CN110349482A - 一种教学用显示编码器实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教学用显示编码器实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线；所述面板集成了数码管单元、发光二极管单元、或门逻辑单元、编码器单元、逻辑电平单元和UPS单元。该装置使用灵活、易于实现，使用者可通过香蕉头连接线将各功能单元连接成4线一2线编码器，同时能够对编码器芯片CD4532进行功能测试与演示；演示过程中，编码输出的结果可以通过数码管单元实时显示。该实验装置采用独特的大尺寸设计模式，具有良好的课堂演示功能，是师生互动的良好实验载体，便于在高校课堂上推广使用，具有较高的使用价值和广阔的应用前景。

Description

一种教学用显示编码器实验装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种教学用显示编码器实验装置。

背景技术

《数字电子技术基础》这门课是高校电子科学与技术、电子信息工程和通信工程等电子类专业，以及计算机科学与技术、物联网工程和物理学等非电子类专业的专业基础必修课，在整个人才培养体系中起到重要的作用，为后续数字系统设计、单片机、计算机组成原理等课程的学习打下良好的基础。编码器是组合逻辑电路分析与设计的重要内容，在《数字电子技术基础》这门课中起到承前启后的作用。在课堂教学过程中以8线-3线编码器的原理为主要内容来讲解，但编码器是以二进制形式进行编码输出，不太形象直观，不利于编码器原理的掌握。因此，急需一种能够以形象直观的方式显示编码结果的实验装置。

目前，各高校电类专业的实验条件较好，都配有数字电路专业实验室。但是，现有的高校课程体系中，本门课首先在多媒体教室中进行理论教学，然后在专业实验室进行实验教学。《数字电子技术基础》是一门实践性很强的课程，如果在理论教学中一味地进行知识灌输，学生的学习效果会很差。如果在教学过程中穿插实验演示，又存在诸多问题。例如，专业实验室中的实验设备要么是占地面积很大的大型实验平台，要么是比较笨重的实验箱。对于大型的实验平台是无法移动到普通的多媒体教室中进行上课演示的。对于实验箱，由于体积较小，而包含的功能单元却很多，这导致元件密度很大，LED、数码管、开关等均使用小尺寸元器件。实验演示时也仅仅是前两排学生能看清楚，后面的学生很难看清楚实验过程及结果。同时，实验箱的供电均采用220V交流电，可移动性较差。另外，如果要把实验箱正面朝向学生进行课堂演示，实验箱上的翻盖会挡住学生的视线，演示起来很不方便。

对于计算机科学与技术、物联网工程和物理学等非电子类专业，情况同样不容乐观。对于一些实验条件较差的高校，由于非电类专业不具备专业的实验室，本门课的实验往往采用基于计算机的EDA仿真来完成相关实验教学。这种情况对于计算机类的专业最为普遍。最终导致学生的学习体验较差，教师在知识点的讲解上缺乏直观性，授课氛围较沉闷。

根据麦克斯等权威机构对高校学生课程学习的问卷调查显示，学生往往对互动性强的上课方式以及实验演示类的课程最感兴趣，听课时精力最为集中。而对于那些PPT灌输式教学往往提不起精神。根据编码器原理授课过程中遇到的问题，即无法以形象直观的方式显示编码结果，本发明提供了一种便于课堂教学演示的显示编码器实验装置，用于对编码器芯片进行功能测试。该装置既是编码器实验演示的教学仪器，同时也是进行师生互动的良好载体，对课堂教学起到积极的示范性作用，能够提高学生的课堂注意力与学习主动性，具有良好的推广及使用前景。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提高课堂授课质量，本发明提出了一种教学用显示编码器实验装置，本发明所采取的技术方案如下：

一种教学用显示编码器实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线；所述面板集成了数码管单元、发光二极管单元、或门逻辑单元、编码器单元、逻辑电平单元和UPS单元；

所述数码管单元由数码管驱动电路板和香蕉头插座构成，所述数码管驱动电路板由驱动电路板以及焊接在所述驱动电路板上的数码管、74LS48显示译码芯片和第一电阻构成；

所述发光二极管单元由发光二极管、第二电阻和香蕉头插座构成，所述发光二极管的阴极通过第二电阻与UPS单元的地端口相连，发光二极管的阳极与香蕉头插座相连；

所述或门逻辑单元由CD4071芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4071芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4071芯片的电源和地端口分别与UPS单元的电源输出端口和地端口相连，CD4071芯片的“或逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

