工程背景下數(shù)字電路實驗教學(xué)研究

欒慶磊，朱達(dá)榮

（安徽建筑大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

工程背景下數(shù)字電路實驗教學(xué)研究

欒慶磊，朱達(dá)榮

（安徽建筑大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

為了提高數(shù)字電路課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的工程素質(zhì)和實際解決問題的能力，該文提出了引入實際工程項目的教學(xué)方法，利用Multisim12.0軟件進(jìn)行3人裁判電路設(shè)計、計數(shù)器設(shè)計、智力搶答器設(shè)計、555定時器的應(yīng)用設(shè)計等，通過應(yīng)用程序的設(shè)計培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與工程創(chuàng)新意識。實踐表明，學(xué)生在具體工程背景下學(xué)習(xí)數(shù)字電路課程，可以提高對理論知識的理解，開闊視野并掌握先進(jìn)的設(shè)計方法和理念，為以后從事科學(xué)研究和工程實踐打下良好的基礎(chǔ)。

數(shù)字電路實驗；工程背景；電子設(shè)計自動化；Multisim12.0軟件

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗課是信息與計算科學(xué)、電氣工程及其自動化、電子信息工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課。以往的教學(xué)模式以實驗箱為主，在實驗箱上搭建基礎(chǔ)電路，利用示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、萬用表等儀器設(shè)備觀察和測量得到實驗結(jié)果。由此來驗證參數(shù)選擇是否符合要求，電路原理是否正確。以往實驗教學(xué)方法，消耗大量實驗耗材，而且實驗結(jié)果經(jīng)常因為設(shè)備問題或者測量儀器的問題而出現(xiàn)誤差與錯誤，且實驗內(nèi)容僅限于試驗箱所能開設(shè)的實驗項目，不能進(jìn)行個性化實驗和設(shè)計，不能發(fā)揮學(xué)生的潛能。為了克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式的缺陷，通過多年的實踐教學(xué)總結(jié)，擬引入相關(guān)實際工程，結(jié)合教師的科研課題，引導(dǎo)學(xué)生參與進(jìn)來，開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣［1－4］。

因此，我們可以借助EDA工具來進(jìn)行無紙化、個性化的實驗設(shè)計。Mulitisim12.0版本軟件提供了大量虛擬電子電路元器件和功能強大的芯片以及各類虛擬儀表，學(xué)生只要有電腦就可以隨時隨地在該軟件中搭建電子電路，利用虛擬儀表來觀察、測量和分析實驗結(jié)果，從而使得實驗更加靈活、減少了耗材的損耗和設(shè)備的損壞。

1 Multisim12.0軟件介紹

Multisim12.0是一個集原理電路設(shè)計和電路功能測試為一體的虛擬仿真軟件。該軟件中的元器件庫提供了數(shù)千種電路元器件供實驗選用，其中包含了數(shù)字器件（74系列、CMOS系列、PLD、CPLD等）。虛擬測試儀器儀表種類齊全，不僅有通用儀器，如數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、直流電源。而且還有專用儀器，如波特圖儀、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、頻譜分析儀等。它具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路。利用Multisim12.0軟件可以實現(xiàn)計算機仿真設(shè)計與虛擬實驗，使設(shè)計與實驗可以同步進(jìn)行，修改調(diào)試方便，節(jié)約實驗成本，速度快、效率高。學(xué)生可以隨時進(jìn)行實驗設(shè)計和測試，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，達(dá)到較好的實驗效果。學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)的知識，結(jié)合老師的要求來完成相關(guān)工程項目，提高學(xué)生獨立思考能力和工程素養(yǎng)。

2 工程背景下的仿真項目舉例

目前的教學(xué)中，學(xué)生的理論知識和實踐能力出現(xiàn)脫節(jié)，為了在教學(xué)中讓學(xué)生學(xué)以致用，理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生的獨立思考能力、設(shè)計能力、實踐能力，我們在教學(xué)中設(shè)計部分項目，讓學(xué)生跟隨教師一起完成設(shè)計，提高了學(xué)生的興趣，鍛煉了學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度［5］。數(shù)字電路根據(jù)邏輯功能的不同分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。

