中學(xué)簡易數(shù)字電路實驗室的架設(shè)與實驗項目的選擇

陳凱

數(shù)字電路是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。雖然在基礎(chǔ)教育階段，一般不要求學(xué)生能獨立地實現(xiàn)從數(shù)字電路的邏輯分析到數(shù)字電路架設(shè)和調(diào)試的整個過程，但在相當多地區(qū)的物理課程和勞動技術(shù)課程中，會涉及數(shù)字電路相關(guān)知識，只是側(cè)重點有所不同。物理課程強調(diào)的是門電路輸入條件和輸出結(jié)果之間的邏輯關(guān)系，勞動技術(shù)課程強調(diào)的是電子裝置制作的整個過程中材料的選取、工具的選用以及集成電路元件的組合應(yīng)用。相對而言，許多地區(qū)信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容中完全不涉及數(shù)字電路，這多少是讓人感覺奇怪的事情。畢竟，數(shù)字邏輯電路是當前任何數(shù)字計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)。筆者試著在信息技術(shù)課程中補充了一些關(guān)于數(shù)字電路，尤其是邏輯門方面的知識，并圍繞信息技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計了一些簡單的數(shù)字電路實驗。本文主要對數(shù)字電路實驗項目的選擇與實驗設(shè)備的架設(shè)做一些簡單的介紹，希望能激發(fā)出更多的討論和教學(xué)探索。

數(shù)字電路實驗項目的選擇

數(shù)字電路的實驗項目可分為教師的演示實驗和學(xué)生的動手實驗。而動手實驗，又可分為使用軟件模擬器虛擬實驗與真實的數(shù)字電路搭建實驗，圍繞信息技術(shù)教學(xué)，可安排實驗的內(nèi)容主要集中在以下幾個地方。

1. 編碼與解碼

集成電路中，有許多種芯片可用于演示編碼或解碼的過程。比如，有用于各種進制間轉(zhuǎn)換的芯片、有用于控制數(shù)碼管顯示的芯片、有用于將時間長度編碼成數(shù)據(jù)的芯片等。最容易架設(shè)和演示的，大概要算是數(shù)據(jù)選擇器芯片，如74LS153，或是數(shù)控模擬開關(guān)芯片，如CD4052。利用這些芯片，教師可以通過輸入不同的二進制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)控制多個電子元件的目標。比如，通過二進制數(shù)據(jù)控制LED的亮和滅，一位二進制數(shù)可選中兩個顯示終端中的某一個，兩位二進制數(shù)則可選中四個顯示終端中的某一個，依此類推，n位二進制數(shù)可選中2的n次方個顯示終端中的某一個，這樣就可以直觀地將二進制編碼的作用顯現(xiàn)出來。

2. 二進制運算

利用簡單的數(shù)字電路，就可以演示或?qū)嵺`用二進制數(shù)進行數(shù)字與邏輯運算的過程。最簡單的邏輯運算，就是只涉及一個邏輯門，如非門、與門、或門、異或門等邏輯門的運算；而最簡單的數(shù)字運算，是利用一個與門和一個異或門實現(xiàn)兩個一位二進制數(shù)的加法。學(xué)生通過實際動手操作，能真切地領(lǐng)會到，何以說在計算機中，數(shù)字運算本質(zhì)上來說都是邏輯運算。

3. 存儲程序思想

講到存儲程序思想時，可以將完全用門電路構(gòu)成的計算機裝置與使用了單片機的計算機裝置兩者進行對比，用來展現(xiàn)可編程的通用計算機與不可編程的專用計算機的區(qū)別。比如，同樣是用四個輸入端和四個輸出端，如果配合異或門，就可搭建出一個簡易的加密裝置。然而，加密過程也被固定下來無法變化，若配合單片機，就可以通過編寫程序改變加密過程。單片機可選擇51系列單片機，也可使用Arduino。

除以上提到的之外，信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容中還有許多概念可借助數(shù)字電路得以直觀地顯現(xiàn)出來，例如，在講到信息傳輸時，可演示不同終端電平信號的發(fā)送和接收；在講到信息數(shù)字化時，可演示采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換；在講到電子計算機的技術(shù)發(fā)展相關(guān)內(nèi)容時，可以用來展現(xiàn)計算機硬件由晶體管到集成電路，再到大規(guī)模集成電路的飛躍，等等。

數(shù)字電路實驗室的架設(shè)

