便攜式簡易數字電路實驗板的設計

廣東嶺南職業技術學院 黃國爵

便攜式簡易數字電路實驗板的設計

廣東嶺南職業技術學院 黃國爵

目前我國高校的數字電路技術課程都會用到數字電路實驗箱或實驗板，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?，本文為方便實驗，針對目前的實驗板進行設計改進，設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位數碼顯示功能的便攜式簡易數字電路實驗板。

數字電路；實驗板；IC插座

1 引言

本文在設計這種便攜式簡易數字電路實驗板時，力求做到體積小成本低，時刻關注設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生研究學習使用的簡易數字電路實驗板。經實踐證明，該實驗板能完全滿足任何地點任何形式的實驗要求，現分享出實驗板的結構和原理，希望為廣大師生提供便利。

2 便攜式簡易數字電路實驗板電路原理和優勢分析

本文設計的便攜式簡易數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。該便攜式簡易數字電路實驗板具體由電源部分、邏輯開關輸入部分、邏輯開關輸入電路部分、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，分別負責高低電平提高，4個直插芯片幫助實驗板進行電路拼接。邏輯電平開關負責接收制數字邏輯高、低電平信號，邏輯電平顯示電路顯示電平的高低狀態，數碼顯示電路顯示0-9數字之間的十進制數，IC測試插座安插四種規格的芯片，四種規格分別為：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]。

相比現有的數字電路實驗板，該電路板更易于操作，實驗板的操作面板比現有的實驗箱更簡潔，簡化了實驗操作，更適應初學。且采用鉚釘連接導線的方式更可靠，解決了現有的實驗箱經常發生的接觸不良問題。由于體積小，材料低廉，實驗板的成本只需幾十元，學生可自行制作，方便了課程開展。實驗板的內部結構簡單，即使長時間高頻率使用導致實驗板發生故障，學生也可以在簡單指導下輕松維修。

3 便攜式簡易數字電路實驗板組成設計

3.1 電源部分

實驗板電源電路用直流電源插座將5V/1A的開關直流電源作為穩定電源。開關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重短路的損害，降低故障發生幾率。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。邏輯電平產生電路、單次脈沖產生電路、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線連接電源供電。

3.2 邏輯電平開關輸入電路

邏輯電平開關輸入電路由4個邏輯開關K1～K4及兩端的VCC和GND共同組成。四個開關連接到兩端的VCC和GND，模擬8位的二進制數，負責邏輯電平開關輸入電路高電平和低電平的輸出。開關分為上中下三擋，當開關撥至上檔時，開關連接到VCC端，則輸出電平為高電平（1），撥至下檔時，開關連接到GND端，則輸出電平為低電平（0），開關懸置中檔時為高阻狀態，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。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、發光二極管VD1和VD2。當電路測出高電平時，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L1-L8的輸入連接點被輸入為低電平時，VT2導通，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生的1HZ矩形波信號為數字電路提供時鐘信號，而1HZ的脈沖信號由多諧振蕩器產生。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狀態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 單次脈沖產生電路

本電路主要包含一個按鈕開關和一個集成電路IC5，IC5中的兩個與非門組成一個RS觸發器。RS觸發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，那么觸發器的輸出端會表現出一種互補的穩定狀態，在R=1、S=0時，稱之為S端，觸發器為置位，反之則為復位。在電路中利用這種特點，當按動一次按鈕開關時，觸發器輸出1個無抖動的高電平脈沖在DQ1輸出連接點上，用以計數器實驗，從而有效得防止在輸入單個脈沖時產生多個脈沖串，減少實驗出錯率。

3.6 1位數碼管顯示電路

數碼顯示電路顯示十個十進制數，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碼管中的發光二極管相連接，其中COM連接點是數碼管的公共引腳。在用導線將數碼管安裝在插座上時，如果安裝共陽極數碼管，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線連接到對應的連接點，進行“棚架式”搭建電路，同時實現多塊實驗板也能互相拼接，以滿足更復雜的數字電路實驗。

4 結論

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

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

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