數字電路多功能芯片模擬器及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及數字電路實驗裝置和實驗方法，具體地說是一種結構合理、使用方便，特別適用于教學科研的數字電路多功能芯片模擬器及其使用方法。
【背景技術】
[0002]數字電子產業正在處在技術變革的時期，主要的變革是EDA+FPGA開發方式替代傳統分離元件+卡諾圖開發方式，開發手段變化非常大。但數字電子的基本原理卻變化不大。這在高校數字電子技術教學中產生一種矛盾和沖突。怎么才能把數電原理和當前EDA主流技術互相結合。
[0003]具體而言，數字電子技術是高校一門基礎的電子類課程，這門課程是電子類的啟蒙課程。教學方式多采用課堂授課+實驗方式。其中數字電子技術的實驗教學方法都采用EDA+FPGA和分離元件+試驗箱相結合的方法。
[0004]分離元件+試驗箱的方法能夠非常容易的表現數字電子技術課程的基本原理，幫助學生建立理論概念。但是74系列分離元件正處于被淘汰的技術邊緣，與時代脫節。具體表現就是隨著半導體技術的發展，74系列分離元件的使用越來越少，利用EDA技術開發FPGA芯片的方式使用越來越廣泛。FPGA芯片代替分離元件大勢所趨。
[0005]EDA+FPGA方法代表未來的技術方向，但是其不便于讓學生從基礎理解數電原理。因為FPGA和分離元件技術上不連貫。初學者很難理解EDA和數字電子技術原理的關系。這種方法與數字電子技術原理聯系不緊密。
[0006]目前高校實驗將一般采用分離元件+實驗箱+EDA+FPGA試驗箱的聯合方式進行實驗。用74系列分離元件幫助學生理解數電原理。
[0007]現有這種方式存在幾方面不足:(I)數字電子技術教學沒有達到將分離元件與FPGA、數電理論與EDA開發技術相結合的效果。目前數字電路課本編排都是按照數字電路基本理論+EDA方式組成。但由于課本本身缺少讓二種技術連貫的方法、實驗環節也沒有讓二者統一的實驗方法。實際中學生沒有學會利用數字電子技術原理開發FPGA的這一目的，同時也沒有建立正確的數電概念和方向。(2)分離元件由于使用范圍越來越少，開始逐步停產、購買變得越來越困難、價格越來越高，學校教學使用成本越來越大。(3)分離元件如果管腳損壞或者燒毀后，無法修復，只能做丟棄處理。(4)為了達到數電的功能設計要求，需要購買74系列多種元器件。由于購買數量分配、使用損毀或者實驗安排的原因。往往造成某種型號芯片不足，或者另一種芯片大量積壓的現象。芯片之間功能不能調換。(5)不管分離元件實驗箱方式還是EDA試驗箱方式學生只能利用課堂的實驗箱進行學習。由于缺少實踐的硬件，無法課外進行數電學習。(6) EDA實驗箱過于復雜，學生學習掌握的學時超出了數字電子實驗教學學時安排。
【發明內容】
[0008]本發明針對現有技術中存在的缺點和不足，提出了一種結構合理、使用方便，特別適用于教學科研的數字電路多功能芯片模擬器及其使用方法。本發明最大特點是讓學生自己用EDA技術設計74系列分離芯片，然后將設計好的芯片模擬器在分離元件實驗箱搭建小型數字系統。從而實現了一種將EDA技術和數電原理、分離元件和FPGA相互結合的方法。這種方法優點是不改變數電當前的教學流程，只是在EDA教學和分離元件實驗箱教學環節插入一個對芯片模擬器如何使用的教學環節即可。
[0009]本發明可以通過以下措施達到:
一種數字電路多功能芯片模擬器，其特征在于設有EPM3032、LED顯示電路、時鐘電路、下載調試電路、微動撥碼電路、引腳選通接地電路，其中EPM3032分別與LED顯示電路、時鐘電路、下載調試電路、微動撥碼電路、引腳選通接地電路相連接，微動撥碼電路與引腳選通接地電路相連接。