所述编码器单元由CD4532芯片、锁紧座和香蕉头插座构成，CD4532芯片通过锁紧座固定在面板上；

所述逻辑电平单元由单刀双掷开关、香蕉头插座和排阻构成，单刀双掷开关一侧的输入端与UPS单元的地端口相连，另外一侧的输入端通过排阻与UPS单元的电源输出端口相连，单刀双掷开关的中间输出端与香蕉头插座相连；

所述UPS单元由5V电源插座、UPS电源模块、锂电池、电源开关和香蕉头插座构成，5V电源插座的正极和负极与UPS电源模块的电源输入端口相连，锂电池的正极和负极与UPS电源模块的电池端口相连，UPS电源模块的输出端正极通过电源开关与香蕉头插座相连，为整个实验装置供电，UPS电源模块的输出端负极与香蕉头插座相连，作为整个实验装置的接地端。

优选地，所述底座是由单层亚克力板构成的长方体结构，所述面板为单层亚克力板并通过长杆螺丝固定于所述底座上；所述底座和面板长60厘米，宽45厘米。

优选地，所述数码管为红色2.3英寸一位共阴极数码管，其中每一段位内部有4个LED，采用两串、两并的形式连接。

优选地，所述驱动电路板上设有螺丝孔位、数码管焊接区域、显示译码芯片焊接区域和焊盘。

优选地，所述发光二极管的直径为1厘米，发光颜色为红色。

优选地，所述芯片转接板由螺丝孔位、芯片插座、印刷导线和焊盘构成，所述焊盘通过导线与所述香蕉头插座相连，所述芯片转接板通过螺丝固定于所述面板上。

优选地，所述锂电池的型号为14500。

优选地，所述香蕉头连接线两端各有一个插头，所述插头由塑料手柄和金属莲花头构成，所述金属莲花头的直径和所述香蕉头插座的内孔直径均为2毫米，所述塑料手柄的顶部带有内径为2毫米的插孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明可以对型号为CD4532的编码器芯片进行测试，同时还可以搭建基于“或门”的4线一2线编码器，并且上述编码结果可以通过数码管实时的进行显示，通过本实验装置的演示使学生掌握编码器的基本原理，熟悉CD4532芯片的引脚功能，掌握组合逻辑电路的设计方法，具有简单、易懂和通用性强的特点。

2.本发明的功能单元丰富，易于实现，使用者可通过香蕉头连接线将各功能单元连接来完成编码器芯片的测试和分立元件编码显示电路的搭建，使用灵活。

3.本发明的底座、面板均为亚克力材质，具有耐候性及耐酸碱性良好，抗冲击力强、易清洁和绝缘性良好等优势，并且造价低，性价比高。

4.本发明中底座和面板长为60厘米，宽为45厘米，面板上每一个单元都印刷有相应芯片或者元件的大尺寸标识图，面板上的数码管采用2.3英寸的大尺寸数码管，发光二极管的直径为1厘米，这种独特的大尺寸设计使本发明具有良好的课堂演示功能，是师生互动的良好实验载体，方便在高校课堂上进行推广使用，具有广阔的使用价值和应用前景。

附图说明

图1为本发明中底座的示意图；

图2为本发明中面板的结构图；

图3为本发明中面板上各个单元的电路图；

图4为本发明中驱动电路板示意图；

图5为本发明中芯片转接板示意图；

图6为本发明中搭建4线-2线编码器的电路图；

图7为本发明中测试CD4532芯片的电路图。

附图标记：101-数码管单元，102-发光二极管单元，103-或门逻辑单元，104-编码器单元，105-逻辑电平单元，106-UPS单元，201-驱动电路板，202-螺丝孔位，203-数码管焊接区域，204-显示译码芯片焊接区域，205-焊盘，301-芯片转接板，302-芯片插座，303-印刷导线。

具体实施方式

为了便于技术人员理解本发明的技术方案，现结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明。

一种教学用显示编码器实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线。所述底座的结构示意图如图1所示，底座是由厚度为3毫米的亚克力板制作的“盒状”长方体，其长度为60厘米，宽度为45厘米，高度为5厘米。所述面板的结构图如图2所示，也是用厚度为3毫米的亚克力板制作，在面板和底座的4个角上各有一个螺丝孔位，且上下对齐，便于把面板通过长杆螺丝固定在底座上。底座的一个重要作用是保护面板背面的电子线路走线，另外一个作用是便于将该实验装置的面板正面朝向学生并立在讲台上，方便学生观察电路的连接及其状态。

