基于黑匣子的门电路逻辑功能测试实验设计

梁丽勤, 徐天运, 张宝健, 才 溪

(1. 东北大学秦皇岛分校 实验教育中心， 河北 秦皇岛 066004； 2. 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院，河北 秦皇岛 066004； 3. 东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院, 河北 秦皇岛 066004)

基于黑匣子的门电路逻辑功能测试实验设计

梁丽勤1, 徐天运2, 张宝健2, 才 溪3

(1. 东北大学秦皇岛分校 实验教育中心， 河北 秦皇岛 066004； 2. 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院，河北 秦皇岛 066004； 3. 东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院, 河北 秦皇岛 066004)

设计了基于黑匣子的门电路逻辑功能测试实验,同时设计了黑匣子实验模块及其保护电路等装置。学生通过设计实验电路、测量实验数据,利用所学逻辑知识推理得出黑匣子内部所用74LS系列的二输入门电路芯片类型。学生实验的兴趣和实验效果得到提高,在数字电子技术基础实验教学中具有重要的意义。

综合设计性实验； 黑匣子实验模块； 保护电路

数字电子技术课程实验中,传统的门电路逻辑功能测试实验的设计是验证性实验[1-3]。现有模电/数电综合实验台没有设计对于实验芯片的防反接保护电路[4-5],而门电路逻辑功能测试实验是数字电子技术课程的第一个实验,学生对芯片的使用掌握不熟练,经常发生电源正负极反接或不接的情况,导致实验芯片的损坏或实验的失败。

1 黑匣子实验模块设计

受“黑匣子”[6-8]理论的启发,以及对数字电子技术实验教学改革研究的思考[9-11],设计了一种黑匣子实验模块(见图1),它是基于门电路的逻辑功能测试实验的重要组成部分,旨在利用黑匣子实验模块,将原有验证性实验进一步延伸为综合设计性实验。学生可利用黑匣子中所包含的实验模块自行设计测试电路,根据已知条件分析经测试所得输入和输出数据,来探究其内部存在的逻辑关系。

1.1 黑匣子实验模块外观设计

黑匣子实验模块的设计包含黑匣子模块面板(见图2)、黑匣子外壳、黑匣子保护电路(见图3)。

其中,黑匣子模块面板上放置一个类似于芯片外观的小盒子来模拟未知的芯片,这个小盒子内部没有放置芯片,只是为了模拟芯片的外观。实际的实验芯片放置在黑匣子模块面板背面的保护电路的芯片底座上,因此学生无法通过黑匣子的外观观察得知芯片的型号和功能。在未知芯片小盒子四周设计了相应的芯片引脚,学生可以通过这些引脚孔连接导线,完成测试电路的搭建。为了便于实验管理人员的检修与维护,本设计将黑匣子的外壳设计为开放式的结构,实验管理人员可以根据不同的实验要求,在保护电路的芯片底座上放入不同功能的芯片。

图1 黑匣子实验模块外观设计

图2 黑匣子模块面板正面图

图3 基于Multisim13.0的黑匣子模块面板背面电路图

1.2 黑匣子实验模块保护电路

由于学生初次接触门电路芯片,对芯片的使用不够熟练,经常会出现电源正负极接反或不接的情况,这直接导致了实验芯片的损坏或实验的失败。鉴于这种情况,为了避免芯片的损坏,设计了黑匣子模块保护电路(见图3),其具有声光报警指示和防反接保护功能。当电源连接正确时,即芯片的7号引脚经D1接地,14号引脚接VCC时,芯片可以正常工作,同时绿色的指示灯亮,提示工作正常；当电源反接时,D1放置方式不变,此时红色指示灯亮及蜂鸣器报警,提示工作异常,同时芯片电源两侧的D1保证芯片正负极之间断开,防止芯片反接烧毁；当电源没有接通时,绿色指示灯和红色指示灯均不亮,蜂鸣器静默,提示电源没有连接。

2 实验设计

实验目的:通过黑匣子门电路逻辑能测试实验,要求学生理解和掌握与或非等常用的逻辑关系和常用门电路芯片的使用。

实验过程中,学生对黑匣子内部的实验芯片的型号是未知的,只知道黑匣子内的芯片是2输入14个引脚的门电路(与门74LS08、或门74LS32、与非门74LS00、或非门74LS02、异或门74LS86)中的一种。根据芯片引脚图,自行设计实验电路图,按照输入的逻辑电平状态测试输出逻辑电平状态。通过输入与输出的对应逻辑电平状态,进一步确定输入输出之间的逻辑关系(如:Y=AB或Y=A+B等),最终确定黑匣子内部是哪种功能或型号的芯片。

3 实验应用效果

(1) 提高了学生的实验兴趣,培养其独立进行电路设计与测试的能力。该实验设计使学生带着探究黑匣子内部的实验芯片的问题去实验,充分调动了学生的主观能动性,实验后对所测试的门电路的功能有了更深刻的理解,并培养了学生独立进行电路设计与测试的能力。

(2) 该实验模块具有可扩展性。可以用这些不同功能的黑匣子,设计构成其他复杂的门电路、组合逻辑电路等,进一步提高学生的学习兴趣。

(3) 该实验模块具有较高的安全性和稳定性。首先由于模块设计了对芯片的保护电路,不仅可以提醒首次使用实验设备的学生如何正确地使用芯片和仪器,而且还对黑匣子内部的芯片起到了保护作用,避免了由于芯片的损坏而影响实验结果,也减轻了实验管理人员的工作量。其次,黑匣子的外壳是开放性的结构,便于实验管理人员的检修与维护。

4 结语

本实验要求学生对DIP14封装的74LS系列芯片的引脚分布和逻辑关系的基本概念掌握得很清晰,介绍了一种开放性的综合设计性实验,在门电路芯片型号未知的情况下,让学生自主设计测试电路,通过提供的实验器材搭建电路来探究芯片内部的逻辑功能、确定其型号,能锻炼学生的创新思维、激发学生的主观能动性,培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。本文将“黑匣子”思想应用到数字电子实验教学中,是针对二输入门电路逻辑功能测试实验设计的一次有益的、全新的尝试。

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Experimental design of logic function test of gate circuit based on black box

Liang Liqin1, Xu Tianyun2, Zhang Baojian2, Cai Xi3

(1. Laboratory Education Center, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China; 2. School of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China; 3.School of Computer and Communication Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004, China)

This paper presents a black box-based logic function test of the gate circuit. At the same time, the experimental module of the black box, its protection circuit and other devices are designed. By means of designing the test circuit and measuring experimental data, students could infer the 74LS series of two-input gate circuit chip type of the black box used from the logic knowledge .The interest of students in the experiment and the effect of the experiment are improved, which is of great significance in the basic experimental teaching of digital electronic technology.

comprehensive designing experiment； black box-based experiment module；protection circuit

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.044

2016-09-29 修改日期：2016-11-06

国家自然科学基金项目“基于视觉的智能健康监护关键技术研究”(61601108)资助

梁丽勤(1980—),女,河北石家庄,硕士,讲师,主要研究方向为实验教学管理与研究、图像识别.

TN79

A

1002-4956(2017)3-0173-03