數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)探索與實(shí)踐

作者/張靜秋，中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

課題來(lái)源：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院十三五期間教學(xué)成果建設(shè)重點(diǎn)培育項(xiàng)目

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)探索與實(shí)踐

作者/張靜秋，中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

課題來(lái)源：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院十三五期間教學(xué)成果建設(shè)重點(diǎn)培育項(xiàng)目

本文主要介紹針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)、不同層次的學(xué)生進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)這門(mén)實(shí)踐課程教學(xué)時(shí)，課題難度層次的設(shè)置、理論設(shè)計(jì)的考核與驗(yàn)收、實(shí)驗(yàn)制作的考核與驗(yàn)收和成績(jī)?cè)u(píng)定方法，以及EDA仿真軟件在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中所起到的關(guān)鍵作用。

數(shù)字電子技術(shù)；課程設(shè)計(jì)；理論設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)制作；仿真；驗(yàn)收方法

引言

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電子技術(shù)課程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)的綜合性訓(xùn)練，這種訓(xùn)練是通過(guò)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行課題的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試來(lái)完成的。這門(mén)實(shí)踐課程，面向電類(lèi)和機(jī)電類(lèi)的工科學(xué)生開(kāi)設(shè)，專(zhuān)業(yè)覆蓋面廣，與之配套的先修課程為模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)。電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施應(yīng)該根據(jù)授課對(duì)象因才施教，下達(dá)的課題有不同的難度層次，讓學(xué)生在完成基本功能的基礎(chǔ)上，游刃有余的學(xué)生有繼續(xù)努力的目標(biāo)和空間。教師可以在下達(dá)課題任務(wù)書(shū)以及對(duì)學(xué)生理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收的過(guò)程中，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生將課題的功能不斷豐富和完善，以便充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新精神。

由于開(kāi)設(shè)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程的班級(jí)較多，條件有限，許多高校電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)制作是在一個(gè)由面包板所構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)箱上完成。而模擬電路通常需要實(shí)現(xiàn)頻率較高的小信號(hào)的接收、放大和濾波等處理，在面包板上插接的連線(xiàn)方式構(gòu)成的模擬電路，難以達(dá)到預(yù)期的性能要求，所以電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課題主要以數(shù)字電路為主。有條件的學(xué)?？梢詥为?dú)開(kāi)設(shè)模擬和數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)。下面介紹以數(shù)字電路課題來(lái)開(kāi)展電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施和驗(yàn)收辦法，課題難度層次設(shè)置、設(shè)計(jì)和制作結(jié)果的驗(yàn)收，成績(jī)?cè)u(píng)定等方面的探索和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的實(shí)施和驗(yàn)收

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的培養(yǎng)方案在許多高校計(jì)劃為兩周時(shí)間，第一周為理論設(shè)計(jì)，第二周為實(shí)驗(yàn)制作。其考核主要有三個(gè)環(huán)節(jié)：理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)制作以及提交設(shè)計(jì)報(bào)告和圖紙。

目前數(shù)字電路的最佳實(shí)現(xiàn)方案是SOPC（System On a Programmable Chip，在片系統(tǒng)）為載體的EDA方式，用HDL（Hardware Design Language，硬件描述語(yǔ)言）替代了原理圖來(lái)描述電路系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)方法是自頂向下的，首先進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)格設(shè)計(jì)、功能級(jí)描述和仿真、模塊劃分和仿真等，其余一些復(fù)雜工作（比如邏輯綜合、優(yōu)化、布局布線(xiàn)，定時(shí)仿真、定時(shí)檢查，輸出門(mén)級(jí)網(wǎng)表等）都可以依靠EDA軟件輔助完成，最后在PLD芯片上進(jìn)行編程和測(cè)試。這種方案適合于各種規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，屬于“EDA技術(shù)與應(yīng)用”這門(mén)課程的選擇。

而數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課題的實(shí)現(xiàn)載體是74LS、H C等小規(guī)模芯片，例如邏輯門(mén)電路、編碼器和譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)比較器等組合邏輯電路芯片；觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和寄存器、ROM等時(shí)序邏輯電路芯片；以及555定時(shí)器等混合芯片。其設(shè)計(jì)方法總體是自底向上的，首先由固定功能元件進(jìn)行單元電路的設(shè)計(jì)，再由各單元電路在時(shí)鐘脈沖作用下協(xié)調(diào)配合工作構(gòu)成一個(gè)具有一定應(yīng)用功能的系統(tǒng)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制作系統(tǒng)測(cè)試。這種方案適用于設(shè)計(jì)小型數(shù)字系統(tǒng)。這種看似已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)手段，對(duì)于電類(lèi)和機(jī)電類(lèi)的學(xué)生認(rèn)識(shí)邏輯電路的電氣特性，掌握使用儀器儀表測(cè)試電路、調(diào)試電路的方法，對(duì)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題有很大的幫助。這些知識(shí)和技能本身也許沒(méi)多大實(shí)際用途，但是能系統(tǒng)掌握并且應(yīng)用這些知識(shí)去分析和解決問(wèn)題，會(huì)大大提升學(xué)生自身能力，使學(xué)生變得有用。