2.1 利用Multisim12.0軟件設(shè)計組合邏輯電路

組合邏輯電路是數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)的重要內(nèi)容，是學(xué)習(xí)時序邏輯電路的基礎(chǔ)，學(xué)好組合邏輯對提高學(xué)生分析和設(shè)計數(shù)字電路的能力至關(guān)重要［6］。

以下以設(shè)計一個“3人裁判電路”為例，要求3個裁判，2人及以上同意，則結(jié)果為“通過”，用一個指示燈“亮”表示。否則為“不通過”，指示燈“滅”表示。假設(shè)3個裁判每人手中一個控制開關(guān)，命名為A，B，C。同意用邏輯值“1”表示，不同意用邏輯值“0”表示。表決結(jié)果用函數(shù)Y來表示，“通過”令Y＝1，“不通過”令Y＝0表示。首先打開仿真軟件Multisim12.0，從右側(cè)儀器儀表欄中選擇“邏輯變換器”，拖放到當(dāng)前窗口中，雙擊“邏輯變換器”，打開面板，選擇輸入變量A，B，C，真值表自動出現(xiàn)A，B，C共3個變量的8種組合狀態(tài)，從000－111，右邊代表邏輯函數(shù)輸出值均為“？”。根據(jù)“3人裁判電路”邏輯功能要求，修改輸出值，分別為00010111，如圖1所示。然后點擊“從真值表到最簡表達(dá)式”按鈕，邏輯變換器底部得到對應(yīng)的最簡表達(dá)式為AC＋AB＋BC。再點擊“從表達(dá)式到電路圖”按鈕，即可得到“3人裁判電路”的邏輯圖，如圖1所示。

圖1 3人裁判電路真值表和電路原理圖

利用層次電路圖將以上邏輯電路進(jìn)行簡化，將“3人裁判電路”設(shè)計成一個子電路圖，首先啟動“繪制”菜單中的“HB／SC連接器”命令，取出4個輸入輸出端口IO1－IO4，分別與“3人裁判電路”輸入和輸出口連接。然后選擇已經(jīng)設(shè)計好3人裁判電路的邏輯圖，啟動“繪制”命令中的“用層次塊替換”命令，在彈出的對話框中輸入字母Y，點擊確定按鈕，就可以得到“3人裁判電路”的子電路圖。最后增加輸入控制按鈕和輸出指示燈，就得到一個簡化后的“3人裁判電路”電路圖。如圖2所示，電路顯示狀態(tài)表示為A和B兩個裁判同意，則結(jié)果為“通過”，輸出指示燈為“亮”。

圖2 簡化后的3人裁判電路圖

以上實例說明，利用Multisim12.0仿真軟件可以完成組合邏輯電路的設(shè)計和分析，同時啟發(fā)學(xué)生利用現(xiàn)有的集成電路芯片和外圍器件來設(shè)計3人裁判電路。如以上電路可以通過74LS138譯碼器來完成其邏輯功能。如圖3所示，是利用74LS138D譯碼器設(shè)計的3人裁判電路，其功能如下：實現(xiàn)2人以上同意表示通過，點亮紅燈的同時，顯示同意的人數(shù)，1人或者沒有人同意的時候紅燈不亮，同時數(shù)碼管顯示為0。以下是仿真結(jié)果：J4，J5同時按下，則數(shù)碼管顯示有2人同意通過，同時指示燈點亮，代表多數(shù)同意通過；如果只有一個按鈕按下數(shù)碼管顯示為0，同時指示燈不亮，代表不通過。

圖3 74LS138譯碼器設(shè)計的3人裁判電路圖

2.2 利用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，設(shè)計60進(jìn)制計數(shù)器項目

555定時器能很方便地接成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器［7］。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖4所示，圖4中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度。定時器的觸發(fā)輸入端（TRI）和閥值輸入端（THR）與電容相連；集電極開路輸出端（DIS）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充電、放電，外控電壓輸入端CON如果不需要外界輸入電壓則直接通過一個0.01μF電容旁路接地。RC乘積值決定暫穩(wěn)態(tài)維持時間長短，正脈沖寬度等于T1≈0.7（R1＋R2）C，T2≈0.7R2C。多諧振蕩器周期T＝0.7（R1＋2R2）C，振蕩頻率f＝1／T，占空比Q＝T1／T1＋T2＝（R1＋R2）／（R1＋2R2），若使R2＞＞R1，則Q≈1／2，即輸出信號的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。

