一种数字电路教学实训设备的制作方法

本发明涉及电路教学设备技术领域，具体涉及一种数字电路教学实训设备。

背景技术：

数字电子技术是高等学校电子信息类、机电一体化、计算机科学与技术及相关专业的学科基础课，该课程理论抽象、实践性强，只有通过大量的动手实践才能对课程的核心知识有充分的理解，并为后续课程的学习打下牢实的基础。

长期以来，很多高校虽然为该课程安排了配套的实验，但这些实验一般都在常规的实验箱上进行，只能实现单个知识点的验证和简单项目的设计，内容简单、学生参与度不够，难于将理论知识与实际应用很好地结合起来，致使很多学生做完实验后，对实验内容与理论知识的关联仍然缺乏必要的认识，也在一定程度上阻碍了学生深入学习的兴趣。有些高校虽然开设了数字电子技术课程设计相关课程，但实验设备简陋，有的直接用面包板进行，有的干脆就在常规实验箱上实施。由于设备条件的限制，能完成的课题有限，难于实现相对完整的项目设计，对于学生理解课本上的理论知识在工程实际中的应用帮助不大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种数字电路教学实训设备，解决现有技术中数字电路教学试验箱功能单一、无法满足需求的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种数字电路教学实训设备，包括单片机控制电路、模拟信号输入电路、脉冲整形电路、面包板、电机驱动电路、输入输出电路以及电源电路；

所述模拟信号输入电路与所述单片机控制电路电连接，所述单片机控制电路通过所述脉冲整形电路与所述面包板电连接，所述单片机控制电路与所述电机驱动电路电连接，所述输入输出电路与所述单片机控制电路电连接，所述单片机控制电路、模拟信号输入电路、脉冲整形电路、面包板、电机驱动电路以及输入输出电路分别与所述电源电路电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明设置输入输出电路、模拟信号输入电路、脉冲整形电路以及面包板，可以方便地实现数字电路的设计与验证工作，对学生理解数字电子技术相关课程的理论知识在实际中的应用有很好的帮助作用。

附图说明

图1是本发明提供的数字电路教学实训设备的电路原理图；

图2是本发明提供的数字电路教学实训设备的模拟信号输入电路的电路图；

图3是本发明提供的数字电路教学实训设备的电机驱动电路的电路图；

图4是本发明提供的数字电路教学实训设备的脉冲整形电路的电路图；

图5是本发明提供的数字电路教学实训设备的霍尔传感器的电路图；

图6是本发明提供的数字电路教学实训设备的单脉冲信号产生电路的电路图；

图7是本发明提供的数字电路教学实训设备的显示电路的电路图；

图8是本发明提供的数字电路教学实训设备的发光二极管电路的电路图；

图9是本发明提供的数字电路教学实训设备的单片机控制电路的电路图；

图10是本发明提供的数字电路教学实训设备的电源电路的电路图。

附图标记：

1、单片机控制电路，2、模拟信号输入电路，3、脉冲整形电路，4、面包板，5、电机驱动电路，6、输入输出电路，61、单脉冲信号产生电路，62、显示电路，63、发光二极管电路，7、电源电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种数字电路教学实训设备，以下简称本设备，包括单片机控制电路1、模拟信号输入电路2、脉冲整形电路3、面包板4、电机驱动电路5、输入输出电路6以及电源电路7；

所述模拟信号输入电路2与所述单片机控制电路1电连接，所述单片机控制电路1通过所述脉冲整形电路3与所述面包板4电连接，所述单片机控制电路1与所述电机驱动电路5电连接，所述输入输出电路6与所述单片机控制电路1电连接，所述单片机控制电路1、模拟信号输入电路2、脉冲整形电路3、面包板4、电机驱动电路5以及输入输出电路6分别与所述电源电路7电连接。

本发明设置电机驱动电路5、输入输出电路6、模拟信号输入电路2、脉冲整形电路3以及面包板4，可以方便地实现数字电路的设计与验证工作，对学生理解数字电子技术相关课程的理论知识在实际中的应用有很好的帮助作用。具有携带方便、使用安全、功能齐全、可扩展性强等特点，适合各高校数字电子技术及相关课程的课程设计与实训要求。

