自制实验设备 解决教学难题

摘 要： 《数字电路》实验设备存在的主要问题。《数字逻辑电路实验仪》的制作，克服了长期以来难以解决的实验教学难题。

关键词： 实验设备问题； 实验仪制作； 解决问题

中图分类号： G427 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）02-0112-02

实验教学，是学生在教师指导下，运用一定的仪器设备进行独立操作、通过观察和分析事物的变化直接获取知识，培养实验与操作技能。可以说，教学仪器、设备是加强实验（训）教学的基础和保证。然而，作为“数字电路”实验教学使用的主要设备――由众多厂家生产，五花八门的数字电路实验箱、实验台（柜），大多不同程度地存在着可靠性差、功能不全、维修不便等缺陷。导致实验效果不佳，甚至出现一些无法克服的难题，严重制约了学生实际动手能力的提高及创新思维意识的形成。为此，笔者根据多年的实践教学经验及实际需要，自行设计研制了《数字逻辑电路实验仪》，供我院数电实验教学使用，解决了数电实验教学中出现的难题，效果良好。

一、商品数字电路实验箱、实验台（柜）存在的主要问题

1．单次脉冲不可靠

在脉冲数字电路实验中，经常要用到正（或负）跳变的单次阶跃脉冲。但是，由于机械开关的通断时间往往达几ms至几十ms，在此期间会出现多次抖动，相当于连续出现了几个脉冲信号或数目不定的脉冲串，显然，用这样的开关产生的信号会导致电路产生误动作。对触发器、寄存器、计数器等都要使用单次脉冲进行触发的时序电路而言，就会产生错误的结果。为了消除这种开关的抖动、厂家生产的数字电路实验箱、台、柜，通常在机械开关与被驱动的电路间加有防抖动电路，但在实验教学过程中发现，先后购置的商品实验仪都没有很好地解决这个看似简单的问题，很不可靠，实验数据理论与实际不一样，导致实验无法进行。

2.元件被屏蔽，是“试验”非“实验”

厂家生产的这些实验设备多采用“积木”、“模块”、“单元电路”的方式方法。电子元器件、电路板被屏蔽在设备或模块的内部，外部仅漏出元件或电路的引脚连线插孔及图符。元器件是什么形状则看不到，集成电路管脚的识别、三极管等元器件极性及好坏的测量、判别难以进行，学生无法建立感性认识，理论不能联系实际，动手能力的提高无从谈起，主观能动性很难得到发挥。虽不实用，亦有优点：整齐美观（应付领导参观没问题），实验准备工作也相应简单一些。

3.实验连接导线坏了难修复

市售的这些实验箱、实验台（柜）都采用的是带插头可互迭的一次性连接导线。这种导线和与之配套的圆锥形插孔之间的接触比较可靠，但可能是商业利益使然吧，导线与插头是用塑料密封在一起的，坏了无法修复，因而是一次性的。数电属技术基础课，班级多，学生多，重复使用率高，由于反复插拔此处最容易从内部断开。损坏后只能由生产厂家提供，要受制于人。每根连线一元多甚至两元以上，显然不经济。而且实验过程中由此引起的隐性故障要查找半天，特别是需要很多连线的实验。

二、自制实验设备，解决教学难题

为了克服由于实验设备缺陷造成的实验教学难题，提高实验效果，增强学生发现问题，分析问题，解决问题的能力，本着使用方便可靠、线路简单实用、结构合理紧凑、易于自制、便于维修的指导思想，笔者自行设计研制了功能较为齐全、富有特色、经济实用的《数字逻辑电路实验仪》。本仪器可供职业院校、中职中专、业余电子爱好者使用双列直插式大、中、小规模集成电路，进行数字电路的实验和逻辑设计。若配以示波器、万用表等仪表，利用面包板搭接电路，亦可完成模拟电子线路的实验。该实验仪共由七个部分组成，下图是该实验仪的组成方框图。