本設(shè)計中要求輸出脈沖占空比為3／5，周期為10 ms，電容取10μF，則理論計算值，R2＝2R1， R1＝289Ω，實際取287Ω，R2理論取值578Ω，實際取576Ω，則實際周期為10.795 ms，通過示波器觀察，時間軸T2－T1的值為10.795 ms，占空比約為3／5，符合設(shè)計要求，如圖4所示。

利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器作為時鐘源，設(shè)計60進(jìn)制計數(shù)器。利用計數(shù)器級聯(lián)可以獲得較大進(jìn)制計數(shù)器，本工程利用兩片74LS160D可以搭建成60進(jìn)制計數(shù)器，如圖5所示，左邊一片74LS160為十位片，右邊一片74LS160為個位片，輸出結(jié)果通過BCD譯碼顯示器觀察，計數(shù)脈沖由555定時器產(chǎn)生，兩片芯片采用異步置零法。個位片計數(shù)從0～9時產(chǎn)生進(jìn)位輸出信號（RCO）作為十位片的計數(shù)脈沖，十位片從0～5計數(shù)。當(dāng)輸入59個脈沖時，通過4輸入與門（U6）點亮進(jìn)位輸出指示燈，當(dāng)?shù)?0個脈沖到來時燈滅，數(shù)碼管顯示為00，同時指示燈熄滅，再來一個脈沖繼續(xù)新一輪計數(shù).通過本工程實例的講解，使學(xué)生對基于Multsim12.0的人機互動的教學(xué)模式產(chǎn)生興趣，針對課堂上講解的理論知識有了直觀的感性認(rèn)識，將死的書本知識變成了活的知識，激發(fā)了學(xué)生的主動參與意識和創(chuàng)新的欲望，起到了良好的教學(xué)效果。根據(jù)本實例，教師可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步做深入設(shè)計，增加定時功能，整點報時功能，可以做成電子鐘或者萬年歷。

圖4 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路圖及仿真圖

圖5 整體置零法設(shè)計60進(jìn)制計數(shù)器

2.3 4人競賽搶答器設(shè)計

應(yīng)用Multisim12.0軟件對4人競賽搶答器進(jìn)行設(shè)計與仿真，加深了學(xué)生對組合邏輯電路和時序邏輯電路理論知識的掌握。4人競賽搶答器電路圖及仿真結(jié)果如圖6所示。主要由時鐘源、按鍵電路、4D觸發(fā)器（74LS175D）、優(yōu)先編碼器（74LS148N）、防止誤搶答電路和顯示電路組成。當(dāng)有選手搶答時，首先鎖存，阻止其他選手搶答，然后編碼，再經(jīng)4線7段譯碼器將數(shù)字顯示在顯示器上。555定時器構(gòu)成多諧振蕩器作為時鐘源；按鍵電路由裁判按鍵J5接高電平＋5 V時（即1），74LS175工作，可以搶答，否則禁止搶答，搶答結(jié)束后由裁判按鍵J5負(fù)責(zé)清除當(dāng)前搶答記錄，其他4個按鍵分配給4個選手；4D觸發(fā)器（74LS175）負(fù)責(zé)將4位選手的按鍵狀態(tài)送到輸出端進(jìn)行鎖存；74LS148N（8－3編碼器）對的狀態(tài)進(jìn)行編碼，送到輸出端A2A1A0；4線7段BCD譯碼器負(fù)責(zé)將A2A1A0的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼后送數(shù)碼管顯示；為了避免搶答錯誤，利用4D觸發(fā)器74LS175的輸出來控制顯示模塊顯示按鍵號。當(dāng)無人搶答時，4個D觸發(fā)器的輸出相與，為“1”時，脈沖能夠進(jìn)入觸發(fā)器，有一人搶答時，與門中有一個變?yōu)椤?”，使脈沖不能進(jìn)入觸發(fā)器，從而防止其他人再搶答。仿真結(jié)果如下：裁判按鍵J5按下，即74LS175D的清零端為1，芯片工作在觸發(fā)狀態(tài)；在按下S1，S2，S3，S4按鍵前，74LS175D的輸出均為“1”，若選手3的按鍵S3按下則74LS175D的輸入端3D＝1，為0，接74LS148N的D3＝0，74LS148N的輸出端A2A1A0＝100，經(jīng)反相器U3A，U4B，U5C反相后變?yōu)?11送入4線7段BCD譯碼器，經(jīng)譯碼后輸出七段碼驅(qū)動數(shù)碼管顯示為3，代表3號選手搶答。此時4輸入與非門U6A的輸出為1，反相后為0，送入2輸入與門U8A，則脈沖不能進(jìn)入到74LS175D，禁止其他選手再搶答。裁判按鍵打開，則數(shù)碼管清零，本次搶答結(jié)束，可以進(jìn)入下一輪搶答。通過本實例教師可以啟發(fā)學(xué)生做深入設(shè)計，增加搶答倒計時電路，揚聲器報警電路等。

