EDA仿真設(shè)計(jì)在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

吳學(xué)軍, 張 靜

(湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

數(shù)字電子技術(shù)是目前發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)之一. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是電子、通信等專業(yè)必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它要求學(xué)生系統(tǒng)地掌握數(shù)字邏輯電路的分析方法、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用能力，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性. 它的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的理論知識(shí)和良好的實(shí)踐能力，為學(xué)生在理論與實(shí)踐應(yīng)用之間架起一座橋梁. 因此，如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為很多教師的研究課題.

1 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)包括理論教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)三個(gè)環(huán)節(jié)，這三個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該相互依托，相互補(bǔ)充，具有一定的層次性. 比如第一環(huán)節(jié)的理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后通過第二環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)一步鞏固，并提高學(xué)生的實(shí)踐能力，這兩環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)也為第三環(huán)節(jié)的課程設(shè)計(jì)作好了充分準(zhǔn)備. 而現(xiàn)在的教學(xué)現(xiàn)狀是理論與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)脫節(jié)，主要表現(xiàn)在理論教學(xué)與課程實(shí)驗(yàn)不能同步開展，實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)滯后，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)被延遲，起不到理論與實(shí)驗(yàn)相互輔助的學(xué)習(xí)效果；在理論教學(xué)上，由于學(xué)時(shí)壓縮，教學(xué)過程中普遍存在“滿堂灌”的教學(xué)方式，教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)字電路的分析方法和設(shè)計(jì)方法，以及一些典型的集成電路的應(yīng)用等，從而致使過多注重了教授內(nèi)容的量，而忽視教學(xué)效果的質(zhì)；并且如果只是一味的采用“灌入式”的教學(xué)方法，學(xué)生必然會(huì)對(duì)理論學(xué)習(xí)感到枯燥、乏味，漸漸失去學(xué)習(xí)興趣[1].

2 在教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

EDA(Electronic Design Automatic)軟件是隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種高級(jí)、快速、有效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，是以計(jì)算機(jī)的硬件和軟件為基本工作平臺(tái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通用軟件包. EDA技術(shù)能夠把實(shí)驗(yàn)中實(shí)踐平臺(tái)形象地引入理論課堂，把實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)有效結(jié)合起來，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)就可以感受到實(shí)驗(yàn)的過程，這樣不僅避免了傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容“滿堂灌”，以及實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)脫節(jié)等帶來的一系列弊端，還有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的順利開展，從而使《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)活動(dòng)的三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)真正地能夠相互依托，共同促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握[2]. 同時(shí)，在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》的理論教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計(jì)，能夠使枯燥的理論知識(shí)變得更加生動(dòng)、形象，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容理解得更深、學(xué)得更活；教師使用 EDA后可以提高自身素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平，不僅對(duì)教學(xué)難點(diǎn)掌握得更清楚、理解得更透徹，而且可以讓教師的講授更加生動(dòng)、更貼近真實(shí)性，使學(xué)生更容易接受；讓學(xué)生在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)中接觸EDA技術(shù)，拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)面，并能為今后更好地掌握現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法打好基礎(chǔ)，也對(duì)學(xué)生在參加電子設(shè)計(jì)競賽、課外科技活動(dòng)有很大的幫助，進(jìn)一步掌握好 EDA方面的技能，對(duì)于學(xué)生的未來發(fā)展以及就業(yè)都會(huì)有很大幫助. 因此，教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計(jì)是必要的.

3 常用EDA仿真設(shè)計(jì)工具

目前在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中比較常用的仿真設(shè)計(jì)工具主要有以下幾種[3]：

1)Protel的高版本Altium Designer，是一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案，可以將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB 設(shè)計(jì)、可編程器件(如 FPGA)設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起，可以同時(shí)進(jìn)行 PCB和FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能.

2)Proteus具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS-232動(dòng)態(tài)仿真. 從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì).

3)Multisim軟件是一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件. 作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境. Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題. 學(xué)生可以很方便地把理論知識(shí)通過計(jì)算機(jī)仿真很形象地理解掌握，并且可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)出屬于自己的儀表. 它包含電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，由于含有豐富的仿真元件庫和仿真儀表庫，因此具有很強(qiáng)的仿真分析能力，高版本還可以進(jìn)行單片機(jī)等MCU的仿真.

綜合比較目前教學(xué)中常用的仿真設(shè)計(jì)軟件，Multisim軟件的性能比較突出，無論從仿真元件庫中元件的數(shù)量上，還是虛擬設(shè)備的種類以及虛擬分析的種類上都比較豐富，尤其是電路故障的隱蔽設(shè)置，更為教學(xué)提供了極大的方便，而成為電子電路教學(xué)的首選軟件工具.

4 EDA仿真設(shè)計(jì)在教學(xué)中的應(yīng)用

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》內(nèi)容主要分為三大塊：組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、波形產(chǎn)生與變換. 教學(xué)時(shí)可根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過程中安排 EDA仿真電路輔助教學(xué)，可使理論知識(shí)形象、生動(dòng)、直觀. 教師通過講解其典型的集成電路芯片的功能和應(yīng)用時(shí)，一邊講理論，一邊利用仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)例演示，可以加深學(xué)生對(duì)該器件及應(yīng)用的理解.

