數字電路實驗裝置及實驗方法
【專利摘要】本發明公開了數字電路實驗裝置及實驗方法，包括FPGA芯片，FPGA芯片與上位機通信相連，FPGA芯片放置在實驗箱內，FPGA芯片的引腳與IC插座的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，FPGA芯片與若干個IC插座相連，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地。通過設置開關電路中開關的閉合與斷開，給集成電路輸入了各種數據，集成電路輸出的各種對應數據在顯示電路上顯示出來。能避免因為金屬導線的連線混亂產生的干擾以及連線錯誤和接觸不良。保留數字電路實驗箱的小規模集成電路，使初學者容易建立邏輯電路的概念。上位機可以保留已做實驗的連線關系，為重復驗證實驗和完成以前做了一半的實驗提供方便。
【專利說明】數字電路實驗裝置及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及數字電路實驗裝置及實驗方法。
【背景技術】
[0002]在教授《數字電路》等數字系統課時，需要讓學生做相應的數字電路實驗。傳統的實驗方法是在實驗箱的集成電路的插座上插入所需實驗的集成電路，然后用導線按要求連接它們形成所需實驗電路。此方法的缺點是:1.學生由于經驗不足，連線會經常連錯。2.實驗箱用久了，連線與插座之間會接觸不良，學生很難判斷并查找原因。3.若頻率較高，連線的長度選擇不當也會影響電路的正常工作。4.此連線方法在實際工作中并不被采用，一般是采用印刷電路板(PCB)設計來完成的。
[0003]發明專利《數字邏輯器件預置型數字電路實驗裝置》，專利號:201110404131.2，發明的實驗裝置是用DSP通過預置實驗開關的狀態來確定實驗編號，查找到該編號實驗所對應邏輯關系的數據庫的位置，讀取邏輯關系圖，DSP根據邏輯關系圖配置對應器件管腳模塊狀態定義，DSP根據每個器件管腳模塊預置的邏輯關系，作相應的邏輯運算和輸出。其缺點是:學生在實驗時見不到真正的邏輯芯片，如74LS00，74LS138，74LS374等，只是一種仿真的感覺，初學者很難建立數字電路設計的概念。
[0004]發明專利《一種數字電路自動設計與實驗仿真方法》，申請號:201310223744.5，是以數字電路實驗為基礎的一種可以根據邏輯表達式自動生成邏輯電路圖、并能夠進行電路設計仿真的方法。其也缺點是:1.學生在仿真時見不到真正的邏輯芯片，如74LS00，74LS138，74LS374等，初學者很難建立數字電路設計的概念。2.學生在實驗時，還是用傳統的連線方法。
[0005]發明專利《一種基于CPLD的數字電路實驗開發平臺》，申請號:201110122961.6，是一種用可編程邏輯器件CPLD方便實現數字電路實驗開發的裝置。其也缺點是:學生在實驗時見不到真正的邏輯芯片，如74LS00，74LS138，74LS374等，只是一種仿真的感覺，初學者很難建立數字電路設計的概念。
【發明內容】
[0006]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了數字電路實驗裝置及實驗方法，使數字電路實驗真實、方便、快捷。
[0007]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0008]數字電路實驗裝置，包括FPGA芯片，FPGA芯片與上位機通信相連，FPGA芯片的引腳與IC插座的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，FPGA芯片與若干個IC插座相連，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地。
[0009]所述IC插座為連接74LS系列集成電路的插座。FPGA芯片放置在實驗箱內。
[0010]所述實驗裝置還包括開關電路及顯示電路，開關電路與FPGA芯片輸入端相連，顯示電路與FPGA芯片輸出端相連，開關電路及顯示電路用于模擬IC插座上的集成電路的輸入輸出狀態。
[0011]所述上位機將與開關電路及顯示電路相連的FPGA芯片的引腳及與集成電路相連的FPGA芯片的引腳設置相等。
[0012]所述開關電路與FPGA芯片的輸入端相連，集成電路的輸入端與FPGA芯片的輸出端相連，在上位機中將與開關電路相連的FPGA芯片的輸入端與對應的和集成電路的輸入端相連的FPGA芯片的輸出端相等。
