“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革

趙曉虎，王怡影，樊敏，孫苗

（合肥師范學(xué)院，電子信息系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

0 引 言

學(xué)習(xí)“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程，是為向電子信息行業(yè)微波工程等領(lǐng)域輸出具備電子信息工程學(xué)科深厚的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，具有出色的創(chuàng)新能力和高度的社會(huì)責(zé)任感，并能從事與電子信息系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)計(jì)、操作及管理等方面工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

通過本實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，不僅能夠加深學(xué)生對理論教學(xué)內(nèi)容的理解，使學(xué)生熟練掌握常用數(shù)字電路儀器設(shè)備以及集成芯片的使用，而且學(xué)生經(jīng)過系統(tǒng)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，也能夠掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識、方法和技巧。培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決實(shí)際問題的能力。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程主要以實(shí)驗(yàn)箱中電路搭建為主，通過讓學(xué)生動(dòng)手操作，完成實(shí)驗(yàn)電路的搭建，這種教學(xué)方式固有的局限性是不可能讓所有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里完成各種實(shí)驗(yàn)的。本課程在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上，增加了Multisim 仿真軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師可通過學(xué)習(xí)通等教學(xué)平臺及時(shí)查看學(xué)生的完成情況并給出相應(yīng)的反饋。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

項(xiàng)目教學(xué)法中多元教學(xué)模式的開展以引導(dǎo)式教學(xué)法為前提，對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行迭代式的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)，保證教學(xué)內(nèi)容的完整性，提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。新模式是把理論教學(xué)內(nèi)容融合到與之同步的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，課程內(nèi)容以基礎(chǔ)型、擴(kuò)展型、綜合設(shè)計(jì)型3個(gè)類型的項(xiàng)目展開，內(nèi)容與難度層層推進(jìn)，分層次逐步展開教學(xué)。除了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之外，還增加了拓展課程教學(xué)內(nèi)容，部分拓展課程教學(xué)內(nèi)容如表1所示。為了拓展學(xué)生的知識面，采用實(shí)例驅(qū)動(dòng)的方式，將課本中的基礎(chǔ)知識與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，設(shè)計(jì)一些常見的電子電路，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

表1 拓展課程教學(xué)內(nèi)容

1.2 增加課程教學(xué)資源

引入學(xué)習(xí)通、雨課堂等課程教學(xué)平臺，利用平臺中的課程資源讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，提前了解本次課程的實(shí)驗(yàn)原理以及需要設(shè)計(jì)的電路。這樣就克服了傳統(tǒng)預(yù)習(xí)報(bào)告的弊端，不必在抄寫上耗費(fèi)大量時(shí)間，通過教學(xué)視頻可以讓學(xué)生直觀地感受實(shí)驗(yàn)操作步驟。

1.3 合理利用仿真軟件

Multisim 是美國國家儀器（NI）公司推出的一款專門用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的軟件。該軟件以Windows 為基礎(chǔ)，采用圖形界面風(fēng)格，學(xué)生操作起來十分便捷。該款軟件提煉了SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容，學(xué)生無需深入掌握SPICE 技術(shù)便可快速搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真，非常適合應(yīng)用于模擬/數(shù)字電路等課程的教學(xué)中。

因此，在教學(xué)中輔以Multisim 電路仿真軟件。通過使用Multisim 電路仿真軟件，掌握小規(guī)模基礎(chǔ)電路、觸發(fā)器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、移位寄存器、555 定時(shí)器等芯片的基本原理及應(yīng)用，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行電子綜合設(shè)計(jì)。

1.4 改革考核方式

采用平時(shí)成績和期末成績相結(jié)合的考核方式，同時(shí)將線上觀看教學(xué)視頻、軟件仿真學(xué)習(xí)情況計(jì)入平時(shí)成績，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，老師可以通過線上平臺了解和監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2 教學(xué)案例

只要是在計(jì)算機(jī)中安裝了Multisim 電路仿真軟件，就相當(dāng)于擁有一個(gè)設(shè)備齊全的電子實(shí)驗(yàn)室，教師可以在多媒體教室中分析電路的特性，解釋各種參數(shù)變化對電路的影響，演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)需要隨意控制它們。學(xué)生還可以自行設(shè)計(jì)模擬電路，并通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果。這種教學(xué)模式生動(dòng)有趣，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能加深學(xué)生的理解，既能提高教學(xué)質(zhì)量，又能降低教學(xué)成本。接下來分別通過兩個(gè)仿真實(shí)例來說明Multisim 電路仿真軟件在組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路中的應(yīng)用。

