多功能74系列芯片模拟器在数电实验教学中的应用

张　敏, 彭志远, 陈泽南, 徐　慧， 马秀娟

(哈尔滨工业大学(威海) 电工电子实验教学中心, 山东 威海　264209)



多功能74系列芯片模拟器在数电实验教学中的应用

张敏, 彭志远, 陈泽南, 徐慧， 马秀娟

(哈尔滨工业大学(威海) 电工电子实验教学中心, 山东 威海264209)

采用EDA技术自制了74系列芯片模拟器,并且设计了与该模拟器对应的教学方法与案例。该芯片模拟器能够模拟DIP12 、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20封装尺寸的任意74逻辑芯片,能够一次编程通过开关切换出4种芯片逻辑。通过让学生使用芯片模拟器,使得学生理解了数字电子技术和EDA之间的关系,培养了学生利用数电原理进行EDA设计的能力。同时该芯片模拟器与其教学方法的使用几乎不影响传统数电教学的授课安排。

数字电子技术； 芯片模拟器； EDA设计； 分立元件； 74系列芯片

1　数字电子技术实验教学中的不足

目前一般采用分立元件+分立元件实验箱+EDA设计+FPGA(现场可编门阵列)实验箱的联合方式进行实验教学,采用74系列分立元件帮助学生理解数字电子原理和逻辑门的概念。

现有方式存下列不足:(1)数字电子技术教学没有达到将分立元件与FPGA、数电理论与EDA开发技术相结合的效果；目前数字电路教材编排大都按照数字电路基本理论+EDA方式组成，但教材本身缺少让两种技术连贯的方法、实验中也没有让二者统一的实验方法,因此学生不易掌握利用数电原理设计FPGA的方法,而且也没有建立正确的数电概念和方向；(2)分立元件的使用范围越来越小,厂家逐步停产、购买变得越来越困难、价格越来越高,教学的使用成本越来越高；(3)分立元件若损毁,将无法修复,只能做丢弃处理；(4)各分立元件之间功能不能替换，为了进行数电的功能设计,需购买多种74系列元件，使用中往往造成某种型号芯片数量不足,而另一种芯片大量积压的现象；(5)学生缺少课外实践的硬件与配套软件；(6)FPGA实验箱对数电教学过于复杂,学生掌握实验箱结构的学时超出了数电原理实验教学学时安排[1]。

2　解决方案设计

数字电子技术正处在变革的时期,EDA设计+FPGA开发方式逐步替代传统卡诺图+分立元件开发方式,开发方式变化巨大，然而数字电子的基本原理变化却不大。为了表现数电基本原理,在教学过程中往往采用分立元件进行原理教学,但分立元件在生产实践中已经较少使用。数电EDA部分的教学一般采用FPGA实验箱。这二种教学关系类似油和水,独立进行,没有融合,缺少贯穿。这是高校数字电子技术教学中一个突出问题[2]。EDA+FPGA教学方法应该让学生掌握根据数电原理进行设计,然后通过EDA工具实现这一方法。实际中由于FPGA和分立元件技术上的不连贯,初学者难理解EDA和数字电子技术原理的关系。

为此，本文首先设计了一种新型的数字芯片模拟器,让学生通过使用芯片模拟器对应的软件和实验,使学生理解了数字电子原理与EDA技术之间的关系。

本设计针对现有技术中存在的缺点和不足,提出了一种结构合理、使用方便,特别适用于教学、科研的数字电路多功能芯片模拟器及其使用方法。本设计最大特点是让学生自己用EDA技术设计74系列分立器件芯片,然后将设计好的芯片模拟器在分立元件实验箱搭建小型数字系统，从而实现一种将EDA技术和数电原理、分立元件和CPLD相互结合的方法。这种方法优点是不改变数电当前的教学流程,只需在分立元件实验箱教学环节和EDA教学之间插入如何使用芯片模拟器的教学环节即可。

