基于虛實(shí)技術(shù)結(jié)合的電子電路三合一實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

彭文竹，王 欽，楊 璐

(集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建廈門 361021)

0 引言

“電路分析”“模擬電路”和“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程是電子信息類專業(yè)應(yīng)用性較強(qiáng)的必修課程[1-5].其主要任務(wù)是讓學(xué)生利用工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加深對(duì)相關(guān)課程理論原理的理解，掌握相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力.然而，很多高校依然采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往都是采用企業(yè)定制好的固定實(shí)驗(yàn)電路板，學(xué)生只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的連線，并在相關(guān)儀器設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試，學(xué)生通過這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶茈y理解真實(shí)的電路原理，無法熟悉各種元器件的具體原理及使用方法，較難實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而制約著綜合性工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的開展[6-8].由于這三門課程有其共同的特點(diǎn)，因此可以將三門課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行整合，采用自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)計(jì)一款三合一電子電路實(shí)驗(yàn)箱，配以虛擬儀器及相應(yīng)口袋實(shí)驗(yàn)?zāi)K，即可滿足電路分析、模擬電路和數(shù)字電路等多門課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)以及電子信息類學(xué)科競(jìng)賽開放設(shè)計(jì)要求，不僅能提高學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，還可增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率，有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi).

1 設(shè)計(jì)思路

三合一實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)主要目的為滿足“電路分析”“模擬電路”和“數(shù)字電路”等多門課程實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一規(guī)范進(jìn)行，鍛煉學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ饕幸韵绿攸c(diǎn).

1.1 自主實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)箱上設(shè)計(jì)面包板自主電路搭建區(qū)，學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，利用面包板進(jìn)行基礎(chǔ)性電路及綜合性實(shí)驗(yàn)電路的自主搭建驗(yàn)證、設(shè)計(jì)和測(cè)試，摒棄利用傳統(tǒng)現(xiàn)成電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法.

1.2 NI myDAQ虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)箱的有效結(jié)合

NI myDAQ虛擬儀器模塊包含有數(shù)字萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器和波特圖分析儀等多種測(cè)試儀器[9-11].因此，可在實(shí)驗(yàn)箱上設(shè)計(jì)NI myDAQ模塊接口區(qū)域，通過專用設(shè)計(jì)接口線進(jìn)行連接，將其信號(hào)轉(zhuǎn)換至實(shí)驗(yàn)箱上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)電路和虛擬儀器的綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，節(jié)約儀器儀表建設(shè)經(jīng)費(fèi).

1.3 多課程學(xué)習(xí)

實(shí)驗(yàn)箱上根據(jù)多門課程特點(diǎn)，設(shè)置有電路分析實(shí)驗(yàn)區(qū)、模擬電路實(shí)驗(yàn)區(qū)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)區(qū)，學(xué)生可根據(jù)課程要求，結(jié)合不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K完成相應(yīng)課程實(shí)驗(yàn).

1.4 多種導(dǎo)線接口

實(shí)驗(yàn)箱上各模塊接線點(diǎn)設(shè)計(jì)有通用銅芯導(dǎo)線接口、面包板導(dǎo)線接口，根據(jù)不同課程特點(diǎn)，在相應(yīng)部分區(qū)域增加排針接口、Q9座信號(hào)同軸接口等，可滿足不同模塊之間實(shí)驗(yàn)時(shí)的有效連接，以及不同專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求.

2 三合一實(shí)驗(yàn)箱整體方案及主要模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路及課程內(nèi)容要求，實(shí)驗(yàn)箱整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 三合一實(shí)驗(yàn)箱整體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of three-in-one experimental box

2.1 實(shí)驗(yàn)箱主要模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)箱導(dǎo)線接口的設(shè)計(jì) 因電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)將開展多門專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)，且需滿足電類與非電類專業(yè)學(xué)生需求，因此有以下導(dǎo)線接口設(shè)計(jì)方案：

(1)為方便面包板上所設(shè)計(jì)搭建電路和實(shí)驗(yàn)箱之間的連接，實(shí)驗(yàn)箱所有接口均設(shè)計(jì)有2個(gè)面包板細(xì)線銀針接口；

(2)為方便電流轉(zhuǎn)接測(cè)試等功能及非電類專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求，所有接口均設(shè)計(jì)有1個(gè)銅芯導(dǎo)線接口；

(3)為滿足數(shù)字電路FPGA系統(tǒng)板和實(shí)驗(yàn)箱之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)連接，單次脈沖源、12路電平指示電路、12路邏輯開關(guān)電路各端口增加設(shè)計(jì)2個(gè)排針接口；

(4)NI myDAQ信號(hào)區(qū)數(shù)字輸入輸出部分增加設(shè)計(jì)有Q9座同軸線接口，方便數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用.