2.1 組合邏輯電路實(shí)例

以往的教學(xué)中只從理論層面講解組合邏輯電路的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生僅僅通過實(shí)驗(yàn)箱來完成簡單的連線操作以實(shí)現(xiàn)簡單的電路組合，學(xué)生并不完全明白其中的邏輯和原理。為了使學(xué)生能夠更加直觀具體地感受組合邏輯電路的含義，上課前可以通過仿真軟件讓學(xué)生先自主完成電路的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生以實(shí)際行動(dòng)參與其中，提升學(xué)生的自主思考能力。以四路表決器為例對組合電路進(jìn)行說明，當(dāng)A、B、C 和D 四路輸入信號中有3 路及以上為真時(shí)，輸出F 為真，四路表決器的真值表如表2所示。

表2 四路表決器真值表

根據(jù)真值表畫出的卡諾圖如圖1所示。

圖1 四路表決器卡諾圖

由卡諾圖可以得出四路表決器輸入輸出之間的邏輯表達(dá)式為：

而與非門能夠?qū)崿F(xiàn)電路中的各種邏輯結(jié)構(gòu)，具有電路簡潔和便于制作的優(yōu)勢。因此，將式（1）簡化為式（2）的形式，即使用5 個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)的四路表決器，邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四路表決器邏輯結(jié)構(gòu)圖

上實(shí)驗(yàn)課前，以抄寫為主的預(yù)習(xí)并不能起到很好的效果，為了讓學(xué)生更好地理解四路表決器的功能，摒棄傳統(tǒng)紙質(zhì)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，采用Multisim 軟件對邏輯電路進(jìn)行仿真。芯片74LS20 采用常用的雙4 輸入與非門集成電路，內(nèi)含兩組4 輸入與非門，因此可選用3 個(gè)這樣的芯片實(shí)現(xiàn)四路表決器。

在Multisim 軟件中通過3 個(gè)74LS20 芯片實(shí)現(xiàn)的四路表決器如圖3所示。其中輸入端口開關(guān)A、B、C 和D 分別連接5 V 的電源，芯片U1 和U2 的兩組輸入信號分別按圖2中4 組第一級與非門輸入方式連接，U3 的一組輸入信號分別接U1、U2 的輸出，U3 的一路輸出連接燈泡X1。通過燈泡X1 的狀態(tài)來表示最后的輸出結(jié)果，亮表示表決通過，滅表示表決未通過。通過仿真控制開關(guān)A、B、C 和D 的閉合與斷開，實(shí)現(xiàn)四個(gè)輸入端口高低電平的輸入，最終實(shí)現(xiàn)燈泡X1 的亮與滅。通過該實(shí)例可讓學(xué)生明白，燈泡X1 的亮與滅狀態(tài)僅與開關(guān)A、B、C、D 的組合狀態(tài)有關(guān)，不受其他變量的影響。讓學(xué)生在直觀的現(xiàn)象中明白由邏輯門和電子元件組成的邏輯電路由于電路中沒有反饋，不存在記憶元件，所以該種電路在任意時(shí)刻的輸出狀態(tài)僅取決于該時(shí)刻各輸入的狀態(tài)組合，而與時(shí)間變量無關(guān)。

圖3 Multisim 仿真軟件演示四路表決器的功能特性

2.2 時(shí)序邏輯電路實(shí)例

時(shí)序邏輯電路作為數(shù)字電路中的重點(diǎn)知識，由于其比較抽象，學(xué)生理解起來有些困難。時(shí)序邏輯電路的輸出狀態(tài)不僅與當(dāng)前的輸入狀態(tài)有關(guān)，還與輸出狀態(tài)的原始狀態(tài)有關(guān)，相對于組合邏輯電路，引入了反饋的概念，即將當(dāng)前輸出狀態(tài)反饋給輸入信號，其下一次的輸出狀態(tài)又會(huì)受到當(dāng)前輸出狀態(tài)的影響，即增加了存儲電路用來存儲當(dāng)前的輸出狀態(tài)，以便共同參與下一次輸入狀態(tài)的變化。因此在時(shí)序電路中引入了具有記憶功能的電路單元——觸發(fā)器。為了讓學(xué)生更加深刻地理解時(shí)序邏輯電路的含義，理論知識學(xué)習(xí)完以后，可通過仿真軟件來演示時(shí)序電路的功能，使學(xué)生進(jìn)一步理解電路的含義。

以生活中遇到較多的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，4 位二進(jìn)制能夠?qū)崿F(xiàn)16 種狀態(tài)，即狀態(tài)0000～狀態(tài)1111。若采用4 位二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制數(shù)0～9，則需要去掉1010～1111 這6種狀態(tài)。如圖4所示為4 個(gè)JK 觸發(fā)器組成的8421BCD 碼同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯圖?！?個(gè)JK 觸發(fā)器，～為對應(yīng)觸發(fā)器的輸出值。

