便携式简易数字电路实验板的设计

广东岭南职业技术学院 黄国爵

便携式简易数字电路实验板的设计

广东岭南职业技术学院 黄国爵

目前我国高校的数字电路技术课程都会用到数字电路实验箱或实验板，而以往使用的实验箱因其既费时，又费力的缺点正面临淘汰。基于此，本文为方便实验，针对目前的实验板进行设计改进，设计了一款具有逻辑电平输入、逻辑电平显示、1HZ时钟信号及1位数码显示功能的便携式简易数字电路实验板。

数字电路；实验板；IC插座

1 引言

本文在设计这种便携式简易数字电路实验板时，力求做到体积小成本低，时刻关注设计出的实验板的性价比，保证在拥有便携性的同时又满足实验的正常要求。文章对于实验板的电路不断改进，在材料选取和接线布置方面投入了大量精力，最终研制出了这款适合学生研究学习使用的简易数字电路实验板。经实践证明，该实验板能完全满足任何地点任何形式的实验要求，现分享出实验板的结构和原理，希望为广大师生提供便利。

2 便携式简易数字电路实验板电路原理和优势分析

本文设计的便携式简易数字电路实验板具有体积小巧、电路简单、制作方便、操作简便、便于存放的特点。该便携式简易数字电路实验板具体由电源部分、逻辑开关输入部分、逻辑开关输入电路部分、逻辑电平显示电路部分、时钟信号电路部分、数码显示电路部分、IC测试插座部分这七种基本部分组成，其中有4个VCC、GND端子，分别负责高低电平提高，4个直插芯片帮助实验板进行电路拼接。逻辑电平开关负责接收制数字逻辑高、低电平信号，逻辑电平显示电路显示电平的高低状态，数码显示电路显示0-9数字之间的十进制数，IC测试插座安插四种规格的芯片，四种规格分别为：8P、14P、16P、20P。整个电路板电路输出输入接口的连接点均采用空心铜铆钉为材料，将导线焊接于空心铜铆钉上以连接六个部分的电路元件[1]。

相比现有的数字电路实验板，该电路板更易于操作，实验板的操作面板比现有的实验箱更简洁，简化了实验操作，更适应初学。且采用铆钉连接导线的方式更可靠，解决了现有的实验箱经常发生的接触不良问题。由于体积小，材料低廉，实验板的成本只需几十元，学生可自行制作，方便了课程开展。实验板的内部结构简单，即使长时间高频率使用导致实验板发生故障，学生也可以在简单指导下轻松维修。

3 便携式简易数字电路实验板组成设计

3.1 电源部分

实验板电源电路用直流电源插座将5V/1A的开关直流电源作为稳定电源。开关电源自身具有的保护短路功能可以过载保护实验板避免实验电路在使用中受到严重短路的损害，降低故障发生几率。电源指示灯采用LED，实验板所有电路所接受的5V电压均由+5V和GND的电源连接点提供。逻辑电平产生电路、单次脉冲产生电路、逻辑电平指示电路由印刷电路板线连接到电源电路的方式供电，其余部分需要依靠导线连接电源供电。

3.2 逻辑电平开关输入电路

逻辑电平开关输入电路由4个逻辑开关K1～K4及两端的VCC和GND共同组成。四个开关连接到两端的VCC和GND，模拟8位的二进制数，负责逻辑电平开关输入电路高电平和低电平的输出。开关分为上中下三挡，当开关拨至上档时，开关连接到VCC端，则输出电平为高电平（1），拨至下档时，开关连接到GND端，则输出电平为低电平（0），开关悬置中档时为高阻状态，则无信号输出。

3.3 逻辑电平显示电路

逻辑电平显示电路可以检测信号高低电平的状态。本实验板的逻辑电平显示电路主要分为两部分：三极管VT1和VT2、发光二极管VD1和VD2。当电路测出高电平时，电平显示电路红色LED灯亮，表示测出的信号为高电平“1”，测出低电平时，电平显示电路绿色LED灯亮，表示测出的信号为低电平“0”。具体工作原理为：逻辑电平输入连接点为L1-L8，当L1-L8的输入连接点被输入为高电平时，VT2被截止，VD2不亮，二极管VD1显示为红色，当L1-L8的输入连接点被输入为低电平时，VT2导通，VT1被截止，二极管VD1不亮，VD2显示为绿色，以上为逻辑电平显示电路工作原理[2]。在安装时要注意，发光二极管必须贴板安装，三极管元件体与电路板的高度距离要小于三毫米。

3.4 1HZ时钟信号源电路

时钟信号源电路依靠产生的1HZ矩形波信号为数字电路提供时钟信号，而1HZ的脉冲信号由多谐振荡器产生。实验者只要选择合适的电阻与电容元件，就可以让多谐振荡器电路从三个输出端口输出1HZ脉冲信号。本实验板电路的多谐振荡器由555定时器构成，有3脚可输出1HZ的脉冲信号，通过分析多谐振荡器两个暂稳状态维持高低电平的时间，以及多谐振荡器的振荡周期和振荡频率，计算出电阻大约为71KΩ时，电路可得到1HZ的脉冲信号。

3.5 单次脉冲产生电路

本电路主要包含一个按钮开关和一个集成电路IC5，IC5中的两个与非门组成一个RS触发器。RS触发器具有的特点是其两个输入端如果加入了不同逻辑的电平，那么触发器的输出端会表现出一种互补的稳定状态，在R=1、S=0时，称之为S端，触发器为置位，反之则为复位。在电路中利用这种特点，当按动一次按钮开关时，触发器输出1个无抖动的高电平脉冲在DQ1输出连接点上，用以计数器实验，从而有效得防止在输入单个脉冲时产生多个脉冲串，减少实验出错率。

3.6 1位数码管显示电路

数码显示电路显示十个十进制数，较逻辑电平显示电路更为直观。本部分电路包括一个1位数码管插座、限流电阻R17-R24和A-G五个连接点，这些连接点分别与数码管中的发光二极管相连接，其中COM连接点是数码管的公共引脚。在用导线将数码管安装在插座上时，如果安装共阳极数码管，则将COM连接点连接到电源的+5V一端，如果安装共阴极数码管，则将COM连接点连接到电源的GND一端。

3.7 IC插座测试电路

IC插座就是可以插入多引脚集成电路的脚座。本实验板中安装有四块双列16脚的集成电路插座IC1-IC4，并在插座上安插8P、14P、16P、20P这4种规格的直插式芯片，每个插座的引脚都要与外围的连接点相连接，在需连接集成电路引脚时直接用导线连接到对应的连接点，进行“棚架式”搭建电路，同时实现多块实验板也能互相拼接，以满足更复杂的数字电路实验。

4 结论

综上所述，我国目前高校所用的数字电路实验板确实有待改进。由分析可知：使数字电路实验板改进原有的体积大、故障多、成本高的特点，增强数字电路实验板的便携性、操作性和稳定性，设计出既满足基本的电路教学，又能完成相对复杂电路实验的便携性简易数字电路实验板可以打破了教学的地域限制，提高了学生实验的速度，可以引导学生有关电路设计的思想，也让学生的动手能力进一步提升，让电子类课程的教学成果更加显著。

[1]赵巧妮．便携式简易数字电路实验板的设计[J]．科技广场,2016,04:46-48．

[2]黄颖松．简易型数字集成电路实验板[J]．电子世界,2013,15:103．