[0013]所述顯示電路與FPGA芯片的輸出端相連，集成電路的輸出端與FPGA芯片的輸入端相連，在上位機中將與顯示電路相連FPGA芯片的輸出端與對應的和集成電路的輸出端相連FPGA芯片的輸入端相等。
[0014]所述IC 插座為 DIP24、DIP20、DIP16 或 DIP14。
[0015]所述FPGA 芯片為 Altera CycloneII 系列的 EP2C70 或 Altera Stratix 系列的EP1S120 等。
[0016]數字電路實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟:
[0017]步驟一:選擇引腳多的FPGA芯片，選擇需要實驗的集成電路及與之對應的IC插座；
[0018]步驟二:將FPGA芯片與給FPGA編程的上位機通信連接，將FPGA芯片的引腳與IC插座的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地；
[0019]步驟三:在IC插座插入對應的集成電路，在FPGA芯片的輸入端連接與所述集成電路的輸入端相對應的開關電路，在FPGA芯片的輸出端連接與所述集成電路的輸出端相對應的顯示電路；
[0020]步驟四:在上位機設置將與開關電路相連的FPGA芯片的輸入端與對應的和集成電路的輸入端相連的FPGA芯片的輸出端相等，將與顯示電路相連FPGA芯片的輸出端與對應的和集成電路的輸出端相連FPGA芯片的輸入端相等；
[0021]步驟五:通過設置開關電路中開關的閉合與斷開，給集成電路輸入了各種數據，集成電路輸出的各種對應數據在顯示電路上顯示出來。
[0022]所述開關電路包括開關，開關的一端與電源相連，開關的另一端分兩路，一路通過電阻與地相連，另一路通過電阻與三極管的基極相連，三極管的發射極與地相連，三極管的集電極通過二極管及電阻與電源相連。
[0023]所述顯示電路包括發光裝置，發光二極管正極端通過電阻與電源相連，發光二極管負極端與三極管的集電極相連，三極管的發射極與地相連，三極管的基極通過電阻與FPGA芯片的輸出端相連。
[0024]所述發光裝置為LED指示燈或七段碼LED。
[0025]本發明的方法包括各種規格和數量的IC插座(如DIP24、DIP20、DIP16、DIP14等)，FPGA芯片以及給FPGA編程的上位機和相應軟件。IC插座的電源和地連接實驗箱供電的電源和地，IC插座主要連接74LS系列集成電路的，所以電源和地的位置是確定的，如DIP20的第20腳為電源、第10腳為地。全部IC插座的其他全部引腳與FPGA的引腳相連，FPGA可選取只考慮引腳多而不考慮邏輯電路的多少，如Altera CycloneII系列的EP2C70有622個I/O引腳，AlteraStratix系列的EP1S120有1314個I/O引腳。FPGA芯片的下載線連到PC上位機上。IC插座的引腳與FPGA的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，如圖1所示。在實驗箱中除了 IC插座以外，還可以有各種開關、LED指示燈、七段碼LED等。
[0026]當學生做實驗時，將其所用的集成電路芯片根據引腳的多少插入相應的IC插座，然后在PC機上設計誰與誰連接，形成FPGA的編程文件，下載到FPGA中。FPGA設計是實現FPGA輸出引腳與輸入引腳的直通關系，沒有與或非等邏輯關系。通過FPGA設計實現IC插座與IC插座之間，IC插座與開關指示燈之間的連線。
[0027]本發明的有益效果:
[0028]本發明使數字電路實驗復雜混亂的連線簡單化，并能避免因為金屬導線的連線混亂產生的干擾以及連線錯誤和接觸不良。保留數字電路實驗箱的小規模集成電路，使初學者容易建立邏輯電路的概念。上位機可以保留已做實驗的連線關系，為重復驗證實驗和完成以前做了 一半的實驗提供方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明原理示意圖；
[0030]圖2為實施例原理圖；
[0031 ] 圖3為FPGA內部布線圖。
【具體實施方式】:
[0032]下面結合附圖對本發明進行詳細說明:
[0033]如圖1所示，數字電路實驗裝置，包括FPGA芯片，FPGA芯片與上位機通信相連，FPGA芯片放置在實驗箱內，FPGA芯片的引腳與IC插座的弓丨腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，FPGA芯片與若干個IC插座相連，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地。
