基于项目化教学的数电实验模块开发

2018-10-18黄文锋

四川职业技术学院学报 2018年4期

黄文锋

（厦门海洋职业技术学院，福建厦门 361100）

一、引言

项目化教学的基础在于理论与实践相结合，因此，实训课程的教学质量显得尤为重要，而实验设备对教学效果的影响是十分巨大的。当前市面上数字逻辑实验箱价格昂贵，而且多数实验箱在使用一段时间后，容易出现跳线接触不良、芯片损坏、电路板生锈等故障，无法正常使用。此外，随着数字电子技术的快速发展，电子产品更新换代加速，实训系统产品的淘汰速度亦是如此，容易出现学生“学非所用”、“技术脱钩”等尴尬现象。实训设备的自主研制可以摆脱实验建设对教仪企业的依赖，也可以跟随行业技术发展进行自主更新换代，真正提升专业老师的专业技术水平和科研水平。

二、模块设计原则

综合考虑以往数电实验设备存在的各种问题，在进行模块设计时，主要遵循以下几个原则：

1、本次设计是基于项目化教学的数电实验模块开发，因此，在实验模块开发上采用分项目分模块设计模式，不像其他数字逻辑实验箱将所有模块固化在一个箱子里，而是分为各个独立的实验功能模块。初步设计包括集成逻辑门电路验证模块、组合逻辑电路模块、时序逻辑电路模块、触发器模块、计数器模块、555集成定时器模块等六个模块。

2、常规数字电路实验设备采用引线搭建电路，连接方便，实验方式灵活，但是有一个严重问题，即引线和接口在使用一段时间后容易出现接触不良，导致实验成功率低，错误检查不易等。因此，在本电路设计之初，为了解决该问题，决定采用拨动开关加上部分接线柱的形式，虽然会使电路设计更为复杂，但可以保证电路板使用更长久，实验成功率提升。

3、常见数电实验设备采用实验箱形式，将所有芯片集成在实验箱内，学生在使用时对电路原理不清楚，容易使学生对实验失去兴趣。因此，在本模块设计时，会将电路原理图直接显示在模块上，学生可以直观地对电路原理图进行学习，在实验过程中结合该原理图进行操作，大大提高了学生的学习兴趣，也提高了学生对所学知识的接受能力。

4、部分数电实验设备为了使设计更简便，基本只保留电路的输入输出接口，而功能的实现已提前搭建好电路并固话在电路板中，这样会使实验模块的功能性大大降低，学生只能做简单的测试实验，无法自己搭建电路。因此，本电路在设计时尽量丰富实验模块的调试功能，增加各种调试开关，使学生对所学知识有更深刻的理解。

三、模块设计构思

模块具体设计时，从电路设计的具体要求出发，主要考虑了以下几个方面：

1、电路模块搭建完成后，均先通过multisim 10软件进行仿真，在确认电路无误、实验功能完整实现后，再进行PCB绘图制板，提高制板效率。

2、为了方便学生对实验的学习和理解，实验模块在设计之初就考虑将电路原理图显示在实验模块上，本设计将电路板丝印层进行改造，原本显示在顶层丝印层的元件符号等改至底层丝印层，将原理图绘制在顶层丝印层，简单明了，便于学生掌握电路原理。

3、为了使顶层仅显示电路原理图，必须对电路进行改造，常规设计中置于顶层的元器件均移至底层，常规的直插式原件均需改成底层贴片式，因此，需要对各个元器件的电路封装进行改造。自制原理图元件尺寸必须参考电路板尺寸，太小看不清楚，太大会超出边界。元件的外形及标注的层要注意选择，因为顶层丝印层用于显示电路原理图，所以把元件的名称和类型都改为底层丝印层，直插式元件的外形设置为顶层丝印层，贴片式元件的外形设置为底层丝印层。本模块设计中的元器件封装基本采用自行设计，元器件尺寸及管脚尺寸均需以实际元器件为参照，务必做到精确，否则容易出现短路或者虚焊。

4、实验模块电路板布线和敷铜均在底层完成，实现电路功能。考虑到大部分元器件改成底层贴片式焊接，在进行敷铜时要适当增加敷铜与元器件引脚间的距离，防止焊接时不慎短路。对于直插改底面贴片元件，因为接入方式改变，由顶层插入变为底层贴片，元件方向相反，因此，所有底面贴片元件的左右方向要对调，在创建元件封装时就要改变元件的管脚方向。

5、实验模块电路板顶层除了电路原理图外，还有部分调试及显示元器件需置于顶层，如拨动开关、接线柱、显示用发光二极管、数码管、输入输出信号接口等，在设计时这些元器件采用直插式设计，会产生过孔，因此设计时在有过孔的地方，顶层电路原理图和底层原件标注保持一致，从而使电路原理图完整准确。其他位置顶层和底层可以分开设计。

6、为了便于检修，先把芯片底座焊接在电路板上，再将芯片插在底座上，便于在芯片损坏时更换。输入输出信号、电源接地信号等采用接线柱方式连接。为防止底层线路被学生有意或者无意的损坏，保护实验模块使用更长久，在实验模块底部加上保护挡板，通过螺丝及螺母将电路板与保护挡板连接，因此在电路设计时要对电路板四个角进行开孔，为了防止电路板割手，将电路板四个角倒圆角。

四、模块实现

鉴于篇幅所限，本文仅以“计数器的设计”数电实验为例，阐述电路实现步骤。

“计数器的设计”数电实验目的在于了解计数器，译码器和数码管的逻辑功能、熟悉计数器的各管脚功能以及进一步掌握数字电路逻辑关系的使用方法。本设计使用74LS160作为主计数芯片，搭配4511译码器和7段数码显示管进行功能显示。学生通过搭接输入信号、置数反馈信号、清零反馈信号、输出反馈信号以及各个拨片开关等实现十进制内的数字计数功能。另外，还可以通过级联端子进行模块与模块的端接，实现一百进制内的数字计数功能。具体实现步骤如下

首先使用multisim软件进行电路仿真，经过调试，六进制计数器可用，具体电路如下：

然后使用protel软件进行电路原理图的绘制，考虑到要使用拨片开关进行调试，以及置数、清零等不同功能的调试和后续端接功能需要，对电路进行了适当的改造，加了部分端接端口和级联开关，具体电路如下：

在绘制PCB图纸时，电路尺寸采用20cm*15cm。具体电路设计时，需要注意：原设计输入信号使用拨动开关分别接高低电平，通过开关拨动产生单次脉冲信号，经测试后发现，这样操作容易产生毛刺，导致计数不准确。后采用555定时器产生脉冲信号，消除了毛刺，计数器正常工作。具体设计如下：

正面图

背面图

具体功能实现如下图(其他功能模块制作可参考本电路)：

五、系统联调

对于部分数字电路，可以多块电路板进行联调，如计数器的设计中，一块电路板可以实现十以内各进制计数器的功能，而要实现一百以内各进制计数器功能，再重新开发电路费时费力，可以采用两块十进制计数器电路级联，因此，在制作计数器电路模块时，预留了级联端口，可供多个模块联调使用，具体电路如下：

另外，数电实验常常需要单次脉冲输入或者连续脉冲输入，如果使用普通拨动开关，容易出现毛刺，影响实验结果。可以将555构成单稳态电路或者多谐振荡电路的输出信号作为其他模块的脉冲输入信号，实现模块间的联动使用。同理，可以采用触发器输出的脉冲信号作为其他模块的脉冲输入信号。因此，在设计触发器模块和555集成定时器模块时要在输出端预留联调接口。