《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

鄭兆兆，高 靜

(燕山大學(xué) a. 電氣工程學(xué)院;b. 招生工作處，河北 秦皇島 066004)

《數(shù)字電子技術(shù)》是電氣信息類學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，在實(shí)驗(yàn)安排上，除2 學(xué)時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，其他10 學(xué)時(shí)均為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，自行設(shè)計(jì)、連線與調(diào)試電路達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。由于學(xué)生理論知識(shí)掌握不好，動(dòng)手能力差，接觸工程實(shí)踐少等原因，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展中，普遍存在著“設(shè)計(jì)照抄課本、理論知識(shí)與工程實(shí)踐脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)成功率低、興趣及主動(dòng)性下降”的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)的根本目的是培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用理論能力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，歸根到底是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)一方面可以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識(shí)，另一方面可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力及解決工程問(wèn)題的能力。因此，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)重要性的認(rèn)識(shí)，加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的建設(shè)，對(duì)保證這一教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)有力、有序、有效地開(kāi)展，具有極為重要的意義。鑒于此，本文針對(duì)《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探索與研究。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)的《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)，主要是結(jié)合課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證性和綜合性的實(shí)驗(yàn)。它以數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)搭接各種中、小規(guī)模數(shù)字集成電路(MSI、SSI)來(lái)獲得電路的感性知識(shí)［1］。這對(duì)幫助學(xué)生加深理論課內(nèi)容和提高實(shí)際動(dòng)手能力是有效的。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)只能在面包板上進(jìn)行，是一種搭積木式的方式，使復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試十分困難。如果某一過(guò)程存在錯(cuò)誤，查找和修改都十分不方便。同時(shí)由于元器件不斷重復(fù)使用，加上連線的可靠性較差，容易產(chǎn)生接觸不良和元器件、線之間相互干擾而難以調(diào)試等問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)發(fā)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做不完或失敗甚至損壞元器件、儀器設(shè)備的情況［2］。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如出現(xiàn)問(wèn)題，教師要花費(fèi)大量時(shí)間去幫助學(xué)生檢查連線錯(cuò)誤，排除一些技術(shù)上、工藝上的故障。同時(shí)，由于電路的測(cè)試要用到許多專門的儀器，加上受實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和開(kāi)放時(shí)間的限制，如果學(xué)生沒(méi)有完成實(shí)驗(yàn)也無(wú)法利用課后時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行，不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。電子技術(shù)發(fā)展到今天，分立元件門及中小規(guī)模的電路已經(jīng)被大規(guī)模集成電路所取代，此類電路實(shí)驗(yàn)已不能適應(yīng)電子技術(shù)飛速發(fā)展的需要，其重要性會(huì)不斷地降低。

2 新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)以上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，我們探索一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式－軟硬結(jié)合模式。該模式在數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入EDA 技術(shù)，這樣就使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上不受課時(shí)和實(shí)驗(yàn)器材的限制，而且可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，提高實(shí)驗(yàn)效率。

EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)，是在20 世紀(jì)90 年代初計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)等概念的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的［3］。EDA 軟件有很多，Multisim 是其中比較受歡迎的一種，目前各高校在教學(xué)中普遍使用Multisim10.0。Multisim 前身是加拿大IIT 公司推出的大型設(shè)計(jì)工具軟件EWB(Electrical Workbench)，被美國(guó)NI 公司收購(gòu)以后，其性能得到了極大的提升。它不僅提供了電路原理圖輸入和硬件描述語(yǔ)言模型輸入的接口和比較全面的仿真分析功能，同時(shí)還提供了一個(gè)龐大的元、器件模型庫(kù)和一整套虛擬儀表(其中包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、字符發(fā)生器、波特圖繪圖儀、瓦特表等)，可以滿足對(duì)一般的數(shù)字邏輯電路、模擬電路以及數(shù)字－模擬混合電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的需要。Multisim 另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是用戶界面友好、直觀，使用非常方便［4］。

將Multisim 引入數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有如下優(yōu)勢(shì):

1)加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。以往實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)大多是學(xué)生看看指導(dǎo)書，寫一個(gè)預(yù)習(xí)報(bào)告，其目的是讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果仍很茫然。有了Multisim，預(yù)習(xí)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件仿真來(lái)完成。學(xué)生在學(xué)完理論知識(shí)后，再進(jìn)入到計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境中，對(duì)實(shí)驗(yàn)的全部過(guò)程進(jìn)行仿真。其優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)因?yàn)閷W(xué)生的誤操作帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，而且能夠讓學(xué)生完整地操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程。利用仿真軟件的強(qiáng)大功能，使學(xué)生看到仿真結(jié)果及仿真過(guò)程中所出現(xiàn)的種種問(wèn)題，并加以解決，提高分析速度、分析精度和分析廣度。與實(shí)際電路測(cè)試相比，擴(kuò)大了研究范圍，可測(cè)更多的數(shù)據(jù)，提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，使他們掌握了電子電路現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法。

2)建立互動(dòng)。課堂理論教學(xué)內(nèi)容可以與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互融合，形成一種互動(dòng)關(guān)系。在課堂上，講授理論知識(shí)的時(shí)候可以有針對(duì)性地講解一些實(shí)驗(yàn)所涉及的理論、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，安排一些與應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)相關(guān)的習(xí)題或思考題，引導(dǎo)學(xué)生把理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)。另一方面，可以把那些講起來(lái)既費(fèi)事又費(fèi)時(shí)的課堂教學(xué)內(nèi)容放到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行，通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)或EDA 軟件仿真，學(xué)生可以直接觀察到課堂上或習(xí)題中可能被忽略的現(xiàn)象，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，積累一些實(shí)用性的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

