CN103915023A - 数字电路实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字电路实验装置及实验方法，包括FPGA芯片，FPGA芯片与上位机通信相连，FPGA芯片放置在实验箱内，FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，FPGA芯片与若干个IC插座相连，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地。通过设置开关电路中开关的闭合与断开，给集成电路输入了各种数据，集成电路输出的各种对应数据在显示电路上显示出来。能避免因为金属导线的连线混乱产生的干扰以及连线错误和接触不良。保留数字电路实验箱的小规模集成电路，使初学者容易建立逻辑电路的概念。上位机可以保留已做实验的连线关系，为重复验证实验和完成以前做了一半的实验提供方便。

Description

数字电路实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及数字电路实验装置及实验方法。

背景技术

在教授《数字电路》等数字系统课时，需要让学生做相应的数字电路实验。传统的实验方法是在实验箱的集成电路的插座上插入所需实验的集成电路，然后用导线按要求连接它们形成所需实验电路。此方法的缺点是：1.学生由于经验不足，连线会经常连错。2.实验箱用久了，连线与插座之间会接触不良，学生很难判断并查找原因。3.若频率较高，连线的长度选择不当也会影响电路的正常工作。4.此连线方法在实际工作中并不被采用，一般是采用印刷电路板（PCB）设计来完成的。

发明专利《数字逻辑器件预置型数字电路实验装置》，专利号：201110404131.2，发明的实验装置是用DSP通过预置实验开关的状态来确定实验编号，查找到该编号实验所对应逻辑关系的数据库的位置，读取逻辑关系图，DSP根据逻辑关系图配置对应器件管脚模块状态定义，DSP根据每个器件管脚模块预置的逻辑关系，作相应的逻辑运算和输出。其缺点是：学生在实验时见不到真正的逻辑芯片，如74LS00,74LS138，74LS374等，只是一种仿真的感觉，初学者很难建立数字电路设计的概念。

发明专利《一种数字电路自动设计与实验仿真方法》，申请号：201310223744.5，是以数字电路实验为基础的一种可以根据逻辑表达式自动生成逻辑电路图、并能够进行电路设计仿真的方法。其也缺点是：1.学生在仿真时见不到真正的逻辑芯片，如74LS00,74LS138，74LS374等，初学者很难建立数字电路设计的概念。2.学生在实验时，还是用传统的连线方法。

发明专利《一种基于CPLD的数字电路实验开发平台》，申请号：201110122961.6，是一种用可编程逻辑器件CPLD方便实现数字电路实验开发的装置。其也缺点是：学生在实验时见不到真正的逻辑芯片，如74LS00,74LS138，74LS374等，只是一种仿真的感觉，初学者很难建立数字电路设计的概念。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了数字电路实验装置及实验方法，使数字电路实验真实、方便、快捷。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

数字电路实验装置，包括FPGA芯片，FPGA芯片与上位机通信相连，FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，FPGA芯片与若干个IC插座相连，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地。

所述IC插座为连接74LS系列集成电路的插座。FPGA芯片放置在实验箱内。

所述实验装置还包括开关电路及显示电路，开关电路与FPGA芯片输入端相连，显示电路与FPGA芯片输出端相连，开关电路及显示电路用于模拟IC插座上的集成电路的输入输出状态。

所述上位机将与开关电路及显示电路相连的FPGA芯片的引脚及与集成电路相连的FPGA芯片的引脚设置相等。

所述开关电路与FPGA芯片的输入端相连，集成电路的输入端与FPGA芯片的输出端相连，在上位机中将与开关电路相连的FPGA芯片的输入端与对应的和集成电路的输入端相连的FPGA芯片的输出端相等。

所述显示电路与FPGA芯片的输出端相连，集成电路的输出端与FPGA芯片的输入端相连，在上位机中将与显示电路相连FPGA芯片的输出端与对应的和集成电路的输出端相连FPGA芯片的输入端相等。

所述IC插座为DIP24、DIP20、DIP16或DIP14。

所述FPGA芯片为Altera CycloneII系列的EP2C70或Altera Stratix系列的EP1S120等。

数字电路实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一：选择引脚多的FPGA芯片，选择需要实验的集成电路及与之对应的IC插座；

步骤二：将FPGA芯片与给FPGA编程的上位机通信连接，将FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地；

步骤三：在IC插座插入对应的集成电路，在FPGA芯片的输入端连接与所述集成电路的输入端相对应的开关电路，在FPGA芯片的输出端连接与所述集成电路的输出端相对应的显示电路；

步骤四：在上位机设置将与开关电路相连的FPGA芯片的输入端与对应的和集成电路的输入端相连的FPGA芯片的输出端相等，将与显示电路相连FPGA芯片的输出端与对应的和集成电路的输出端相连FPGA芯片的输入端相等；

