彭佩烘

研究背景

“數(shù)字電路”是中職學(xué)校電工、電子、機(jī)電、信息、通信等專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)課。在實(shí)際教學(xué)中，多數(shù)中職學(xué)校的教師們往往只是在黑板上進(jìn)行電路分析和邏輯分析，實(shí)際效果非常抽象，學(xué)生難于理解和掌握有關(guān)知識點(diǎn)。目前，針對這門課程所用到的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備，要么是實(shí)驗(yàn)箱，要么是實(shí)訓(xùn)桌。這些設(shè)備存在成本較高（數(shù)千元甚至上萬元）、操作不夠靈活等問題，一般條件不夠好的學(xué)校都沒有能力配備使用。在使用這些設(shè)備的學(xué)校中也普遍存在損壞嚴(yán)重、使用率不高等現(xiàn)象。更主要的是，這種實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)訓(xùn)桌開發(fā)創(chuàng)新的功能不夠強(qiáng)，基本上只能按部就班進(jìn)行操作，對學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)極為不利，而且對學(xué)生的專業(yè)能力和動手能力培養(yǎng)的效果也不是很好，更談不上讓學(xué)生進(jìn)行數(shù)字電路的開發(fā)。為解決這些問題，我經(jīng)過不斷查找資料，不斷與學(xué)校老師、企業(yè)技術(shù)人員探討，不斷改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出這種數(shù)字電路開發(fā)板。

開發(fā)板結(jié)構(gòu)及工作原理實(shí)現(xiàn)過程

總體結(jié)構(gòu)

完成后的開發(fā)板如圖1所示。此開發(fā)板采用層疊結(jié)構(gòu)，整個開發(fā)板分為主板和擴(kuò)展板（可多塊），擴(kuò)展板可用4個螺絲固定在主板的上方。開發(fā)板的主板上設(shè)置了穩(wěn)壓電源、可調(diào)電源、信號發(fā)生、觸發(fā)脈沖、BCD譯碼、數(shù)碼顯示、二極管顯示、按鍵、開關(guān)等電路，擴(kuò)展板上設(shè)置了眾多的電子元件擴(kuò)展接線柱或集成電路測試座。各電子元件的連接是通過固定在開發(fā)板上的銅雞眼進(jìn)行插按的，具有結(jié)實(shí)耐用、直觀明了的特點(diǎn)。圖1顯示的是開發(fā)板上安裝了1塊NE555和1塊CD4017集成電路以及幾個阻容元件，安裝了1個十進(jìn)制閃爍電路。圖1中，1塊擴(kuò)展板已經(jīng)裝在主板上，主板和擴(kuò)展板也能分開放置。擴(kuò)展板還可以進(jìn)行多層構(gòu)建。

電源電路

穩(wěn)壓電源、可調(diào)電源電路如圖2所示。

三極管V101、V102、可控硅T、紅色發(fā)光二極管LEDl以及電阻R101、R102、R103、R104、R105、R106、電容C103等組成過載保護(hù)、過載指示電路。三極管V101、V102組成復(fù)合三極管。平時可控硅T截止，復(fù)合三極管通過R101、R102得到電流而工作。當(dāng)流過負(fù)載的電流達(dá)到300mA以上時，R105上的壓降達(dá)到0.7V左右，導(dǎo)致可控硅T被觸發(fā)導(dǎo)通，對應(yīng)復(fù)合三極管截止，切斷電源輸出，同時紅色LEDl發(fā)光指示。此時，只有先切斷開關(guān)S101，對負(fù)載進(jìn)行檢查后，再閉合S101才能使電源恢復(fù)輸出。電路中，三端穩(wěn)壓器7805內(nèi)部具有過流保護(hù)、熱保護(hù)和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)功能，由于保護(hù)措施完善，所以即便使用過程中發(fā)生輸出端瞬時對地短路，也不會燒毀。二極管D101可確保外按的直流電源只能是上正下負(fù)。二極管D102可防止三端穩(wěn)壓器的輸出端電壓比輸入端電壓高。經(jīng)過多次用導(dǎo)線對5V電源進(jìn)行短路測試，過載保護(hù)電路每次均能可靠工作，確保5V電源安然無恙。通過調(diào)節(jié)RW101電位器的阻值，可改變0～5V的輸出電壓。

信號發(fā)生電路

用1塊NE555時基集成電路和1塊CD4069六反相器中的2個反相器，以及電位器、電阻電容等元件，組成脈沖信號發(fā)生電路。改變電位器阻值，可改變脈沖信號的頻率。由于此脈沖信號是加給數(shù)字集成電路作為控制信號的，所需的負(fù)載電流很小，因此在脈沖信號輸出端處設(shè)置了限流電阻，可有效防止學(xué)生因按線錯誤而導(dǎo)致開發(fā)板的損壞。

觸發(fā)脈沖電路

用1塊NE555時基集成電路和上文所述CD4069六反相器中的另外3個反相器，以及常開按鈕、電阻電容等元件，組成觸發(fā)脈沖發(fā)生電路。每按一次按鈕，就可同時輸出1個正脈沖、1個負(fù)脈沖。由于此脈沖信號是加給數(shù)字集成電路作為控制信號的，所需的負(fù)載電流很小，因此在脈沖信號輸出端處按照與信號發(fā)生電路的相同處理方法，也設(shè)置了限流電阻，可有效防止學(xué)生因接線錯誤而導(dǎo)致開發(fā)板的損壞。