如图2所示，所述面板集成了数码管单元101、发光二极管单元102、或门逻辑单元103、编码器单元104、逻辑电平单元105和UPS单元106。

所述数码管单元101由数码管驱动电路板和香蕉头插座构成，所述数码管驱动电路板由驱动电路板201以及焊接在所述驱动电路板201上的数码管、74LS48显示译码芯片和第一电阻构成。

如图4所示，所述驱动电路板201是一块长度为10厘米，宽度为8厘米印刷电路板，上面设有螺丝孔位202、数码管焊接区域203、显示译码芯片焊接区域204和焊盘205(焊盘有6个)。驱动电路板201的电路原理图见图3中标号为101的子电路图。

所述螺丝孔位202分布在驱动电路板201的4个角上，使用螺丝通过该孔位将驱动电路板201固定在面板上数码管单元101所示的位置。

所述数码管焊接区域203上焊接一个2.3英寸共阴极数码管，选用大尺寸数码管的目的是方便教学演示。需要注意的是，在大尺寸的数码管中，由于每一个段位的长度较长(2.3英寸数码管每一个段位长3厘米)，为了使整个段位发光均匀一致，数码管每一个段位内部通常使用4个LED(小尺寸发光二极管，为了与发光二极管单元101中的大尺寸发光二极管进行区分，记为LED)，并且以串联的形式连接。通常一个发红光的LED的正向电压(使LED发光的电压)为1.6V～1.8V，4个LED串联所需的电压就是6.4V～7.2V。然而在本实验装置中，驱动数码管的显示译码器型号为74LS48，其工作电压为5V，译码输出高电平电压为4.2V～4.5V，该输出电压无法驱动数码管(使数码管相应段位发光)。因此，我们所选用的2.3英寸数码管中，其每一段位内部的4个LED是以两串、两并的形式连接。这样一来，要使相应的段位发光，其驱动电压只需3.2V～3.6V即可，该电压范围低于74LS48芯片的输出高电平电压。

所述显示译码芯片焊接区域204上焊接型号为74LS48的显示译码器，用于驱动上述2.3英寸共阴极数码管，74LS48芯片采用SOP16的贴片封装。

所述驱动电路板201上共有6个焊盘205，标号为“A”、“B”、“C”和“D”的焊盘205直接与显示译码芯片的译码输入端口相连，可以实现4位二进制BCD编码输入，其中“A”是最低位，“D”是最高位。标号为“Vcc”的焊盘205是驱动电路板201的电源输入端口，标号为“GND”的焊盘205是驱动电路板201的接地端口。

将驱动电路板201固定在面板上数码管单元101所示区域的步骤如下：

步骤1，在面板正面的数码管单元101合适的位置开一排共计6个直径为1.5毫米的圆孔，水平方向相邻两个圆孔的中心距离为6毫米，这6个圆孔是驱动电路板201上标号为“A”、“B”、“C”、“D”、“Vcc”和“GND”的焊盘205的飞线过孔，导线通过该过孔，一端焊接在面板背面香蕉头插座的金属焊片上，另一端焊接在面板正面驱动电路板201的焊盘205上。

步骤2，如图2所示，在面板正面数码管单元101区域的下方开一排共计4个直径为4毫米的圆孔(香蕉头插座金属杆外直径为3.8毫米)，水平方向相邻两个圆孔的中心距离为2厘米，这4个圆孔用于固定标号为“A”、“B”、“C”和“D”的香蕉头插座。注意，这4个香蕉头插座标号与驱动电路板201上左边4个焊盘205标号一致，目的是防止飞线连接时弄错。将香蕉头插座从面板的正面插入直径为4毫米的圆孔，在面板背面的香蕉头插座金属杆套上焊片(该焊片用于与香蕉头插座进行飞线焊接)，同时用螺母进行固定。类似地，如图2所示面板上其他功能单元中的香蕉头插座均采用相同的方法进行固定，香蕉头插座的开孔位置根据实际情况确定，后续相关功能单元具体实施步骤中不再具体描述。

