CN105355123B - 一种数字电路教学实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字电路教学实验系统，该系统包括：电源模块、编码模块、存储模块、显示模块、波形发生模块、比较模块、加法器模块、IR模块、计数器模块、数据选择模块、译码模块及灵活应用模块。本发明拥有完整的数字电路八大函数模块、丰富的额外资源和测试配置接口，可以较好的配合不同的教学方式来实施实验课程，同时本发明以药片管理系统为例，提供了一套完整数字系统的构建，为学生理解整体系统和调试系统提供了支持。

Description

一种数字电路教学实验系统

技术领域

本发明设计数字逻辑、硬件设计、红外传输、模拟调制领域。

背景技术

在电子信息学科教学方面，包括物理专业的电路方向，数字电路向来都是作为最重要的基础学科之一深受重视，但是其实验课程一直不能达到令人满意的结果，传统的数字电路实验系统不但过于简单，而且实验没有相关性，导致学生常常不能究其原理，只了解芯片干了什么，却不懂这一模块的电路在一整个系统中发挥了什么样的作用。而教学老师也很难简单地通过课堂的讲述来让学生亲身体会到数字电路真正的功能。并且传统的数字电路实验系统不够完备，对于构建数字电路底层框架的八大函数没有明确的归类，致使学生对于八大函数的理解有所倾侧，这对于学生是一种损失，因为在他们最能够理解数字电路精髓的时刻却缺少了这一部分的实验。

发明内容：

本发明的目的是针对现有教学环境下数字电路实验的不完备和不足而提供的一种功能完善的数字电路教学系统，该系统弥补了市面上绝大多数数字电路功能单一、实验效果较差的缺点，旨在加强学生数字电路基础实验教育。

本发明的目的是这样实现的：

一种数字电路教学实验系统，特点在于该系统包括：电源模块、编码模块、存储模块、显示模块、波形发生模块、比较模块、加法器模块、IR模块、计数器模块、数据选择模块、译码模块及灵活应用模块，所述电源模块与编码模块、存储模块、显示模块、波形发生模块、比较模块、加法器模块、IR模块、计数器模块、数据选择模块、译码模块及灵活应用模块连接，为编码模块、存储模块、显示模块、波形发生模块、比较模块、加法器模块、IR模块、计数器模块、数据选择模块、译码模块及灵活应用模块提供电压；

所述编码模块与电源模块、存储模块及计数器模块连接，编码模块通过矩阵键盘从用户获得预设定的初值并进行优先编码，为存储模块提供以便存储的信号量，同时为存储模块和计数器模块提供起始信号；

所述存储模块与电源模块、编码模块、显示模块、比较模块及计数器模块连接，存储模块将从编码模块处获得的存储信号保存下来，为显示模块和比较模块提供已存储的信号,为计数器模块提供计数上限值；

所述显示模块与电源模块、存储模块、加法器模块及计数器模块连接，显示模块从存储模块、加法器模块和计数器模块处获得三组显示信号，通过数码管将这三组信号显示；

所述波形发生模块与电源模块、IR模块及计数器模块连接，波形发生模块用于产生时钟信号和38k载波信号，为IR模块提供载波信号，为计数器模块提供时钟信号；

所述比较模块与电源模块、存储模块、加法器模块及计数器模块连接，比较模块从计数器模块处获得一组比较值，从存储模块获得被比较值，进行比较，产生的结果作为输出，为加法器模块提供时钟信号；

所述加法器模块与电源模块、显示模块、比较器模块及数据选择模块连接，加法器模块从比较模块获得时钟信号进行加一运算，计算结果值输出给显示模块和数据选择模块；

所述IR模块与电源模块及波形发生模块连接，从波形发生模块处获得38k载波信号，并和用户选择的发射信号进行调制并通过红外管发射；

所述计数器模块与电源模块、编码模块、存储模块、显示模块、波形发生模块、比较模块及数据选择模块连接，计数器模块对从波形发生模块处获得的时钟信号进行计数，并将从存储模块中获得的存储信号设为计数最大值，达到最大值后；

所述数据选择模块与电源模块、加法器模块及计数器模块连接，数据选择模块作为函数发生器，从加法器模块中获得的值不足10时输出为1，满10后输出0，用作清零信号发送给计数器模块；

所述译码模块与电源模块连接，作为补全数字电路八大函数的额外模块；

所述灵活应用模块与电源模块连接，为实验课程提供丰富的拓展接口和额外芯片资源。

所述波形发生模块包括可调方波发生器、频率选择端、占空比选择端、固定38k方波发生器、单次方波发生器、脉冲选择器及波形整形器及学生测试接口；频率选择端与可调方波发生器前端连接，占空比选择端与可调方波发生器前端连接，可调方波发生器后端与脉冲选择器前端连接，单次方波发生器与脉冲选择器前端连接，脉冲选择器后端与波形整形器连接,学生测试接口和波形整形器连接。

