智能數字電子實驗箱的製作方法

2023-05-16 23:58:06 2

智能數字電子實驗箱的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種智能數字電子實驗箱，包括計算機接口、上位機、頻率輸出、電平指示、電平輸出、解碼顯示、十六進位電路等功能模塊。各功能模塊由微控制器統一控制，增強了實驗箱的可靠性與靈活性。通過實驗箱上的計算機接口，實驗箱亦可以與上位機進行全雙工通信，方便了數據的分析處理，同時上位機亦可以進行對實驗箱的控制。
【專利說明】智能數字電子實驗箱
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種供教學使用的數字電子實驗箱，可供完成數字電子電路實驗，且具有更多的擴展功能。
【背景技術】
[0002]智能數字電子實驗箱是電學類專業數字電子電路實驗教學中必備的實驗儀器，其性能的好壞直接影響教學的效果。目前，一般的數字實驗箱均會包含電平指示、電平輸出、解碼顯示、方波信號等模塊。但是這些模塊的電路相互獨立，其功能由分立的電路及其器件各自實現，比如方波輸出信號有單獨的信號發生電路，邏輯開關有單獨的去抖電路，同時數據開關與邏輯開關相互分開。實驗箱的各個模塊無法形成統一的整體進行管理，儀器的可靠性與性能均得不到保障。實驗中得到的邏輯電平等數據往往需要藉助示波器觀察，分析處理不便。

【發明內容】

[0003]本發明提供了一種智能數字電子實驗箱，各功能模塊由微控制器統一控制，增強了實驗箱的可靠性與靈活性。通過實驗箱上的計算機接口，實驗箱亦可以與上位機進行通信，實驗箱上所得數據可以直接通過上位機顯示並分析，同時上位機亦可以進行對實驗箱的控制。
[0004]一種智能數字電子實驗箱，所述的實驗箱包括中央區域和四周區域，所述的中央區域為IC插座區，所述的四周區域分布多個模塊，包括計算機接口、上位機、頻率輸出模塊、電平指示模塊、電平輸出模塊、解碼顯示模塊、十六進位輸出模塊；上述各個模塊均由微控制器統一控制。
[0005]所述的計算機接口為USB接口，經由USB接口，實現實驗箱與上位機的通信。
[0006]所述的上位機與微控制器相互通信，實驗箱上得到的數據直接傳送到上位機，亦可以從上位機發送指令操作實驗箱的。
[0007]所述的頻率輸出模塊的方波信號由微控制器的時鐘系統提供。
[0008]所述的頻率輸出模塊包括基準頻率輸出與可調頻率輸出，可調頻率經由微控制器處理得到移相90度輸出，與原輸出形成正交編碼，從而可以實現測速功能。
[0009]所述的電平輸出模塊中邏輯按鍵的去抖由微控制器直接實現；所述的電平輸出模塊中邏輯按鍵在按下去的時刻提供高質量的下降沿或上升沿觸發，按下去之後提供一個恆定的高電平或低電平，實現了數據開關與邏輯開關的合二為一。
[0010]所述的電平輸出模塊的電平指示發光二極體的陰極、十六進位輸出模塊的數碼管的引腳、以及頻率輸出模塊的數碼管的引腳與頻率單位指示發光二極體的陰極均同74HC595的8位並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯並最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；而所述的電平指示模塊的電平指示發光二極體的陰極、解碼顯示電路數碼管的引腳連入另一組74HC595並行輸入口，串行口級聯到的另一個輸入輸出引腳。通過74HC595的串入並出移位寄存功能，經由串行口發送布爾數組，可以統一刷新顯示數據。
[0011]所述的電平指示模塊與解碼顯示模塊的控制中，將輸入的電平作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發出指令，實現對相應電平指示發光二極體與數碼管顯示的控制。
[0012]所述的電平輸出模塊的邏輯按鍵、十六進位輸出模塊的數碼管按鍵、以及頻率輸出模塊的數碼管按鍵均與74HC165的並行輸入端相連，74HC165共用時鐘輸入信號與移位信號，並通過串行輸出口級聯，將鍵盤上讀取的並行信號串行送入微控制器，微控制器處理得到的數據並發出指令，控制相應發光二極體以及數碼管的顯示。
[0013]所述的電平輸出模塊與十六進位輸出模塊的電平輸出口均與74HC595的並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯並最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；通過74HC595的串入並出移位寄存功能，微控制器經由串行口發送布爾數組，統一刷新電平輸出。
[0014]本發明的有益效果是:
1、各功能模塊由微控制器統一控制，增強了可靠性與靈活性；
2、將傳統數電實驗箱的邏輯開關與數字開關合二為一，節省了資源；
3、可以與上位機進行全雙工通信，方便實驗數據的處理和實驗邏輯波形的顯示，亦可利用上位機進行對實驗箱的控制，實現了實驗箱的智能化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是智能數字電子實驗箱的結構示意圖；
圖2是解碼顯示模塊示意圖；
圖3是電平指示模塊示意圖；
圖4是十六進位輸出模塊示意圖；
圖5是電平輸出模塊示意圖；