步骤3，选择标号为“A”的香蕉头插座，将一根导线的一端焊接在面板背面对应焊片位置，该导线穿过步骤1所开的1.5毫米圆孔，导线的另一端在面板的正面焊接到驱动电路板201标记为“A”的焊盘205上。重复本步骤完成标号为“B”、“C”和“D”的香蕉头插座与驱动电路板201对应焊盘205的焊接。对于驱动电路板201上标号为“Vcc”和“GND”的焊盘205并没有对应的香蕉头插座，这两个焊盘205是给驱动电路板201供电的。具体地，将标号为“Vcc”的焊盘205焊接上导线，该导线穿过面板直接在面板背面焊接到UPS单元106的电源端口“+5V”，即焊接到UPS单元106香蕉头插座“V1”的焊片上。类似地，驱动电路板201上标号为“GND”的焊盘205通过导线焊接到UPS单元106香蕉头插座“G1”的焊片上。

步骤4，上述焊接工作完成后，将驱动电路板201用4个螺丝固定在面板正面的数码管单元101所示区域。以上为驱动电路板201固定在面板上数码管单元101所示区域的具体实施步骤。

所述发光二极管单元102由8个直径为1厘米的红色发光二极管和香蕉头插座构成，如图2所示。选择大直径发光二极管的目的是便于实验演示，方便学生观察。发光二极管是通过内孔直径为1厘米的LED灯座固定在面板的相应区域，LED灯座在市场上可以购买到。在安装LED灯座时，需要根据灯座外直径的实际尺寸，在面板相应区域进行开孔，然后把LED灯座插入面板并在面板背面通过螺母进行固定。在本实施例中，所使用的灯座外直径为1.35厘米。8个灯座的相邻中心间距要适当，方便开孔，在本实施例中，相邻灯座中心间距为3.5厘米。在每一个灯座正下方5厘米处开一个直径为4毫米的圆孔，用于安装香蕉头插座。接下来将红色发光二极管放入灯座内，在面板的背面将发光二极管的阴极通过阻值为10KΩ的第二电阻与UPS单元106的地端口相连(具体是通过导线飞线焊接完成)，发光二极管的阳极与香蕉头插座相连。如图2中的发光二极管单元102所示，“LED1”～“LED8”代表8个直径为1厘米的红色发光二极管，这8个发光二极管的阳极分别与香蕉头插座“L1”～“L8”相连，具体电路如图3中标号为102的子电路图所示，在该电路图中，元件标号“D1”～“D8”分别代表前面所述的8个发光二极管。

发光二极管单元102的主要功能是用于显示编码的结果。为了验证所安装的发光二极管是否成功，可以将香蕉头连接线的一个插头插入到图2中UPS单元106中的电源端口，即插入标记为“V1”的香蕉头插座中，香蕉头连接线的另一个插头依次插入到发光二极管单元102中标号为“L1”、“L2”、…、“L8”的香蕉头插座，按下电源开关，观察相应的发光二极管是否被点亮，以此来验证发光二极管的安装过程是否有问题。

所述或门逻辑单元103由CD4071芯片、芯片转接板301和香蕉头插座构成，CD4071芯片通过芯片转接板301固定在面板上，CD4071芯片的电源端口和地端口分别与UPS单元106的电源输出端口和地端口相连并为芯片供电，CD4071芯片的“或逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连。CD4071芯片内部有4组独立的二输入端或门，如图2的或门逻辑单元103所示，香蕉头插座A1和B1连接第一组或门的输入端，香蕉头插座Y1连接第一组或门的输出端。以此类推，其余三组或门的两个输入端和一个输出端分别与香蕉头插座“A2、B2、Y2”、“A3、B3、Y3”和“A4、B4、Y4”连接。图2中或门逻辑单元103所对应的电路图如图3中标号为103的子电路图所示，该电路图是用Proteus软件绘制，该软件默认芯片自动接电源和地，故该芯片的7引脚和14引脚均被忽略(即电路图中没有这两个引脚)。如图3标号为103的子电路图所示，4个独立的或门分别用“U1：A”～“U1：D”标记，4个或门输入、输出引脚上的数字表示CD4071芯片的引脚标号。