那么，應(yīng)該如何架設(shè)一個數(shù)字電路實驗室？一方面，希望籌備能夠用于信息技術(shù)教學(xué)的演示或?qū)嶒?；另一方面，因為涉及的課時并不多，恐怕沒有必要為此專門準備一個專用的實驗室。如果預(yù)算有限，完全可以利用現(xiàn)有的計算機房，架設(shè)起簡易的數(shù)字電路的演示與動手實驗設(shè)備。具體要求有：實驗設(shè)備和器材使用、檢測和調(diào)試方便，價格便宜、占空間小、可反復(fù)使用、收放容易。

經(jīng)過綜合考慮，最終確定每一組學(xué)生使用器材清單如下：

實驗用面包板一塊及連接線若干，供反復(fù)插線及臨時固定各種電子元件。

面包板電源一個，為面包版供電。

USB轉(zhuǎn)電源連接線一條，可以從計算機的USB口引電源到面包板電源，這樣就不用買電池了。

74LS04芯片一塊，內(nèi)含6個非門。

74LS86芯片一塊，內(nèi)含4個異或門。

74LS10芯片兩塊，內(nèi)含3個與非門。

微動開關(guān)若干，用來手動輸入電平信號。

LED若干，用來輸出邏輯門運算后的結(jié)果。

電阻若干，用來限定LED和微動開關(guān)的電流，延長電子元件使用壽命。

邏輯門芯片的使用非常簡單，一般左上角引腳是電源輸入，右下角引腳是接地，其他引腳一般不是信號輸入，就是信號輸出，參考具體的產(chǎn)品說明書即可。

這些器材在網(wǎng)絡(luò)上都可以輕松購買到，價格非常低，通常只有十幾元、幾元乃至幾角錢。因為很容易在一個與非門后串接一個非門實現(xiàn)與門，所以清單里就沒有列與門。由于一塊集成電路芯片里包含有多個邏輯門，所以雖然芯片數(shù)量不多，但可實施的實驗種類卻很豐富。

數(shù)字電路實驗的實施問題

筆者在課堂上，借助簡單的數(shù)字電路，對二進制編碼與運算作了直觀的演示，效果比較好。但是，相對教師演示實驗而言，更難處理的，是學(xué)生的動手實驗。實驗難點主要有兩點，其一，實際操作比理論學(xué)習要復(fù)雜得多，比如，對陌生實驗器材的使用需要認識和熟悉的過程。對一張電路圖，要能識別其中符號并領(lǐng)會其設(shè)計意圖，對于未如預(yù)期的實驗結(jié)果，需要判別究竟是電路圖的問題，還是器材和線路的問題，等等。其二，將邏輯電路轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉臄?shù)字電路，還需要增加用于輸入和輸出的電子元件，這些額外的工作，可能會使得原定教學(xué)目標有所偏移。

對于第一個問題，解決方法是，在使用真實器材動手實驗之前，先借助計算機軟件進行模擬實驗，比如Logisim，就是一款開源的數(shù)字電路模擬器軟件。不僅可以方便地畫出數(shù)字電路圖，還可以模擬運行并觀察運行結(jié)果。

至于第二個問題，解決方法是，由教師將數(shù)字電路的輸入和輸出部分搭建好，比如，下圖所示的，是用兩個微動開關(guān)來控制邏輯門的兩個輸入，用一個LED來顯示邏輯門的輸出。紅色線條表示電源輸入，黑色線條表示接地，而黃色線條表示信號線。

（圖3：輸入端，微動開關(guān)按鈕按下代表數(shù)字信號1，不按代表數(shù)字信號0。圖4：輸出端，LED亮起代表數(shù)字信號1，不亮代表數(shù)字信號0。）

有了輸入和輸出這兩部分，留給學(xué)生的，是集中精力完成中間的邏輯門的搭建。學(xué)生只要將微動開關(guān)輸入的信號線（即左圖中標為黃色的線）連接到邏輯門芯片的信號輸入引腳，然后將邏輯門芯片的信號輸出引腳連接線路至LED的信號線（即右圖中標為黃色的線），就可以觀察單個邏輯門，或多個邏輯門組合后，輸入信號和輸出信號相互的關(guān)系。

盡管如此，一個比較簡單的驗證性的實驗，比如搭建一個兩輸入一位二進制數(shù)的加法器，即半加器，至少也需要整整一個課時的時間。實際上，圍繞簡單的邏輯門，有著眾多值得挖掘的素材，供學(xué)生在拓展課或研究性學(xué)習中自主探索。

（作者單位：上海位育中學(xué)）