圖6是頻率輸出模塊中的基準頻率輸出模塊示意圖；
圖7是頻率輸出模塊中的可調頻率輸出模塊示意圖；
圖中，計算機接口 1，電平指示模塊2，解碼顯示模塊3，十六進位輸出模塊4，電平輸出模塊5，頻率輸出模塊6，揚聲器7，元件區8，直流電源9，IC插座區10，上位機11，電平插孔12，電平指示發光二極體13，解碼器14，數碼管15，數碼管按鍵16，基準頻率輸出插孔17，接地插孔18，可調頻率輸出插孔19，移相頻率輸出插孔20，頻率單位指示發光二極體21，頻率單位選擇按鍵22，頻率量程選擇按鍵23，電平反向輸出插孔24，邏輯按鍵25。
【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖進行進一步說明。
[0017]圖1所示，實驗箱包括中央區域和四周區域，所述的中央區域為IC插座區10，所述的四周區域分布多個模塊，包括計算機接口 1、上位機11、頻率輸出模塊6、電平指示模塊2、電平輸出模塊5、解碼顯示模塊3、十六進位輸出模塊4 ;以上模塊均由微控制器統一控制。IC插座區10提供多種晶片插座；直流電源9為實驗箱供電；元件區8提供實驗可能用到的電阻、電容等元件；揚聲器7用以產生聲音信號；計算機接口 I為USB接口，將實驗箱與上位機11相連接；上位機11可以與下位機通信，並實現儀器控制。
[0018]圖2所示，數碼管15，解碼器14，四個電平插孔12構成一個解碼顯示模塊3的一個單元。電平插孔12用來接收輸入的高電平或者低電平，形成四位二進位碼，解碼器14將四位二進位碼轉化為邏輯電平輸出，作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發出指令。而解碼顯示模塊3的數碼管15的引腳與74HC595的8位並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯並最終連接到微處理器的一個輸入輸出引腳。利用74HC595的串入並出移位寄存功能，微處理器進入中斷後接經由串行口發送布爾數組，統一刷新數碼管的顯示。
[0019]圖3所示，電平插孔12與發光二極體13構成一個電平指示模塊2的一個單元。電平插孔12用來接收輸入的高電平或者低電平，將電平輸入作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發出指令。而電平指示發光二極體13的陰極與74HC595的8位並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯並最終連接到微處理器的一個輸入輸出引腳。利用74HC595的串入並出移位寄存功能，微處理器進入中斷後接經由串行口發送布爾數組，統一刷新發光二極體亮滅狀態。
[0020]圖4所示，數碼管15、兩個數碼管按鍵16與四個電平插孔12組成十六進位輸出模塊4的一個單元。數碼管按鍵16用以設置數碼管15顯示的十六進位數的數值，四個電平插孔12將設置的十六進位數以二進位形式輸出。
[0021]圖5所示，邏輯按鍵25、電平指示發光二極體13、電平插孔12與電平反向輸出插孔24構成電平輸出模塊5的一個單元。邏輯按鍵25提供上升沿或下降沿觸發、高電平或低電平。電平指示發光二極體13指示電平高低，電平插孔12可將電平信號輸出，電平反向輸出插孔24將電平信號反向輸出。
[0022]圖6所示，接地插孔18與基準頻率輸出插孔17構成頻率輸出模塊6的基準頻率輸出部分。接地插孔18用以線路接地，基準頻率輸出插孔17輸出固定基準頻率的方波信號。
[0023]圖7所示，可調頻率輸出插孔19，移相頻率輸出插孔20，接地插孔18構成頻率輸出模塊6的可調頻率信號的輸出部分；頻率單位指示發光二極體21、三個數碼管15、六個數碼管按鍵16、頻率單位選擇按鍵22、頻率量程選擇按鍵23構成頻率輸出模塊6的可調頻率信號的頻率顯示與設置部分。可調頻率輸出插孔19輸出可調頻率的方波信號，移相頻率輸出插孔20輸出移項90度的可調頻率方波，通過數碼管按鍵16設置輸出頻率的頻率數值，頻率單位指示發光二極體21用以指示數碼管顯示的頻率數值的單位，頻率單位選擇按鍵22用以選擇輸出頻率的單位，頻率量程選擇按鍵23可以控制輸出頻率的數值範圍。
[0024]圖4、圖5、圖7所示，電平輸出模塊5的邏輯按鍵25、十六進位輸出模塊4的數碼管按鍵16以及頻率輸出模塊6的數碼管按鍵16均與74HC165的並行輸入端相連，74HC1655共用時鐘輸入信號與移位信號，並通過串行輸出口級聯，將由按鍵讀取的並行信號串行送入微處理器，微處理器處理得到的數據並統一發出控制電平指示發光二極體13、頻率單位指示發光二極體21以及數碼管16的指令。而電平輸出模塊5的電平指示發光二極體13的陰極、十六進位輸出模塊4的數碼管16的引腳、以及頻率輸出模塊6的數碼管16與頻率單位指示發光二極體21引腳與74HC595的8位並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯並最終連接到微處理器的一個輸入輸出引腳。利用74HC595的串入並出移位寄存功能，微處理器接收到按鍵數據後，經由串行口發送布爾數組，統一刷新顯示數據。電平輸出模塊5與十六進位輸出模塊4在刷新顯示數據同時亦要將相應電平輸出，同理將電平插孔12與74HC595的8位並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯並最終連接到微處理器的另一個輸入輸出引腳，微處理器接收到按鍵數據後，經由串行口發送布爾數組，統一刷新電平輸出。