2.1.2 NI myDAQ口袋平臺(tái)實(shí)驗(yàn)信號(hào)區(qū)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)電子電路實(shí)驗(yàn)箱和NI myDAQ虛擬儀器模塊之間信號(hào)的有效連接，采用DB25針20芯連接線將NI myDAQ模塊的螺栓端子I/O信號(hào)直接引到實(shí)驗(yàn)箱對(duì)應(yīng)面板接口位置，實(shí)現(xiàn)NI myDAQ模塊I/O接口與實(shí)驗(yàn)箱之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，信號(hào)轉(zhuǎn)換接口設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱右上角，設(shè)計(jì)布局如圖2所示.DB25針串口線路各信號(hào)接口對(duì)應(yīng)含義如表1所示.圖3是連接線實(shí)物圖.

圖2 三合一實(shí)驗(yàn)箱與NI myDAQ信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)布局圖Fig.2 Design layout of signal conversion between three-in-one experimental box and NI myDAQ

圖3 NI myDAQ信號(hào)轉(zhuǎn)換至實(shí)驗(yàn)箱自制DB25連接線實(shí)物圖Fig.3 The DB25 connecting line of NI myDAQ signal convert to experimental box

表1 DB25針和NI myDAQ信號(hào)接口對(duì)應(yīng)連接表Tab.1 Connection table of DB25 pin and NI myDAQ signal interface

2.1.3 直流穩(wěn)壓電源及可調(diào)直流電源的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)箱中分別采用78、79系列穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)多路±5 、±12、±15 V直流穩(wěn)壓電源，并采用LM317可調(diào)穩(wěn)壓電源芯片設(shè)計(jì)兩路0～20 V可調(diào)直流電源，以上每路電源均設(shè)置有獨(dú)立開關(guān)、電源指示燈及短路過流報(bào)警系統(tǒng).圖4所示為實(shí)驗(yàn)箱中各種直流電源的具體設(shè)計(jì)布局圖，圖5為±12 V直流電源及0～20 V可調(diào)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路原理.

圖4 多路直流穩(wěn)壓電源及可調(diào)直流電源設(shè)計(jì)布局圖Fig.4 Design layout of multi-channel DC power and adjustable DC power

圖5 直流電源模塊部分原理圖Fig.5 Schematic diagram of DC power module

2.1.4 譯碼顯示電路設(shè)計(jì) 譯碼顯示電路采用共陰極數(shù)碼管及CD4511BCD碼七段譯碼器驅(qū)動(dòng)電路.CD4511是一種七段譯碼CMOS電路，所提供的拉電流相對(duì)較大，有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制等特點(diǎn)[11].該譯碼顯示電路可用于數(shù)字電路技術(shù)等綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中.圖6所示為4位BCD譯碼顯示電路設(shè)計(jì)布局圖.

圖6 譯碼顯示電路設(shè)計(jì)布局圖Fig.6 Design layout of decoding display circuit

2.1.5 數(shù)字邏輯輸入輸出電路設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)有12路數(shù)字邏輯電平顯示電路、12位邏輯電平輸出電路，該模塊電路不僅設(shè)計(jì)有LED指示燈，預(yù)留有排針接口，以滿足數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中FPGA系統(tǒng)板通過杜邦線進(jìn)行連接測(cè)試.圖7所示為12路數(shù)字邏輯電平指示和輸出模塊設(shè)計(jì)布局圖，圖8為邏輯電平輸入輸出電路原理圖.