3　芯片模拟器设计

数电模拟器具有多功能性和灵活性:能够对74全系列的功能逻辑进行模拟;能够实现对DIP12、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20封装尺寸的模拟,且配有一键转换芯片功能按键,通过调节开关的通断,使芯片模拟器转换成不同的芯片功能；能够作为数字信号源使用;能够对数字电子技术实验箱功能进行辅助测试；在使用时,可以让学生根据芯片模拟器参考原理图自己绘制PCB,也可以提供现成的PCB让学生进行焊接和调试,在课堂上让学生利用EDA技术设计74系列芯片,并进行仿真、下载,同时还可以满足学生课外进行实验设计下载的需求；学生可利用自己设计的芯片在分立元件实验箱上进行更高层次的行为级设计。

如图1所示,数电多功能芯片模拟器由EPM3032、LED显示电路、时钟电路、下载调试电路、微动拨码电路、引脚选通接地电路组成。程序通过EPM3032写入,作用于其他各个模块。

图1　芯片模拟器框图

电源电路(见图2)与EPM3032相连接,用于产生芯片所需的稳定工作电压,采用基于AMS1117 3.3V稳压芯片,为CPLD(EPM3032)提供稳定的工作电压。

图2　电源电路

时钟电路提供时钟信号源及方便时序逻辑电路的设计,为CPLD提供时钟源,电路组成包括晶振、电容C2、电阻R5和1 MHz的有源晶振，如图3所示。

图3　时钟电路

下载调试电路用于下载代码及调试,采用标准的JTAG接口，如图4所示。

LED显示电路用于指示芯片和晶振工作是否正常、能够指示模拟器当前逻辑功能。

微动拨码电路用于切换芯片功能,通过软硬件的结合实现芯片功能的一键转换。手动调节拨码开关的通断,进而影响CPLD引脚的高低电平；CPLD根据变化调整内部不同74芯片的切换。引脚、输入和输出切换利用三态门实现。微动拨码电路与内部逻辑作用使得模拟器能够真正具有74全系列芯片模拟的效果。此外电路配有2个LED,用于指示芯片和时钟源工作状况,也可进行快速查错。跳接电阻使得芯片模拟器能够从DIP12 、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20等封装形式转换,同时保证不同封装情况下供电和接地正确。电路如图5所示[3-5]。

图4　下载调试电路

图5　微动开关与DIP切换电路

4　软件与教学方法设计

模拟器(见图6)在不重新烧写程序的情况下最多能模拟4种类型74系列芯片。如果多次编程烧写EMP3032,可实现74全系列逻辑功能。通过拨码开关和特定程序,从而模拟器有一键转换芯片功能开关,调节二位微动开关组合关系,使芯片模拟器能轻松转换成4种不同的芯片功能,并且上面有2个LED功能指示灯,利用LED灯的亮灭组合能够实时地指示当前逻辑功能。此外，芯片模拟器能够作为数字信号源使用,用于对数字电子技术实验箱的检修,也能够作为激励源构建大规模数字逻辑电路[6]。

图6　芯片模拟器组成

本设计还提出了一种数字电路多功能芯片模拟器的使用方法,包括以下步骤:

步骤1:学生根据芯片模拟器参考原理图自己绘制PCB、制作PCB、焊接,或者提供现成的PCB让学生进行焊接和调试；

步骤2:调试完成后,将FPGA/CPLD仿真器与芯片模拟模拟器进行连接；

步骤3:利用计算机USB口或者外部电源对芯片模拟器供电；

步骤4:参考实验案例程序模板,利用74系列真值表设计分立元件,具体芯片型号有74138、74161、74112、74374等,按照芯片的管脚定义对模拟器进行管脚分配；学生可以设计多种74系列芯片,然后通过对图6的电阻短接构建对应的DIP封装,同时可以通过拨码开关选择对应的逻辑功能；

步骤5:根据芯片模拟器管脚对设计的逻辑进行仿真、编译、下载等教学,烧写入芯片模拟器中。

步骤6:将烧录好的芯片模拟器、分立元件在分立元件实验箱上面进行数字系统搭接，比如表决器、减法器、抢答器等电路。

本设计在使用时,首先根据74系列芯片真值表对设计好的芯片模拟器进行逻辑测试,测试通过后按照分立元件方式进行实验,否则需重新进行EDA逻辑设计。也可以在课堂上让学生利用EDA技术设计74系列芯片,并且进行仿真、下载,同时还可以满足学生课外进行实验设计下载；在分立元件实验箱上,学生可利用自己设计的芯片,进行更高层次的功能设计[7-10]。