[0034]所述IC插座為連接74LS系列集成電路的插座。
[0035]所述實驗裝置還包括開關電路及顯示電路，開關電路與FPGA芯片輸入端相連，顯示電路與FPGA芯片輸出端相連，開關電路及顯示電路用于模擬IC插座上的集成電路的輸入輸出狀態。
[0036]所述開關電路與FPGA芯片的輸入端相連，集成電路的輸入端與FPGA芯片的輸出端相連，在上位機中將與開關電路相連的FPGA芯片的輸入端與對應的和集成電路的輸入端相連的FPGA芯片的輸出端相等。
[0037]所述顯示電路與FPGA芯片的輸出端相連，集成電路的輸出端與FPGA芯片的輸入端相連，在上位機中將與顯示電路相連FPGA芯片的輸出端與對應的和集成電路的輸出端相連FPGA芯片的輸入端相等。
[0038]所述IC 插座為 DIP24、DIP20、DIP16 或 DIP14。
[0039]所述FPGA 芯片為 Altera CycloneII 系列的 EP2C70 或 Altera Stratix 系列的EP1S120 等。
[0040]數字電路實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟:
[0041]步驟一:選擇引腳多的FPGA芯片，選擇需要實驗的集成電路及與之對應的IC插座；[0042]步驟二:將FPGA芯片與給FPGA編程的上位機通信連接，將FPGA芯片的引腳與IC插座的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地；
[0043]步驟三:在IC插座插入對應的集成電路，在FPGA芯片的輸入端連接與所述集成電路的輸入端相對應的開關電路，在FPGA芯片的輸出端連接與所述集成電路的輸出端相對應的顯示電路；
[0044]步驟四:在上位機設置將與開關電路相連的FPGA芯片的輸入端與對應的和集成電路的輸入端相連的FPGA芯片的輸出端相等，將與顯示電路相連FPGA芯片的輸出端與對應的和集成電路的輸出端相連FPGA芯片的輸入端相等；
[0045]步驟五:通過設置開關電路中開關的閉合與斷開，給集成電路輸入了各種數據，集成電路輸出的各種對應數據在顯示電路上顯示出來。
[0046]所述開關電路包括開關，開關的一端與電源相連，開關的另一端分兩路，一路通過電阻與地相連，另一路通過電阻與三極管的基極相連，三極管的發射極與地相連，三極管的集電極通過二極管及電阻與電源相連。
[0047]所述顯示電路包括發光裝置，發光二極管正極端通過電阻與電源相連，發光二極管負極端與三極管的集電極相連，三極管的發射極與地相連，三極管的基極通過電阻與FPGA芯片的輸出端相連。
[0048]所述發光裝置為LED指示燈或七段碼LED。
[0049]在圖2中給出了一個三八譯碼器功能分析的實例原理圖。IC16插座上插入74LS138，我們要將其譯碼的輸入端C、B、A通過FPGA與帶有LED燈驅動顯示的開關K3、K2、Kl相連，將其譯碼的輸出端Υ7、Υ6、Υ5、Υ4、Υ3、Υ2、Υ1、Υ0通過FPGA與帶驅動的LED燈LED8、LED7、LED6、LED5、LED4、LED3、LED2、LED1相連，片選信號接相應有效電平。FPGA可以采用Altera公司生產的5V供電的EPF10K10QC208-3。
[0050]在圖3中給出了 FPGA內部連線的邏輯原理圖。為使譯碼器74LS138的A接開關Kl，我們設計FPGA EPF10K10QC208-3的47腳為輸出腳等于輸入腳19腳，為了 B接開關K2，使其46腳為輸出腳等于輸入腳18腳，為了 C接開關K3，使其45腳為輸出腳等于輸入腳17腳。為使譯碼器74LS138的YO接開關LED1，我們設計FPGA EPF10K10QC208-3的31腳為輸出腳等于輸入腳53腳，同樣，為使LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、LED7、LED8連接到Yl、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7，設計 30 腳=54 腳，29 腳=55 腳，28 腳=56 腳，27 腳=57 腳，26 腳=58腳，25腳=38腳，24腳=39腳。為使74LS138的片選有效，設計40腳接高電平，41腳、44腳接地。上述連線是通過PC對FPGA的設計實現的。
