便携式数字电路实验平台的设计

郭立强

淮阴师范学院计算机科学与技术学院 江苏淮安 223300

数字电子技术基础是物联网工程专业的专业基础必修课，本课程有32个课时的实验课。由于受到教学资源的限制，在传统的教学过程中，实验课主要以EDA仿真为主，这也是目前很多高校普遍采用的教学方法，例如基于Proteus软件的实验教学[1]，基于Multisim软件的实验教学[2-4]，基于Quartus软件在CPLD或FPGA上的电路仿真[5]。本研究采用的是基于Proteus软件仿真的实验教学。但是，从教学反馈中也发现了一个主要问题：基于仿真方法无法使学生掌握调试硬件电路的能力。目前，市场上也有针对数字电子技术基础这门课的硬件实验箱。但现有的实验箱大多存在体积大、价格贵的缺点，使用起来还受到实验地点的限制，需要建立配套的实验室。因此，本文设计开发了一款便携式数字电子技术硬件实验平台，并应用于本科教学中，受到了学生的欢迎，能够满足现有的课程教学需要。

1 实验平台架构

本实验平台尺寸为22 cm×16 cm，可使用电脑USB接口或者移动电源供电，静态电流小于30 mA。基于该实验平台可以进行数字电路常规实验，包括集成逻辑门芯片的测试与使用，组合逻辑电路设计、触发器及时序逻辑电路的测试与使用，同时可根据需要对各个功能模块进行自由组合，实现数字电路系统的设计与开发。该平台的系统框图如图1所示。

图1 实验开发平台系统框图

如图1所示，数字电路实验开发平台由连接模块、电源模块、时钟信号模块、面包板模块、元件模块、LED模块、点阵模块、传感器模块、开关电路模块、多级放大模块、数码管模块、计数器模块、触发器模块、编码译码模块和集成逻辑门模块构成。

在整个硬件实验平台的设计中，考虑到便携性的需求，并不是所有的芯片都焊接到平台上，例如译码器74LS138、编码器74LS148、四位二进制加法器74LS283、四位双向移位寄存器74LS194、三输入与门CD4073等。根据需要，可利用面包板和锁紧座来使相关芯片安装牢固，这样可以使学生进一步熟悉相关芯片的外围引脚功能，提高电路设计能力。

图2是便携式数字电路实验开发平台的硬件电路板。目前该平台已由当初的1.0版本发展到今天的1.3版本，并根据教学反馈不断地对实验平台进行优化改进，形成了目前较为稳定的版本。

图2 实验开发平台硬件电路

2 实验项目

基于本实验平台可以完成数字电子技术基础课程的核心实验。为了使学生更好地完成相关实验，笔者编写了配套的实验指导书，共有57个实验供学生选择，每一个实验都有详细的实验步骤。这些实验分布在6个教学章节中，本文给出了部分实验清单。这些实验以趣味性实验为主，实验的难度层层递进，具体包括简单的基础验证性实验[实验(1)-(6)]，难度适中的拓展提高实验[实验(7)-(11)]和难度较大的综合性实验[实验(12)-(20)]。

(1)使用元件模块、LED模块搭建分立元件与门、或门、非门、与非门、或非门电路；

(2)验证集成逻辑门芯片的逻辑功能(与门、或门、非门、与非门、或非门)；

(3)实现加法电路：结合LED模块和拨码开关来验证74LS283芯片的加法运算功能；

(4)编码器电路：结合LED模块、非门和拨码开关来验证74LS148芯片的编码功能；

(5)触发器类型转换：使用触发器模块中的D触发器和JK触发器实现；

(6)验证计数器功能：使用计数器模块和集成逻辑门芯片实现；

(7)抢答器A：使用集成逻辑门实现；

(8)触摸延时电路：使用集成逻辑门模块、开关二极管和三极管开关电路模块实现；

(9)双闪灯：使用触发器实现；

(10)任意进制计数器：使用计数器模块、集成逻辑门模块实现；

(11)单稳态触发器：使用555计时芯片实现；

(12)节能灯电路：使用非门、话筒模块、多级放大模块和光敏电阻模块实现；

(13)四位二进制数显示电路：使用加法器、集成逻辑门、显示译码模块实现；

(14)电子蜡烛：使用红外接收模块、话筒模块、多级放大模块、触发器实现；

(15)双向流水灯：使用译码器、CD4029、触发器模块实现；

(16)电子秒表：使用计数器模块、集成逻辑门和数码管模块实现；

(17)拔河游戏机电路：使用计数器模块、译码器、集成逻辑门和LED模块实现；

(18)多模式彩灯：使用移位寄存器、计数器模块、触发器模块和集成逻辑门实现；

(19)爆闪灯电路：使用计数器模块、三极管开关模块和点阵模块实现；

(20)汽车尾灯控制电路：使用计数器模块、移位寄存器和触发器来实现。

在具体的项目实施中，鼓励学生根据所学知识来解决问题，尽可能实现解决方案的多样化。例如，设计抢答器电路，在讲解过集成逻辑门这一章内容后，可采用与非门来实现抢答器电路；在讲解过组合逻辑电路这一章内容后，可以进一步优化抢答器电路，增加数码管显示功能，也可以增加声音提醒功能。通过这种由简到难、层层递进的模式逐步培养学生发现问题、分析问题和解决问题的工程实践能力。同时，在实验教学过程中，鼓励和引导学生自己设计趣味电路，并把学生设计的优秀电路纳入实验指导书中，以此不断丰富教学案例。

3 实验教学案例

以流水灯电路为例，介绍基于本实验平台的实践教学方法。流水灯电路是经典的趣味电路，通过特定的电路来控制一组LED灯按照指定的顺序和时间来依次点亮和熄灭，在日常生活中有着广泛的应用。