下面通過一個(gè)簡單應(yīng)用來介紹 Multisim 仿真設(shè)計(jì)在組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、波形產(chǎn)生與變換等環(huán)節(jié)教學(xué)中的應(yīng)用.

圖1顯示了一個(gè)簡易的家用防盜系統(tǒng)[4]，它由數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成. 數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器屬于組合邏輯電路，計(jì)數(shù)器屬于時(shí)序邏輯電路，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器屬于波形產(chǎn)生電路.

簡單的家用防盜系統(tǒng)的工作原理可以分為三個(gè)部分講解.

首先是組合邏輯電路部分，它由8線---1線數(shù)據(jù)選擇器74LS151和1線---8線數(shù)據(jù)分配器74LS138連接構(gòu)成. 74151和74138作用正好相反，74151集成電路是根據(jù)控制輸入端ABC的二進(jìn)制數(shù)決定8個(gè)輸入端中的1個(gè)送到輸出端，74138集成電路是根據(jù)控制輸入端ABC的二進(jìn)制數(shù)決定輸入端中的數(shù)據(jù)分別送到8個(gè)不同的輸出端. 74151的8個(gè)輸入端接收傳感器開關(guān)的信號(hào)，74138的8個(gè)輸入端連接LED分別指示8個(gè)開關(guān)的信息. 所以74151相當(dāng)于一個(gè)并行-串行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換器；相應(yīng)的，74138相當(dāng)于一個(gè)串行-并行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換器. 電路設(shè)計(jì)仿真如圖2(a)和(b)所示，用開關(guān)ABCDEFGH表示門和窗戶等位置的感應(yīng)開關(guān)，用LED二極管表示對(duì)應(yīng)開關(guān)信息. 如在仿真圖中只有開關(guān)B和E是斷開的，說明B和E處有人闖入，在顯示器上LED2和LED5閃爍，即哪個(gè)開關(guān)斷開，對(duì)應(yīng)的LED就閃爍指示相應(yīng)信息.

圖1 簡易家用防盜系統(tǒng)原理

圖2 簡單家用防盜系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)仿真圖

接著是時(shí)序邏輯電路部分，它是通過一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器就能實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成一個(gè)模為8的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器. 可以在講解任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法時(shí)，通過典型的集成計(jì)數(shù)器電路如74161(或74160)實(shí)現(xiàn)(如圖3所示).

圖3 計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)仿真圖

圖4 定時(shí)器設(shè)計(jì)向?qū)?/p>

第三部分是波形產(chǎn)生電路，這里主要是產(chǎn)生計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào). 在教材的講解中主要是555定時(shí)器的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，在Multisim軟件中可以啟動(dòng)555 Timer Wizard，打開定時(shí)器設(shè)計(jì)向?qū)5](如圖4所示). 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)可以選用多諧振蕩器，即無穩(wěn)態(tài)工作方式Astable Operation，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可以設(shè)置參數(shù). 參數(shù)設(shè)置好后點(diǎn)擊建立電路，就能自動(dòng)生成需要的電路如圖5所示. 將輸出連接一個(gè)虛擬示波器，即可觀察輸出波形是否正確，示波器顯示結(jié)果如圖6所示.

圖5 定時(shí)器電路設(shè)計(jì)仿真圖

圖6 虛擬示波器顯示輸出波形圖

教師在講解時(shí)，學(xué)生只能憑空想象：8路輸出信號(hào)是如何對(duì)應(yīng)的指示8路輸入信號(hào)呢？如何控制同步？這些問題使學(xué)生感到學(xué)習(xí)很抽象，對(duì)電路的理解應(yīng)用更加大了難度. 因此通過EDA技術(shù)同步演示電路的仿真設(shè)計(jì)，在仿真設(shè)計(jì)過程中修改電路的參數(shù)或連接線，可以直觀地觀察電路的工作狀況，使學(xué)生更容易理解各種集成電路器件的功能及應(yīng)用，比如在上述簡易家庭防盜系統(tǒng)電路中，通過開關(guān)和 LED指示燈顯示理解74151和74138的功能，74151和74138的同步是通過計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)控制的；通過演示仿真設(shè)計(jì)還能教會(huì)學(xué)生電路的設(shè)計(jì)方法，比如如何用555定時(shí)器設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào). 實(shí)踐表明，在課堂上增加EDA仿真設(shè)計(jì)演示，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生求知的欲望，使學(xué)生更好地掌握該課程知識(shí).

5 結(jié)語

在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)中應(yīng)用 EDA仿真設(shè)計(jì)工具進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與仿真，使抽象的理論變得形象，使復(fù)雜的電路變得實(shí)際，使難以理解的工作原理分析變得生動(dòng)形象，讓學(xué)生在課堂上感受到理論與實(shí)踐結(jié)合的有益效果. 總之，EDA仿真設(shè)計(jì)方法在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中應(yīng)用能夠有助于增加課堂趣味性，提高理論教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，同時(shí)也有助于提升教師自身的教學(xué)水平，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量.

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