彭文竹，王 钦，杨 璐

(集美大学诚毅学院，福建厦门 361021)

0 引言

“电路分析”“模拟电路”和“数字电路”实验课程是电子信息类专业应用性较强的必修课程[1-5].其主要任务是让学生利用工程实验设计加深对相关课程理论原理的理解，掌握相应的实验设计及测试方法，提升学生的动手实践能力.然而，很多高校依然采用传统的实验教学模式，实验设备往往都是采用企业定制好的固定实验电路板，学生只需进行简单的连线，并在相关仪器设备上进行实验验证测试，学生通过这种实验模式很难理解真实的电路原理，无法熟悉各种元器件的具体原理及使用方法，较难实现自主实验创新设计，从而制约着综合性工程应用实验的开展[6-8].由于这三门课程有其共同的特点，因此可以将三门课程实验设备进行整合，采用自主创新实验模式，设计一款三合一电子电路实验箱，配以虚拟仪器及相应口袋实验模块，即可满足电路分析、模拟电路和数字电路等多门课程实验实践教学以及电子信息类学科竞赛开放设计要求，不仅能提高学生自主实验能力，还可增加实验设备使用率，有效节约实验室建设经费.

1 设计思路

三合一实验箱设计主要目的为满足“电路分析”“模拟电路”和“数字电路”等多门课程实验统一规范进行，锻炼学生自主实验能力，主要有以下特点.

1.1 自主实验电路设计

实验箱上设计面包板自主电路搭建区，学生需根据实验要求，利用面包板进行基础性电路及综合性实验电路的自主搭建验证、设计和测试，摒弃利用传统现成电路进行实验测试的方法.

1.2 NI myDAQ虚拟仪器和实验箱的有效结合

NI myDAQ虚拟仪器模块包含有数字万用表、示波器、函数发生器和波特图分析仪等多种测试仪器[9-11].因此，可在实验箱上设计NI myDAQ模块接口区域，通过专用设计接口线进行连接，将其信号转换至实验箱上，实现现实电路和虚拟仪器的综合实验测试，节约仪器仪表建设经费.

1.3 多课程学习

实验箱上根据多门课程特点，设置有电路分析实验区、模拟电路实验区和数字电路实验区，学生可根据课程要求，结合不同实验模块完成相应课程实验.

1.4 多种导线接口

实验箱上各模块接线点设计有通用铜芯导线接口、面包板导线接口，根据不同课程特点，在相应部分区域增加排针接口、Q9座信号同轴接口等，可满足不同模块之间实验时的有效连接，以及不同专业学生实验需求.

2 三合一实验箱整体方案及主要模块设计

根据设计思路及课程内容要求，实验箱整体设计方案如图1所示.

图1 三合一实验箱整体设计方案Fig.1 Design scheme of three-in-one experimental box

2.1 实验箱主要模块设计

2.1.1 实验箱导线接口的设计 因电子电路实验教学平台将开展多门专业基础课程实验，且需满足电类与非电类专业学生需求，因此有以下导线接口设计方案：

(1)为方便面包板上所设计搭建电路和实验箱之间的连接，实验箱所有接口均设计有2个面包板细线银针接口；

(2)为方便电流转接测试等功能及非电类专业学生实验需求，所有接口均设计有1个铜芯导线接口；

(3)为满足数字电路FPGA系统板和实验箱之间进行实验连接，单次脉冲源、12路电平指示电路、12路逻辑开关电路各端口增加设计2个排针接口；

(4)NI myDAQ信号区数字输入输出部分增加设计有Q9座同轴线接口，方便数字电路实验测试使用.

2.1.2 NI myDAQ口袋平台实验信号区设计 为实现电子电路实验箱和NI myDAQ虚拟仪器模块之间信号的有效连接，采用DB25针20芯连接线将NI myDAQ模块的螺栓端子I/O信号直接引到实验箱对应面板接口位置，实现NI myDAQ模块I/O接口与实验箱之间的信号转换，信号转换接口设置在实验箱右上角，设计布局如图2所示.DB25针串口线路各信号接口对应含义如表1所示.图3是连接线实物图.

图2 三合一实验箱与NI myDAQ信号转换设计布局图Fig.2 Design layout of signal conversion between three-in-one experimental box and NI myDAQ

图3 NI myDAQ信号转换至实验箱自制DB25连接线实物图Fig.3 The DB25 connecting line of NI myDAQ signal convert to experimental box

表1 DB25针和NI myDAQ信号接口对应连接表Tab.1 Connection table of DB25 pin and NI myDAQ signal interface

2.1.3 直流稳压电源及可调直流电源的设计 实验箱中分别采用78、79系列稳压芯片设计多路±5 、±12、±15 V直流稳压电源，并采用LM317可调稳压电源芯片设计两路0～20 V可调直流电源，以上每路电源均设置有独立开关、电源指示灯及短路过流报警系统.图4所示为实验箱中各种直流电源的具体设计布局图，图5为±12 V直流电源及0～20 V可调稳压电源设计电路原理.

