数字电路开发板

研究背景

“数字电路”是中职学校电工、电子、机电、信息、通信等专业的一门非常重要的专业课.在实际教学中,多数中职学校的教师们往往只是在黑板上进行电路分析和逻辑分析,实际效果非常抽象,学生难于理解和掌握有关知识点.目前,针对这门课程所用到的实验、实训设备,要么是实验箱,要么是实训桌.这些设备存在成本较高（数千元甚至上万元）、操作不够灵活等问题,一般条件不够好的学校都没有能力配备使用.在使用这些设备的学校中也普遍存在损坏严重、使用率不高等现象.更主要的是,这种实验箱、实训桌开发创新的功能不够强,基本上只能按部就班进行操作,对学生的创新思维培养极为不利,而且对学生的专业能力和动手能力培养的效果也不是很好,更谈不上让学生进行数字电路的开发.为解决这些问题,我经过不断查找资料,不断与学校老师、企业技术人员探讨,不断改进,最终设计出这种数字电路开发板.

开发板结构及工作原理实现过程

总体结构

完成后的开发板如图1所示.此开发板采用层叠结构,整个开发板分为主板和扩展板（可多块）,扩展板可用4个螺丝固定在主板的上方.开发板的主板上设置了稳压电源、可调电源、信号发生、触发脉冲、BCD译码、数码显示、二极管显示、按键、开关等电路,扩展板上设置了众多的电子元件扩展接线柱或集成电路测试座.各电子元件的连接是通过固定在开发板上的铜鸡眼进行插按的,具有结实耐用、直观明了的特点.图1显示的是开发板上安装了1块NE555和1块CD4017集成电路以及几个阻容元件,安装了1个十进制闪烁电路.图1中,1块扩展板已经装在主板上,主板和扩展板也能分开放置.扩展板还可以进行多层构建.

电源电路

稳压电源、可调电源电路如图2所示.

三极管V101、V102、可控硅T、红色发光二极管LEDl以及电阻R101、R102、R103、R104、R105、R106、电容C103等组成过载保护、过载指示电路.三极管V101、V102组成复合三极管.平时可控硅T截止,复合三极管通过R101、R102得到电流而工作.当流过负载的电流达到300mA以上时,R105上的压降达到0.7V左右,导致可控硅T被触发导通,对应复合三极管截止,切断电源输出,同时红色LEDl发光指示.此时,只有先切断开关S101,对负载进行检查后,再闭合S101才能使电源恢复输出.电路中,三端稳压器7805内部具有过流保护、热保护和调整管安全工作区保护功能,由于保护措施完善,所以即便使用过程中发生输出端瞬时对地短路,也不会烧毁.二极管D101可确保外按的直流电源只能是上正下负.二极管D102可防止三端稳压器的输出端电压比输入端电压高.经过多次用导线对5V电源进行短路测试,过载保护电路每次均能可靠工作,确保5V电源安然无恙.通过调节RW101电位器的阻值,可改变0～5V的输出电压.

信号发生电路

用1块NE555时基集成电路和1块CD4069六反相器中的2个反相器,以及电位器、电阻电容等元件,组成脉冲信号发生电路.改变电位器阻值,可改变脉冲信号的频率.由于此脉冲信号是加给数字集成电路作为控制信号的,所需的负载电流很小,因此在脉冲信号输出端处设置了限流电阻,可有效防止学生因按线错误而导致开发板的损坏.

触发脉冲电路

用1块NE555时基集成电路和上文所述CD4069六反相器中的另外3个反相器,以及常开按钮、电阻电容等元件,组成触发脉冲发生电路.每按一次按钮,就可同时输出1个正脉冲、1个负脉冲.由于此脉冲信号是加给数字集成电路作为控制信号的,所需的负载电流很小,因此在脉冲信号输出端处按照与信号发生电路的相同处理方法,也设置了限流电阻,可有效防止学生因接线错误而导致开发板的损坏.

BCD译码与数码显示电路

BCD译码与数码显示电路如图3所示.