1.1 設(shè)計(jì)課題難度層次的設(shè)置

在下達(dá)設(shè)計(jì)課題任務(wù)書(shū)時(shí)，可以給學(xué)生提供足夠多的課題供其選擇，例如數(shù)字頻率計(jì)、電子密碼鎖、數(shù)字搶答器、可編程彩燈控制器、自動(dòng)奏樂(lè)器、交通信號(hào)控制系統(tǒng)、路燈控制系統(tǒng)、數(shù)字門(mén)控系統(tǒng)、數(shù)字鬧鐘、數(shù)字周期測(cè)量?jī)x、數(shù)字電容測(cè)量?jī)x等等。雖然都是常規(guī)課題，只要教師對(duì)設(shè)計(jì)課題具體任務(wù)和要求設(shè)置合理、引導(dǎo)得當(dāng)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的提升還是有很大幫助的。

下面以幾個(gè)常見(jiàn)的數(shù)字系統(tǒng)課題“交通信號(hào)控制系統(tǒng)”、“數(shù)字鬧鐘”、“電子密碼鎖”、“可編程彩燈控制器”為例，說(shuō)明課題的難度層次設(shè)置方法。

“交通信號(hào)控制系統(tǒng)”的難度層次設(shè)置：①主道和支道的黃、綠、紅三盞燈能正常定時(shí)切換，也就是四個(gè)狀態(tài)不斷循環(huán)：主綠支紅—主黃支紅—主紅支綠—主紅支黃。②主道、支道分別配有計(jì)時(shí)器。計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)，分別配合主道或支道的紅黃綠燈同步切換。③黃燈閃爍，紅燈和綠燈最后3秒閃爍。④可以接收主道、支道有車(chē)、沒(méi)車(chē)的信息。對(duì)于沒(méi)車(chē)的道路可以從綠燈直接轉(zhuǎn)到黃燈，提前進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。⑤主道和支道綠燈的維持時(shí)間可以預(yù)置初始值。

“數(shù)字鬧鐘”的難度層次設(shè)置。①可以按照12或24小時(shí)正常計(jì)時(shí)。②可以對(duì)“時(shí)位”和“分位”準(zhǔn)確校時(shí)。③可以在整點(diǎn)前后固定報(bào)時(shí)。例如到59分55秒時(shí)固定報(bào)時(shí)5次，或者到整點(diǎn)后開(kāi)始報(bào)5次。④根據(jù)即將到來(lái)的整點(diǎn)報(bào)時(shí)，到N點(diǎn)報(bào)完N次，最后一聲為高音。⑤可以設(shè)置鬧鐘。

“電子密碼鎖”的難度層次設(shè)置：①實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制密碼的鎖存和判斷功能，密碼正確則開(kāi)鎖，密碼錯(cuò)誤則報(bào)警。②設(shè)置不同聲音、不同時(shí)長(zhǎng)，通知開(kāi)鎖或是報(bào)警。③設(shè)置5秒的密碼輸入時(shí)間限制，超時(shí)封鎖密碼輸入并報(bào)警。④實(shí)現(xiàn)4位十進(jìn)制密碼的鎖存和判斷功能，密碼正確則開(kāi)鎖，密碼錯(cuò)誤則報(bào)警。

“可編程彩燈控制器”的難度層次設(shè)置：①一幅一幅圖片動(dòng)態(tài)顯示一句話(huà)，例如“CSU EDA”。②以在ROM中存儲(chǔ)圖片的方式，滾動(dòng)顯示一句話(huà)，顯示方式參照列車(chē)箱里的顯示屏。③開(kāi)始動(dòng)態(tài)掃描一幅圖片時(shí)發(fā)聲通報(bào)。④可以手動(dòng)選擇動(dòng)態(tài)顯示第幾幅圖片。⑤以控制ROM地址線(xiàn)的方式滾動(dòng)顯示一句話(huà)。即每個(gè)字只占八個(gè)字節(jié)，動(dòng)態(tài)掃描連續(xù)的八個(gè)字節(jié)以后，首地址加1，再動(dòng)態(tài)掃描接下來(lái)連續(xù)的八個(gè)字節(jié)。顯示方式參照列車(chē)箱里的顯示屏。