1. 单次脉冲发生器。经过反复多次的实验，该部分最后选用了电路结构最为简单的R-S单稳态触发器作为单次脉冲发生器。由于去耦电路完善，线路结构合理，加之采用的是超高速的TTL门电路，所以电路工作非常稳定、可靠，且单次脉冲的上升沿、下降沿都很陡。所制作的十五台“数字电路实验仪”，没有一台存在因为按钮型自复式开关的通、断而产生的“抖动”现象，从而有效地解决了“时序电路”实验过程中因开关“抖动”而产生的误动难题。

2．多孔实验插座扳。多孔实验插座板俗称“面包板”，每块插座板中央有一凹槽，凹槽两边各有相互对应的65列小插孔，每一列的五个小孔其内部是由一只弹性接触簧片构成的，故在电气上是相互连通的。列于列的间距均是双列直插式DIP封装IC的标准间距。集成电路的引脚就分插在凹槽两边的小孔上。另外，插座扳上、下边沿各有一排11组55个插孔，其中前后4组各20个插孔、中间的3组15个插孔在电气上是分别连通的，可作为电源与地线插孔。本实验仪使用了四块SYB-130型实验插座板，一次可容纳多块集成电路进行实验。小型开关、晶体管、小电阻电容等分立元件也很容易插入。

选择采用传统的“面包板”,是因为学生可在其上随心所欲地搭接电路。这对他们认识、检验、使用、选择元器件、建立感性认识，激发学习兴趣、提高动手能力、发挥主观能动性等诸方面都能起到很好地作用。同时，用来搭接电路的单股导线到处有售，彻底解决了带插头的专用实验连线坏了无法修复，需外购，要受制于人且远水解不了近渴还不经济的难题。但因为元器件的发放、回收、检验比较费时间，因而相应增加了实验员的工作量。

3．脉冲信号源。脉冲信号源部分电路设计巧妙、新颖、独特、成功：分为1~100HZ、100~1KHZ、1K~30KHZ三个频段，所需频率由波段开关与频率细调旋钮进行选择。脉冲输出幅度0~9V连续可调，脉冲的占空比调节范围可达（0~100%），而且在调节脉冲宽度时对输出频率无任何影响。脉冲的上升及下降时间都小于1微秒。另外，还单独设置有TTL电平脉冲输出插孔。一些技术指标显然高于厂家的产品。

4．电源部分。本实验仪设有+5V、+12V、-12V三组直流电源，均采用了集成组件三端稳压器进行稳压。+5V电源除了给实验电路供电外，还要作为本实验仪内各个部分的工作电源，因此选用了金属封装，较易散热的LM7805K。7812、7912则采用了廉价的塑封型三端稳压器。这三种集成稳压器内部均设有可靠的短路、超温、限流等完善的保护措施，由于选用了尽可能大的散热器，故各路输出的直流电流均大于1.0A。

5. 逻辑电平开关。共八位。选用优质的单刀双掷开关，向实验电路提供“0”、“1”电平信号。若八位开关不够用，可由DIP封装的双列直插式微型多路开关在多孔实验插座扳上进行扩充。

6. 逻辑电平显示。共八位。均加有驱动电路。可选用廉价的低功耗LSTTL、COMS等芯片完成实验。

7．计数译码显示。共两位。可进行百位数以内的计数、译码、显示实验。若要增加位数，亦可在实验插件板上进行扩充。

所有开关旋钮接插件（含实验插件板）、数码管及LED灯等均直接安装、固定在一块380*300*2.5mm的印刷电路板正反面上。其正面还有铜箔经腐蚀后形成的仪器型号、各部分（用线条框起来）名称、字符等。背面的印刷电路上面焊着元器件。电源变压器、三端稳压器则安装在一个金属框架上，与电路板背面用两只把手（检修时将整个仪器移出机箱用）固定在一起，还能起到支撑的作用。整个机箱为自制木结构，尺寸为470*330*145mm。

该实验仪制作以来，经多年使用，除部分实验插件板出现接触不良的现象，还有外观稍差外，工作依然正常可靠，功能、性能指标仍不滞后，在我院数电实验教学中仍发挥着良好的作用。