《數字電路與系統》脈絡結構和關鍵問題探討

張 輝 (大連理工大學城市學院電子與自動化學院,遼寧大連1 16600)

王淑娟 (哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院,黑龍江哈爾濱1 50001)

1995年教育部頒發了 《高等工業學校電子技術基礎課程教學基本要求》,指出 “數字電路課程是電氣類、電子類專業在電子技術方面入門性質的技術基礎課,它具有自身體系,是實踐性很強的課程。”此后,很多高校都認識到數字電路課程的重要性,加大了對該課程的建設力度,涌現出一大批數字電路的精品課程,為數字電路課程教與學水平的進一步提高打下了良好基礎[1-5]。但是,大部分的建設研究工作主要是從教材、師資隊伍、教學方法和多媒體等方面展開的,對于數字電路課程自身章節間結構、知識點間邏輯關系和課程主線的研究則鮮有報道。下面,筆者從工程應用的角度出發,對數字電路課程各章節、各知識點間的結構關系和邏輯關系進行了剖析,說明了章節間的拓撲結構和知識點間的嵌套因果關系,提出了以功能表貫穿全文的主線結構,并就教與學中的一些實際問題進行了探討。

1 課程脈絡結構

1.1 課程各章節間的結構關系

為方便起見,筆者選擇了唐志宏教授主編的 《數字電路與系統》教材為例進行說明。該教材共分為10章,第10章為數字系統設計舉例,介紹了ASM圖表設計數字電路的方法,這部分內容很多教材上沒有提到,在這里不作說明。另外,VHDL內容是數字電路內容的程序化描述方法,在知識點上沒有新內容,也不做說明。圖1是全部9章的拓撲結構圖。圖1充分挖掘了數字電路課程主要內容間的結構關系,全部9章構成了一個有機的整體,相互支撐、相互補充,便于學習者形成課程的整體概念和清晰的層次關系。

1.2 課程章節內部的結構關系

數字電路課程除了章節間具有清晰的結構外,在很多章節內部的知識點間同樣具有清晰的因果關系。組合邏輯電路和時序邏輯電路是課程的重點,下面分別說明。

第4章為組合邏輯電路,4.1節為組合邏輯電路的分析和設計方法,4.2節為加法器,4.3節為算術邏輯單元,4.4節為編碼器,4.5節為譯碼器,4.6節為數據選擇器和數據分配器,4.7節為數值比較器。4.1節講述了組合邏輯電路分析和設計的一般方法,4.2～4.7節可看作是4.1節的應用,在講解時可以用4.1節講述的設計方法逐一進行設計4.2～4.7節的功能電路,之后用分析方法進行驗證。可見,4.1節和4.2～4.7節2部分之間是理論及其應用的因果關系。

第5章為觸發器,5.1節為基本RS觸發器,5.2節為時鐘觸發器,其基礎是基本RS觸發器。講解5.2節時,在基本RS觸發器的基礎上,通過增加2個另外的與非門而引入時鐘,從而得到了時鐘RS觸發器;經簡單修改后可以得到D觸發器。因此,5.1節和5.2節2部分之間是理論及其應用的因果關系。

圖1 《數字電路與系統》課程的章節結構圖

第6章為時序邏輯電路,6.1節、6.2節和6.5節為同步時序邏輯電路分析和設計的一般方法 (講解時,可將6.5節提前),6.3～6.4節可看作是其應用,用一般方法進行設計,得到電路實體,進行功能分析驗證。這2部分之間也是理論及其應用的因果關系。

2 課程的主線——功能表

圖2為 《數字電路與系統》教材中功能表的一些實例,可見,功能表有多種表現形式。在組合邏輯電路部分為真值表,在觸發器部分為特性表,在時序邏輯電路部分為狀態轉換表,在芯片應用部分中表現為功能表。在數字電路課程中,功能表從第2章開始貫穿全文,將全部的章節和知識點進行串聯,因此,功能表是 《數字電路與系統》課程的主線。

確定了以功能表為課程的主線,在教學中要注意引導,使學生重視看表,做到電路、符號、功能表三者之間的等價轉換,舉一反三、知一解三。要給學生貫徹功能表為數字電路主線的思維,在后續的內容學習中從功能表的角度說明電路功能及應用,使學生會寫功能表、會看功能表、會用功能表。

圖2 功能表的多種表現形式

3 教學中應解決的關鍵問題

圖3 《數字電路與系統》課程的承上啟下關系

1)如何引起課程學習興趣 ①數字電路課程與其前后主要課程間的關系。數字電路課程是電類、自動化類和計算機類的一門專業基礎課程,是后續課程學習的基礎,在整個課程體系中起著承上啟下的作用,圖3說明了 《數字電路與系統》課程的承上啟下關系。②數字電路課程知識點在一般測控系統中的應用情況。對于一般的測控系統而言,外界非電信號通過傳感器轉化為電信號,經放大器放大為較強的信號,經ADC轉換為數字信號,通過數字系統處理后,再經DAC轉換為模擬信號,經功率放大器放大后,驅動執行部件工作。圖4說明了一般測控系統的構成以及數字電路和模擬電路在其中的應用,可以看到,模擬電路是測控系統與外界的接口,模擬電路通過 ADC和DAC與數字系統連接。數字系統包括CPU和一般數字電路,除了CPU部分將在后續課程繼續學習以外 (單片機課程),測控系統所需的知識分布在模擬電路和數字電路中,從而使學生知道學好數字電路課程對其意味著什么,確立了必須要學好數字電路課程的意識和決心。