优选的，如图2所示，所述模拟信号输入电路2包括运算放大器u11a、运算放大器u11b、电位器rw1、电位器rw2、电容c7以及电容c8；

所述电位器rw1的一个固定端与所述电源电路7电连接，另一个固定端接地，所述电位器rw1的滑动端与所述运算放大器u11a的同相输入端电连接，所述运算放大器u11a的同相输入端通过所述电容c7接地，所述运算放大器u11a的反向输入端与所述运算放大器u11a的输出端电连接，所述运算放大器u11a的输出端与所述单片机控制电路1电连接，所述运算放大器u11a的电源端与所述电源电路7电连接，所述运算放大器u11a的接地端接地；

所述电位器rw2的一个固定端与所述电源电路7电连接，另一个固定端接地，所述电位器rw2的滑动端与所述运算放大器u11b的同相输入端电连接，所述运算放大器u11b的同相输入端通过所述电容c8接地，所述运算放大器u11b的反向输入端与所述运算放大器u11b的输出端电连接，所述运算放大器u11b的输出端与所述单片机控制电路1电连接，所述运算放大器u11b的电源端与所述电源电路7电连接，所述运算放大器u11b的接地端接地。

模拟信号由两个电位器rw1、rw2产生，通过运算放大器u11a、u11b构成的电压跟随器对模拟信号进行调理、隔离，然后输入单片机控制电路1，单片机控制电路1自带模数转换器，模数转换器将模拟信号转换为数字信号，然后根据数字信号进行相关实验，例如控制控制电机的转速、控制连续脉冲信号的频率。

优选的，如图3所示，所述电机驱动电路5包括三极管q1、三极管q2、三极管q3、三极管q4、三极管q5、三极管q6、电阻r6、电阻r7、电阻r4、电阻r5、二极管d3、二极管d4、二极管d5以及二极管d6；

所述单片机控制电路1通过所述电阻r7与所述三极管q1的基极电连接，所述三极管q1的发射极接地，所述三极管q1的集电极通过所述电阻r4与所述三极管q3的集电极电连接，所述三极管q1的集电极分别与所述三极管q3的基极以及三极管q5的基极电连接，所述三极管q3的集电极与所述电源电路7电连接，所述三极管q3的发射极与所述三极管q5的发射极电连接，所述三极管q5的集电极接地；所述单片机控制电路1通过所述电阻r6与所述三极管q2的基极电连接，所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的集电极通过所述电阻r5与所述三极管q3的集电极电连接，所述三极管q2的集电极分别与所述三极管q4的基极以及三极管q6的基极电连接；所述三极管q4的发射极与所述电源电连接，所述三极管q4的集电极与所述三极管q6的发射极电连接，所述三极管q6的集电极接地；

所述二极管d3的阴极与所述三极管q3的集电极电连接，所述二极管d3的阳极与所述二极管d4的阴极电连接，所述二极管d4的阳极与所述三极管q5的集电极电连接，所述二极管d5的阴极与三极管q4的发射极电连接，所述二极管d5的阳极与所述二极管d6的阴极电连接，所述二极管d6的阳极与所述三极管q6的集电极电连接；所述二极管d3的阳极以及所述二极管d5的阳极分别与单排母p2电连接。

电机的旋转速度由单片机控制电路1输出的pwm信号驱动控制，电机驱动电路5如图3所示。其中，三极管q3、q4、q5、q6构成直流电机的h桥驱动电路，二极管d3、d4、d5、d6为续流二极管，在pwm信号为低电平时，提供电机的续流回路，同时保护h桥驱动电路中的三极管。连接器p2作为电机驱动电路5的接口，可用于计程车计费、洗衣机控制等相关实验电路的输出接口；连接器p2提供直流电机输入信号的接口，配合电机转盘上的金属片及主板上的霍尔传感器，可完成电机转速测量相关实验。

优选的，如图4所示，所述脉冲整形电路3包括与非门u12d、电阻r74以及电阻r75；

所述单片机控制电路1与所述与非门u12d的一个输入端电连接，所述与非门u12d的另一个输入端通过所述电阻r75与所述电源电路7电连接，所述与非门u12d的输出端通过所述电阻r74与所述电源电路7电连接，并通过双排母j13与所述面包板4电连接。

本发明中脉冲整形电路3通过带施密特触发器的与非门u12d实现，本实施例中与非门u12d选用型号为74hc132d，用于对单片机控制电路1输出的连续脉冲信号进行整形，并输出到面包板4区的实验电路。为了节省空间，本设备的脉冲整形电路3未单独设计施密特触发器，而是采用带施密特触发器的与非门u12d实现单片机控制电路1输出的连续脉冲信号的整形。

