便携式数字电路实验板的设计

余娟

【摘 要】数字电路实验设备是学习数字电子技术的必要实验装置。针对传统实验箱体积大、重量重、携带不方便等缺点，设计了一种便捷的数字电路实验板：采用USB电源供电；能提供数字电路实验需要的高电平、低电平或矩形波信号；能简单、准确区分逻辑电平的各种状态；能进行数码管的相关实验；能直观显示BCD码对应的十进制数码；能搭建各种实验电路。本实验电路板具有便捷、准确、实验功能丰富等特点。

【关键词】数字电子技术；数字电路实验板；便捷；逻辑电平显示电路；USB供电

数字电子技术是高等理工科院校电类专业的一门重要专业基础课，而数字电路实验设备是学习数字电子技术的必要实验装置。传统的数字电路实验设备常常做成实验箱的形式，需要220V交流电源供电，不能随时随地开展实验，并且体积和重量都较大，携带很不方便。

本文设计一种便捷的数字电路实验板，由电源电路、逻辑电平发生电路、逻辑电平显示电路、脉冲发生电路、数码管实验电路、BCD码显示电路和电路搭建模块等七大部分组成。电路板可提供+5V直流电源，产生数字电路实验需要的高电平、低电平或矩形波信号，简单、准确地区分低电平、高电平、高阻（含悬空）或脉冲信号这四种逻辑电平状态，并能进行数码管实验，显示BCD码对应的十进制数码，搭建各种实验电路等，从而实现功能灵活的、可开展多种实验、便捷的数字电路实验设备。

1 电源电路

电源电路为数字电路实验板上的其它电路提供+5V直流电源。采用通用串行总线USB母座接口可直接从电脑、电源适配器或充电宝获得+5V直流电源，从而实现随时随地开展数字电路实验，体现实验电路板的可便携性。USB母座接口的Vcc端和GND端分别连接多针排母，以同时输出多路+5V电源。

2 逻辑电平发生电路

逻辑电平发生电路可以产生高或低电平信号。采用3脚2档拨动开关，其上端接+5V电源端，下端接地，中间为信号输出端。当开关拨到上端时，输出高电平（+5V）信号；当开关拨到下端时，输出低电平（0V）信号。若采用多个拨动开关将其上、下端并联，则可输出多路电平信号。

3 逻辑电平显示电路

数字信号常见的逻辑电平状态有四种：低电平、高电平、高阻（含悬空）、脉冲信号，逻辑电平显示电路可以简单、准确地区分逻辑电平的各种状态，电路原理如图1所示。

阈值电压由电阻R1与电位器RV1串联分压决定，调节电位器的阻值可以改变比较器的阈值电压。当测试信号电位低于阈值电压（即为低电平）时，比较器U1输出高电平，发光二极管 LED1-GREEN点亮；而比较器U2输出低电平，因此与门U3输出低电平，发光二极管LED1-RED不亮。

图1 逻辑电平显示电路原理图

当测试信号电位高于阈值电压（即为高电平）时，比较器U1输出低电平，LED1-GREEN不亮，而比较器U2输出高电平。同时，由于测试信号为高电平（常接近电源电压），经过两只二极管降压（1.4V）后的电平仍然为高，因此与门U3输出高电平， LED1-RED点亮。

当测试信号为脉冲信号（即高、低电平交替）时，以上两种状态交替变换。

当测试信号为高阻状态（含悬空）时，测试信号端电位由电阻R2、二极管D1、二极管D2、电阻R3串联支路分压决定。以电源电压Vcc为5V、设定比较器阈值电压为2.3V为例，测试信号端的电位为：

U测试端=（5-1.4）*4.7k/（10k+4.7k）+1.4≈2.6V 【式1】

由于閾值电压低于测试端电位，因此比较器U1输出低电平， LED1-GREEN不亮，而比较器U2输出高电平，即与门U3的1脚输入高电平。同时，与门U3的2脚输入端电位为：

U测试端=（5-1.4）*4.7k/（10k+4.7k）≈1.2V【式2】

此逻辑状态区分电路中与门U3可以使用型号为C4081的逻辑器件，1.2V被其视为低电平输入，因此与门U3输出低电平，LED1-RED不亮。

4 脉冲发生电路

脉冲发生电路用于产生1Hz或10Hz矩形波信号。采用555构成的多谐振荡器，能输出频率为1Hz和10Hz的矩形波信号。拨动开关K2，可以选择输出信号频率为1Hz还是10Hz。

5 数码管实验电路

数码管实验电路可以用来进行数码管的相关实验，例如测试共阴极数码管或共阳极数码管的逻辑功能等，电路原理如图2所示。操作拨动开关K3，可以选择测试器件为共阴极数码管还是共阳极数码管。

图2 数码管实验电路原理图

6 电路搭建模块

电路搭建模块由多块面包板拼接而成，面包板的数量可由用户根据实验需求确定。可根据实验内容在面包板上插放各种电子元器件，如数字逻辑器件、电阻器和电容器等常用电子元器件，也可根据实验需要搭建电路，从而免去元器件的焊接工作，而且元器件可以重复使用，实现实验种类的多样性。

本文设计的数字电路实验板具有便捷、实验种类丰富、实验结果准确的特点，可用于学生在课堂上根据学习进度随时开展实验，或用于学生课后自由动手实践，也可应用在课程设计或毕业设计等课程学习中。本实验电路板已经应用在我校2014届和2015届应用电子技术专业学生数电课程学习中，教学效果好，得到了学生的认可。

【参考文献】

[1]林珊，金福江.数字电路综合实验设计与研究[J].高等理科教育，2002（6）.

[2]谢永超.数字电子电路分析与应用[M].人民邮电出版社，2015.endprint