或门逻辑单元103的主要作用是搭建4线-2线编码器，在后面的具体实施例中介绍。

如图5所示，所述芯片转接板301上有螺丝孔位202(与驱动电路板201上的螺丝孔位相同，分布在芯片转接板301的4个角上)、芯片插座302、印刷导线303和焊盘205。芯片转接板301的作用是固定集成逻辑门芯片，使每一个焊盘205与芯片引脚间构成良好的电气连通，方便与相应的香蕉头插座相连。在本实施例中，具体以或门逻辑单元103为例，在面板正面的或门逻辑单元103开两排共计14个直径为1毫米的圆孔，水平方向相邻两个圆孔的中心距离为2.5毫米，垂直方向相邻两个圆孔的中心距离30毫米；将CD4071芯片插入芯片插座302(如图5所示，注意芯片的缺口朝左，此时下面一排按照从左向右的方向，第1个焊盘与芯片的1引脚相连，第2个焊盘与芯片的2引脚相连，以此类推到第7个焊盘；第7个焊盘正上方的那个焊盘是第8个焊盘，此时方向按照从右向左，依次是第9个焊盘，直到左上角的第14个焊盘)；选择左下角第一个孔位，将导线从面板背面穿过亚克力面板和芯片转接板301左下角的第1个焊盘205，将导线焊接在该焊盘205上，按照图3中标号为103的子电路图，导线的另一端焊接在香蕉头插座“A1”上，以此类推，除了第7个和第14个焊盘205外，其余焊盘205均焊接到相应的香蕉头插座上。CD4071芯片的7引脚是接地端，因此第7个焊盘205的导线在面板背面焊接在UPS单元106的香蕉头插座“G1”的焊片上。同样地，该芯片的14引脚为电源端，因此第14个焊盘205的导线在面板背面焊接在UPS单元106的香蕉头插座“V1”的焊片上。所有导线焊接完毕后，将芯片转接板用4个螺丝固定在面板正面的或门逻辑单元103所示区域。

所述编码器单元104由CD4532芯片、锁紧座和香蕉头插座构成，CD4532芯片通过锁紧座固定在面板上。图2中编码器单元104所对应的电路图如图3中标号为104的子电路图所示。在本实施例中，采用双列直插16个引脚的宽体锁紧座，其引脚直径为0.8毫米，长度为1厘米，该锁紧座可在市场上购买到。在面板正面的编码器单元104中的左侧中间区域开两排共计16个直径为1毫米的圆孔，水平方向相邻两个圆孔的中心距离为2.5毫米，垂直方向相邻两个圆孔的中心距离为10毫米。在锁紧座的底部涂上101胶水，并将锁紧座插入前面所述的两排圆孔中，通过101胶水将锁紧座和面板固定在一起。在面板的背面采用飞线的形式将锁紧座的16个引脚与对应的香蕉头插座相连，具体电路如图3中标号为104的子电路图所示，锁紧座左下角第一个孔位的引脚与面板上标号为“1”的香蕉头插座相连，左下角第二个孔位的引脚与面板上标号为“2”的香蕉头插座相连，以此类推，按照逆时针方向，锁紧座左上角第一个孔位的引脚与面板上标号为“16”的香蕉头插座相连。

如图2所示，在编码器单元104区域的右侧中间位置印刷了放大版的CD4532芯片示意图及引脚标识文字，芯片的引脚和引脚为编码输入端口，用字母“D0”、“D1”、…、“D7”来标识。芯片的和引脚为编码输出端口，分别用字母“Q0”、“Q1”和“Q2”来标识。芯片的引脚为输入使能端口，用字母“EI”来标识。芯片的和引脚是用于扩展编码的选通输出端口，分别用字母“GS”和“EO”来标识。芯片的引脚为接地端口，用字母“GND”来标识；芯片的引脚为电源端口，用字母“Vcc”来标识。上述芯片引脚标识和面板上编码器单元104区域的香蕉头插座是一一对应的关系，即与标号为“1”的香蕉头插座对应，与标号为“2”的香蕉头插座对应，…，与标号为“16”的香蕉头插座对应，这样便于进行电路连接。上述芯片示意图和引脚标识均可采用UV打印的方式印刷在亚克力板上(委托相关UV打印商家定制)。通过上述设计，使CD4532芯片各个引脚的功能清晰可见，方便教学演示。需要注意的是，CD4532芯片的输入和输出端口均为高电平有效。