所述加法器模块包括学生配置接口、加法器核心模块、时序转换电路、反馈电路及学生测试接口，学生配置接口与加法器核心模块前端连接，反馈电路后端与学生配置接口前端连接，加法器核心模块后端与时序转换电路前端连接，反馈电路前端与时序转换电路后端连接，学生测试接口与加法器核心模块后端连接。

所述IR模块包括学生配置接口、调制器及红外发射器，学生配置接口与调制器前端连接，调制器后端与红外发射器连接。

所述单次方波发生器由红外发射端、红外接收端及施密特触发器构成，红外发生端发射信号，红外接收端接收信号并与施密特触发器连接，施密特触发器后端输出。

与现有发明相比，本发明的有益效果是：

(1)、本发明提供了数字电路实验课程一套更加完善、成熟的实验系统，提供了独立的完整的数字电路八大函数的实验。

(2)、本发明以药片管理系统为例，提供了一套完整的实验教学流程，学生可以通过模块的方式逐步学习每一模块的内容，最终完成药片管理系统的搭建。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明编码模块结构框图；

图3为本发明存储模块结构框图；

图4为本发明显示模块结构框图；

图5为本发明波形发生模块结构框图；

图6为本发明比较模块结构框图；

图7为本发明加法器模块结构框图；

图8为本发明IR模块结构框图；

图9为本发明计数器模块结构框图；

图10为本发明数据选择模块结构框图。

具体实施方式

实施例1

以药片管理为例，具体阐述本发明数字电路教学实验系统。

参阅图1，本发明包括电源模块1、编码模块2、存储模块3、显示模块4、波形发生模块5、比较模块6、加法模块7、IR模块8、计数模块9，数据选择模块10、译码模块11及灵活应用模块12。电源模块1和编码模块2、存储模块3、显示模块4、波形发生模块5、比较模块6、加法模块7、IR模块8、计数模块9，数据选择模块10、译码模块11、灵活应用模块12连接，为这11个模块提供电源。

所述编码模块2从电源模块1获得电源，自身产生2个信号，第一个信号是预设药片的数量经过编码后产生的ASCLL码，输出给存储模块3用于存储，第二个信号是用户输入的确认信号，输出给计数模块9，作为计数器的起始信号；存储模块3从电源模块1获得电源，自身将从编码模块2处获得的预设数存储在芯片中，并将存储下来的信号输出给比较模块6、计数模块9和显示模块4；比较模块6从电源模块1获得电源，自身将存储模块3输出的信号和计数模块9输出的计数值进行比较，当两者相等时，输出信号给加法模块7；加法模块7从电源模块1获得电源，自身从比较模块6处获得信号，获得信号后其输出加一，并将输出值输出给显示模块4和数据选择模块10；显示模块4从电源模块1获得电源，自身从存储模块3、加法模块7和计数模块9处获得共计3组信号用于显示，分别为预设的药片数、当前累计的瓶数和当前瓶中累计的药片数；计数模块9从电源模块1处获得电源，从波形发生模块5处获得计数脉冲，从编码模块2处获得起始信号，从存储模块3处获得计数的上限值，从数据选择模块10获得清零信号，其计数值输出到显示模块4和比较模块6，当起始信号产生后，计数模块9开始正式计数，当计数到计数上限后自动归零重新计数，当清零信号产生后，不管计数模块9当前计到任意值，计数模块9立刻归零，计数模块9输出信号到显示模块4用于显示当前的计数值，输出信号到比较模块6用于比较当前计数值是否到达计数上限；数据选择模块10从电源模块1处获得电源，从加法模块7处获得当前累计瓶数，数据选择模块10根据从加法模块7处获得的不同输入，输出相应的值给计数模块9用于使其清零或者保持当前状态；波形发生模块5从电源模块1处获得电源，自身输出共计两组信号，第一组是38k固定频率的信号，输出给IR模块8当作载波，第二组是模拟药片计数的脉冲输出给计数模块9用于计数；IR模块8从电源模块1处获得电源，从波形发生模块5处获得载波，调制用户自己选择的信号通过红外管发射；译码模块11只从电源模块1获得电源，作为补全数字电路八大函数的电路存在；灵活应用模块12只从电源模块1获得电源，自身拥有丰富的接插口和测试端，用于方便学生在这块实验板上实验。