圖4 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器邏輯圖

各個(gè)JK 觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程如式（3）所示：

將式（3）中的各關(guān)系帶入JK 觸發(fā)器的特性方程即可得到該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)方程，如式（4）所示：

假設(shè)計(jì)數(shù)器的初始狀態(tài)為0000，根據(jù)式（4）可計(jì)算得到各觸發(fā)器當(dāng)前狀態(tài)之后的下一次狀態(tài)。計(jì)數(shù)器由的初始狀態(tài)0000 遞增至最終狀態(tài)1001，即代表十進(jìn)制數(shù)0～9。

由此可見理論教學(xué)不夠形象，學(xué)生對教師講解的知識理解起來有困難，實(shí)驗(yàn)課中僅通過實(shí)驗(yàn)箱來完成簡單的連線操作得出結(jié)果，容易產(chǎn)生學(xué)生思考積極性不高，理解不透徹等問題。為了能讓學(xué)生更好地理解計(jì)數(shù)器的原理和功能，采用Multisim 軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器電路的仿真，可讓學(xué)生積極主動(dòng)地參與其中。芯片74LS162 作為一款常用四位二進(jìn)制可預(yù)置數(shù)的同步計(jì)數(shù)器，被廣泛運(yùn)用在各種電路中。如圖5所示為在Multisim 軟件中通過該芯片實(shí)現(xiàn)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖5 Multisim 仿真軟件演示十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能特性

在圖5中，U1 為74LS162，通過頻率為2 Hz 的時(shí)鐘源V1 來驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。燈泡Q、Q、Q、Q分別連接芯片74LS162 的QA、QB、QC、QD 引腳，用四個(gè)燈泡的亮和滅分別代表計(jì)數(shù)器狀態(tài)的高低電平，即用燈泡的亮和滅狀態(tài)來表示二進(jìn)制數(shù)的1 和0。將74LS162 的4 個(gè)輸出引腳連接DCD-HEX 數(shù)碼管U2，根據(jù)74LS162 輸出的狀態(tài)顯示十進(jìn)制數(shù)0～9。4 位二進(jìn)制數(shù)可以產(chǎn)生16 種狀態(tài)，因此需要去掉1010～1111 這6 種狀態(tài)，在這6 種狀態(tài)里對應(yīng)圖4中觸發(fā)器和的當(dāng)前狀態(tài)和均為高電平，因此可以通過一個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)，當(dāng)和均為高電平時(shí)使計(jì)數(shù)器恢復(fù)至初始狀態(tài)。在圖5中可通過雙輸入的與非門器件74LS00D 實(shí)現(xiàn)，將與非門的輸出端連接U1 的CLR 引腳，此引腳為低電平有效。當(dāng)U1 的QD 和QB 引腳同時(shí)輸出高電平時(shí)，與非門U3A 的輸出為低電平，驅(qū)動(dòng)U1 復(fù)位，以此實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的清零，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管U4 顯示字符0。在該示例中通過改變時(shí)鐘源的頻率可觀察到四個(gè)燈泡和數(shù)碼管狀態(tài)變化的快慢，讓學(xué)生明白時(shí)鐘源的作用，從而進(jìn)一步理解時(shí)序電路中“時(shí)序”的概念，讓學(xué)生在直觀的現(xiàn)象中明白時(shí)序邏輯電路中當(dāng)前狀態(tài)與下一次狀態(tài)之間的關(guān)系。正因?yàn)橛写鎯υ拇嬖?，才能?shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器根據(jù)前一次的狀態(tài)值來決定當(dāng)前的狀態(tài)，而不是簡單的兩種狀態(tài)的重復(fù)。

在教學(xué)中使用Multisim 電路仿真軟件不僅能提升學(xué)生的參與度，還能通過各種演示實(shí)例讓學(xué)生了解常見器件的功能和使用方法，加深學(xué)生對電子元器件的認(rèn)識。比如可通過多個(gè)74LS162 實(shí)現(xiàn)對時(shí)鐘的分頻，通過對單個(gè)時(shí)鐘源分頻來滿足電路中對各種頻率信號的需求，交通燈計(jì)時(shí)顯示常用的數(shù)碼管，等等。

3 結(jié) 論

基于數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的改革，增加線上教學(xué)資源和軟件仿真，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課堂講授、課后考核。利用Multisim 電路仿真軟件不僅可以對理論知識進(jìn)行驗(yàn)證，還能加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的軟件操作能力，強(qiáng)化對各種電子元器件原理和功能的認(rèn)識，為后續(xù)的單片機(jī)應(yīng)用、EDA 技術(shù)應(yīng)用等實(shí)踐類課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。