數(shù)字電路多功能芯片模擬器及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，具體地說是一種結(jié)構(gòu)合理、使用方便，特別適用于教學(xué)科研的數(shù)字電路多功能芯片模擬器及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字電子產(chǎn)業(yè)正在處在技術(shù)變革的時(shí)期，主要的變革是EDA+FPGA開發(fā)方式替代傳統(tǒng)分離元件+卡諾圖開發(fā)方式，開發(fā)手段變化非常大。但數(shù)字電子的基本原理卻變化不大。這在高校數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中產(chǎn)生一種矛盾和沖突。怎么才能把數(shù)電原理和當(dāng)前EDA主流技術(shù)互相結(jié)合。
[0003]具體而言，數(shù)字電子技術(shù)是高校一門基礎(chǔ)的電子類課程，這門課程是電子類的啟蒙課程。教學(xué)方式多采用課堂授課+實(shí)驗(yàn)方式。其中數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法都采用EDA+FPGA和分離元件+試驗(yàn)箱相結(jié)合的方法。
[0004]分離元件+試驗(yàn)箱的方法能夠非常容易的表現(xiàn)數(shù)字電子技術(shù)課程的基本原理，幫助學(xué)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(shù)邊緣，與時(shí)代脫節(jié)。具體表現(xiàn)就是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，74系列分離元件的使用越來越少，利用EDA技術(shù)開發(fā)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(shù)方向，但是其不便于讓學(xué)生從基礎(chǔ)理解數(shù)電原理。因?yàn)镕PGA和分離元件技術(shù)上不連貫。初學(xué)者很難理解EDA和數(shù)字電子技術(shù)原理的關(guān)系。這種方法與數(shù)字電子技術(shù)原理聯(lián)系不緊密。
[0006]目前高校實(shí)驗(yàn)將一般采用分離元件+實(shí)驗(yàn)箱+EDA+FPGA試驗(yàn)箱的聯(lián)合方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用74系列分離元件幫助學(xué)生理解數(shù)電原理。
[0007]現(xiàn)有這種方式存在幾方面不足:(I)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)沒有達(dá)到將分離元件與FPGA、數(shù)電理論與EDA開發(fā)技術(shù)相結(jié)合的效果。目前數(shù)字電路課本編排都是按照數(shù)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(shù)連貫的方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也沒有讓二者統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)際中學(xué)生沒有學(xué)會(huì)利用數(shù)字電子技術(shù)原理開發(fā)FPGA的這一目的，同時(shí)也沒有建立正確的數(shù)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(chǎn)、購買變得越來越困難、價(jià)格越來越高，學(xué)校教學(xué)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(fù)，只能做丟棄處理。(4)為了達(dá)到數(shù)電的功能設(shè)計(jì)要求，需要購買74系列多種元器件。由于購買數(shù)量分配、使用損毀或者實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象。芯片之間功能不能調(diào)換。(5)不管分離元件實(shí)驗(yàn)箱方式還是EDA試驗(yàn)箱方式學(xué)生只能利用課堂的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于缺少實(shí)踐的硬件，無法課外進(jìn)行數(shù)電學(xué)習(xí)。(6) EDA實(shí)驗(yàn)箱過于復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的學(xué)時(shí)超出了數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)安排。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種結(jié)構(gòu)合理、使用方便，特別適用于教學(xué)科研的數(shù)字電路多功能芯片模擬器及其使用方法。本發(fā)明最大特點(diǎn)是讓學(xué)生自己用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)74系列分離芯片，然后將設(shè)計(jì)好的芯片模擬器在分離元件實(shí)驗(yàn)箱搭建小型數(shù)字系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)了一種將EDA技術(shù)和數(shù)電原理、分離元件和FPGA相互結(jié)合的方法。這種方法優(yōu)點(diǎn)是不改變數(shù)電當(dāng)前的教學(xué)流程，只是在EDA教學(xué)和分離元件實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)環(huán)節(jié)插入一個(gè)對芯片模擬器如何使用的教學(xué)環(huán)節(jié)即可。
