数字电路多功能芯片模拟器及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字电路实验装置和实验方法，具体地说是一种结构合理、使用方便，特别适用于教学科研的数字电路多功能芯片模拟器及其使用方法。
【背景技术】
[0002]数字电子产业正在处在技术变革的时期，主要的变革是EDA+FPGA开发方式替代传统分离元件+卡诺图开发方式，开发手段变化非常大。但数字电子的基本原理却变化不大。这在高校数字电子技术教学中产生一种矛盾和冲突。怎么才能把数电原理和当前EDA主流技术互相结合。
[0003]具体而言，数字电子技术是高校一门基础的电子类课程，这门课程是电子类的启蒙课程。教学方式多采用课堂授课+实验方式。其中数字电子技术的实验教学方法都采用EDA+FPGA和分离元件+试验箱相结合的方法。
[0004]分离元件+试验箱的方法能够非常容易的表现数字电子技术课程的基本原理，帮助学生建立理论概念。但是74系列分离元件正处于被淘汰的技术边缘，与时代脱节。具体表现就是随着半导体技术的发展，74系列分离元件的使用越来越少，利用EDA技术开发FPGA芯片的方式使用越来越广泛。FPGA芯片代替分离元件大势所趋。
[0005]EDA+FPGA方法代表未来的技术方向，但是其不便于让学生从基础理解数电原理。因为FPGA和分离元件技术上不连贯。初学者很难理解EDA和数字电子技术原理的关系。这种方法与数字电子技术原理联系不紧密。
[0006]目前高校实验将一般采用分离元件+实验箱+EDA+FPGA试验箱的联合方式进行实验。用74系列分离元件帮助学生理解数电原理。
[0007]现有这种方式存在几方面不足:(I)数字电子技术教学没有达到将分离元件与FPGA、数电理论与EDA开发技术相结合的效果。目前数字电路课本编排都是按照数字电路基本理论+EDA方式组成。但由于课本本身缺少让二种技术连贯的方法、实验环节也没有让二者统一的实验方法。实际中学生没有学会利用数字电子技术原理开发FPGA的这一目的，同时也没有建立正确的数电概念和方向。(2)分离元件由于使用范围越来越少，开始逐步停产、购买变得越来越困难、价格越来越高，学校教学使用成本越来越大。(3)分离元件如果管脚损坏或者烧毁后，无法修复，只能做丢弃处理。(4)为了达到数电的功能设计要求，需要购买74系列多种元器件。由于购买数量分配、使用损毁或者实验安排的原因。往往造成某种型号芯片不足，或者另一种芯片大量积压的现象。芯片之间功能不能调换。(5)不管分离元件实验箱方式还是EDA试验箱方式学生只能利用课堂的实验箱进行学习。由于缺少实践的硬件，无法课外进行数电学习。(6) EDA实验箱过于复杂，学生学习掌握的学时超出了数字电子实验教学学时安排。
【发明内容】
[0008]本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、使用方便，特别适用于教学科研的数字电路多功能芯片模拟器及其使用方法。本发明最大特点是让学生自己用EDA技术设计74系列分离芯片，然后将设计好的芯片模拟器在分离元件实验箱搭建小型数字系统。从而实现了一种将EDA技术和数电原理、分离元件和FPGA相互结合的方法。这种方法优点是不改变数电当前的教学流程，只是在EDA教学和分离元件实验箱教学环节插入一个对芯片模拟器如何使用的教学环节即可。
[0009]本发明可以通过以下措施达到:
一种数字电路多功能芯片模拟器，其特征在于设有EPM3032、LED显示电路、时钟电路、下载调试电路、微动拨码电路、引脚选通接地电路，其中EPM3032分别与LED显示电路、时钟电路、下载调试电路、微动拨码电路、引脚选通接地电路相连接，微动拨码电路与引脚选通接地电路相连接。
[0010]本发明所述微动拨码电路用于切换芯片功能(要在断电时切换)。
[0011]本发明只需要在EDA教学环节增加对芯片模拟器的编程和开发、在分离元件连接环节使用芯片模拟器进行连接，就能将分离元件数电实验教学方式和EDA数电教学方式相融合，花费的代价极低。
[0012]本发明能够将分离元件数电实验教学方式和EDA数电教学方式相融合。
[0013]本发明所述一个模拟器在不重新改写程序的情况下最多能模拟4种74系列芯片的功能。
[0014]本发明通过限流电阻实现了 3.3V和5V逻辑电平的兼容。
[0015]本发明芯片模拟器尺寸为1.8CMX5CM，形状酷似钥匙。
[0016]本发明用AMS1117 3.3V稳压电路与EPM3032芯片相连接，用于提供芯片工作电压。稳压芯片可以通过跳线设成接入和不接接入方式。不接入时稳压电路时可直接和3.3V的LVTTL逻辑连接，接入稳压电路时可直接和5V的TTL逻辑连接。
[0017]本发明所述时钟电路为数字信号源或者时序逻辑电路提供基准信号源。
[0018]本发明所述的下载调试电路用于下载代码及调试。
[0019]本发明所述电源LED用于指示芯片供电和晶振工作是否正常，功能指示LED用于说明当前芯片模拟器逻辑功能。
[0020]本发明所述引脚选通接地电路用于改变芯片的接地引脚，使得芯片模拟器能够从DIP12、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20等封装形式转换，保证实际中接入对应封装电源时，保证芯片供电和接地正确。
[0021]本发明具有多功能性和灵活性:利用EMP3032的可编程特性，对74系列的所有芯片逻辑功能进行模拟；通过电路板中开关控制特定1 口逻辑电平高、低，然后配合特定程序，从而模拟器有一键转换芯片功能开关，通过调节二位微动开关组合关系，使芯片模拟器轻松转换成4种不同的芯片功能，并且上面有2个LED功能指示灯，利用LED灯的亮灭组合能够实时的指示当前逻辑功能；此外芯片模拟器能够做为数字信号源使用，能够对数字电子技术实验箱的检修作为辅助工具，也能够作为激励源构建逻辑大规模数字电路；
本发明相对于现有技术，利用小型的CPLD器件EPM3032为核心，通过下载电路、电源接口、DIP管座、微动开关等实现了芯片模拟器；价格便宜，就需10元左右即可制作出一个能模拟多款芯片的设备，将教学设计、教学装置、实训设备多方面的功能合为一体，不仅节约成本节约空间，设备操作性强；而且方便携带，学生只需一台电脑即可课后自主做实验，具有直观性强、经济性好、体积小等显著的优点。
[0022]本发明还提出了一种数字电路多功能芯片模拟器的使用方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1:让学生根据芯片模拟器参考原理图自己绘制PCB，然后制作PCB、焊接，或者提供现成的PCB让学生进行焊接和调试；
步骤2:调试完成后，将FPGA仿真器与芯片模拟模拟器进行连接；
步骤3:利用计算机USB 口或者外部电源对芯片模拟器供电；
步骤4:参考实验案例程序模板，利用74系列真值表设计分离元件，具体型号有74138、74161、74112、74374等器件，按照芯片的管脚定义对模拟器进行管脚分配；其中学生可以设计多种不同74系列芯片，然后通过对图6的电阻短接构建对应的DIP封装，同时可以通过拨码开关选择对应的逻辑功能；
步骤5:根据芯片模拟器管脚对设计的逻辑进行仿真、编译、下载等教学，烧写入芯片模拟器中。
[0023]本发明在分离元件实验环节，首先根据74系列芯片真