步骤五：通过设置开关电路中开关的闭合与断开，给集成电路输入了各种数据，集成电路输出的各种对应数据在显示电路上显示出来。

所述开关电路包括开关，开关的一端与电源相连，开关的另一端分两路，一路通过电阻与地相连，另一路通过电阻与三极管的基极相连，三极管的发射极与地相连，三极管的集电极通过二极管及电阻与电源相连。

所述显示电路包括发光装置，发光二极管正极端通过电阻与电源相连，发光二极管负极端与三极管的集电极相连，三极管的发射极与地相连，三极管的基极通过电阻与FPGA芯片的输出端相连。

所述发光装置为LED指示灯或七段码LED。

本发明的方法包括各种规格和数量的IC插座（如DIP24、DIP20、DIP16、DIP14等），FPGA芯片以及给FPGA编程的上位机和相应软件。IC插座的电源和地连接实验箱供电的电源和地，IC插座主要连接74LS系列集成电路的，所以电源和地的位置是确定的，如DIP20的第20脚为电源、第10脚为地。全部IC插座的其他全部引脚与FPGA的引脚相连，FPGA可选取只考虑引脚多而不考虑逻辑电路的多少，如Altera CycloneII系列的EP2C70有622个I/O引脚，AlteraStratix系列的EP1S120有1314个I/O引脚。FPGA芯片的下载线连到PC上位机上。IC插座的引脚与FPGA的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，如图1所示。在实验箱中除了IC插座以外，还可以有各种开关、LED指示灯、七段码LED等。

当学生做实验时，将其所用的集成电路芯片根据引脚的多少插入相应的IC插座，然后在PC机上设计谁与谁连接，形成FPGA的编程文件，下载到FPGA中。FPGA设计是实现FPGA输出引脚与输入引脚的直通关系，没有与或非等逻辑关系。通过FPGA设计实现IC插座与IC插座之间，IC插座与开关指示灯之间的连线。

本发明的有益效果：

本发明使数字电路实验复杂混乱的连线简单化，并能避免因为金属导线的连线混乱产生的干扰以及连线错误和接触不良。保留数字电路实验箱的小规模集成电路，使初学者容易建立逻辑电路的概念。上位机可以保留已做实验的连线关系，为重复验证实验和完成以前做了一半的实验提供方便。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为实施例原理图；

图3为FPGA内部布线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，数字电路实验装置，包括FPGA芯片，FPGA芯片与上位机通信相连，FPGA芯片放置在实验箱内，FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，FPGA芯片与若干个IC插座相连，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地。

所述IC插座为连接74LS系列集成电路的插座。

所述实验装置还包括开关电路及显示电路，开关电路与FPGA芯片输入端相连，显示电路与FPGA芯片输出端相连，开关电路及显示电路用于模拟IC插座上的集成电路的输入输出状态。

所述开关电路与FPGA芯片的输入端相连，集成电路的输入端与FPGA芯片的输出端相连，在上位机中将与开关电路相连的FPGA芯片的输入端与对应的和集成电路的输入端相连的FPGA芯片的输出端相等。

所述显示电路与FPGA芯片的输出端相连，集成电路的输出端与FPGA芯片的输入端相连，在上位机中将与显示电路相连FPGA芯片的输出端与对应的和集成电路的输出端相连FPGA芯片的输入端相等。

所述IC插座为DIP24、DIP20、DIP16或DIP14。

所述FPGA芯片为Altera CycloneII系列的EP2C70或Altera Stratix系列的EP1S120等。

数字电路实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一：选择引脚多的FPGA芯片，选择需要实验的集成电路及与之对应的IC插座；

步骤二：将FPGA芯片与给FPGA编程的上位机通信连接，将FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地；

步骤三：在IC插座插入对应的集成电路，在FPGA芯片的输入端连接与所述集成电路的输入端相对应的开关电路，在FPGA芯片的输出端连接与所述集成电路的输出端相对应的显示电路；

步骤四：在上位机设置将与开关电路相连的FPGA芯片的输入端与对应的和集成电路的输入端相连的FPGA芯片的输出端相等，将与显示电路相连FPGA芯片的输出端与对应的和集成电路的输出端相连FPGA芯片的输入端相等；

步骤五：通过设置开关电路中开关的闭合与断开，给集成电路输入了各种数据，集成电路输出的各种对应数据在显示电路上显示出来。

所述开关电路包括开关，开关的一端与电源相连，开关的另一端分两路，一路通过电阻与地相连，另一路通过电阻与三极管的基极相连，三极管的发射极与地相连，三极管的集电极通过二极管及电阻与电源相连。

