CN210129337U - 一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线；所述面板集成了与门逻辑单元、或门逻辑单元、非门逻辑单元、与非门逻辑单元、或非门逻辑单元、发光二极管单元、三极管单元、电阻单元、锁紧座单元、蜂鸣器单元、开关二极管单元、逻辑电平单元和UPS单元。该实验装置易于实现，使用者可通过香蕉头连接线将各功能单元连接成分立元件逻辑门和集成逻辑门电路，并进行功能验证与实验设计，使用灵活；实验装置采用独特的大尺寸设计使本实用新型具有良好的课堂演示功能，是师生互动的良好实验载体，便于在高校课堂上进行推广使用，具有广阔应用前景。

Description

一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置。

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、集成电路设计等课程的学习打下良好的基础。而逻辑门电路又是《数字电子技术基础》这门课的基础性章节。在数字电路体系中，逻辑门电路是构成其他类型数字电路的基础部件，更是本门课首先要学习的硬件单元，在整个教学体系中起到非常重要的基础性作用。

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，本门课均采用“理论课+实验课”的授课模式，即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《数字电子技术基础》这门课授课过程中遇到的问题，即无法使用硬件设备在理论课上方便地进行逻辑门电路功能演示，本实用新型提供了一种便于课堂教学演示的逻辑门电路功能测试实验装置，该装置既是逻辑门电路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，本实用新型提出了一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置，本实用新型所采取的技术方案如下：

一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线；所述面板集成了与门逻辑单元、或门逻辑单元、非门逻辑单元、与非门逻辑单元、或非门逻辑单元、发光二极管单元、三极管单元、电阻单元、锁紧座单元、蜂鸣器单元、开关二极管单元、逻辑电平单元和UPS单元；

所述与门逻辑单元由CD4081芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4081芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4081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，CD4081芯片的“与逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

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；

所述非门逻辑单元由CD4069芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4069芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4069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，CD4069芯片的“非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

所述与非门逻辑单元由CD4011芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4011芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4011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，CD4011芯片的“与非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

所述或非门逻辑单元由CD4001芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4001芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4001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，CD4001芯片的“或非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

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

所述三极管单元由三极管和香蕉头插座构成，三极管的发射极与UPS单元的地端口相连，三极管的基极和集电极与香蕉头插座相连；

所述电阻单元由电阻和香蕉头插座构成，电阻的两个引脚分别与香蕉头插座相连；

所述锁紧座单元由锁紧座和香蕉头插座构成，锁紧座的引脚与香蕉头插座相连；

所述蜂鸣器单元由蜂鸣器和香蕉头插座构成，蜂鸣器的负极与UPS单元的地端口相连，蜂鸣器的正极与香蕉头插座相连；

所述开关二极管单元由开关二极管和香蕉头插座构成，开关二极管的阴极和阳极分别与香蕉头插座相连；

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，所述焊盘通过飞线方式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，所述蜂鸣器为有源蜂鸣器。

优选地，所述锂电池为18650锂电池。

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，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型的功能单元丰富，易于实现，使用者可通过香蕉头连接线将各功能单元连接成分立元件逻辑门和集成逻辑门电路，并进行功能验证与实验设计，使用灵活。

2.本实用新型的底座和面板均采用亚克力板制作，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。

3.本实用新型中底座和面板长为60厘米，宽为45厘米，面板上每一个单元都粘贴有相应芯片或者元件的大尺寸标识图，只将香蕉头插座空出，面板上的发光二极管直径为1厘米，发光颜色为红色，这种独特的大尺寸设计使本实用新型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为本实用新型中底座的示意图；

图2为本实用新型中面板的结构图；

图3为本实用新型中面板的电路图I；

图4为本实用新型中面板的电路图II；

图5为本实用新型中芯片转接板示意图；

图6为本实用新型中芯片测试电路图；

图7为本实用新型中复合逻辑门电路图；

图8为本实用新型中分立元件与非门电路图；

图9为本实用新型中延时灯电路图。

附图标记：101-与门逻辑单元，102-或门逻辑单元，103-非门逻辑单元，104-与非门逻辑单元，105-或非门逻辑单元，106-发光二极管单元，107-三极管单元，108-电阻单元，109-锁紧座单元，110-蜂鸣器单元，111-开关二极管单元，112-逻辑电平单元，113-UPS单元，201-芯片转接板，202-螺丝孔位，203-芯片插座，204-印刷导线，205-焊盘。

