基于电子技术实验台的开放型实验面板的研究与设计*

付 裕 ， 邓艳菲 ， 唐燕影

（1.江西省机电技师学院，江西 南昌 330001；2.江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）

1 设计方案

1.1 设计意义

高职教育培养目标是培养“素质高+技能强”的高素质技能型人才。高职培养的人才类型是实用型和应用型，教学实践环节对高职学生尤为重要。电子电路实验是电类专业必须开设的基础实验，是一项重要的教学实践环节。学生在做实验过程中，不仅能积累知识，而且能对知识进一步内化。实践性环节可以锻炼学生的科学思维和创新意识，提高学生的动手能力，这是课堂理论教学做不到的。所以，机电类和电子类专业的学生都需要进入电子实验室进行操作练习，电子实验室的实验设备利用率也是非常之高。

1.2 设计背景

目前，江西机电职业技术学院电子实验室使用的是DZX-2 型电子学综合实验设备，该实验设备有它的优点，但是也存在不足。比如：因为模块位置固定不能移动，当使用到多块芯片连接实验电路时，会导致连接的线特别多，甚至还有相互交叉的现象，学生在遇到问题检查线路时非常麻烦。另外，实验台的接插座使用时间一长，容易出现氧化现象，导致接触点不够灵敏，不易更换，直接影响实验教学效果，甚至会打击学生动手做实验的积极性。

实验室现有40 台电子实验台，16 台新设备和24 台旧设备。目前，旧设备因实验面板老化、实验效果差处于闲置状态，仅有的16 台新设备难以满足机电类班级和电子类班级的教学需求。因此，对于DZX-2 型电子综合实验台实验面板的开放型改造显得尤为重要，既能避开已有实验台面板的弊端，又能将现有的旧设备利用起来。这样不仅能避免资源的浪费，还能提高实验教学效果和设备利用率。

1.3 设计原则

电子实验台面板设计应坚持两个原则。1）能完成教学所需的各种实验。在对电子实验台面板改造设计中，要结合电子技术应用课程中所需安排的实验内容，摒弃不需要的电路部分，在满足教学基本要求前提下，最大化灵活设计。2）实验台可扩展。在设计电子实验面板过程中，既要兼顾基础实验教学部分，又要能方便学生完成一些综合性的实验电路。这样除了满足日常的基础实验教学外，还能针对参与电子设计竞赛的同学或者电子爱好者做一些创新型、综合型电路，并能留有接口连接虚拟仪器。

1.4 设计方法

根据现有电子教学实验实训内容，整理出数字电路部分实验电路所需的元件、仪器，对实验台面板重新布局、调整。用PCB 板设计软件进行绘图设计、打版、焊接元器件、调试，根据实验效果再重新调整设计，直至找出最适合的布局方式。

1.5 整体设计框图

结合当前电子技术实验发展趋势，针对铝合金实验箱维修难、容易坏、工艺一般的特点，研发的新型电子技术实验箱留有虚拟示波器、虚拟信号源接口、电源接口、I/O 接口等常用接口，可以扩展虚拟电子技术仿真、虚拟仪器使用等现代电子技术发展的要求，全模块化设计，同时全新设计了稳压电源，全部数字化设计大幅度提高了可靠性及使用效率[1-4]。实验台底座框图如图1 所示，固定电源输出实物图如图2 所示，八位逻辑电平输入指示实物图如图3 所示，八位逻辑电平输出实物图如图4 所示，底座通讯口/虚拟示波器接口/网线通讯接口实物图如图5所示。

图1 实验台底座框图

图2 固定电源输出实物图

图3 八位逻辑电平输入指示实物图

图4 八位逻辑电平输出实物图

图5 底座通讯口/虚拟示波器接口/网线通讯接口实物图

2 拓展板设计

数字电路扩展板配置模块4 块，其中1 块为基本模块，另外3块为基础实践模块。

2.1 基本模块

本模块采用CPLD 设计，设置有单次脉冲和连续脉冲、数码管、555芯片插座及基本元件等电路，能与其他模块配合完成虚拟操作与实验。脉冲源为CPLD设计，相比较单片机，CPLD 具有高可靠性和高速度的优点，以此为基础制作的信号源可靠度高。基本模块实物图如图6所示。

图6 基本模块实物图

2.2 基础实践模块

该模块配置了5 个芯片插座（3 个14 脚，2 个16脚），每个芯片插座根据实验需要来放不同的芯片，底座采用卡座设计，方便装取芯片。根据实验电路要求可以任意装取芯片进行电路搭接，灵活性很强，可做的实验电路很多。基础实践模块实物图如图7所示。

图7 基础实践模块实物图

模块采用2 mm 厚印制线路板制成，设计电路时尽可能地采用贴片式元件对电路板进行设计，大大缩小了电路所占位置，提高了模块的利用率。模块正面是丝印，标示元器件图形符号及相应的走线，方便学生做实验过程中识别电路及走线；模块反面则是印刷线路和焊接好的元件，方便后续维修。实验台整体视图如图8 所示。

图8 实验台整体视图

3 实验案例

TTL 集成逻辑门的参数测试。本实验采用四输入双与非门74LS20，74LS20 里含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输入端。

3.1 TTL与非门的主要参数

1）低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH。与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。ICCL与ICCH测试电路如图9（a）、（b）所示。

图9 TTL与非门静态参数测试电路图

2）低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH。IiL与IiH的测试电路如图9（c）、（d）所示。

3）电压传输特性。门的输出电压Vo随输入电压Vi而变化的曲线Vo＝f(Vi)称为门的电压传输特性，通过它可读得门电路的一些重要参数，如输出高电平VOH、输出低电平VOL、关门电平VOff、开门电平VON、阈值电平VT及抗干扰容限VNL、VNH等值。采用逐点测试法，即调节RW，逐点测得Vi及Vo，然后绘成曲线。传输特性测试电路图如图10所示。

图10 传输特性测试电路图

4）平均传输延迟时间tpd。tpd是衡量门电路开关速度的参数，它是指输出波形边沿的0.5Vm至输入波形对应边沿0.5Vm点的时间间隔。

3.2 实验内容

选取一个基础实践模块放于实验台上，将芯片装于一个14P 插座上，对应好缺口位置插装好74LS20集成芯片。参考上述实验电路图接线，依次测试各参数，并验证电路的逻辑功能，将数据填入表1中。

3.3 74LS20主要参数的测试

分别按图9、图10 接线并进行测试，将测试结果记入表1 中。

表1 接线测试结果

4 总结

本实验台可以做数字电路中的所有实验，相比以前的电子实验台，本实验台占地小、灵活性强、电路稳定性好、实验效果佳、方便保存和携带，避免了空间和时间的浪费。通过学生使用该实验台发现，不仅实验成功率高，而且有可拓展的部分，方便对电路进行拓展，有利于进行分层教学。