基于虛實技術結合的電子電路三合一實驗箱設計

彭文竹，王 欽，楊 璐

(集美大學誠毅學院，福建廈門 361021)

0 引言

“電路分析”“模擬電路”和“數字電路”實驗課程是電子信息類專業應用性較強的必修課程[1-5].其主要任務是讓學生利用工程實驗設計加深對相關課程理論原理的理解，掌握相應的實驗設計及測試方法，提升學生的動手實踐能力.然而，很多高校依然采用傳統的實驗教學模式，實驗設備往往都是采用企業定制好的固定實驗電路板，學生只需進行簡單的連線，并在相關儀器設備上進行實驗驗證測試，學生通過這種實驗模式很難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，較難實現自主實驗創新設計，從而制約著綜合性工程應用實驗的開展[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備進行整合，采用自主創新實驗模式，設計一款三合一電子電路實驗箱，配以虛擬儀器及相應口袋實驗模塊，即可滿足電路分析、模擬電路和數字電路等多門課程實驗實踐教學以及電子信息類學科競賽開放設計要求，不僅能提高學生自主實驗能力，還可增加實驗設備使用率，有效節約實驗室建設經費.

1 設計思路

三合一實驗箱設計主要目的為滿足“電路分析”“模擬電路”和“數字電路”等多門課程實驗統一規范進行，鍛煉學生自主實驗能力，主要有以下特點.

1.1 自主實驗電路設計

實驗箱上設計面包板自主電路搭建區，學生需根據實驗要求，利用面包板進行基礎性電路及綜合性實驗電路的自主搭建驗證、設計和測試，摒棄利用傳統現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合

NI myDAQ虛擬儀器模塊包含有數字萬用表、示波器、函數發生器和波特圖分析儀等多種測試儀器[9-11].因此，可在實驗箱上設計NI myDAQ模塊接口區域，通過專用設計接口線進行連接，將其信號轉換至實驗箱上，實現現實電路和虛擬儀器的綜合實驗測試，節約儀器儀表建設經費.

1.3 多課程學習

實驗箱上根據多門課程特點，設置有電路分析實驗區、模擬電路實驗區和數字電路實驗區，學生可根據課程要求，結合不同實驗模塊完成相應課程實驗.

1.4 多種導線接口

實驗箱上各模塊接線點設計有通用銅芯導線接口、面包板導線接口，根據不同課程特點，在相應部分區域增加排針接口、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，以及不同專業學生實驗需求.

2 三合一實驗箱整體方案及主要模塊設計

根據設計思路及課程內容要求，實驗箱整體設計方案如圖1所示.

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

2.1 實驗箱主要模塊設計

2.1.1 實驗箱導線接口的設計 因電子電路實驗教學平臺將開展多門專業基礎課程實驗，且需滿足電類與非電類專業學生需求，因此有以下導線接口設計方案：

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

(2)為方便電流轉接測試等功能及非電類專業學生實驗需求，所有接口均設計有1個銅芯導線接口；

(3)為滿足數字電路FPGA系統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路邏輯開關電路各端口增加設計2個排針接口；

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

2.1.2 NI myDAQ口袋平臺實驗信號區設計 為實現電子電路實驗箱和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面板接口位置，實現NI myDAQ模塊I/O接口與實驗箱之間的信號轉換，信號轉換接口設置在實驗箱右上角，設計布局如圖2所示.DB25針串口線路各信號接口對應含義如表1所示.圖3是連接線實物圖.

圖2 三合一實驗箱與NI myDAQ信號轉換設計布局圖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信號接口對應連接表Tab.1 Connection table of DB25 pin and NI myDAQ signal interface

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

圖4 多路直流穩壓電源及可調直流電源設計布局圖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 譯碼顯示電路設計 譯碼顯示電路采用共陰極數碼管及CD4511BCD碼七段譯碼器驅動電路.CD4511是一種七段譯碼CMOS電路，所提供的拉電流相對較大，有BCD轉換、消隱和鎖存控制等特點[11].該譯碼顯示電路可用于數字電路技術等綜合設計實驗中.圖6所示為4位BCD譯碼顯示電路設計布局圖.

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

2.1.5 數字邏輯輸入輸出電路設計 實驗箱設計有12路數字邏輯電平顯示電路、12位邏輯電平輸出電路，該模塊電路不僅設計有LED指示燈，預留有排針接口，以滿足數字電路綜合設計實驗中FPGA系統板通過杜邦線進行連接測試.圖7所示為12路數字邏輯電平指示和輸出模塊設計布局圖，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 單次脈沖源電路設計 系統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反相緩沖器構成，可同時產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 實驗箱整體結構及模塊布局 根據以上主要模塊設計原理，合理分布各實驗模塊，如圖10所示為電子電路實驗箱整體實物圖.實驗箱數字電路芯片插槽部分包含有2個8腳、3個14腳及3個16腳帶開關芯片管腳座，設計有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、鈕子開關與電流測試轉接口等相應器件模塊.實驗時，結合計算機、相關實驗器件和FPGA實驗板，采用虛擬儀器設備即可完成多門實驗課程教學.

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用

根據虛實結合、層次遞進式教學理念，電路分析、模擬電路和數字電路課程實驗包含有基礎驗證性、設計性、綜合性項目實驗，電子電路實驗箱結合FPGA系統板、NI myDAQ口袋模塊和計算機，便可完成三門課程實驗教學.經過多次設計改版及調試，該實驗箱已在本校電子、通信、自動化、物聯網、計算機、智能制造、機械電子與機械工程等多個專業實驗課程及學科競賽訓練中使用，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的實驗教學項目，圖11-圖14所示為實驗時實物搭建電路及相應仿真設計電路、實物電路測試示意圖.

表4 三合一實驗箱開設數字電路實驗項目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計數器實物電路測試和proteus仿真圖Fig.14 Real circuit and simulation diagram of MSI counter

4 結語

根據電子信息類專業“電路分析”“模擬電路”與“數字電路”實驗課程特點，所設計的基于虛實結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和課程設計，還可作為學生課外開放自主實驗創新、電子信息類學科競賽訓練平臺使用.經過多次調試、改進，我校已建設有該實驗設備共計130臺套，并已投入至電子電路虛擬儀器綜合實驗室使用.該實驗箱在教學過程中，通過學生自主設計、調試與故障分析判斷等步驟，較大提高了學生的學習積極主動性，學生自主創新能力、動手實踐能力普遍增強，實驗教學效果顯著提升.