具体实施方式

为了便于技术人员理解本实用新型的技术方案，现结合说明书附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置，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，所述面板集成了与门逻辑单元101、或门逻辑单元102、非门逻辑单元103、与非门逻辑单元104、或非门逻辑单元105、发光二极管单元106、三极管单元107、电阻单元108、锁紧座单元109、蜂鸣器单元110、开关二极管单元111、逻辑电平单元112和UPS单元113。

所述与门逻辑单元101由CD4081芯片、芯片转接板201和香蕉头插座构成，CD4081芯片通过芯片转接板201固定在面板上，CD4081芯片的电源端口和地端口分别与UPS单元113的电源输出端口和地端口相连(在面板的背面通过飞线的形式焊接)并为芯片供电，CD4081芯片的“与逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连。CD4081芯片内部有四组独立的二输入端与门，如图2的与门逻辑单元101所示，香蕉头插座A1和B1连接第一组与门的输入端，香蕉头插座Y1连接第一组与门的输出端。以此类推，其余三组与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中与门逻辑单元101所对应的电路图如图3中标号为101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101的子电路图所示，4个独立的与门分别用“U1：A”～“U1：D”标记，4个与门输入、输出引脚上的数字表示CD4081芯片的引脚标号。

与门逻辑单元101的主要作用是对集成逻辑门芯片CD4081进行测试，验证其逻辑功能。在具体的实施过程中，结合图6所示的电路原理图以及图3和图4中标号为101、106、112和113的子电路图，在图2所示面板上搭建测试CD4081芯片逻辑功能电路的具体实施步骤如下：

①使用香蕉头连接线将逻辑电平单元112中的香蕉头插座“O1”和与门逻辑单元101的香蕉头插座“A1”相连，即“O1”端口的逻辑电平接入到CD4081芯片中第一组与门的1引脚；

②使用香蕉头连接线将逻辑电平单元112中的香蕉头插座“O2”和与门逻辑单元101的香蕉头插座“B1”相连，即“O2”端口的逻辑电平接入到CD4081芯片中第一组与门的2引脚；

③将与门逻辑单元101中的香蕉头插座“Y1”和发光二极管单元106中的香蕉头插座“L1”相连，即CD4081芯片中第一组与门的3引脚输出电平接入到发光二极管D1的阳极，用于测试“与运算”输出电平的高低；

以上完成了测试电路的搭建。按下UPS单元113的开关接通电源，通过拨动逻辑电平单元112中的单刀双掷开关SW1和SW2来给CD4081芯片中第一组与门的输入端接入不同的电平，观察发光二极管单元106中D1的状态，如果发光二极管D1被点亮，表示“与运算”的输出为高电平，否则输出为低电平。通过这种方式来验证CD4081芯片的逻辑功能。

所述或门逻辑单元102由CD4071芯片、芯片转接板201和香蕉头插座构成，CD4071芯片通过芯片转接板201固定在面板上，CD4071芯片的电源端口和地端口分别与UPS单元113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芯片内部有四组独立的二输入端或门，如图2的或门逻辑单元102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102所对应的电路图如图3中标号为102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102的子电路图所示，4个独立的或门分别用“U2：A”～“U2：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102的主要作用是对集成逻辑门芯片CD4071进行测试，验证其逻辑功能。具体测试方法和与门逻辑单元101中CD4081芯片的测试方法一样，这里不再赘述。

所述非门逻辑单元103由CD4069芯片、芯片转接板201和香蕉头插座构成，CD4069芯片通过芯片转接板201固定在面板上，CD4069芯片的电源端口和地端口分别与UPS单元113的电源输出端口和地端口相连并为芯片供电，CD4069芯片的“非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连。CD4069芯片内部有六组独立的非门，如图2的非门逻辑单元103所示，香蕉头插座A1连接第一组非门的输入端，香蕉头插座Y1连接第一组非门的输出端。以此类推，其余五组非门的输入端和输出端分别与香蕉头插座“A2、Y2”、“A3、Y3”、“A4、Y4”、“A5、Y5”和“A6、Y6”连接。图2中非门逻辑单元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，6个独立的非门分别用“U3：A”～“U3：F”标记，6个非门输入、输出引脚上的数字表示CD4069芯片的引脚标号。