所述显示电路包括发光装置，发光二极管正极端通过电阻与电源相连，发光二极管负极端与三极管的集电极相连，三极管的发射极与地相连，三极管的基极通过电阻与FPGA芯片的输出端相连。

所述发光装置为LED指示灯或七段码LED。

在图2中给出了一个三八译码器功能分析的实例原理图。IC16插座上插入74LS138，我们要将其译码的输入端C、B、A通过FPGA与带有LED灯驱动显示的开关K3、K2、K1相连，将其译码的输出端Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0通过FPGA与带驱动的LED灯LED8、LED7、LED6、LED5、LED4、LED3、LED2、LED1相连，片选信号接相应有效电平。FPGA可以采用Altera公司生产的5V供电的EPF10K10QC208-3。

在图3中给出了FPGA内部连线的逻辑原理图。为使译码器74LS138的A接开关K1，我们设计FPGA EPF10K10QC208-3的47脚为输出脚等于输入脚19脚，为了B接开关K2，使其46脚为输出脚等于输入脚18脚，为了C接开关K3，使其45脚为输出脚等于输入脚17脚。为使译码器74LS138的Y0接开关LED1，我们设计FPGA EPF10K10QC208-3的31脚为输出脚等于输入脚53脚，同样，为使LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、LED7、LED8连接到Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7，设计30脚=54脚，29脚=55脚，28脚=56脚，27脚=57脚，26脚=58脚，25脚=38脚，24脚=39脚。为使74LS138的片选有效，设计40脚接高电平，41脚、44脚接地。上述连线是通过PC对FPGA的设计实现的。

通过开关K3、K2、K1各种组合的闭合与断开，给译码器输入了各种数据，译码器输出的各种对应数据在LED灯上显示出来。

Claims (10)

1.数字电路实验装置，其特征是，包括FPGA芯片，FPGA芯片与上位机通信相连，FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，FPGA芯片与若干个IC插座相连，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地；

所述实验装置还包括开关电路及显示电路，开关电路与FPGA芯片输入端相连，显示电路与FPGA芯片输出端相连，开关电路及显示电路用于模拟IC插座上的集成电路的输入输出状态；

所述上位机将与开关电路及显示电路相连的FPGA芯片的引脚及与集成电路相连的FPGA芯片的引脚设置相等。

2.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述IC插座为连接74LS系列集成电路的插座，FPGA芯片放置在实验箱内。

3.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述IC插座为DIP24、DIP20、DIP16或DIP14。

4.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述开关电路与FPGA芯片的输入端相连，集成电路的输入端与FPGA芯片的输出端相连，在上位机中将与开关电路相连的FPGA芯片的输入端与对应的和集成电路的输入端相连的FPGA芯片的输出端相等。

5.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述显示电路与FPGA芯片的输出端相连，集成电路的输出端与FPGA芯片的输入端相连，在上位机中将与显示电路相连FPGA芯片的输出端与对应的和集成电路的输出端相连FPGA芯片的输入端相等。

6.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述开关电路包括开关，开关的一端与电源相连，开关的另一端分两路，一路通过电阻与地相连，另一路通过电阻与三极管的基极相连，三极管的发射极与地相连，三极管的集电极通过二极管及电阻与电源相连。

7.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述显示电路包括发光装置，发光二极管正极端通过电阻与电源相连，发光二极管负极端与三极管的集电极相连，三极管的发射极与地相连，三极管的基极通过电阻与FPGA芯片的输出端相连。

8.如权利要求7所述的数字电路实验装置，其特征是，所述发光装置为LED指示灯或七段码LED。

9.如权利要求1所述的数字电路实验装置，其特征是，所述FPGA芯片为Altera CycloneII系列的EP2C70或Altera Stratix系列的EP1S120。

10.如权利要求1所述的数字电路实验装置的实验方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：选择引脚多的FPGA芯片，选择需要实验的集成电路及与之对应的IC插座；

步骤二：将FPGA芯片与给FPGA编程的上位机通信连接，将FPGA芯片的引脚与IC插座的引脚之间的连线由印刷电路板PCB布线实现，IC插座的电源和地分别连接对应的实验箱供电的电源和地；

步骤三：在IC插座插入对应的集成电路，在FPGA芯片的输入端连接与所述集成电路的输入端相对应的开关电路，在在FPGA芯片的输出端连接与所述集成电路的输出端相对应的显示电路；

步骤四：在上位机设置将与开关电路相连的FPGA芯片的输入端与对应的和集成电路的输入端相连的FPGA芯片的输出端相等，将与显示电路相连FPGA芯片的输出端与对应的和集成电路的输出端相连FPGA芯片的输入端相等；

步骤五：通过设置开关电路中开关的闭合与断开，给集成电路输入了各种数据，集成电路输出的各种对应数据在显示电路上显示出来。