参阅图2，本发明编码模块2包括矩阵键盘21、编码器23及学生测试接口22，矩阵键盘21用于输入数字和确认键，当输入为数字时编码器23将输出对应的ASCLL码，当输入为确认键时，编码器23会将确认的脉冲信号转换为电平信号，学生测试接口22可以供学生方便测试输出结果。编码器23的输出可以选择不输出给下级模块。

参阅图3，本发明存储模块3包括学生配置接口31、存储器32及学生测试接口33，学生配置接口31用于设置预存储的数字和存储信号，存储器32在获得存储信号后将当前预存储的数字存下，学生测试接口33可以测试输出结果。学生配置接口31可以选择从上级将输入当作预设数，学生测试接口33可以将结果输出到下级。

参阅图4，本发明显示模块4包括3路输入和显示单元41，三路输入的数据从上至下分别为预设的每瓶药片的数量、当前瓶中药片的数量和已处理完的瓶数，显示单元通过三组数码管和芯片来实时显示。

参阅图5，本发明波形发生模块5包括固定频率发生器51、单次脉冲发生器52、可变脉冲发生器53、占空比调整端54、频率调整端55、脉冲选择器56、脉冲整形器57及学生测试接口58，固定频率发生器51产生38k固定频率的方波用于输出，单次脉冲发生器52用于产生单次方波，可变脉冲发生器53用于产生连续的方波，可变脉冲发生器53的频率由频率调整端55改变，占空比由占空比调整端54改变，可变脉冲发生器53和单次脉冲发生器52分别连接至脉冲选择器56，由脉冲选择器56来选择输出哪一种波形。由脉冲选择器56输出的脉冲再经过脉冲整形器57整形，在学生测试接口58可供学生测试，同时学生测试接口58也可以设置脉冲整形器57整形后的输出信号是否输出到下一级。

参阅图6，本发明比较模块6包括学生配置接口61、比较器62及学生测试接口63，学生配置接口61用于设定比较值，也可以选择从前级输入比较值，比较器62用于比较，学生测试接口63用于提供测试端口，同时可以设置比较器62输出是否级联到下一级。

参阅图7，本发明加法模块7包括学生配置接口71、加法器72、时序转换电路74、反馈电路75及学士测试接口73，学生配置接口71用于设定被加数和进位符，也可以选择从前级输入，初始的加数为0，加法器72用于数字计算，时序转换电路74用于将组合电路转换为时序电路，其结果输出到反馈电路75，反馈电路75用于简单处理由时序转换电路74转换后的值并将其作为新的加数重新输出到学生配置接口71，学生测试接口73则可以实时测量当前的输出并可以选择是否将加法器72的结果输出到下一级。

参阅图8，本发明IR模块8包括学生配置接口81、调制器82及发射器83，学生配置接口81用于设定准备发射的信号，调制器82从波形发生模块5获得固定38k方波用于调制，经调制器82调制后的信号输出到发射器83，发射器83通过红外管对外发射。

参阅图9，本发明计数器模块9包括学生配置接口91、计数器92及led灯列93，学生配置接口91用于设定计数方式，默认为加1正向计数，也可以由前级的输入来决定，计数器92从学生配置接口91获得当前计数方式并自动计数，计数值输出到led灯列93，led灯列93会根据不同的输出值有不同的显示方式，计数器92的输出可以选择为不输出到下一级。

参阅图10，本发明数据选择模块10包括学生配置接口101、数据选择器102及学生测试接口103，学生配置接口101用于设定输入数据选择的数据，也可以通过前级输入，数据选择器102根据不同的输入产生不同的输出，学生测试接口103可以方便学生测试，并且可以设置是否输出到下一级。

本发明译码模块11，作为补全数字电路八大函数的模块独立存在。

本发明灵活应用模块12作为额外的资源配置模块独立存在。

Claims (2)

1.一种数字电路教学实验系统，其特征在于该系统包括：电源模块（1）、编码模块（2）、存储模块（3）、显示模块（4）、波形发生模块（5）、比较模块（6）、加法器模块（7）、IR模块（8）、计数器模块（9）、数据选择模块（10）、译码模块（11）及灵活应用模块（12），所述电源模块（1）与编码模块（2）、存储模块（3）、显示模块（4）、波形发生模块（5）、比较模块（6）、加法器模块（7）、IR模块（8）、计数器模块（9）、数据选择模块（10）、译码模块（11）及灵活应用模块（12）连接，为编码模块（2）、存储模块（3）、显示模块（4）、波形发生模块（5）、比较模块（6）、加法器模块（7）、IR模块（8）、计数器模块（9）、数据选择模块（10）、译码模块（11）及灵活应用模块（12）提供电压；