[0051]通過開關K3、K2、K1各種組合的閉合與斷開，給譯碼器輸入了各種數據，譯碼器輸出的各種對應數據在LED燈上顯示出來。
【權利要求】
1.數字電路實驗裝置，其特征是，包括FPGA芯片，FPGA芯片與上位機通信相連，FPGA芯片的引腳與IC插座的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，FPGA芯片與若干個IC插座相連，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地； 所述實驗裝置還包括開關電路及顯示電路，開關電路與FPGA芯片輸入端相連，顯示電路與FPGA芯片輸出端相連，開關電路及顯示電路用于模擬IC插座上的集成電路的輸入輸出狀態； 所述上位機將與開關電路及顯示電路相連的FPGA芯片的引腳及與集成電路相連的FPGA芯片的引腳設置相等。
2.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述IC插座為連接74LS系列集成電路的插座，FPGA芯片放置在實驗箱內。
3.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述IC插座為DIP24、DIP20、DIP16 或 DIP14。
4.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述開關電路與FPGA芯片的輸入端相連，集成電路的輸入端與FPGA芯片的輸出端相連，在上位機中將與開關電路相連的FPGA芯片的輸入端與對應的和集成電路的輸入端相連的FPGA芯片的輸出端相等。
5.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述顯示電路與FPGA芯片的輸出端相連，集成電路的輸出端與FPGA芯片的輸入端相連，在上位機中將與顯示電路相連FPGA芯片的輸出端與對應的和集成電路的輸出端相連FPGA芯片的輸入端相等。
6.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述開關電路包括開關，開關的一端與電源相連，開關的另一端分兩路，一路通過電阻與地相連，另一路通過電阻與三極管的基極相連，三極管的發射極與地相連，三極管的集電極通過二極管及電阻與電源相連。
7.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述顯示電路包括發光裝置，發光二極管正極端通過電阻與電源相連，發光二極管負極端與三極管的集電極相連，三極管的發射極與地相連，三極管的基極通過電阻與FPGA芯片的輸出端相連。
8.如權利要求7所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述發光裝置為LED指示燈或七段碼LED。
9.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置，其特征是，所述FPGA芯片為AlteraCycloneII 系列的 EP2C70 或 Altera Stratix 系列的 EP1S120。
10.如權利要求1所述的數字電路實驗裝置的實驗方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一:選擇引腳多的FPGA芯片，選擇需要實驗的集成電路及與之對應的IC插座； 步驟二:將FPGA芯片與給FPGA編程的上位機通信連接，將FPGA芯片的引腳與IC插座的引腳之間的連線由印刷電路板PCB布線實現，IC插座的電源和地分別連接對應的實驗箱供電的電源和地； 步驟三:在IC插座插入對應的集成電路，在FPGA芯片的輸入端連接與所述集成電路的輸入端相對應的開關電路，在在FPGA芯片的輸出端連接與所述集成電路的輸出端相對應的顯示電路； 步驟四:在上位機設置將與開關電路相連的FPGA芯片的輸入端與對應的和集成電路的輸入端相連的FPGA芯片的輸出端相等，將與顯示電路相連FPGA芯片的輸出端與對應的和集成電路的輸出端相連FPGA芯片的輸入端相等；步驟五:通過設置開關電路中開關的閉合與斷開，給集成電路輸入了各種數據，集成電路輸出的各種 對應數據在顯示電路上顯示出來。
【文檔編號】G09B23/18GK103915023SQ201410096613
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】楊峰, 翟臨博, 張佳 申請人:山東師范大學