多手段虛擬仿真輔助數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張

（燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

多手段虛擬仿真輔助數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

分析和總結(jié)當(dāng)前數(shù)字電子技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)授課現(xiàn)狀，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)授課方法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，提出“學(xué)理論-做仿真-做實(shí)驗(yàn)”的新型實(shí)驗(yàn)授課模式，引入Multisim、Proteus等電類(lèi)學(xué)生常用的仿真軟件，補(bǔ)充課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐證明，該方法有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

仿真軟件；電類(lèi)專(zhuān)業(yè)；數(shù)字電子技術(shù)；課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

一、數(shù)字電子課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

《數(shù)字電子技術(shù)》課程是電氣、信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)重要學(xué)科技術(shù)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，抓好該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、綜合測(cè)試等工程能力具有十分重要的意義，最近幾年很多高校都在開(kāi)展對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。加強(qiáng)數(shù)字電子技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，是理工科大學(xué)生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容比較抽象，課時(shí)安排比較緊湊，學(xué)生普遍感覺(jué)到知識(shí)抽象、難于理解器件的邏輯功能、較難掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何應(yīng)用，如何利用所學(xué)器件設(shè)計(jì)實(shí)用電路時(shí)顯得不知所措。以燕山大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)中心為例，數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)電氣工程學(xué)院和信息工程學(xué)院48個(gè)本科班的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。根據(jù)目前的教學(xué)大綱安排，學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)是已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的電路原理和與數(shù)字電子技術(shù)正在同步學(xué)習(xí)的模擬電子技術(shù)，可以說(shuō)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)還是相對(duì)薄弱的。

大部分學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路知識(shí)只是停留在知識(shí)的堆砌，而沒(méi)有將應(yīng)用作為重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。

另外，考慮到電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)日趨成熟，學(xué)生掌握EDA技術(shù)已成為時(shí)代發(fā)展的要求。為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性，解決數(shù)字電路教學(xué)中存在的問(wèn)題，在數(shù)字電路教學(xué)中可適度利用Multisim、Proteus等電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化仿真軟件設(shè)計(jì)仿真電路來(lái)演示器件的功能。實(shí)踐證明，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)踐課程教學(xué)方式相結(jié)合有助于提高學(xué)生數(shù)字電路知識(shí)運(yùn)用的綜合能力和專(zhuān)業(yè)素質(zhì)。

仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)必要的有益補(bǔ)充，使得實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上得到有效的延伸，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力意義重大。

二、以具體問(wèn)題說(shuō)明常規(guī)思路

學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中需要比較多掌握的是組合邏輯電路的設(shè)計(jì)，這也是數(shù)字電子電路中的一個(gè)非常重要的知識(shí)點(diǎn)和考察點(diǎn)。組合邏輯電路的基本構(gòu)成單元是門(mén)電路，與時(shí)序邏輯電路不同，組合邏輯電路無(wú)記憶功能，輸出信號(hào)僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)。組合邏輯電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的實(shí)際問(wèn)題，用邏輯函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)其邏輯功能。常用的中規(guī)模組合邏輯電路有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器等。

下面以數(shù)字電子技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)題目來(lái)具體說(shuō)明。電力變壓器運(yùn)行控制電路的設(shè)計(jì)，具體要求如下：某工廠有三個(gè)車(chē)間各需電力供電10kVA，由A、B兩臺(tái)分別為10kVA、20kVA的變壓器供電。試設(shè)計(jì)一個(gè)能夠合理供電的自動(dòng)控制電路。設(shè)計(jì)要求：一個(gè)車(chē)間工作時(shí)由變壓器A供電，兩個(gè)車(chē)間供電時(shí)由變壓器B供電，三個(gè)車(chē)間同時(shí)工作時(shí)由兩臺(tái)變壓器同時(shí)供電。（提示：輸入為三個(gè)控制開(kāi)關(guān)A、B、C，用于控制三個(gè)車(chē)間的工作狀態(tài)，輸出為兩臺(tái)變壓器控制信號(hào)Y1和Y2，用于控制變壓器的工作狀態(tài)）

作者簡(jiǎn)介：張

（1982-），女，遼寧籍，實(shí)驗(yàn)師，碩士，燕山大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)中心副主任，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)。

做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的常規(guī)思路應(yīng)該是列出真值表；由真值表寫(xiě)出函數(shù)最小項(xiàng)表達(dá)式并進(jìn)行化簡(jiǎn)，采用相應(yīng)的元器件進(jìn)行布線(xiàn)。根據(jù)真值表，可以看出使用實(shí)驗(yàn)室已有的74LS138譯碼器芯片和74LS20四輸入與非門(mén)芯片完成電路的設(shè)計(jì)，學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的邏輯框圖來(lái)到實(shí)驗(yàn)室選用芯片在學(xué)習(xí)機(jī)上完成連線(xiàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與預(yù)期設(shè)計(jì)相符。

作為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室已有的芯片型號(hào)就同一個(gè)題目進(jìn)行多種思路的設(shè)計(jì)，針對(duì)這個(gè)具體題目，因?yàn)榭疾斓氖墙M合邏輯電路部分的知識(shí)掌握情況，還可以使用單純的邏輯門(mén)來(lái)搭建電路。同樣，按照題目要求列出真值表，按照真值表列出兩個(gè)輸出Y1和Y2的表達(dá)式：