图4 多路直流稳压电源及可调直流电源设计布局图Fig.4 Design layout of multi-channel DC power and adjustable DC power

图5 直流电源模块部分原理图Fig.5 Schematic diagram of DC power module

2.1.4 译码显示电路设计 译码显示电路采用共阴极数码管及CD4511BCD码七段译码器驱动电路.CD4511是一种七段译码CMOS电路，所提供的拉电流相对较大，有BCD转换、消隐和锁存控制等特点[11].该译码显示电路可用于数字电路技术等综合设计实验中.图6所示为4位BCD译码显示电路设计布局图.

图6 译码显示电路设计布局图Fig.6 Design layout of decoding display circuit

2.1.5 数字逻辑输入输出电路设计 实验箱设计有12路数字逻辑电平显示电路、12位逻辑电平输出电路，该模块电路不仅设计有LED指示灯，预留有排针接口，以满足数字电路综合设计实验中FPGA系统板通过杜邦线进行连接测试.图7所示为12路数字逻辑电平指示和输出模块设计布局图，图8为逻辑电平输入输出电路原理图.

图7 十二位逻辑电平输入输出设计布局图Fig.7 Design layout of 12 bit logic level I/O图8 逻辑电平输入输出电路原理图Fig.8 Schematic diagram of logiclevel input and output circuit

2.1.6 单次脉冲源电路设计 系统单次脉冲模块电路提供有2路独立的正负脉冲信号，该单脉冲电路由74LS00与非门、CD4050反相缓冲器构成，可同时产生正负单次脉冲信号，图9为单次脉冲信号电路原理图.

2.1.7 实验箱整体结构及模块布局 根据以上主要模块设计原理，合理分布各实验模块，如图10所示为电子电路实验箱整体实物图.实验箱数字电路芯片插槽部分包含有2个8脚、3个14脚及3个16脚带开关芯片管脚座，设计有0.1、1、4.7、10、47、100、470 KΩ和1 MΩ等多种多圈电位器，并有整流桥、瓷罐线圈、拨码盘、钮子开关与电流测试转接口等相应器件模块.实验时，结合计算机、相关实验器件和FPGA实验板，采用虚拟仪器设备即可完成多门实验课程教学.

图9 单次脉冲电路原理图Fig.9 Schematic diagram of single pulse circuit图10 三合一实验箱实物图Fig.10 Real diagram of three-in-one experimental box

3 三合一实验箱在多门实验课程中的应用

根据虚实结合、层次递进式教学理念，电路分析、模拟电路和数字电路课程实验包含有基础验证性、设计性、综合性项目实验，电子电路实验箱结合FPGA系统板、NI myDAQ口袋模块和计算机，便可完成三门课程实验教学.经过多次设计改版及调试，该实验箱已在本校电子、通信、自动化、物联网、计算机、智能制造、机械电子与机械工程等多个专业实验课程及学科竞赛训练中使用，并取得较好的实验效果.表2-表4所示为本校在该实验箱所开设的实验教学项目，图11-图14所示为实验时实物搭建电路及相应仿真设计电路、实物电路测试示意图.

表4 三合一实验箱开设数字电路实验项目Tab.4 Digital circuit experiment project of three-in-one experiment box

图11 可控四位代码转换器实物电路测试和实验仿真图Fig.11 Real circuit and simulation diagram of controllable four bit code converter

图12 温度检测电路实物电路测试和电路仿真图Fig.12 Real circuit and simulation diagram of temperature detection circuit

图13 共射极放大电路实物电路及输入输出波形测量图Fig.13 Real circuit and measurement diagram of common emitter amplifier

图14 MSI计数器实物电路测试和proteus仿真图Fig.14 Real circuit and simulation diagram of MSI counter

4 结语

根据电子信息类专业“电路分析”“模拟电路”与“数字电路”实验课程特点，所设计的基于虚实结合模式的三合一电子电路实验箱不仅适用于多门课程实验教学和课程设计，还可作为学生课外开放自主实验创新、电子信息类学科竞赛训练平台使用.经过多次调试、改进，我校已建设有该实验设备共计130台套，并已投入至电子电路虚拟仪器综合实验室使用.该实验箱在教学过程中，通过学生自主设计、调试与故障分析判断等步骤，较大提高了学生的学习积极主动性，学生自主创新能力、动手实践能力普遍增强，实验教学效果显著提升.