測試轉(zhuǎn)接口等相應(yīng)器件模塊.實驗時，結(jié)合計算機、相關(guān)實驗器件和FPGA實驗板，采用虛擬儀器設(shè)備即可完成多門實驗課程教學(xué).

圖9 單次脈沖電路原理圖Fig.9 Schematic diagram of single pulse circuit圖10 三合一實驗箱實物圖Fig.10 Real diagram of three-in-one experimental box

3 三合一實驗箱在多門實驗課程中的應(yīng)用

根據(jù)虛實結(jié)合、層次遞進式教學(xué)理念，電路分析、模擬電路和數(shù)字電路課程實驗包含有基礎(chǔ)驗證性、設(shè)計性、綜合性項目實驗，電子電路實驗箱結(jié)合FPGA系統(tǒng)板、NI myDAQ口袋模塊和計算機，便可完成三門課程實驗教學(xué).經(jīng)過多次設(shè)計改版及調(diào)試，該實驗箱已在本校電子、通信、自動化、物聯(lián)網(wǎng)、計算機、智能制造、機械電子與機械工程等多個專業(yè)實驗課程及學(xué)科競賽訓(xùn)練中使用，并取得較好的實驗效果.表2-表4所示為本校在該實驗箱所開設(shè)的實驗教學(xué)項目，圖11-圖14所示為實驗時實物搭建電路及相應(yīng)仿真設(shè)計電路、實物電路測試示意圖.

表4 三合一實驗箱開設(shè)數(shù)字電路實驗項目Tab.4 Digital circuit experiment project of three-in-one experiment box

圖11 可控四位代碼轉(zhuǎn)換器實物電路測試和實驗仿真圖Fig.11 Real circuit and simulation diagram of controllable four bit code converter

圖12 溫度檢測電路實物電路測試和電路仿真圖Fig.12 Real circuit and simulation diagram of temperature detection circuit

圖13 共射極放大電路實物電路及輸入輸出波形測量圖Fig.13 Real circuit and measurement diagram of common emitter amplifier

圖14 MSI計數(shù)器實物電路測試和proteus仿真圖Fig.14 Real circuit and simulation diagram of MSI counter

4 結(jié)語

根據(jù)電子信息類專業(yè)“電路分析”“模擬電路”與“數(shù)字電路”實驗課程特點，所設(shè)計的基于虛實結(jié)合模式的三合一電子電路實驗箱不僅適用于多門課程實驗教學(xué)和課程設(shè)計，還可作為學(xué)生課外開放自主實驗創(chuàng)新、電子信息類學(xué)科競賽訓(xùn)練平臺使用.經(jīng)過多次調(diào)試、改進，我校已建設(shè)有該實驗設(shè)備共計130臺套，并已投入至電子電路虛擬儀器綜合實驗室使用.該實驗箱在教學(xué)過程中，通過學(xué)生自主設(shè)計、調(diào)試與故障分析判斷等步驟，較大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動性，學(xué)生自主創(chuàng)新能力、動手實踐能力普遍增強，實驗教學(xué)效果顯著提升.