非门逻辑单元103的主要作用是对集成逻辑门芯片CD4069进行测试，验证其逻辑功能。具体测试方法和与门逻辑单元101中CD4081芯片的测试方法一样，这里不再赘述。

所述与非门逻辑单元104由CD4011芯片、芯片转接板201和香蕉头插座构成，CD4011芯片通过芯片转接板201固定在面板上，CD4011芯片的电源端口和地端口分别与UPS单元113的电源输出端口和地端口相连并为芯片供电，CD4011芯片的“与非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连。CD4011芯片内部有四组独立的二输入端与非门，如图2的与非门逻辑单元104所示，香蕉头插座A1和B1连接第一组与非门的输入端，香蕉头插座Y1连接第一组与非门的输出端。以此类推，其余三组与非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中与非门逻辑单元104所对应的电路图如图3中标号为104的子电路图所示，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104的子电路图所示，4个独立的与非门分别用“U4：A”～“U4：D”标记，4个与非门输入、输出引脚上的数字表示CD4011芯片的引脚标号。

与非门逻辑单元104的主要作用是对集成逻辑门芯片CD4011进行测试，验证其逻辑功能。具体测试方法和与门逻辑单元101中CD4081芯片的测试方法一样，这里不再赘述。

所述或非门逻辑单元105由CD4001芯片、芯片转接板201和香蕉头插座构成，CD4001芯片通过芯片转接板201固定在面板上，CD4001芯片的电源端口和地端口分别与UPS单元113的电源输出端口和地端口相连并为芯片供电，CD4001芯片的“或非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连。CD4001芯片内部有四组独立的二输入端或非门，如图2的或非门逻辑单元105所示，香蕉头插座A1和B1连接第一组或非门的输入端，香蕉头插座Y1连接第一组或非门的输出端。以此类推，其余三组或非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中或非门逻辑单元105所对应的电路图如图3中标号为105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105的子电路图所示，4个独立的或非门分别用“U5：A”～“U5：D”标记，4个或非门输入、输出引脚上的数字表示CD4001芯片的引脚标号。

或非门逻辑单元105的主要作用是对集成逻辑门芯片CD4001进行测试，验证其逻辑功能。具体测试方法和与门逻辑单元101中CD4081芯片的测试方法一样，这里不再赘述。

在上述逻辑单元101～105中，除了可以对相应的芯片进行测试，还可以使用相关集成逻辑门来搭建复合逻辑门。接下来以“与或非”逻辑门电路的搭建来叙述其具体实施步骤。结合图7所示的电路原理图以及图3和图4中标号为101、102、103、106、112和113的子电路图，在图2所示面板上搭建“与或非”逻辑门电路的具体实施步骤如下：

①使用4根香蕉头连接线将逻辑电平单元112中的香蕉头插座“O1”～“O4”分别和与门逻辑单元101的香蕉头插座“A1”、“B1”、“A2”、“B2”相连，把“O1”～“O4”端口的逻辑电平接入到CD4081芯片中第一组与门的输入端(对应CD4081芯片的1和2引脚)和第二组与门的输入端(对应CD4081芯片的5和6引脚)；

②使用2根香蕉头连接线将与门逻辑单元101中的香蕉头插座“Y1”、“Y2”分别和或门逻辑单元102中的香蕉头插座“A1”、“B1”相连，即把与门逻辑单元101中第一组和第二组与门的输出(对应CD4081芯片的3和4引脚)电平接入到或门逻辑单元102中第一组或门的输入端(对应CD4071芯片的1和2引脚)；

③使用香蕉头连接线将或门逻辑单元102中的香蕉头插座“Y1”和非门逻辑单元103中的香蕉头插座“A1”相连，即把或门逻辑单元102中第一组或门的输出端(对应CD4071芯片的3引脚)电平接入到非门逻辑单元103中第一组非门的输入端(对应CD4069芯片的1引脚)；

④将非门逻辑单元103中的香蕉头插座“Y1”和发光二极管单元106中的香蕉头插座“L1”相连，把CD4069芯片中第一组非门的2引脚输出电平接入到发光二极管D1的阳极，用于测试“与或非运算”输出电平的高低。