[0010]本發明所述微動撥碼電路用于切換芯片功能(要在斷電時切換)。
[0011]本發明只需要在EDA教學環節增加對芯片模擬器的編程和開發、在分離元件連接環節使用芯片模擬器進行連接，就能將分離元件數電實驗教學方式和EDA數電教學方式相融合，花費的代價極低。
[0012]本發明能夠將分離元件數電實驗教學方式和EDA數電教學方式相融合。
[0013]本發明所述一個模擬器在不重新改寫程序的情況下最多能模擬4種74系列芯片的功能。
[0014]本發明通過限流電阻實現了 3.3V和5V邏輯電平的兼容。
[0015]本發明芯片模擬器尺寸為1.8CMX5CM，形狀酷似鑰匙。
[0016]本發明用AMS1117 3.3V穩壓電路與EPM3032芯片相連接，用于提供芯片工作電壓。穩壓芯片可以通過跳線設成接入和不接接入方式。不接入時穩壓電路時可直接和3.3V的LVTTL邏輯連接，接入穩壓電路時可直接和5V的TTL邏輯連接。
[0017]本發明所述時鐘電路為數字信號源或者時序邏輯電路提供基準信號源。
[0018]本發明所述的下載調試電路用于下載代碼及調試。
[0019]本發明所述電源LED用于指示芯片供電和晶振工作是否正常，功能指示LED用于說明當前芯片模擬器邏輯功能。
[0020]本發明所述引腳選通接地電路用于改變芯片的接地引腳，使得芯片模擬器能夠從DIP12、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20等封裝形式轉換，保證實際中接入對應封裝電源時，保證芯片供電和接地正確。
[0021]本發明具有多功能性和靈活性:利用EMP3032的可編程特性，對74系列的所有芯片邏輯功能進行模擬；通過電路板中開關控制特定1 口邏輯電平高、低，然后配合特定程序，從而模擬器有一鍵轉換芯片功能開關，通過調節二位微動開關組合關系，使芯片模擬器輕松轉換成4種不同的芯片功能，并且上面有2個LED功能指示燈，利用LED燈的亮滅組合能夠實時的指示當前邏輯功能；此外芯片模擬器能夠做為數字信號源使用，能夠對數字電子技術實驗箱的檢修作為輔助工具，也能夠作為激勵源構建邏輯大規模數字電路；
本發明相對于現有技術，利用小型的CPLD器件EPM3032為核心，通過下載電路、電源接口、DIP管座、微動開關等實現了芯片模擬器；價格便宜，就需10元左右即可制作出一個能模擬多款芯片的設備，將教學設計、教學裝置、實訓設備多方面的功能合為一體，不僅節約成本節約空間，設備操作性強；而且方便攜帶，學生只需一臺電腦即可課后自主做實驗，具有直觀性強、經濟性好、體積小等顯著的優點。
[0022]本發明還提出了一種數字電路多功能芯片模擬器的使用方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1:讓學生根據芯片模擬器參考原理圖自己繪制PCB，然后制作PCB、焊接，或者提供現成的PCB讓學生進行焊接和調試；
步驟2:調試完成后，將FPGA仿真器與芯片模擬模擬器進行連接；
步驟3:利用計算機USB 口或者外部電源對芯片模擬器供電；
步驟4:參考實驗案例程序模板，利用74系列真值表設計分離元件，具體型號有74138、74161、74112、74374等器件，按照芯片的管腳定義對模擬器進行管腳分配；其中學生可以設計多種不同74系列芯片，然后通過對圖6的電阻短接構建對應的DIP封裝，同時可以通過撥碼開關選擇對應的邏輯功能；
步驟5:根據芯片模擬器管腳對設計的邏輯進行仿真、編譯、下載等教學，燒寫入芯片模擬器中。
[0023]本發明在分離元件實驗環節，首先根據74系列芯片真