所述编码模块（2）与电源模块（1）、存储模块（3）及计数器模块（9）连接，编码模块（2）通过矩阵键盘从用户获得预设定的初值并进行优先编码，为存储模块（3）提供以便存储的信号量，同时为存储模块（3）和计数器模块（9）提供起始信号；

所述存储模块（3）与电源模块（1）、编码模块（2）、显示模块（4）、比较模块（6）及计数器模块（9）连接，存储模块（3）将从编码模块（2）处获得的存储信号保存下来，为显示模块（4）和比较模块（6）提供已存储的信号,为计数器模块（9）提供计数上限值；

所述显示模块（4）与电源模块（1）、存储模块（3）、加法器模块（7）及计数器模块（9）连接，显示模块（4）从存储模块（3）、加法器模块（7）和计数器模块（9）处获得三组显示信号，通过数码管将这三组信号显示；

所述波形发生模块（5）与电源模块（1）、IR模块（8）及计数器模块（9）连接，波形发生模块（5）用于产生时钟信号和38k载波信号，为IR模块（8）提供载波信号，为计数器模块（9）提供时钟信号；其中：

所述波形发生模块（5）包括固定频率发生器（51）、单次脉冲发生器（52）、可变脉冲发生器（53）、占空比调整端（54）、频率调整端（55）、脉冲选择器（56）、脉冲整形器（57）及第一学生测试接口（58），固定频率发生器（51）产生38k固定频率的方波用于输出，单次脉冲发生器（52）用于产生单次方波，可变脉冲发生器（53）用于产生连续的方波，可变脉冲发生器（53）的频率由频率调整端（55）改变，占空比由占空比调整端（54）改变，可变脉冲发生器（53）和单次脉冲发生器（52）分别连接至脉冲选择器（56），由脉冲选择器（56）来选择输出哪一种波形；由脉冲选择器（56）输出的脉冲再经过脉冲整形器（57）整形，在第一学生测试接口（58）供学生测试，同时第一学生测试接口（58）设置脉冲整形器（57）整形后的输出信号是否输出到下一级；

所述比较模块（6）与电源模块（1）、存储模块（3）、加法器模块（7）及计数器模块（9）连接，比较模块（6）从计数器模块（9）处获得一组比较值，从存储模块（3）获得被比较值，进行比较，产生的结果作为输出，为加法器模块（7）提供时钟信号；

所述加法器模块（7）与电源模块（1）、显示模块（4）、比较模块（6）及数据选择模块（10）连接，加法器模块（7）从比较模块（6）获得时钟信号进行加1运算，计算结果值输出给显示模块（4）和数据选择模块（10）；其中：

所述加法器模块（7）包括第一学生配置接口（71）、加法器（72）、时序转换电路（74）、反馈电路（75）及第二学生测试接口（73），第一学生配置接口（71）用于设定被加数和进位符，也能够选择从前级输入，初始的加数为0，加法器（72）用于数字计算，时序转换电路（74）用于将组合电路转换为时序电路，其结果输出到反馈电路（75），反馈电路（75）用于简单处理由时序转换电路（74）转换后的值并将其作为新的加数重新输出到第一学生配置接口（71），第二学生测试接口（73）则实时测量当前的输出并选择是否将加法器（72）的结果输出到下一级；

所述IR模块（8）与电源模块（1）及波形发生模块（5）连接，IR模块（8）包括第二学生配置接口（81）、调制器（82）及发射器（83），第二学生配置接口（81）用于设定准备发射的信号，调制器（82）从波形发生模块（5）获得固定38k方波用于调制，经调制器（82）调制后的信号输出到发射器（83），发射器（83）通过红外管对外发射；

所述计数器模块（9）与电源模块（1）、编码模块（2）、存储模块（3）、显示模块(4)、波形发生模块（5）、比较模块（6）及数据选择模块（10）连接，计数器模块（9）对从波形发生模块（5）处获得的时钟信号进行计数，并将从存储模块（3）中获得的存储信号设为计数最大值；

所述数据选择模块（10）与电源模块（1）、加法器模块（7）及计数器模块（9）连接，数据选择模块（10）作为函数发生器，从加法器模块（7）中获得的值不足10时输出为1，满10后输出0，用作清零信号发送给计数器模块（9）；

所述译码模块（11）与电源模块（1）连接，作为补全数字电路八大函数的额外模块；

所述灵活应用模块（12）与电源模块（1）连接，为实验课程提供丰富的拓展接口和额外芯片资源。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述单次脉冲发生器（52）由红外发射端、红外接收端及施密特触发器构成，红外发生端发射信号，红外接收端接收信号并与施密特触发器连接，施密特触发器后端输出。