所述逻辑电平单元105由单刀双掷开关、香蕉头插座和两个5Pin排阻构成。在本实施例中，单刀双掷开关采用型号为MTS102的钮子开关，该型号开关可在市场上购买到。采用钮子开关的主要原因是其上面有螺母，便于固定在面板上。如图2中的逻辑电平单元105所示，“SW1”～“SW8”代表8个单刀双掷开关。在面板正面的逻辑电平单元105区域开一排共计8个直径为7毫米的圆孔，水平方向相邻两个圆孔的中心距离为4厘米。选择最左侧的一个孔位，将单刀双掷开关(钮子开关)的手柄从面板的背面插入孔中，在面板正面用螺母将开关固定在面板上。具体电路如图3中标号为105的子电路图所示，其中排阻RP1的阻值为5.1KΩ。在面板的背面，将单刀双掷开关一侧的输入端与UPS单元106的地端口相连，将单刀双掷开关另外一侧的输入端与排阻的2引脚相连，排阻的公共端(1引脚)与UPS单元106的电源输出端口相连，单刀双掷开关的中间输出端与香蕉头插座“O1”相连。采用同样的方法，将其余的7个单刀双掷开关SW2～SW8依次与排阻、UPS单元106和对应的香蕉头插座相连。

逻辑电平单元105输出端为电路提供高电平或者低电平，如图3中标号为105的子电路图所示，当单刀双掷开关SW1拨向上端，输出端经过排阻与电源相连，即此时香蕉头插座O1输出高电平；当单刀双掷开关SW1拨向下端，输出端直接与地相连，即此时香蕉头插座O1输出低电平。香蕉头插座O1输出的电平高低也可以通过发光二极管单元102来验证，具体地，使用香蕉头连接线，一端插入逻辑电平单元105的香蕉头插座O1，另外一端插入发光二极管单元102的香蕉头插座L1，通过拨动单刀双掷开关来观察发光二极管LED1是否点亮，如果点亮，则说明逻辑电平单元105的香蕉头插座O1输出高电平，否则输出低电平。在验证CD4532芯片的逻辑功能以及搭建分立元件4线-2线编码器电路时，需要使用逻辑电平单元105，具体可参见后面所叙述的具体实施例。

所述UPS单元106由5V电源插座、UPS电源模块、14500锂电池、电源开关和香蕉头插座构成，具体布局如图2中的UPS单元106所示。在本实施例中，5V电源插座采用带有螺母、型号为QZ7034-M9-2.1的纯铜插座，其开孔直径为9毫米。UPS电源模块是尺寸为3.5厘米×1.5厘米的微型电路板，该电路板上有6个端口，具体如图3中标号为106的子电路图所示，对应器件名称为“UPS”，其中标号为“1”和“2”两个端口为电源输入端，与5V电源插座的正极和负极相连接；5V电源插座的正极和“1”端口相连，负极与“2”端口相连；标号为“3”和“4”两个端口为电池输入端，分别与14500锂电池的正极和负极相连；标号为“5”和“6”两个端口为电源输出端口，“5”端口为整个电路系统的接地端，“6”端口输出标准的5V电压，最大输出电流1A，同时“6”端口通过电源开关与香蕉头插座相连，为整个装置供电。UPS单元106的所有器件均可在市场上购买到，其中14500锂电池是通过底部带有螺丝孔位的电池盒固定在面板的正面。

UPS单元106的主要功能有两个，其一是在有外接电源输入的情况下(可通过USB转接线将电脑或移动电源的电接入到5V电源插座中)，该外接电源一方面可以为UPS单元106中的14500锂电池充电，同时还为整个实验装置供电。其二是当没有外接电源时，UPS模块自动将14500锂电池的电压转换为标准5V电压输出并为整个实验装置供电。这样UPS单元106为整个实验装置提供不间断电源供给，具有灵活方便的优点，便于在没有供电的情形下进行实验操作。

接下来介绍基于本发明的两个实施例，即4线-2线编码器电路的搭建和CD4532芯片功能测试。这两个实施例分别对应图6和图7所示电路。

如图6所示，同时结合图3中标号为101、102、103、105和106的子电路图，在图2所示面板上搭建4线-2线编码器电路的具体步骤如下：

步骤1，使用香蕉头连接线将逻辑电平单元105中的香蕉头插座“O1”和或门逻辑单元103的香蕉头插座“A1”相连，即“O1”端口的逻辑电平接入到CD4071芯片的1引脚；类似地，根据图6，使用香蕉头连接线将逻辑电平单元105中的香蕉头插座“O2”、“O3”和“O4”分别与或门逻辑单元103的香蕉头插座“A3”、“A4”和“B4”相连，即“O2”、“O3”和“O4”端口的逻辑电平分别接入到CD4071芯片的8、12和13引脚。