图3是一个单向流水灯电路图。图中4～10译码器CD4028是在讲解组合逻辑电路这一章内容时介绍的，芯片CD4518是十进制计数器芯片。在进入计数器内容的学习后，向学生介绍这款流水灯电路的原理：当计数器接入时钟信号后，计数器就进行加法计数，计数范围是0000-1001。若当前计数器的输出为0000时，该计数结果经过译码器译码后，输出端Q0输出高电平，其余译码输出端口的输出均为低电平，对应的第一盏LED灯被点亮，而其余LED灯均熄灭。当计数到0001时，译码器输出端Q1输出高电平，其余译码输出端口的输出均为低电平，对应的第二盏LED灯被点亮。以此类推，当计数器完成一个周期的计数循环后，这一组LED灯从左向右依次被点亮，同时在整个计数周期内只有一盏LED灯处于发光状态，其余均为熄灭状态。

图3 单向流水灯电路原理图

讲解完电路原理后，请学生在硬件实验平台上搭建该电路。学生完成硬件电路搭建，看到演示效果后随即提出问题：如果用3～8译码器74LS138来实现该电路，是否也能看到类似的流水效果？给学生部分提示，CD4028的译码输出端是高电平有效，而74LS138的译码输出端是低电平有效，对应的LED灯应采用共阳极的形式连接。同时，还要注意计数器应设计成八进制计数器，可以采用清零法或者置数法来实现。这样一来，既复习了前面所学译码器芯片的相关知识，还对任意进制计数器的设计进行巩固提高。

接下来，继续提出新问题，图3中流水灯是从左向右依次流水，如果这组LED灯从左到右依次点亮后，能否再从右向左依次点亮？这就是双向流水灯，图4是该流水灯的电路图。一些学生对于双向流水灯电路的设计会没有思路。可以采用引导启发的方式来进行分析。当计数器的状态从0000到1001进行加法计数时，LED灯是从左向右依次被点亮，若要实现从右向左依次点亮，计数器的状态就是减法计数，其计数范围从1001到0000。这就需要一款可逆计数器。提醒学生查阅可逆计数器芯片CD4029的器件手册，熟悉其功能，明确芯片的哪个端口是可逆计数的控制端口及其控制条件。这么做可以提高学生查阅文献、自主学习的能力。

CD4029的10引脚是可逆计数的控制端口，当该端口接高电平时进行加法计数，当接低电平时进行减法计数。接下来还需要设计一个自动输出高、低电平的电路并接入到CD4029的10引脚，来控制计数器的计数状态。引导学生复习触发器类型的转换这部分内容，T'触发器具有翻转功能。利用实验平台上的D触发器来构造T'触发器，其输出端接入到CD4029的10引脚。这样整个电路就设计完毕。请学生使用开发平台上的触发器模块、计数器模块、译码器模块和LED模块完成图4电路的硬件电路搭建。这么做可以提高学生分析问题和解决问题的能力。

最后，提出课后思考题：LED灯模块中有一组红蓝双色LED灯，在图4电路的基础上进一步对其进行更改，当LED灯从左向右“流水”时是红色LED灯点亮，当LED灯从右向左“流水”时，蓝色LED灯点亮，也就是设计一款红蓝双色、双向流水灯电路。给学生一个提示，可以考虑使用实验平台上的CD4053芯片。请学生课后完成设计，在第二次课上课时请学生到讲台上来演示他们的电路。这样可以提高学生设计电路的能力。

图4 双向流水灯电路原理图

4 实验平台的特点

本文所设计的实验平台以数字集成电路为主，涵盖了数字电子技术基础这门课的主要实验内容，与传统教学模式相比有如下特点。

便携性。该实验平台的尺寸为22 cm×16 cm，可以通过计算机的USB接口或者移动电源为本实验平台供电，使用方便。学生可以在课堂上或者课后在寝室自主完成相关实验，克服了传统实验箱体积笨重、受实验场地等因素制约的缺点，拓展了教学的广度和深度。

模块化设计。本实验平台各个功能单元以模块化的形式进行设计，各个模块间是独立的。学生可根据实际需要，采用面包板连接线来实现各个功能模块间的连接，从而实现特定功能的硬件电路。本实验平台模块化的设计方法类似于一个“电子积木”，学生搭建完成一个电路后，可以通过拆掉连线来恢复原状，继续进行后续其他实验。

混合式教学模式。传统的教学模式是先进行理论授课，然后进行实验教学。由于理论课和实验课不是在同一天进行，上实验课时，学生会忘记部分理论知识，造成理论与实验的脱节。基于本实验平台，学生可以在上理论课的同时进行相应的实验，采用这种混合式的教学方式，边讲边练，这样可以加深对相关理论知识的理解，又提高了实践动手能力。该实验平台成为课堂教学过程中师生互动的重要载体，不但可以活跃课堂气氛，真正实现以学生为中心的教学，还可以引导学生进行电路分析并逐步培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

近两年，基于该便携式实验平台的混合式教学方法获得了2017年江苏省高等学校微课教学比赛一等奖，也获得了教育部电工电子基础课程教学指导委员会举办的“2018年全国高等学校青年教师电子技术基础、电子线路课程授课竞赛”二等奖。这些成绩的取得也是对基于该实验平台实验混合式教学的一个积极肯定。

5 结语

两轮教学实践证明：本文所设计的硬件实验平台达到了预期的目标，与传统的教学方法相比，学生普遍反映基于硬件实验平台的学习可以使所学的知识形象化、具体化，学起来更容易。同时，这种基于实验平台的教学还可以使学生掌握基本的硬件电路设计开发能力，培养调试、分析和排除简单电路故障的能力。