[0025]圖6、圖7所示，頻率輸出模塊6主要輸出基準頻率與可調頻率的方波信號。方波信號由微控制器的時鐘系統提供，微控制器的時鐘源經過自身分頻、倍頻等功能可以得到豐富的方波信號，完全可以滿足基準頻率與可調頻率的要求。方波信號經過微控制器處理亦可得到移相90度的信號輸出，與原輸出形成正交編碼，從而可以實現測速功能。
【權利要求】
1.一種智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的實驗箱包括中央區域和四周區域，所述的中央區域為IC插座區(10)，所述的四周區域分布多個模塊，包括計算機接口(I)、上位機(11)、頻率輸出模塊(6)、電平指示模塊(2)、電平輸出模塊(5)、解碼顯示模塊(3)、十六進位輸出模塊(4 );上述各個模塊均由微控制器統一控制。
2.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的計算機接口(I)為USB接口，經由USB接口，實現實驗箱與上位機(11)的通信。
3.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的上位機(11)與微控制器相互通信，實驗箱上得到的數據直接傳送到上位機(11)，亦可以從上位機(11)發送指令操作實驗箱的。
4.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的頻率輸出模塊(6)的方波信號由微控制器的時鐘系統提供。
5.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的頻率輸出模塊(6)包括基準頻率輸出與可調頻率輸出，可調頻率經由微控制器處理得到移相90度輸出，與原輸出形成正交編碼，從而可以實現測速功能。
6.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的電平輸出模塊(5)中邏輯按鍵(25)的去抖由微控制器直接實現；所述的電平輸出模塊(5)中邏輯按鍵(25)在按下去的時刻提供高質量的下降沿或上升沿觸發，按下去之後提供一個恆定的高電平或低電平，實現了數據開關與邏輯開關的合二為一。
7.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的電平輸出模塊(5)的電平指示發光二極體(13)的陰極、十六進位輸出模塊(4)的數碼管(15)引腳、以及頻率輸出模塊(6)的數碼管(15)引腳與頻率單位指示發光二極體(21)的陰極均同74HC595的8位並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯並最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；而所述的電平指示模塊(2)的電平指示發光二極體(13)陰極、解碼顯示模塊(3)的數碼管(15)引腳連入另一組74HC595並行輸入口，串行口級聯到另一個輸入輸出引腳，通過74HC595的串入並出移位寄存功能，經由串行口發送布爾數組，可以統一刷新顯示數據。
8.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的電平指示模塊(2)與解碼顯示模塊(3)的控制中，將電平輸入作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發出指令，實現對相應電平指示發光二極體(13 )與數碼管(15 )顯示的控制。
9.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的電平輸出模塊(5)的邏輯按鍵(25)、十六進位輸出模塊(4)的數碼管按鍵(16)以及頻率輸出模塊(6)的數碼管按鍵(16)均與74HC165的並行輸入端相連，74HC165共用時鐘輸入信號與移位信號，並通過串行輸出口級聯，將鍵盤上讀取的並行信號串行送入微控制器，微控制器處理得到的數據並發出指令，控制相應發光二極體以及數碼管的顯示。
10.根據權利要求1所述的智能數字電子實驗箱，其特徵是:所述的電平輸出模塊(5)與十六進位輸出模塊(4)的電平輸出口均與74HC595的並行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯並最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；通過74HC595的串入並出移位寄存功能，微控制器經由串行口發送布爾數組，統一刷新電平輸出。
【文檔編號】G09B23/18GK103886794SQ201410122179
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月30日 優先權日:2014年3月30日
【發明者】趙東偉, 王晗, 黃陽彬, 張偉 申請人:浙江大學