以上步骤完成了“与或非”逻辑门电路的搭建。按下UPS单元113的开关接通电源，通过拨动逻辑电平单元112中的单刀双掷开关SW1～SW4来给上述“与或非”逻辑门的输入端接入不同的电平，观察发光二极管单元106中D1的状态，如果发光二极管D1被点亮，表示“与或非运算”的输出为高电平，否则输出为低电平。通过这种方式来验证与或非逻辑功能。除了与或非逻辑门电路，还可以搭建同或逻辑、异或逻辑以及其他复合逻辑门，其实现方法是一样的，这里不再一一赘述。

所述发光二极管单元106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。选择大直径发光二极管的目的是便于演示，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。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的电阻(该电阻并非电阻单元108中的电阻，为额外使用的限流电阻，位于面板背面)与UPS单元113的地端口相连(具体是通过导线飞线焊接完成)，发光二极管阳极与香蕉头插座相连。如图2中的发光二极管单元106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106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106的主要功能是用于测试各功能单元输出电平的高低。

所述三极管单元107由三极管和香蕉头插座构成。在本实施例中，三极管为NPN型三极管，具体型号为S8050。在面板的背面，将三极管的发射极与UPS单元113的地端口相连，三极管的基极和集电极与香蕉头插座相连。如图2中的三极管单元107所示，“Q1”～“Q3”代表3个三极管，这3个三极管的基极分别与香蕉头插座“B1”～“B3”相连，集电极分别与香蕉头插座“C1”～“C3”相连，具体电路如图3中标号为107的子电路图所示，这3个三极管构成共发射极放大电路。由于三极管是在面板的背面与香蕉头插座相连，为了使得本演示装置的三极管形象直观，在本实施例中，面板正面在图2中的三极管单元107区域粘贴上三极管的标识符，便于学生观察。

所述三极管单元107的主要功能是用于搭建分立元件非门电路、搭建分立元件与非门和或非门，以及其它分立元件复合逻辑门电路。

所述电阻单元108由电阻和香蕉头插座构成。在本实施例中，电阻采用长度为2.5厘米，直径为0.8厘米的5W碳膜电阻，便于学生观察。如图2中的电阻单元108所示，“R1”～“R6”代表6个电阻，其中电阻R1～R4的阻值为5.1KΩ，R5的阻值为100KΩ，R6的阻值为820KΩ。对于电阻R1，在面板正面的电阻单元108开两个直径为0.2厘米的圆孔，圆孔中心距离为3厘米，将电阻R1从面板正面插入面板，在面板的背面将电阻的两个引脚分别与香蕉头插座J1和J2相连。具体电路如图3中标号为108的子电路图所示。采用同样的方法，将其余的电阻R2～R6依次与对应的香蕉头插座相连。在本实施例中，相邻两个电阻的中心距离为3厘米。

所述电阻单元108的主要功能是用于搭建分立元件逻辑门电路以及其他电路。

所述锁紧座单元109由锁紧座和香蕉头插座构成。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。在面板正面的锁紧座单元109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4中标号为109的子电路图所示。

所述锁紧座单元109的主要功能是用于固定其他类型的芯片以及实验装置上没有的元器件，便于进行逻辑门实验电路的拓展提高。例如，想要把一个电解电容接入到电路中，如图2中锁紧座单元109所示，只需将电容的两个引脚分别插入锁紧座最左侧的上下两个孔位(也可以插入其他孔位)，然后按下锁紧杆来固定住电解电容的引脚，此时锁紧座单元109中香蕉插座“A1”和“B1”分别与电解电容的两个引脚相连接，然后用香蕉头连接线将“A1”和“B1”与相关电路连接即可。

所述蜂鸣器单元110由蜂鸣器和香蕉头插座构成。在本实施例中，采用有源蜂鸣器，型号为SFB42，其外观是底部直径为4.2厘米，高度1.8厘米的圆柱形，引脚线为红色和黑色，直径为1.5毫米，长度为10厘米的软导线，该蜂鸣器可在市场上购买到。在面板正面的蜂鸣器单元110开两个直径为2毫米，间距为3厘米的圆孔，将蜂鸣器的引脚线穿过该圆孔至背面，在蜂鸣器的背面涂上101胶水并将蜂鸣器和面板固定在一起。在面板的背面，将蜂鸣器的黑色引线(负极)与UPS单元113的地端口相连，蜂鸣器的红色引线(正极)与香蕉头插座F1相连，具体电路如图4中标号为110的子电路图所示。