3 用Multisim 模擬數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)［4］

為了利用Multisim 做好數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，通常是在Multisim 軟件中先模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，仿真正確后再到數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)上進(jìn)行連線操作，這樣就需要找出Multisim 與數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(燕山大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)中心所用的數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)是由清華科教儀器廠提供的SXJ－3C 型學(xué)習(xí)機(jī))。

3.1 電平開(kāi)關(guān)(撥碼開(kāi)關(guān))的對(duì)應(yīng)

在數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)中，電平(撥碼開(kāi)關(guān))是提供0、1 輸入的設(shè)備。在Multisim 中的模擬見(jiàn)圖1所示，節(jié)點(diǎn)A 相當(dāng)于數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)的電平輸入端。此電路常態(tài)時(shí)輸出為高電平，開(kāi)關(guān)閉合節(jié)點(diǎn)A輸出為低電平。R 的范圍1 kΩ ～100 kΩ，一般取R=10 kΩ。

圖1 電平開(kāi)關(guān)模擬

3.2 電平顯示(LED 顯示)的對(duì)應(yīng)

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)具有類似于普通二極管的伏安特性，工作電流一般在10 mA 左右，導(dǎo)通結(jié)壓降比普通二極管高，約為1 V ～1.4 V。從伏安特性上可以看出，LED 屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件，通常采用電壓源串聯(lián)電阻的方法代替電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。在數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)中電平顯示電路是預(yù)留陽(yáng)極的LED 發(fā)光管，即輸出高電平時(shí)LED 亮，低電平時(shí)LED 不亮。在Multisim中模擬數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)的電平顯示如圖2 所示，節(jié)點(diǎn)B 相當(dāng)于電平顯示輸出端。電路中限流電阻R的大小決定著LED 的工作電流IF，R ≈(Vcc－1 V)/IF。這里R1=510 Ω，輸入阻抗R2=100 kΩ。

3.3 單脈沖源及固定頻率脈沖源的對(duì)應(yīng)

在數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)中提供了時(shí)序邏輯電路的輸入信號(hào)脈沖源，可提供一系列頻率信號(hào)的輸入。在Multisim 10 中可用儀器工具欄中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)。

3.4 數(shù)碼顯示電路及電阻元件的對(duì)應(yīng)

在數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)中有二位BCD 七段譯碼顯示和二位共陽(yáng)七段LED 數(shù)碼管用于輸出顯示。在Multisim 10 中有現(xiàn)成的數(shù)碼管與之對(duì)應(yīng)。另外在數(shù)字學(xué)習(xí)機(jī)中還有一個(gè)元件庫(kù)，里面有一系列電阻及電位器，在Multisim 10 中有相應(yīng)的電阻及電阻器與之對(duì)應(yīng)。

3.5 電源的對(duì)應(yīng)

在數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)中有+5 V 接地線輸入，在Multisim 10 中用VCC+5V 及GROUND 模擬即可。

4 應(yīng)用舉例

前面已經(jīng)介紹了如何用Multisim 模擬數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)，再加上各類集成芯片就可以在Multisim 軟件中模擬數(shù)字實(shí)驗(yàn)了。在數(shù)字實(shí)驗(yàn)室中所有芯片都是TTL 系列的，所以在Multisim 中選用TTL 元件庫(kù)中74LS 系列的芯片來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)。

4.1 TTL 與非門74LS10 邏輯功能測(cè)試

在Multisim 中按圖3 連線。74LS10 的輸入端是三個(gè)電平開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸出是LED 顯示信號(hào)。前面已經(jīng)介紹了在Multisim 中如何模擬電平開(kāi)關(guān)信號(hào)和LED 顯示，這里不再重復(fù)。連接好電路圖，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，可以看到，輸入的三個(gè)信號(hào)變化，輸出LED 亮滅情況與7410 的功能表一致。

4.2 下降沿J－K 觸發(fā)器74LS112 邏輯功能測(cè)試

在Multisim 中按圖4 連線。74LS112 的J、K輸入端是兩個(gè)電平開(kāi)關(guān)信號(hào)，脈沖clk 由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模擬，輸出Q 端接到LED 上。連好線后打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，可以看到，J，K 均為0 時(shí)，無(wú)論脈沖的上升沿還是下降沿，LED 的狀態(tài)不變;J為1，K 為0 時(shí)，下降沿時(shí)LED 亮;J 為0，K 為1 時(shí)，下降沿時(shí)刻LED 滅;J 為1，K 為1 時(shí)，下降沿時(shí)刻LED 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與所學(xué)理論知識(shí)吻合。

圖3 TTL 與非門7410 邏輯功能測(cè)試仿真電路

圖4 74LS112 邏輯功能測(cè)試電路

5 結(jié)束語(yǔ)

利用EDA 技術(shù)進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，Multisim 軟件與數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī)相互配合使用，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不足，使學(xué)生掌握用軟件輔助硬件實(shí)驗(yàn)，以實(shí)踐驗(yàn)證理論。形成“理論教學(xué)－計(jì)算機(jī)仿真－實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”的教學(xué)模式。這種軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以給學(xué)生提供一個(gè)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)平臺(tái)，不僅符合電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而且有助于實(shí)施素質(zhì)教育。

［1］劉銀萍，陳惠珊. 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討［J］. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25(8):981－983.

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