步骤2，使用香蕉头连接线将或门逻辑单元103的香蕉头插座“Y3”和“A2”相连、“Y4”和“B2”相连，即CD4071芯片中第三个和第四个或门的输出端(10引脚和11引脚)的电平分别接入到该芯片中第二个或门的输入端(5引脚和6引脚)；使用香蕉头连接线将或门逻辑单元103的香蕉头插座“Y2”和“B1”相连，即CD4071芯片中第二个或门的输出端(4引脚)的电平接入到该芯片中第一个或门的输入端(2引脚)；使用香蕉头连接线将或门逻辑单元103的香蕉头插座“Y1”和发光二极管单元102中的香蕉头插座“L1”相连，即CD4071芯片中第一个或门输出端(3引脚)的电平接入到发光二极管D1的阳极，用于测试输出电平的高低，该发光二极管作为编码输入信号的指示灯，即当“O1”～“O4”端口有一个输出为高电平时，该指示灯被点亮，表示有编码信号输入。

步骤3，根据图6所示，使用香蕉头连接线将或门逻辑单元103的香蕉头插座“B3”和“B4”相连(在步骤1中“B4”端口已经被一个香蕉头插座占用，但本发明中所使用的香蕉头连接线的塑料手柄顶部带有内径为2毫米的插孔，可以把香蕉头连接线插入该插孔，用于级联)，即第三个和第四个或门的输入端(9引脚和13引脚)连接在一起；使用香蕉头连接线将或门逻辑单元103的香蕉头插座“Y3”和“Y4”分别与数码管单元101中的香蕉头插座“A”和“B”相连，即CD4071芯片中第三个和第四个或门输出端(10引脚和11引脚)的电平分别接入到74LS48芯片的7引脚和1引脚，用于显示编码的结果。根据图6，74LS48芯片的2引脚和6引脚接地，即用香蕉头连接线将数码管单元101中的香蕉头插座“C”和“D”全部与UPS单元106中的“G1”端口。

以上三个步骤完成了基于CD4071芯片的4线-2线编码器电路搭建。需要注意的是，图6中“U1：C”的输出端(即10引脚)代表编码输出的低位端口，“U1：D”的输出端(即11引脚)代表编码输出的高位端口。这两个端口的电平可以接入发光二极管单元102中的发光二极管来显示编码结果，发光二极管点亮表示输出高电平，熄灭表示接入低电平，仍然是二进制形式，不够形象直观。将编码结果通过数码管单元101以十进制数的形式实时显示编码结果，具有形象直观的特点。图6所示电路实现了最基本的编码器电路，该电路的输入和输出是高电平有效。使用高电平有效的编码器电路，其电路原理简单，便于学生理解编码器的原理。按下电源开关，拨动逻辑电平单元105中的单刀双掷开关SW1～SW4，保证同一时刻“O1”～“O4”端口中只有一个端口输出为高电平(图6所示电路为非优先级编码)，然后观察数码管单元101中的数码管的示数，以此来实现对4路逻辑电平的编码。

当然，上述4线-2线编码器也可以采用低电平有效的方式来搭建电路，但所需要的逻辑门类型较多，即需要与非门、非门和或门，电路结构比较复杂，不方便电路搭建，也不利于学生理解编码器的原理。

接下来根据图7，同时结合图2以及图3中标号为101、104、105和106的子电路图，介绍使用本发明进行CD4532芯片的测试方法，具体步骤如下：

步骤1，如图7所示，将逻辑电平单元105中的8路输出电平端作为被编码的信号接入到CD4532的编码输入端口。具体地，使用香蕉头连接线将逻辑电平单元105中的香蕉头插座“O1”和图2中编码器单元104中标号为“10”的香蕉头插座相连，即将“O1”端口的逻辑电平接入到CD4532芯片优先级最低的编码输入端“D0”(10引脚)；使用香蕉头连接线将逻辑电平单元105中的香蕉头插座“O2”和编码器单元104中标号为“11”的香蕉头插座相连，即将“O2”端口的逻辑电平接入到CD4532芯片的编码输入端“D1”(11引脚)；以此类推，使用香蕉头连接线将逻辑电平单元105中的香蕉头插座“O3”～“O8”分别接入到CD4532芯片的编码输入端“D2”～“D7”。