按照表達(dá)式完成電路連線(xiàn)，需要選擇3片74LS10三輸入與非門(mén)和2片74LS20四輸入與非門(mén)，按照實(shí)驗(yàn)室已有芯片來(lái)看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)連線(xiàn)需要使用5片芯片12個(gè)邏輯門(mén)，這對(duì)于剛剛接觸數(shù)字實(shí)驗(yàn)的本科二年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，無(wú)疑提高了實(shí)驗(yàn)的完成難度。一定比例的同學(xué)是用這種方法設(shè)計(jì)的電路，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中由于問(wèn)題的復(fù)雜性和操作的不熟練，很多同學(xué)不能順利完成實(shí)驗(yàn)，尤其涉及到某一組輸入與輸出驗(yàn)證與預(yù)期不相符需要使用邏輯筆排錯(cuò)的情況，很多學(xué)生因?yàn)槔碚撆c實(shí)際不能完全銜接而無(wú)所適從導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

三、以仿真手段理解復(fù)雜問(wèn)題

目前學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的流程是學(xué)理論-做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生耗費(fèi)很多時(shí)間來(lái)分析和搭建電路，對(duì)于一些學(xué)而不精的學(xué)生來(lái)說(shuō)更是把所有精力都集中在了表達(dá)式的化簡(jiǎn)上，這與這門(mén)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的要求是不相適應(yīng)的。因此，電子實(shí)驗(yàn)中心數(shù)字實(shí)驗(yàn)室突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將仿真軟件的學(xué)習(xí)引入數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)的流程轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)理論-做仿真——做實(shí)驗(yàn)。

選取電類(lèi)學(xué)生在今后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中常用的Pspice、Multisim、Proteus三種軟件分專(zhuān)業(yè)、分層次進(jìn)行軟件教學(xué)引導(dǎo)，使得學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前對(duì)所做實(shí)驗(yàn)有模擬的直觀認(rèn)識(shí)，不但有助于完成數(shù)字電子技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)入大三后的專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)及實(shí)踐起到很好的銜接作用。

運(yùn)用Pspice仿真軟件進(jìn)行搭建仿真電路，用單脈沖來(lái)給定題目中要求的輸入信號(hào)，用高低電平來(lái)呈現(xiàn)出真值表中的邏輯關(guān)系。

運(yùn)用Multisim軟件搭建的仿真電路，在元件庫(kù)中用單刀雙閘開(kāi)關(guān)來(lái)給定輸入，用兩個(gè)指示燈的亮滅來(lái)表示邏輯電平的高低（默認(rèn)燈亮代表高電平，燈滅代表低電平）。相對(duì)于Pspice來(lái)說(shuō)，Multisim的仿真結(jié)果比較清晰直觀，學(xué)生只需在仿真過(guò)程中撥動(dòng)八次單刀雙閘開(kāi)關(guān)，即可清晰直觀的驗(yàn)證完真值表是否與預(yù)期設(shè)計(jì)相符。

運(yùn)用Proteus搭建的仿真電路，它的仿真原理和具體操作過(guò)程與Multisim類(lèi)似，不同的是，Proteus的仿真結(jié)果中，不僅可以直觀的顯示題目要求的輸入與輸出的邏輯關(guān)系，在仿真的每一個(gè)狀態(tài)，所使用邏輯門(mén)的所有輸入輸出點(diǎn)都會(huì)有紅色或藍(lán)色標(biāo)識(shí)來(lái)指示邏輯狀態(tài)。對(duì)于初學(xué)數(shù)字電子電路的學(xué)生來(lái)說(shuō)，知曉每一個(gè)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)有助于學(xué)生理解電路邏輯關(guān)系，有助于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中排錯(cuò)，對(duì)邏輯筆的使用起到良好的輔助作用。

這些軟件都是電類(lèi)學(xué)生進(jìn)入專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)以后所需要的必備軟件，針對(duì)不同層次、不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可選擇不同的軟件進(jìn)行課前仿真預(yù)習(xí)，仿真預(yù)習(xí)提高了學(xué)生采用實(shí)際器件做實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)引起誤差因素的分析能力，實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)可為學(xué)生進(jìn)入各種專(zhuān)業(yè)類(lèi)競(jìng)賽選拔打下良好基礎(chǔ)。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

作為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，為了提高學(xué)生的整體實(shí)踐素質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面不斷做出大膽的創(chuàng)新、改革嘗試，在學(xué)科競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)。中心所屬數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室引入仿真軟件已完成院級(jí)教改項(xiàng)目一項(xiàng)，教師指導(dǎo)學(xué)生在全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽中獲得了一個(gè)全國(guó)一等獎(jiǎng)、兩個(gè)全國(guó)二等獎(jiǎng)。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建立，以后學(xué)生可以在網(wǎng)站在線(xiàn)完成課前仿真預(yù)習(xí)，這種方式在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力等方面起著非常重要的作用。

［1］佘新平，余士求，余厚全，等.《數(shù)字電子技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10（5）：67-69.

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［3］王波，張巖，王美玲.“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程的改革［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（9）：121-127.

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Through analyzing and summarizing current teaching situation of experiments on digital electronic technology，this paper improves and reforms its teaching methods and puts forward a new teaching method，which is "theory-simulation-experiment".This teaching method also introduces some frequently-used simulation software，such as Multisim and Proteus，to supplement experiment teaching content.Practices have proven that this teaching method helps cultivate innovation awareness of students and improve their ability to solve practical problem.

simulation software；electrical specialty；digital electronic technology；in-class experiment

2096-000X（2016）16-0123-02

G642

A