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电子技术实验台的开放型实验面板分析

2021/12/14 阅读:

摘 要:本设计是在电子实验实训教学基础上,对标校本实验实训内容,对电子实验台的实验面板进行设计,探索出更适合电子实验课教学的开放型实验面板。本实验面板适用于模电、数电及相关课程的实验实训与教学。仿真结果表明:相比之前的实验台,本实验台占地更小、灵活性更高、扩展性更强,有利于学生实践操作;实验成功率高,方便对电路进行拓展,有利于进行分层教学。

关键词:电子技术;实验实训;高职教育;开放型实验面板

1设计方案

1.1设计意义

高职教育培养目标是培养“素质高+技能强”的高素质技能型人才。高职培养的人才类型是实用型和应用型,教学实践环节对高职学生尤为重要。电子电路实验是电类专业必须开设的基础实验,是一项重要的教学实践环节。学生在做实验过程中,不仅能积累知识,而且能对知识进一步内化。实践性环节可以锻炼学生的科学思维和创新意识,提高学生的动手能力,这是课堂理论教学做不到的。所以,机电类和电子类专业的学生都需要进入电子实验室进行操作练习,电子实验室的实验设备利用率也是非常之高。

1.2设计背景

目前,江西机电职业技术学院电子实验室使用的是DZX-2型电子学综合实验设备,该实验设备有它的优点,但是也存在不足。比如:因为模块位置固定不能移动,当使用到多块芯片连接实验电路时,会导致连接的线特别多,甚至还有相互交叉的现象,学生在遇到问题检查线路时非常麻烦。另外,实验台的接插座使用时间一长,容易出现氧化现象,导致接触点不够灵敏,不易更换,直接影响实验教学效果,甚至会打击学生动手做实验的积极性。实验室现有40台电子实验台,16台新设备和24台旧设备。目前,旧设备因实验面板老化、实验效果差处于闲置状态,仅有的16台新设备难以满足机电类班级和电子类班级的教学需求。因此,对于DZX-2型电子综合实验台实验面板的开放型改造显得尤为重要,既能避开已有实验台面板的弊端,又能将现有的旧设备利用起来。这样不仅能避免资源的浪费,还能提高实验教学效果和设备利用率。

1.3设计原则

电子实验台面板设计应坚持两个原则。1)能完成教学所需的各种实验。在对电子实验台面板改造设计中,要结合电子技术应用课程中所需安排的实验内容,摒弃不需要的电路部分,在满足教学基本要求前提下,最大化灵活设计。2)实验台可扩展。在设计电子实验面板过程中,既要兼顾基础实验教学部分,又要能方便学生完成一些综合性的实验电路。这样除了满足日常的基础实验教学外,还能针对参与电子设计竞赛的同学或者电子爱好者做一些创新型、综合型电路,并能留有接口连接虚拟仪器。

1.4设计方法

根据现有电子教学实验实训内容,整理出数字电路部分实验电路所需的元件、仪器,对实验台面板重新布局、调整。用PCB板设计软件进行绘图设计、打版、焊接元器件、调试,根据实验效果再重新调整设计,直至找出最适合的布局方式。

1.5整体设计框图

结合当前电子技术实验发展趋势,针对铝合金实验箱维修难、容易坏、工艺一般的特点,研发的新型电子技术实验箱留有虚拟示波器、虚拟信号源接口、电源接口、I/O接口等常用接口,可以扩展虚拟电子技术仿真、虚拟仪器使用等现代电子技术发展的要求,全模块化设计,同时全新设计了稳压电源,全部数字化设计大幅度提高了可靠性及使用效率[1-4]。实验台底座框图如图1所示,固定电源输出实物图如图2所示,八位逻辑电平输入指示实物图如图3所示,八位逻辑电平输出实物图如图4所示,底座通讯口/虚拟示波器接口/网线通讯接口实物图如图5所示。

2拓展板设计

数字电路扩展板配置模块4块,其中1块为基本模块,另外3块为基础实践模块。

2.1基本模块

本模块采用CPLD设计,设置有单次脉冲和连续脉冲、数码管、555芯片插座及基本元件等电路,能与其他模块配合完成虚拟操作与实验。脉冲源为CPLD设计,相比较单片机,CPLD具有高可靠性和高速度的优点,以此为基础制作的信号源可靠度高。基本模块实物图如图6所示。

2.2基础实践模块

该模块配置了5个芯片插座(3个14脚,2个16脚),每个芯片插座根据实验需要来放不同的芯片,底座采用卡座设计,方便装取芯片。根据实验电路要求可以任意装取芯片进行电路搭接,灵活性很强,可做的实验电路很多。基础实践模块实物图如图7所示。图7 基础实践模块实物图模块采用2mm厚印制线路板制成,设计电路时尽可能地采用贴片式元件对电路板进行设计,大大缩小了电路所占位置,提高了模块的利用率。模块正面是丝印,标示元器件图形符号及相应的走线,方便学生做实验过程中识别电路及走线;模块反面则是印刷线路和焊接好的元件,方便后续维修。

3实验案例

TTL集成逻辑门的参数测试。本实验采用四输入双与非门74LS20,74LS20里含有两个互相独立的与非门,每个与非门有四个输入端。

3.1TTL与非门的主要参数

1)低电平输出电源电流ICCL和高电平输出电源电流ICCH。与非门处于不同的工作状态,电源提供的电流是不同的。ICCL与ICCH测试电路如图9(a)、(b)所示。2)低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH。IiL与IiH的测试电路如图9(c)、(d)所示。3)电压传输特性。门的输出电压Vo随输入电压Vi而变化的曲线Vo=f(Vi)称为门的电压传输特性,通过它可读得门电路的一些重要参数,如输出高电平VOH、输出低电平VOL、关门电平VOff、开门电平VON、阈值电平VT及抗干扰容限VNL、VNH等值。采用逐点测试法,即调节RW,逐点测得Vi及Vo,然后绘成曲线。传输特性测试电路图如图10所示。4)平均传输延迟时间tpd。tpd是衡量门电路开关速度的参数,它是指输出波形边沿的0.5Vm至输入波形对应边沿0.5Vm点的时间间隔。

3.2实验内容

选取一个基础实践模块放于实验台上,将芯片装于一个14P插座上,对应好缺口位置插装好74LS20集成芯片。参考上述实验电路图接线,依次测试各参数,并验证电路的逻辑功能,将数据填入表1中。3.374LS20主要参数的测试分别按图9、图10接线并进行测试,将测试结果记入表1中。

4总结

本实验台可以做数字电路中的所有实验,相比以前的电子实验台,本实验台占地小、灵活性强、电路稳定性好、实验效果佳、方便保存和携带,避免了空间和时间的浪费。通过学生使用该实验台发现,不仅实验成功率高,而且有可拓展的部分,方便对电路进行拓展,有利于进行分层教学。

作者:付裕 邓艳菲 唐燕影 单位:江西省机电技师学院

电子技术实验台的开放型实验面板分析

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