圖7 十二位邏輯電平輸入輸出設(shè)計(jì)布局圖Fig.7 Design layout of 12 bit logic level I/O圖8 邏輯電平輸入輸出電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of logiclevel input and output circuit

2.1.6 單次脈沖源電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)單次脈沖模塊電路提供有2路獨(dú)立的正負(fù)脈沖信號(hào)，該單脈沖電路由74LS00與非門、CD4050反相緩沖器構(gòu)成，可同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)單次脈沖信號(hào)，圖9為單次脈沖信號(hào)電路原理圖.

2.1.7 實(shí)驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)及模塊布局 根據(jù)以上主要模塊設(shè)計(jì)原理，合理分布各實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如圖10所示為電子電路實(shí)驗(yàn)箱整體實(shí)物圖.實(shí)驗(yàn)箱數(shù)字電路芯片插槽部分包含有2個(gè)8腳、3個(gè)14腳及3個(gè)16腳帶開關(guān)芯片管腳座，設(shè)計(jì)有0.1、1、4.7、10、47、100、470 KΩ和1 MΩ等多種多圈電位器，并有整流橋、瓷罐線圈、撥碼盤、鈕子開關(guān)與電流測(cè)試轉(zhuǎn)接口等相應(yīng)器件模塊.實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)、相關(guān)實(shí)驗(yàn)器件和FPGA實(shí)驗(yàn)板，采用虛擬儀器設(shè)備即可完成多門實(shí)驗(yàn)課程教學(xué).

圖9 單次脈沖電路原理圖Fig.9 Schematic diagram of single pulse circuit圖10 三合一實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖Fig.10 Real diagram of three-in-one experimental box

3 三合一實(shí)驗(yàn)箱在多門實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

根據(jù)虛實(shí)結(jié)合、層次遞進(jìn)式教學(xué)理念，電路分析、模擬電路和數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)包含有基礎(chǔ)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，電子電路實(shí)驗(yàn)箱結(jié)合FPGA系統(tǒng)板、NI myDAQ口袋模塊和計(jì)算機(jī)，便可完成三門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué).經(jīng)過多次設(shè)計(jì)改版及調(diào)試，該實(shí)驗(yàn)箱已在本校電子、通信、自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、智能制造、機(jī)械電子與機(jī)械工程等多個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程及學(xué)科競(jìng)賽訓(xùn)練中使用，并取得較好的實(shí)驗(yàn)效果.表2-表4所示為本校在該實(shí)驗(yàn)箱所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，圖11-圖14所示為實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)物搭建電路及相應(yīng)仿真設(shè)計(jì)電路、實(shí)物電路測(cè)試示意圖.

表4 三合一實(shí)驗(yàn)箱開設(shè)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目Tab.4 Digital circuit experiment project of three-in-one experiment box

圖11 可控四位代碼轉(zhuǎn)換器實(shí)物電路測(cè)試和實(shí)驗(yàn)仿真圖Fig.11 Real circuit and simulation diagram of controllable four bit code converter

圖12 溫度檢測(cè)電路實(shí)物電路測(cè)試和電路仿真圖Fig.12 Real circuit and simulation diagram of temperature detection circuit

圖13 共射極放大電路實(shí)物電路及輸入輸出波形測(cè)量圖Fig.13 Real circuit and measurement diagram of common emitter amplifier

圖14 MSI計(jì)數(shù)器實(shí)物電路測(cè)試和proteus仿真圖Fig.14 Real circuit and simulation diagram of MSI counter

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電子信息類專業(yè)“電路分析”“模擬電路”與“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的基于虛實(shí)結(jié)合模式的三合一電子電路實(shí)驗(yàn)箱不僅適用于多門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)，還可作為學(xué)生課外開放自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、電子信息類學(xué)科競(jìng)賽訓(xùn)練平臺(tái)使用.經(jīng)過多次調(diào)試、改進(jìn)，我校已建設(shè)有該實(shí)驗(yàn)設(shè)備共計(jì)130臺(tái)套，并已投入至電子電路虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)室使用.該實(shí)驗(yàn)箱在教學(xué)過程中，通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)、調(diào)試與故障分析判斷等步驟，較大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性，學(xué)生自主創(chuàng)新能力、動(dòng)手實(shí)踐能力普遍增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著提升.