2)努力培養分析問題和解決問題的能力 數字電路課程是邏輯性很強的課程,在課程的教學中如果注意啟發,很容易培養學生分析問題和解決問題的能力。如何能將所面對的問題轉化為已知的、熟悉的問題,是解決未知問題的關鍵。下面舉例說明。

圖4 一般測控系統及數字電路和模擬電路的應用

在講到ADC逐次比較轉換器時,用天平稱重作為對比說明,天平的左側為待轉換的模擬輸入量,右側為轉換后的數字量。以四位轉換器為例,每位二進制數的權看作砝碼,該位為1表示使用了該砝碼,為0表示未使用該砝碼,砝碼重量分別是23、22、21、20。稱重時,將模擬量11放到天平左側,先將砝碼23放在右側比較,不夠加重22砝碼后大于11,22砝碼撤掉,重新加入砝碼21,因小于11繼續加入砝碼20,從而左右天平達到平衡,最后天平右側的砝碼為23、21、20,代表二進制數1011(模擬值11)。之后的問題是如何用電路實現這個過程,天平可以用比較器實現,比較的結果控制二進制數(砝碼)的0和1取值,到此,設計思路已經很清楚了。通過這樣的類比轉換后,ADC的設計轉化為學生熟悉的天平稱重過程,學生既學會了轉換的分析方法,又對較難的逐次比較ADC有了深入的理解。

3)如何解決課時緊張問題 解決課時緊張的問題有很多思路,這里從知識點因果關系上給出一解決思路。理順章節間和知識點間的因果關系,有利于后續新內容的順利講解。以組合邏輯電路內容為例,組合邏輯電路的一般分析和設計過程為:

分析:電路圖——邏輯函數式——真值表——文字描述

設計:文字描述——真值表——邏輯函數式——電路圖

所謂分析和設計問題,其實質就是電路多種表達形式之間的轉換。這些表達形式在第2章中都有說明,因而分析和設計問題本身沒有新的知識點,組合邏輯電路其余幾節可以看作是設計問題的應用,也沒有新知識點,從而使使課程講解變為知識的復習過程,可以節省課時。另外,其余幾節既然是應用,一些應用可以留作業讓學生自學,教學僅做點評,也節省了課時。

4)注意使用黑箱法 圖形化更有利于人們對于復雜問題的理解,比如數字電路用卡諾圖代替真值表,從而使邏輯函數易于化簡。數字電路課程中很多地方都可以用黑箱法,即將要設計的電路看作是黑箱,整個電路的分析設計過程就是黑箱白化的過程。比如,在講解半加器時,在黑板上畫出黑箱,由半加器的物理意義,有2個輸入,2個輸出,如何實現?設計出來后,將電路畫到黑箱里面,從整體上體會電路的輸入輸出和內部結構的關系。又如,在講解VHDL語言時,其分為實體和構造體,實體既是黑箱,僅知道輸入和輸出,內部結構由構造體確定。

通過黑箱法的使用,可以使學生不是為了設計而設計,能從電路整體上理解所設計的電路能做什么。

5)如何解決先易后難的問題 數字電路課程實際教學中,學生學習的難點主要是在引入觸發器內容之后,因此,在教學中要注意以下幾點:①事先告知學生觸發器和時序電路是難點,提醒預習,思想上引起重視;②講解時,注重過渡,說清楚為什么引入觸發器及如何設計觸發器;③注意講解節奏;④留意習題環節,及時了解學生對知識掌握的情況。通過以上環節,一定程度上可以解決先易后難的問題。

4 結 語

把握課程的知識點間的結構關系是掌握一門課程的前提條件。對數字電路課程的各章節和各知識點之間的結構關系進行了剖析,建立了章節間的架構,闡明了知識點之間的因果關系,提出了以功能表貫穿全文的主線思想,并就教與學中的一些實際問題進行了探討。多年的教學經驗表明,所闡述的思想對于教與學水平的提高是有效果的。

[1]郁玲艷.“數字電路”教學改革探討[J].中國電力教育,2010(30):80-81.

[2]孫萬蓉,任愛峰,初秀琴,等.精品課程“數字電路與系統設計”教學體系[J].電氣電子教學學報,2010,3(32):7-8,22.

[3]張平娟,陳娟,丁西明.數字電子技術教學方法探討和教學內容改革[J].安徽科技學院學報,2010,24(2):66-68.

[4]楊麗娟.數字電子技術課程的教學改革探討 [J].江西電力職業技術學院學報,2008,4(21):58-60.

[5]任希,侯建軍,李趙紅,等.研究性教學在“數字電子技術”課程中的探索 [J].電氣電子教學學報,2010,4(32):28-29.