CD4511是1块用于驱动共阴极LED数码管显示器的BCD码7段译码器,具有BCD转换、消隐和锁存控制、7段译码及驱动功能.它能提供较大的拉入电流,可直接驱动LED显示器.开发板上设置了2组BCD译码、数码显示电路.每组电路都设计了4个BCD码输入插口及7个扩展输出插口.在输入插口和扩展输出插口处也都设置了限流电阻R401—404和R405R411,可有效防止学生因接线错误而导致开发板的损坏.

二极管显示、按键与开关电路

LEDI—EDl0发光二极管可作为数字集成电路输出高电平时的显示,LEDlI—ED20发光二极管可作为数字集成电路输出低电平时的显示.每个发光二极管电路中都串按有1个1的限流电阻,因此,无论学生如何错误接线也不会导致开发板的损坏.

按键电路中按键未按下时,输出为高电平；按键按下后,输出为低电平.按键与开关电路中同样设置有保护用限流电阻.

使用

使用时,不用其他任何电子元件,仅仅利用主板就可以进行有关555振荡、555触发延时、BCD译码、数码显示等电路的探究.

利用主板,外加相应的集成电路,可以进行有关数字集成电路以及555时基电路的实验验证、电路探究.

如果再利用扩展板,外加相应的电阻电容、晶体管以及集成电路等电子器件,就可以有效、方便地进行众多有关数字电路方面的电路设计、开发创新,有效实现行动导向教学、项目教学等.

例如可利用此开发板进行各种逻辑门电路包括与门、或门、与非门、或非门等的设计与创新开发,各种组合逻辑电路包括编码器、译码器、数码显示器、译码驱动器、数据选择器和数据分配器等的设计与创新开发,各种集成触发器包括基本RS触发器、同步触发器、边沿触发器等的设计与创新开发,各种时序逻辑电路包括寄存器、计数器的设计与创新开发,脉冲波形的产生、整形及其应用设计与创新开发,555时基电路及其应用设计与创新开发,等等.

项目特点及创新性

此开发板不仅能有效地进行数字电路的实验验证,更重要的是能有效地进行数字电路的创新开发.与传统的实验箱、实训桌平面化、符号化的形式不同,这种开发板是开放的,元器件以及它们的连接全部展现在学生眼前.这种开发板可用于常见的各种数字集成电路的教学实验和创新开发,输入/输出信号都能用发光二极管指示或数码管显示,具有功能较全、构造简单、低廉、体积小巧、不易损坏、开放直观、创新性强、易于推广等特点.教学中使用这种开发板,能真正实现理论与实践相结合,非常适合行动导向教学法、项目教学法和系统分析法的开展,对学生行动能力开发、关键能力培养非常有效,可以大大提高学生的实践能力、操作能力、创新能力和解决实际问题的能力.此开发板的优点和创新性体现在如下几个方面：

功能较全.几乎所有中职数字电路课程教学中讲到的电路都能进行实验、验证.

构造简单.只要具备当前一般中职学生的基础,都能很快熟练操作使用,顺利进行创新开发.

低廉.每套成本不到100元,一般的中职学校都能实现人手一套,确保行动导向教学法、项目教学法的顺利开展.

体积小巧.采用层叠结构,可以在较小的面积内进行更多的电路连接、电路设计.

不易损坏.多重的短路保护、限流保护,一改传统实训桌、实验箱的娇气,能有效防止开发板因线路按错而造成损坏.

开放直观.开发板上各部分的电路组成直观明了,而不必像传统实训桌、实验箱那样“暗箱操作”.

此开发板经过1年多在多个中职学校使用,感觉效果很好.对学生学习兴趣的培养、行动能力的开发,以及对实践能力、操作能力和创新能力的提高都非常有效.

该项目获得第27届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果物理教学类一等奖.

该项目的主要内容是有机地集成了数字电路的相关教学演示内容.该项目原理科学,概念清晰,构思巧妙,设计合理,作品教育性强.项目选题新颖,具有实质性创新对传统方法有突破.作品效果显著,制作规范,具有示范推广价值.