所述蜂鸣器单元110的主要功能是用于验证电路中某一输出端的电平是高电平还是低电平。具体地，以图6中所示电路为例，使用香蕉头连接线将与门逻辑单元101中的香蕉头插座“Y1”和蜂鸣器单元110中的香蕉头插座“F1”相连，通过拨动逻辑电平单元112中的单刀双掷开关SW1和SW2来给CD4081芯片中第一组与门的输入端接入不同的电平，听蜂鸣器单元110中的蜂鸣器M1是否发出声音，如果有“嘀”的声音，表示“与运算”的输出为高电平，否则输出为低电平。通过这种方式来验证CD4081芯片的逻辑功能。

所述开关二极管单元111由开关二极管和香蕉头插座构成。在本实施例中，共计使用5个型号为1N4148的开关二极管。如图2中的开关二极管单元111所示，“D1”～“D5”代表5个开关二极管。在面板正面的开关二极管单元111开两排共计10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1.5厘米，垂直方向相邻两个圆孔的中心距离为1厘米。选择最左侧的两个空位，将开关二极管D1从面板正面插入面板，在面板的背面将开关二极管阴极与标号为“K1”的香蕉头插座相连，开关二极管阳极与标号为“A1”的香蕉头插座相连。具体电路如图4中标号为111的子电路图所示。采用同样的方法，将其余的开关二极管D2～D5依次与对应的香蕉头插座相连。

所述开关二极管单元111的主要功能是用于搭建分立元件逻辑门电路以及其他电路。

在图2中，由发光二极管单元106、三极管单元107、电阻单元108、开关二极管单元111和逻辑电平单元112来搭建分立元件与非门电路，电路原理图如图8所示，同时结合图3和图4中标号为106、107、108、111、112和113的子电路图，具体实施例如下：

①使用香蕉头连接线将逻辑电平单元112中的香蕉头插座“O1”和开关二极管单元111的香蕉头插座“K1”相连，即将“O1”端口的逻辑电平接入到开关二极管D1的阴极；

②使用香蕉头连接线将逻辑电平单元112中的香蕉头插座“O2”和开关二极管单元111的香蕉头插座“K2”相连，即将“O2”端口的逻辑电平接入到开关二极管D2的阴极；

③使用香蕉头连接线将开关二极管D1的阳极、D2的阳极、D3的阳极和电阻单元108的香蕉头插座“J3”相连，即开关二极管D1、D2和D3的阳极与电阻R2相连；

④使用香蕉头连接线将电阻单元108的香蕉头插座“J4”和UPS单元113的香蕉头插座“V1”相连；

⑤使用香蕉头连接线将开关二极管单元111的香蕉头插座“K3”与香蕉头插座“A4”相连，香蕉头插座“K4”与三极管单元107的香蕉头插座“B1”相连，即开关二极管D3的阴极与开关二极管D4的阳极相连，D4的阴极与三极管Q1的基极相连；

⑥使用香蕉头连接线将三极管Q1的基极与电阻单元108中的香蕉头插座“J7”相连(前一步骤中已经使用香蕉头连接线占用了三极管单元107的香蕉头插座“B1”，注意，我们所使用的香蕉头连接线的塑料手柄的顶部有一个直径为2毫米的插孔，在本步骤中通过此插孔来实现与三极管Q1基极的连接)，将电阻单元108的香蕉头插座“J8”与UPS单元113的香蕉头插座“G1”相连，即三极管Q1的基极通过电阻R4接地；

⑦使用香蕉头连接线将三极管单元107的香蕉头插座“C1”、电阻单元108的香蕉头插座“J5”和发光二极管单元106的香蕉头插座“L1”相连，即三极管Q1的集电极与电阻R3和发光二极管D1的阳极相连；

⑧使用香蕉头连接线将电阻单元108的香蕉头插座“J6”与UPS单元113的香蕉头插座“V1”相连，即三极管Q1的集电极通过电阻R3与电源相连。

通过以上步骤完成了图8所示电路在本实用新型面板上的电路搭建。按下UPS单元113的开关接通电源，拨动逻辑电平单元112中的单刀双掷开关SW1和SW2来接入不同的电平，观察发光二极管单元106中D1的状态，以此来实现分立元件与非门的电路的验证。