1.2 理論設(shè)計(jì)的實(shí)施和驗(yàn)收

在理論設(shè)計(jì)開(kāi)始階段，教師需要向?qū)W生介紹電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的目的意義、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法，然后下達(dá)設(shè)計(jì)課題任務(wù)書(shū)。課題任務(wù)書(shū)包含：一課題內(nèi)容和要求；二總體方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路和原理框圖。理論設(shè)計(jì)驗(yàn)收階段，教師驗(yàn)收學(xué)生提交的電路原理圖和仿真結(jié)果?？梢砸髮W(xué)生講解自己所設(shè)計(jì)電路的工作原理、各功能模塊的輸入和輸出信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，如果是組合邏輯模塊則要求提供真值表，如果是時(shí)序邏輯模塊則要求提供時(shí)序波形圖。相同功能的電路要盡量設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單，也就是芯片最少、連線(xiàn)最少。鼓勵(lì)學(xué)生廣泛查閱資料，盡量選用經(jīng)典電路完成單元電路的設(shè)計(jì)，以保證電路的可靠性。教師審查電路原理圖的可行性與合理性，而邏輯正確性則需要以Multisim或Proteus等的仿真結(jié)果為準(zhǔn)。引導(dǎo)學(xué)生調(diào)用虛擬儀器和儀表以及指示燈等測(cè)試手段觀(guān)察各電路模塊的輸入和輸出信號(hào)，學(xué)會(huì)按模塊調(diào)試電路，為實(shí)驗(yàn)制作做好充分的準(zhǔn)備。教師審圖的過(guò)程中，可以引導(dǎo)學(xué)生逐步豐富課題所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，盡其所能做到極致。使得能力強(qiáng)的學(xué)生有事情可干，有強(qiáng)烈的興趣在有限的時(shí)間將作品做到最好；而能力弱的學(xué)生也可以完成課題的基本功能。

1.3 實(shí)驗(yàn)制作環(huán)節(jié)的實(shí)施和驗(yàn)收

實(shí)驗(yàn)制作開(kāi)始階段，教師需要向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)箱布局、布線(xiàn)方法，元器件檢測(cè)、單元電路調(diào)試，常見(jiàn)故障排除方法等。要求學(xué)生按模塊、根據(jù)信號(hào)流向，用萬(wàn)用表和示波器等儀器儀表來(lái)測(cè)試電路，確認(rèn)問(wèn)題所在，用理論指導(dǎo)實(shí)踐加以解決。如果之前的理論設(shè)計(jì)存在問(wèn)題或不完善，則需要邊修改和完善理論設(shè)計(jì)，邊實(shí)驗(yàn)制作沒(méi)有問(wèn)題的模塊，在實(shí)驗(yàn)制作結(jié)束時(shí)拿出最好的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制作成果。

教師可以根據(jù)學(xué)生理論設(shè)計(jì)成果在實(shí)驗(yàn)箱上的完成情況、利用儀器儀表進(jìn)行電路調(diào)試情況，給出最后的理論設(shè)計(jì)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)制作成績(jī)。理論設(shè)計(jì)驗(yàn)收時(shí)并不立即給出最終的理論驗(yàn)收成績(jī)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以不斷修改和完善電路的功能，隨時(shí)可以提交更好的仿真結(jié)果，給了學(xué)生很大的創(chuàng)意空間，大大激發(fā)了學(xué)生積極性和創(chuàng)新精神。

1.4 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定包括三個(gè)部分：第一部分是理論設(shè)計(jì)成果，即系統(tǒng)原理圖及其仿真結(jié)果。完成一定的功能并且仿真成功才能達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)。第二部分是實(shí)驗(yàn)制作。在實(shí)驗(yàn)箱上完全實(shí)現(xiàn)有一定難度的設(shè)計(jì)成果才能達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)。第三部分是課程設(shè)計(jì)報(bào)告和圖紙。設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容完整，單元電路設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)原理圖圖紙規(guī)范，才能達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)。只有三部分都達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)，電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)才能獲得優(yōu)秀。

2. 結(jié)論

這種電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)施辦法，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，經(jīng)過(guò)本人多年的教學(xué)實(shí)踐證明效果很好。

＊ [1]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].高等教育出版社,1997.10.

對(duì)商品房?jī)r(jià)格產(chǎn)生影響的社會(huì)因素包括人文因素和歷史因素等。歷史因素是指由于葉落歸根的觀(guān)念而產(chǎn)生的對(duì)于某一地區(qū)的偏愛(ài)使得消費(fèi)者對(duì)自己生長(zhǎng)故土的住宅需求上升。而人文因素是指人口結(jié)構(gòu)、人口數(shù)量以及風(fēng)俗習(xí)慣與一般公眾的心理動(dòng)向等。大體分為以下幾種：

＊ [2]張靜秋.靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大電路性能指標(biāo)的影響[J].電子制作,2017,(11):61—64+56.

＊ [3]張靜秋.基于集成運(yùn)算放大器的加減法運(yùn)算電路的分析與設(shè)計(jì)[J].電子制作,2017,(09):5—7+43.

＊ [4]張靜秋.基于集成運(yùn)算放大器的窗口電壓比較器的設(shè)計(jì)[J].電子制作,2017,(07):10—12.

＊ [5]張靜秋.二階有源低通濾波電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J].電子制作,2017,(01):8—11+14.

＊ [6]張靜秋,胡燕瑜.共射共基和共集三種基本放大電路特性的仿真研究[J].電子制作,2016,(23):40—43.

＊ [7]張靜秋,韓玉瑋.基于Multisim的滯回電壓比較器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].電子制作,2016,(21):10—12+17.

＊ [8]張靜秋,韓玉瑋.二極管及其典型應(yīng)用電路仿真測(cè)試[J].電子制作,2016,(19):72—75.