步骤2，如图7所示，将编码输出结果接入到数码管单元101，用于显示编码结果，即将编码输出结果接入到数码管单元101的低三位。具体而言，使用香蕉头连接线将编码器单元104中标号为“9”、“7”、“6”的香蕉头插座分别与数码管单元101中编号为“A”、“B”、“C”的香蕉头插座相连，数码管单元101中编号为“D”的香蕉头插座与UPS单元106中的“G1”端口相连，即数码管单元的译码输入最高位接地。

步骤3，为编码器单元104供电，使用香蕉头连接线将编码器单元104中标号为“8”和“16”的香蕉头插座分别与UPS单元106中的“G1”和“V1”端口相连，即将UPS单元106中的接地端口接入CD4532的8引脚，将UPS单元106中的电源端口接入CD4532的16引脚。

通过以上步骤完成了图7所示CD4532芯片测试电路在本发明面板上的电路搭建。按下UPS单元106的开关接通电源，拨动逻辑电平单元105中的单刀双掷开关SW1～SW8来接入不同的电平，观察面板上数码管单元101中的数码管的示数，以此来实现对CD4532芯片编码功能的测试与验证。注意，在步骤2中，也可以将编码输出结果接入到发光二极管单元102，通过发光二极管来显示编码结果，但这么做不够形象直观，在课堂演示过程中也可以进行相关实验对比。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种教学用显示编码器实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线，其特征在于：所述面板集成了数码管单元、发光二极管单元、或门逻辑单元、编码器单元、逻辑电平单元和UPS单元；

所述数码管单元由数码管驱动电路板和香蕉头插座构成，所述数码管驱动电路板由驱动电路板以及焊接在所述驱动电路板上的数码管、74LS48显示译码芯片和第一电阻构成；

所述发光二极管单元由发光二极管、第二电阻和香蕉头插座构成，所述发光二极管的阴极通过第二电阻与UPS单元的地端口相连，发光二极管的阳极与香蕉头插座相连；

所述或门逻辑单元由CD4071芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4071芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4071芯片的电源和地端口分别与UPS单元的电源输出端口和地端口相连，CD4071芯片的“或逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

所述编码器单元由CD4532芯片、锁紧座和香蕉头插座构成，CD4532芯片通过锁紧座固定在面板上；

所述逻辑电平单元由单刀双掷开关、香蕉头插座和排阻构成，单刀双掷开关一侧的输入端与UPS单元的地端口相连，另外一侧的输入端通过排阻与UPS单元的电源输出端口相连，单刀双掷开关的中间输出端与香蕉头插座相连；

所述UPS单元由5V电源插座、UPS电源模块、锂电池、电源开关和香蕉头插座构成，5V电源插座的正极和负极与UPS电源模块的电源输入端口相连，锂电池的正极和负极与UPS电源模块的电池端口相连，UPS电源模块的输出端正极通过电源开关与香蕉头插座相连，为整个实验装置供电，UPS电源模块的输出端负极与香蕉头插座相连，作为整个实验装置的接地端。

2.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述底座是由单层亚克力板构成的长方体结构，所述面板为单层亚克力板并通过长杆螺丝固定于所述底座上；所述底座和面板长60厘米，宽45厘米。

3.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述数码管为红色2.3英寸一位共阴极数码管，其中每一段位内部有4个LED，采用两串、两并的形式连接，即每两个一组串联，再将两组串联好的LED并联。

4.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述驱动电路板上设有螺丝孔位、数码管焊接区域、显示译码芯片焊接区域和焊盘。

5.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述发光二极管的直径为1厘米，发光颜色为红色。

6.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述芯片转接板由螺丝孔位、芯片插座、印刷导线和焊盘构成，所述焊盘通过导线与所述香蕉头插座相连，所述芯片转接板通过螺丝固定于所述面板上。

7.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述锂电池的型号为14500。

8.根据权利要求1所述的一种教学用显示编码器实验装置，其特征在于：所述香蕉头连接线两端各有一个插头，所述插头由塑料手柄和金属莲花头构成，所述金属莲花头的直径和所述香蕉头插座的内孔直径均为2毫米，所述塑料手柄的顶部带有内径为2毫米的插孔。