上一个实例是应用相关功能单元进行电路搭建与演示的一个典型案例。类似地，由发光二极管单元106、三极管单元107、电阻单元108、开关二极管单元111和逻辑电平单元112还可以搭建分立元件与门、或门、非门、或非门、与或非门等电路，由于步骤类似，这里不再一一赘述。

所述逻辑电平单元112由单刀双掷开关、香蕉头插座和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111所示，“SW1”～“SW4”代表4个单刀双掷开关。在面板正面的逻辑电平单元112开一排共计4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。选择最左侧的一个空位，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4中标号为112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113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113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3个单刀双掷开关SW2～SW4依次与排阻、UPS单元113和对应的香蕉头插座相连。

逻辑电平单元112输出端为电路提供高电平或者低电平，如图4中标号为112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106来验证，具体地，使用香蕉头连接线，一端插入逻辑电平单元112的香蕉头插座O1，另外一端插入发光二极管单元106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112的香蕉头插座O1输出高电平，否则输出低电平。在验证集成逻辑门电路的逻辑功能时，需要使用逻辑电平单元112，具体可参见前面所叙述的具体实施例。

所述UPS单元113由5V电源插座、UPS电源模块、18650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113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4中标号为113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，是与5V电源插座的正极和负极相连接；5V电源插座的正极与“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18650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113的所有器件均可在市场上购买到，其中18650锂电池是通过底部带有螺丝孔位电池盒来固定在面板的正面。

UPS单元113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单元中的18650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18650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113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。

如图5所示，所述芯片转接板201上有螺丝孔位202(分布在转接板的4个角上)、芯片插座203、印刷导线204和焊盘205。芯片转接板201的作用是固定集成逻辑门芯片，每一个焊盘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，具体以与门逻辑单元101为例，在面板正面的与门逻辑单元101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CD4081芯片插入芯片插座203(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201左下角的第1个焊盘，将导线焊接在该焊盘上，按照图3中标号为101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个焊盘外，其余焊盘均焊接到相应的香蕉头插座上。芯片的7引脚是接地端，因此第7个焊盘的导线焊接在UPS单元113的接地端口。同样地，芯片的14引脚为电源端，因此第14个焊盘的导线焊接在UPS单元113的电源输出端口。所有导线焊接完毕后，将芯片转接板201用4个螺丝固定在面板正面的与门逻辑单元101所示区域。其余逻辑门单元102～105与101的实施步骤类似，这里不再赘述。

接下来，给出基于本实验装置的趣味电路搭建，在课堂教学中用于提高学生的学习兴趣，拓展学生的知识面。本应用实例在图2所示面板上实现了触摸延时灯电路的搭建，具体电路如图9所示，同时结合图3和图4中标号为103、106、108、109、111、112和113的子电路图，具体实施步骤如下：

①使用香蕉头连接线将逻辑电平单元112中的香蕉头插座“O1”和非门逻辑单元103的香蕉头插座“A1”相连，即将“O1”端口的逻辑电平接入到芯片CD4069的1引脚；

②使用香蕉头连接线将非门逻辑单元103的香蕉头插座“Y1”和开关二极管单元111的香蕉头插座“A1”相连，即芯片CD4069的2引脚接开关二极管D1的阳极；

③额外准备一个容量为47uF的电解电容插入到锁紧座单元109的最左侧上下两个孔位，使得电解电容的正极与锁紧座单元109的香蕉插座“A1”是电气连通的，电解电容的负极与锁紧座单元109的香蕉插座“B1”是电气连通的，然后按下锁紧杆来固定住电解电容的引脚；

④使用香蕉头连接线将开关二极管单元111的香蕉头插座“K1”、电阻单元108的香蕉头插座“J11”(原理图中电阻R2应选择阻值为几百千欧的电阻，因此在电阻单元108中选择阻值为820KΩ的电阻)、锁紧座单元109的香蕉插座“B1”和非门逻辑单元103的香蕉头插座“A2”相连，即开关二极管D1的阴极、电阻R2的一个引脚、电解电容的阴极和芯片CD4069的3引脚连在一起；