优选的，如图5所示，所述输入输出电路6包括霍尔传感器h1以及自锁按键s2，所述霍尔传感器h1安装于电机上，并监测所述电机的转速，所述霍尔传感器h1通过所述脉冲整形电路3与所述自锁按键s2电连接，所述自锁按键s2通过双排母j14与所述面包板4电连接。

霍尔传感器h1检测电机p2的转速信号，霍尔传感器h1输出的转速信号的整形与单片机控制电路1输出的连续脉冲信号的整形共用一个脉冲整形电路3，通过自锁按键s2实现霍尔传感器h1与单片机控制电路1的切换，共用脉冲整形电路3有利于节省空间、节约成本。

优选的，如图6所示，所述输入输出电路6包括单脉冲信号产生电路61，所述单脉冲信号产生电路61包括非自锁按键s3、电阻r71、电阻r72、与非门u12a以及与非门u12b；

所述非自锁按键s3的一端接地，另一端分别与所述与非门u12a的一端以及所述与非门u12b的一端电连接，并分别通过所述电阻r71以及电阻r72与所述电源电路7电连接，所述与非门u12a的另一端与所述与非门u12b的输出端电连接，所述与非门u12b的另一端与所述与非门u12a的输出端电连接，所述与非门u12b的输出端通过双排母j12与所述面包板4电连接。

单脉冲信号产生电路61由非自锁按键s3以及两个与非门组成的rs触发器电路构成，用于产生实验电路测试所需的单脉冲信号，通过双排母j12输出到面包板4的实验电路，非自锁按键s3每按一下，单脉冲信号产生电路输出一个单脉冲。

优选的，如图7所示，所述输入输出电路6包括显示电路62，所述显示电路62包括驱动芯片u2以及数码管smg1，所述单片机控制电路1通过所述驱动芯片u2与所述数码管smg1电连接。

本发明中显示电路62包括多路数码管驱动电路，每一路数码管驱动电路均由一个驱动芯片u2和一个数码管smg1组成，图7中仅示出一路数码管驱动电路，本实施例选用的驱动芯片u2的型号为cd4511bcn。

具体的，数码管smg1的k引脚以及dp引脚均接地，数码管smg1的a引脚通过电阻r1与驱动芯片u2的a引脚电连接，数码管smg1的b引脚通过电阻r2与驱动芯片u2的b引脚电连接，数码管smg1的c引脚通过电阻r1与驱动芯片u3的c引脚电连接，数码管smg1的d引脚通过电阻r4与驱动芯片u2的d引脚电连接，数码管smg1的e引脚通过电阻r5与驱动芯片u2的e引脚电连接，数码管smg1的f引脚通过电阻r6与驱动芯片u2的f引脚电连接，数码管smg1的g引脚通过电阻r7与驱动芯片u2的g引脚电连接，驱动芯片u2的vdd引脚、bi引脚以及l引脚均接电源，驱动芯片u2的gnd引脚接地，驱动芯片u2的a引脚、b引脚、c引脚以及d引脚均通过单排母j1与单片机控制电路1电连接，并分别通过上拉电阻r78、r77、r76、r75与电源电路7电连接。

显示电路62是一个独立部分，与其它电路无信号连接，既可以作为面包板4实验电路的显示输出，又可以作为单片机控制电路1的输出显示器。

优选的，如图8所示，所述输入输出电路6包括发光二极管电路63，所述发光二极管电路63包括片选芯片u9以及多个发光二极管led，所述单片机控制电路1与所述片选芯片u9电连接，所述片选芯片u9分别与多个所述发光二极管led电连接。

图中仅示出四个发光二极管led，分别为led1、led2、led3以及led4，发光二极管led的数量还可以为其他。具体的，片选芯片u9的a1引脚、a2引脚、a3引脚以及a4引脚分别通过单排母j7与单片机控制电路1电连接，片选芯片u9的a1引脚、a2引脚、a3引脚以及a4引脚分别通过电阻r105、电阻r106、电阻r107以及电阻r108接地，片选芯片u9的oe1引脚以及oe2引脚均接地，片选芯片u9的vcc引脚与所述电源电路7电连接，片选芯片u9的y1引脚通过电阻r49与二极管led1的阳极电连接，二极管led1的阴极接地，片选芯片u9的y2引脚通过电阻r50与二极管led2的阳极电连接，二极管led2的阴极接地，片选芯片u9的y3引脚通过电阻r51与二极管led3的阳极电连接，二极管led3的阴极接地，片选芯片u9的y4引脚通过电阻r52与二极管led4的阳极电连接，二极管led4的阴极接地。