BCD譯碼與數(shù)碼顯示電路

BCD譯碼與數(shù)碼顯示電路如圖3所示。

CD4511是1塊用于驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管顯示器的BCD碼7段譯碼器，具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、7段譯碼及驅(qū)動功能。它能提供較大的拉入電流，可直接驅(qū)動LED顯示器。開發(fā)板上設(shè)置了2組BCD譯碼、數(shù)碼顯示電路。每組電路都設(shè)計(jì)了4個BCD碼輸入插口及7個擴(kuò)展輸出插口。在輸入插口和擴(kuò)展輸出插口處也都設(shè)置了限流電阻R401—404和R405R411，可有效防止學(xué)生因接線錯誤而導(dǎo)致開發(fā)板的損壞。

二極管顯示、按鍵與開關(guān)電路

LEDI—EDl0發(fā)光二極管可作為數(shù)字集成電路輸出高電平時的顯示，LEDlI—ED20發(fā)光二極管可作為數(shù)字集成電路輸出低電平時的顯示。每個發(fā)光二極管電路中都串按有1個1的限流電阻，因此，無論學(xué)生如何錯誤接線也不會導(dǎo)致開發(fā)板的損壞。

按鍵電路中按鍵未按下時，輸出為高電平；按鍵按下后，輸出為低電平。按鍵與開關(guān)電路中同樣設(shè)置有保護(hù)用限流電阻。

使用

使用時，不用其他任何電子元件，僅僅利用主板就可以進(jìn)行有關(guān)555振蕩、555觸發(fā)延時、BCD譯碼、數(shù)碼顯示等電路的探究。

利用主板，外加相應(yīng)的集成電路，可以進(jìn)行有關(guān)數(shù)字集成電路以及555時基電路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、電路探究。

如果再利用擴(kuò)展板，外加相應(yīng)的電阻電容、晶體管以及集成電路等電子器件，就可以有效、方便地進(jìn)行眾多有關(guān)數(shù)字電路方面的電路設(shè)計(jì)、開發(fā)創(chuàng)新，有效實(shí)現(xiàn)行動導(dǎo)向教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)等。

例如可利用此開發(fā)板進(jìn)行各種邏輯門電路包括與門、或門、與非門、或非門等的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開發(fā)，各種組合邏輯電路包括編碼器、譯碼器、數(shù)碼顯示器、譯碼驅(qū)動器、數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器等的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開發(fā)，各種集成觸發(fā)器包括基本RS觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器等的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開發(fā)，各種時序邏輯電路包括寄存器、計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開發(fā)，脈沖波形的產(chǎn)生、整形及其應(yīng)用設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開發(fā)，555時基電路及其應(yīng)用設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開發(fā)，等等。

項(xiàng)目特點(diǎn)及創(chuàng)新性

此開發(fā)板不僅能有效地進(jìn)行數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，更重要的是能有效地進(jìn)行數(shù)字電路的創(chuàng)新開發(fā)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)訓(xùn)桌平面化、符號化的形式不同，這種開發(fā)板是開放的，元器件以及它們的連接全部展現(xiàn)在學(xué)生眼前。這種開發(fā)板可用于常見的各種數(shù)字集成電路的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新開發(fā)，輸入/輸出信號都能用發(fā)光二極管指示或數(shù)碼管顯示，具有功能較全、構(gòu)造簡單、價(jià)格低廉、體積小巧、不易損壞、開放直觀、創(chuàng)新性強(qiáng)、易于推廣等特點(diǎn)。教學(xué)中使用這種開發(fā)板，能真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，非常適合行動導(dǎo)向教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法和系統(tǒng)分析法的開展，對學(xué)生行動能力開發(fā)、關(guān)鍵能力培養(yǎng)非常有效，可以大大提高學(xué)生的實(shí)踐能力、操作能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。此開發(fā)板的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新性體現(xiàn)在如下幾個方面：

功能較全。幾乎所有中職數(shù)字電路課程教學(xué)中講到的電路都能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證。

構(gòu)造簡單。只要具備當(dāng)前一般中職學(xué)生的基礎(chǔ)，都能很快熟練操作使用，順利進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)。

價(jià)格低廉。每套成本不到100元，一般的中職學(xué)校都能實(shí)現(xiàn)人手一套，確保行動導(dǎo)向教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法的順利開展。

體積小巧。采用層疊結(jié)構(gòu)，可以在較小的面積內(nèi)進(jìn)行更多的電路連接、電路設(shè)計(jì)。

不易損壞。多重的短路保護(hù)、限流保護(hù)，一改傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)桌、實(shí)驗(yàn)箱的嬌氣，能有效防止開發(fā)板因線路按錯而造成損壞。

開放直觀。開發(fā)板上各部分的電路組成直觀明了，而不必像傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)桌、實(shí)驗(yàn)箱那樣“暗箱操作”。

此開發(fā)板經(jīng)過1年多在多個中職學(xué)校使用，感覺效果很好。對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)、行動能力的開發(fā)，以及對實(shí)踐能力、操作能力和創(chuàng)新能力的提高都非常有效。

該項(xiàng)目獲得第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果物理教學(xué)類一等獎。

該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是有機(jī)地集成了數(shù)字電路的相關(guān)教學(xué)演示內(nèi)容。該項(xiàng)目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。