⑤使用香蕉头连接线将电阻单元108的香蕉头插座“J12”与UPS单元113的香蕉头插座“G1”相连，即对应于图9中芯片CD4069的3引脚通过电阻R2接地；

⑥使用香蕉头连接线将锁紧座单元109的香蕉插座“A1”与UPS单元113的香蕉头插座“V1”相连，即电解电容的正极接电源；

⑦使用香蕉头连接线将非门逻辑单元103的香蕉头插座“Y2”和电阻单元108的香蕉头插座“J5”相连，即芯片CD4069的4引脚与电阻R3的一个引脚相连；

⑧使用香蕉头连接线将电阻单元108的香蕉头插座“J6”和三极管单元107的香蕉头插座“B1”相连，即电阻R3的另外一个引脚与三极管Q1的基极连接在一起；

⑨使用香蕉头连接线将三极管单元107的香蕉头插座“C1”、电阻单元108的香蕉头插座“J7”和发光二极管单元106的香蕉头插座“L1”相连，即三极管的集电极与电阻R4的一个引脚和发光二极管D2的阳极连接在一起；

⑩使用香蕉头连接线将电阻单元108的香蕉头插座“J8”和UPS单元113的香蕉头插座“V1”相连，即电阻R4的另外一个引脚接电源。

通过以上步骤完成了图9所示电路在本实用新型面板上的电路搭建。按下UPS单元113的开关接通电源，首先将逻辑电平单元112的单刀双掷开关SW1拨到下方，此时发光二极管单元106的发光二极管D1被点亮，接下来把单刀双掷开关SW1拨到上方，此时发光二极管D1并没有立即熄灭，而是延迟了十秒钟左右熄灭。以上完成了触摸延时灯电路的功能。本电路可以作为课堂导入给学生演示，来激发学生的学习兴趣。也可以基于本电路提出一些改进要求，比如单刀双掷开关SW1拨到上方时发光二极管被点亮，SW1拨到下方时发光二极管延迟熄灭，让学生来完成具有此功能的电路搭建。此外，让学生分析延迟时间时由哪些元件参数决定的，通过具体实验来验证。

上一个实例是应用相关功能单元实现趣味电路的一个典型案例。类似地，还可以搭建基于非门的时钟信号发生电路，实现发光二极管持续地点亮与熄灭等等。由于步骤类似，这里不再一一赘述。

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

Claims (7)

1.一种教学用逻辑门电路功能测试实验装置，包括底座、面板和香蕉头连接线，其特征在于：所述面板集成了与门逻辑单元、或门逻辑单元、非门逻辑单元、与非门逻辑单元、或非门逻辑单元、发光二极管单元、三极管单元、电阻单元、锁紧座单元、蜂鸣器单元、开关二极管单元、逻辑电平单元和UPS单元；

所述与门逻辑单元由CD4081芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4081芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4081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，CD4081芯片的“与逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

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；

所述非门逻辑单元由CD4069芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4069芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4069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，CD4069芯片的“非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

所述与非门逻辑单元由CD4011芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4011芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4011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，CD4011芯片的“与非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

所述或非门逻辑单元由CD4001芯片、芯片转接板和香蕉头插座构成，CD4001芯片通过芯片转接板固定在面板上，CD4001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，CD4001芯片的“或非逻辑”输入和输出端与香蕉头插座相连；

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

所述三极管单元由三极管和香蕉头插座构成，三极管的发射极与UPS单元的地端口相连，三极管的基极和集电极与香蕉头插座相连；

所述电阻单元由电阻和香蕉头插座构成，电阻的两个引脚分别与香蕉头插座相连；

所述锁紧座单元由锁紧座和香蕉头插座构成，锁紧座的引脚与香蕉头插座相连；

所述蜂鸣器单元由蜂鸣器和香蕉头插座构成，蜂鸣器的负极与UPS单元的地端口相连，蜂鸣器的正极与香蕉头插座相连；

所述开关二极管单元由开关二极管和香蕉头插座构成，开关二极管的阴极和阳极分别与香蕉头插座相连；

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所述的教学用逻辑门电路功能测试实验装置，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所述的教学用逻辑门电路功能测试实验装置，其特征在于，所述芯片转接板由芯片插座、印刷导线和焊盘构成，所述焊盘通过飞线方式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。

4.根据权利要求1所述的教学用逻辑门电路功能测试实验装置，其特征在于，所述蜂鸣器为有源蜂鸣器。

5.根据权利要求1所述的教学用逻辑门电路功能测试实验装置，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所述的教学用逻辑门电路功能测试实验装置，其特征在于，所述锂电池为18650锂电池。

7.根据权利要求1所述的教学用逻辑门电路功能测试实验装置，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。

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