5　实际效果

最后制作出的芯片模拟器尺寸只有5 cm×1.8 cm,其宽度比DIP封装的宽度略宽。通过图7可以看出,芯片功能切换在DIP座上的微动开关,工作状态指示LED在DIP中间,逻辑下载在PCB最右边。整个外形酷似一把小钥匙。

图7　芯片模拟器实物

图8为芯片模拟器在分立元件实验箱实际连接图,该电路实现了74160自动计数功能。实际使用芯片模拟器可以单独使用,也可以和分立芯片混合使用。芯片模拟器的使用对传统课程安排没有影响，但是学生经历了自己设计芯片、连接、调试,最后实现了特定的功能这一完整过程，对EDA和数字电路的认识得到了提高[11]。

图8　芯片模拟器在分立元件实验箱实际连接图

6　结语

本设计成果作为分立元件+EDA实验箱教学方法的补充,可以弥补74系列分立元件的问题和不足，能让学生在理解数电基本原理情况下,利用EDA工具进行实践训练。该设计用FPGA芯片代替74系列分立元件是大势所趋,教学方法与时俱进[12]。

本设计相对于现有技术,利用小型的CPLD器件EPM3032为核心,通过下载电路、电源接口、DIP管座、微动开关等实现了芯片模拟器。该模拟器价格便宜,仅需10元左右即可制作出一个能模拟多款芯片的设备,并将教学设计、教学装置、实训设备多方面的功能合为一体,不仅节约了成本，节约了空间,设备操作性强；而且方便携带,学生只需一台电脑即可课后自主做实验,具有直观性强、经济性好、体积小等显著优点。

References)

[1] 唐续,单片机与EDA 综合实验教学整合的探索与实践[J]. 实验室研究与探索,2014,33(1):252-254.

[2] 李宁,数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析[J]. 实验室研究与探索,2015,34(6):161-163.

[3] 周围,基于Multisim和Authorware的数字电路仿真实验平台设计[J],实验技术与管理，2015,32(4):119-121.

[4] 宋维波,基于Proteus的数字电子技术课程教学方法研究[J]. 课程教育研究,2012(19):23-24.

[5] 万毅,《数字电子技术》实践教学评价体系和评价方法的研究[J]. 实验科学与技术,2013，11(5):122-124.

[6] 陈柳,“数字电子技术”课程教学改革研究与探索[J].中国电力教育,2013(2):96-97.

[7] 王彩凤,胡波,李卫兵，等,EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J]. 实验科学与技术,2011，9(1):4-7.

[8] 潘松,黄继业. EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社 ,2013.

[9] 张占红. EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J]. 电子技术与软件工程,2015(17):97-98.

[10] 周建国 . 虚拟实验系统在“数字逻辑”实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索,2011，30(10):78-81

[11] 王志国,赵忠盖.EDA技术课程教学改革探索[J]. 中国现代教育装备,2014(21):82-83.

[12] 王媛媛.浅谈FPGA应用与设计实践教学与改革 [J]. 高校实验室工作研究,2012(9):52-54.

Application of multifunctional 74-series chip simulator in experimental teaching for digital electronic technology

Zhang Min, Peng Zhiyuan, Chen Zenan, Xu Hui， Ma Xiujuan

(Electrical and Electronic Experiment Teaching Center, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai 264209,China)

This article invents a cheap and small chip simulator to resolve the disjointed problems in teaching for digital electronic technology, including the gap between teaching of basic principle and usage of EDA design,the miss of transition stage from discrete-component design to PLC design. This article introduces each part of the simulator in detail and provides a relevant teaching method with examples. The simulator can simulate any 74 series logic chip with DIP package,whose size varies from 12 to 20. By once programming, it can change one of four logic functions by a switch. It can enhance students’ ability in EDA design and the relevant teaching method has almost no effect on traditional teaching plan.

digital electronic technology; chip simulator; EDA design; discrete components; 74 series chips

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.018

2015-11-15修改日期：2015-12-28

2015—2016年哈尔滨工业大学(威海)校级研究项目(ITDA10002102)

张敏(1976—)，男，甘肃兰州，硕士，高工，信息与信号处理.

E-mail:1713602230@qq.com

G642.O；TN79

A

1002-4956(2016)6-0066-04

仪器设备研制与应用