圖6 4人競賽搶答器電路圖及仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)過程中，通過引入工程項目，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)工程創(chuàng)新意識。學(xué)生通過學(xué)習(xí)555定時器自己設(shè)計施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等，利用發(fā)光二極管的閃爍模擬霓虹燈效果、跑馬燈、交通燈的效果，學(xué)習(xí)計數(shù)器及相關(guān)知識以及自己設(shè)計電子時鐘或者萬年歷。通過工程實踐教學(xué)方法的實施，為學(xué)生的數(shù)字電路課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)，開拓學(xué)生視野，豐富了他們的想象力。通過課下成立趣味小組，同學(xué)們充分發(fā)揮想象力，自行設(shè)計出許多實用有趣的作品，如電子幸運轉(zhuǎn)盤、病房呼叫系統(tǒng)、醫(yī)院就診叫號系統(tǒng)和節(jié)日彩燈等，通過仿真驗證了電路的正確性，最后設(shè)計成實物作品，供學(xué)生參觀學(xué)習(xí)，同時可以參加大學(xué)生科技創(chuàng)新比賽。因此，將相關(guān)的工程項目引入到課程學(xué)習(xí)中對提高學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力有著重要意義。

［1］段玉生，王艷丹，何麗靜.電工電子技術(shù)與EDA基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］李忠波，袁宏.電子設(shè)計與仿真技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［4］別敦榮.大學(xué)教學(xué)方法創(chuàng)新與提高高等教育質(zhì)量［J］.清華大學(xué)教育研究，2009，30（4）：95－101.

［5］韓桂英，李錫祚.CDIO視野下項目驅(qū)動的數(shù)字電路教學(xué)探索與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（1）：168－170.

［6］曾思明.Multisim10.0在數(shù)字電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（23）：97－99.

［7］魯世斌，范程華，蔣先偉.Multisim 10在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.合肥師范學(xué)院學(xué)報，2010，28（3）：51－53.

Research on Digital Circuits Experiment Teaching Under Engineering Background

LUAN Qinglei，ZHU Darong
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui University of Architecture，Hefei230601，China）

In order to improve the digital circuits teaching quality，and improve the students'engineering quality and ability to solve practical problems，the teaching method with practical projects is put forward.The people voting machine，the counter，the intelligence responder and the555 timer application program are designed by the Multisim12.0 software，cultivate students＇interest and engineering innovation consciousness.The practical results show that under specific engineering background，the method can improve the students’abilities of understanding basic knowledge，widen their sight，grasp the advanced design methods and ideas，and lay a good foundation for the future conduct of scientific research and engineering practice.

digital circuit experiment；engineering background；EDA；Multisim

G642.0

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.044

2015－04－20；修改日期：2016－10－24

電氣工程及其自動化專業(yè)綜合改革試點（2013zy053，2013gxk071，2015xnzx014）。

欒慶磊（1979－），男，碩士，講師，主要從事數(shù)字電路基礎(chǔ)教育研究、數(shù)字圖像處理及機器視覺研究方面的工作。