通过单排母j7引入单片机控制电路1的控制信号，片选芯片u9根据控制信号驱动相应的发光二极管led1的亮、灭。发光二极管电路可用于流水灯相关实验的显示输出，也可作为普通标志信号的显示输出；用六个排成“l”形的发光二极管，用于显示红、黄、绿等3种颜色的光，可以作为十字路口交通灯相关实验项目的显示输出。本实施例中片选芯片u9型号为74hc244，为了防止无输入信号时，发光二极管的误亮动作，片选芯片u9的每个输入端都通过一个下拉电阻接地。

优选的，如图9所示，所述单片机控制电路1包括单片机u1-1、时钟电路、复位电路以及编程电路；

所述时钟电路、复位电路以及编程电路分别与所述单片机u1-1电连接，所述单片机u1-1分别与所述模拟信号输入电路2、脉冲整形电路3、电机驱动电路5以及输入输出电路6电连接。

通过单片机u1-1及外围电路产生实验电路所需的可调脉冲信号、控制电机的转速、检测实验电路输出信号以及控制数码管的显示等。

具体的，本实施例中单片机u1-1选用型号为stm32f030f4p6；时钟电路包括电容c1-1、电容c1-2以及晶振y1，所述单片机u1-1的pf0引脚通过所述电容c1-1接地，所述单片机u1-1的pf1引脚通过所述电容c1-2接地，所述单片机u1-1额的pf0引脚通过所述晶振y1与所述pf1引脚电连接；所述复位电路包括电阻r1-2、复位按键s1以及电容c1-4，所述单片机u1-1的nrst引脚通过所述电阻r1-3与所述电源电路7电连接，并通过所述电容c1-4接地，所述复位按键s1与所述电容c1-4并联；所述编程电路包括电阻r1-1、电阻r1-2以及接插件p1-2，所述单片机u1-1的boot0引脚依次通过所述电阻r1-2以及电阻r1-1与所述电源电路7电连接，所述电阻r1-2与电阻r1-2的公共端与所述接插件p1-2电连接，所述接插件p1-2接地；所述单片机u1-1电连接有通信接插件p1-3，所述通信接插件p1-3分别与所述单片机u1-1的rx引脚以及tx引脚电连接，所述通信接插件p1-3的电源脚与所述电源电路7电连接，所述通信接插件p1-3的接地脚接地。

优选的，如图10所示，所述电源电路7包括稳压器u1-2，所述稳压器u1-2的输入端通过usb接口p1-1与外部电源电连接，所述稳压器u1-2的输出端分别与所述单片机控制电路1、模拟信号输入电路2、脉冲整形电路3、电机驱动电路5以及输入输出电路6电连接，所述稳压器u1-2的输出端通过电容c1-3与所述稳压器u1-2的接地端电连接，所述稳压器u1-2的接地端接地，所述稳压器u1-2的输入端通过自恢复保险丝ptc1与整流二极管d2的阳极电连接，所述整流二极管d2的阴极与所述稳压器u1-2的输出端电连接。

本设备采用usb接口p1-1供电，可以方便的使用手机充电器、充电宝、或其他usb接口p1-1的充电器提供电源。本实施例中稳压器u1-2选用型号为ams1117。由于本发明主要针对学生的课程设计，而学生在电路设计、连接方面的经验不够，实际使用时，可能会出现负载过重、电源反接等错误，为了防范因这类错误导致的电源损坏，本设备利用自恢复保险丝ptc1和整流二极管d2形成电源保护电路，实现对电源电路7的保护。

本设备采用usb接口p1-1供电，兼容市面上常见的安卓手机数据线接口。使用时，学生可不接触220v交流电，在一定程度上减少了高压交流供电带来的安全隐患，且使得设备的使用不受实验场地限制，学生可以将设备带离实验室，利用便携式移动电源和手机数据线为设备提供电源，进行系统的调试。本设备还设有防电源反接和限流保护电路，可有效保护设备，降低因学生误接电路导致的设备损坏几率。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。