[0009]本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到:
一種數(shù)字電路多功能芯片模擬器，其特征在于設(shè)有EPM3032、LED顯示電路、時(shí)鐘電路、下載調(diào)試電路、微動(dòng)撥碼電路、引腳選通接地電路，其中EPM3032分別與LED顯示電路、時(shí)鐘電路、下載調(diào)試電路、微動(dòng)撥碼電路、引腳選通接地電路相連接，微動(dòng)撥碼電路與引腳選通接地電路相連接。
[0010]本發(fā)明所述微動(dòng)撥碼電路用于切換芯片功能(要在斷電時(shí)切換)。
[0011]本發(fā)明只需要在EDA教學(xué)環(huán)節(jié)增加對芯片模擬器的編程和開發(fā)、在分離元件連接環(huán)節(jié)使用芯片模擬器進(jìn)行連接，就能將分離元件數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和EDA數(shù)電教學(xué)方式相融合，花費(fèi)的代價(jià)極低。
[0012]本發(fā)明能夠?qū)⒎蛛x元件數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和EDA數(shù)電教學(xué)方式相融合。
[0013]本發(fā)明所述一個(gè)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(fā)明通過限流電阻實(shí)現(xiàn)了 3.3V和5V邏輯電平的兼容。
[0015]本發(fā)明芯片模擬器尺寸為1.8CMX5CM，形狀酷似鑰匙。
[0016]本發(fā)明用AMS1117 3.3V穩(wěn)壓電路與EPM3032芯片相連接，用于提供芯片工作電壓。穩(wěn)壓芯片可以通過跳線設(shè)成接入和不接接入方式。不接入時(shí)穩(wěn)壓電路時(shí)可直接和3.3V的LVTTL邏輯連接，接入穩(wěn)壓電路時(shí)可直接和5V的TTL邏輯連接。
[0017]本發(fā)明所述時(shí)鐘電路為數(shù)字信號源或者時(shí)序邏輯電路提供基準(zhǔn)信號源。
[0018]本發(fā)明所述的下載調(diào)試電路用于下載代碼及調(diào)試。
[0019]本發(fā)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(dāng)前芯片模擬器邏輯功能。
[0020]本發(fā)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(zhuǎn)換，保證實(shí)際中接入對應(yīng)封裝電源時(shí)，保證芯片供電和接地正確。
[0021]本發(fā)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(jìn)行模擬；通過電路板中開關(guān)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(zhuǎn)換芯片功能開關(guān)，通過調(diào)節(jié)二位微動(dòng)開關(guān)組合關(guān)系，使芯片模擬器輕松轉(zhuǎn)換成4種不同的芯片功能，并且上面有2個(gè)LED功能指示燈，利用LED燈的亮滅組合能夠?qū)崟r(shí)的指示當(dāng)前邏輯功能；此外芯片模擬器能夠做為數(shù)字信號源使用，能夠?qū)?shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱的檢修作為輔助工具，也能夠作為激勵(lì)源構(gòu)建邏輯大規(guī)模數(shù)字電路；
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，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(dòng)開關(guān)等實(shí)現(xiàn)了芯片模擬器；價(jià)格便宜，就需10元左右即可制作出一個(gè)能模擬多款芯片的設(shè)備，將教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)裝置、實(shí)訓(xùn)設(shè)備多方面的功能合為一體，不僅節(jié)約成本節(jié)約空間，設(shè)備操作性強(qiáng)；而且方便攜帶，學(xué)生只需一臺電腦即可課后自主做實(shí)驗(yàn)，具有直觀性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、體積小等顯著的優(yōu)點(diǎn)。
[0022]本發(fā)明還提出了一種數(shù)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(xué)生根據(jù)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(xiàn)成的PCB讓學(xué)生進(jìn)行焊接和調(diào)試；
步驟2:調(diào)試完成后，將FPGA仿真器與芯片模擬模擬器進(jìn)行連接；
步驟3:利用計(jì)算機(jī)USB 口或者外部電源對芯片模擬器供電；
步驟4:參考實(shí)驗(yàn)案例程序模板，利用74系列真值表設(shè)計(jì)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(jìn)行管腳分配；其中學(xué)生可以設(shè)計(jì)多種不同74系列芯片，然后通過對圖6的電阻短接構(gòu)建對應(yīng)的DIP封裝，同時(shí)可以通過撥碼開關(guān)選擇對應(yīng)的邏輯功能；
步驟5:根據(jù)芯片模擬器管腳對設(shè)計(jì)的邏輯進(jìn)行仿真、編譯、下載等教學(xué)，燒寫入芯片模擬器中。
[0023]本發(fā)明在分離元件實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，首先根據(jù)74系列芯片真