問題探究式教學(xué)模式在電路仿真中的應(yīng)用

陳志勇

摘要：本文基于Proteus ISIS工具仿真搶答器電路時(shí)出現(xiàn)的功能異?，F(xiàn)象，采用探究式教學(xué)模式啟發(fā)學(xué)生分析問題并解決問題，達(dá)到知識傳授和能力培養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：探究式教學(xué)模式；Proteus ISIS；搶答器；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）44-0056-02

一、引言

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作相關(guān)課程中利用Proteus ISIS進(jìn)行仿真、分析各種模擬器件和集成電路已經(jīng)成為教學(xué)過程中的必要環(huán)節(jié)，但部分器件模型功能還不夠真實(shí)合理，如在本文中介紹的搶答器電路使用的編碼器74LS148[1]模型的功能就存在一些問題。針對這樣的問題在教學(xué)過程中采用探究式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生思考問題，利用已學(xué)的知識分析問題本質(zhì)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性提出解決問題的辦法，提高學(xué)生解決問題的能力，在實(shí)際教學(xué)中具有一定的意義。

二、發(fā)現(xiàn)問題

按照教材要求：設(shè)計(jì)一個智力競賽搶答器，可同時(shí)供8名選手參加比賽，各用一個搶答按鈕。主持人有一個控制開關(guān)，用于控制系統(tǒng)的清零（編碼顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能，搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在數(shù)碼管上顯示選手的編號。在有選手搶答后，要封鎖住輸入電路，禁止其他選手搶答，搶答成功的選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。用優(yōu)先編碼器74LS148，RS鎖存器74LS279來完成辨別選手鎖存編號，在有選手搶答后封鎖住輸入電路禁止其他選手搶答的功能。圖1為參考教材的仿真原理圖[2]。

仿真過程中發(fā)現(xiàn)兩個異?，F(xiàn)象：第一個問題現(xiàn)象是，74LS148的1—7數(shù)據(jù)輸入端對應(yīng)的按鍵使輸入端為“0”（下文如沒有特殊說明，“0”指低電平，“1”指高電平）后，能控制數(shù)碼管顯示對應(yīng)的數(shù)字，GS變?yōu)椤?”，由于4R為“1”，4S為“0”，所以4Q輸出“1”，使得74LS148的EI輸入“1”，封鎖其他端口的輸入。仿真主持人的重啟動作，將SW2右側(cè)閉合再向左側(cè)閉合完成了一個重啟動作，但隨后出現(xiàn)了如圖2所示的現(xiàn)象：GS、4S、4Q、EI出現(xiàn)了狀態(tài)不確定（非“0”，非“1”），導(dǎo)致?lián)尨鹌鞯谝淮握９ぷ骱鬅o法實(shí)現(xiàn)重啟功能，無法再次正常工作；第二個問題現(xiàn)象是，開關(guān)SW1左側(cè)閉合時(shí)，74LS148的第0數(shù)據(jù)輸入端輸入“0”，此時(shí)輸入有效輸出標(biāo)志位GS本該變?yōu)椤?”，但此時(shí)GS為“1”，其余的第1—7數(shù)據(jù)輸入端輸入為“0”時(shí)均能引起GS正常變?yōu)椤?”。

三、探究問題

為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？教材上的案例是錯的？采用這些問題作為切入點(diǎn)，刺激學(xué)生的好奇心和探究熱情。對于第一個現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生回顧能夠引起不穩(wěn)定狀態(tài)的原因：在數(shù)字電路中競爭—冒險(xiǎn)現(xiàn)象有可能引起電路不穩(wěn)定，對于本電路中的RS鎖存器，當(dāng)R、S同時(shí)為“0”時(shí)也能引起輸出Q的不確定。引導(dǎo)學(xué)生去復(fù)習(xí)競爭—冒險(xiǎn)的概念和RS鎖存器的功能，討論后學(xué)生得出R、S同時(shí)為“0”引起狀態(tài)不穩(wěn)定的可能性更大。基于此分析，仿真后發(fā)現(xiàn)若將SW2右側(cè)閉合時(shí)，4R為“0”，4S為“1”，4Q輸出“0”，但74LS148輸入端EI從“1”變?yōu)椤?”時(shí)GS輸出端變?yōu)榉钦！?”，由于變化時(shí)間很短使得4R和4S同時(shí)為“0”，從而引起4Q輸出不確定的狀態(tài)，導(dǎo)致EI和GS的電平狀態(tài)都不確定（可以通過仿真的狀態(tài)觀察到這種現(xiàn)象）最終導(dǎo)致?lián)尨鹌鳠o法實(shí)現(xiàn)重啟功能。通過反復(fù)驗(yàn)證，得出第一個現(xiàn)象的本質(zhì)是由于74LS148仿真模型在EI從“1”變?yōu)椤?”時(shí)GS輸出端變?yōu)榉钦！?”引起的。第二個現(xiàn)象基于74LS148的功能分析明顯是由于仿真模型的問題造成的，比較簡明。

四、改進(jìn)電路及仿真

分析清楚原因后，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識去解決74L148仿真模型問題，由于暫時(shí)沒有辦法得到模型源代碼，無法完善仿真模型，只能根據(jù)問題現(xiàn)象增加冗余電路來解決問題。針對第一個現(xiàn)象的關(guān)鍵在隔離EI從“1”變?yōu)椤?”時(shí)GS輸出端變?yōu)榉钦！?”信號。經(jīng)過仿真儀表測量，發(fā)現(xiàn)74LS279的仿真模型輸入端設(shè)置了內(nèi)部上拉高電平，GS狀態(tài)不確定時(shí)為2V左右的電平信號，因此采用了在74LS148的GS輸出端和RS鎖存器74LS279的4S輸入端串接1個電容C1，如圖3所示。根據(jù)電容器隔直通交的特性可將GS輸出2V左右的電平信號與4S隔離，而74LS279的仿真模型輸入端設(shè)置了內(nèi)部上拉高電平，因此可以使4S狀態(tài)確定為“1”，這種不確定狀態(tài)在加了電容后得到有效隔離；而當(dāng)GS信號真正生效，即GS由“1”跳變?yōu)椤?”時(shí)，4S端出現(xiàn)有效的“0”信號，但是電容的選擇很重要，經(jīng)過測試應(yīng)該選擇1nF電容。最后經(jīng)過測量，在GS和4S間再串連一個反向器如圖4所示，使得工作更穩(wěn)定。針對第二個現(xiàn)象可以將74LS148的0輸入端和74LS279的4S連接，最終改進(jìn)的仿真圖如圖5所示。改進(jìn)后測試搶答器仿真電路，其工作正常穩(wěn)定。

五、結(jié)語

在ISIS仿真中采用探究式教學(xué)模式，以問題為導(dǎo)向——仿真模型錯誤；注重學(xué)生的前認(rèn)識—競爭—冒險(xiǎn)，RS鎖存器功能；以問題解決為中心——使用仿真測量工具，利用電容通直隔交的特性切斷不穩(wěn)定狀態(tài)的傳遞路徑，并對改進(jìn)后的電路加以驗(yàn)證。本文通過教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的仿真模型問題探究了如何在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)探究式教學(xué)，在教學(xué)過程中以教為輔，以學(xué)為主，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力和思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]葉鋼，李三波，張莉.小型智能電子產(chǎn)品開發(fā)案例教程[M].北京：科學(xué)出版社，2013.endprint