數字電子技術立體實驗模式初探

趙立輝

摘 要：本文首先指出了當前數字電子技術實驗課程單一實驗模式存在的問題，闡述了這種單一的實驗模式存在的弊端。進而提出了改進模式，即數字電子技術立體實驗模式。這種三位一體的立體實驗模式徹底解決了當前數字電子技術實驗單一模式中存在的問題，能夠充分發揮學生的主觀能動性，切實提高學生的動手能力，使學生能更好、更快地掌握數字電子技術的理論并付諸實踐，為今后學習其它課程打下堅實的基礎。

關鍵詞：數字電子技術；立體實驗模式

1 問題的提出

當前，在幾乎所有的高校電氣、自動化和計算機類專業中都開設了《數字電子技術》課程，它是電氣、自動化和計算機類專業的基礎課程。這門課程的實踐性較強，學生不僅要學習相關的理論知識，而且還要通過大量的實驗才能掌握其精髓。

目前，這門課程的實驗大多數是采用硬布線的方式。即在數字電子技術實驗箱上利用小規模集成電路搭設起一個電路，開關量、脈沖信號等作為輸入，發光二極管、七段數碼管等作為輸出觀察結果。這是一種傳統的數字電子技術實驗模式，比較單一。存在的問題是：

1） 學生在做比較復雜的實驗時連線過多，如果有一根線連接錯誤或少接一根線就會造成實驗不能成功。

2） 學生檢查實驗連線非常繁瑣。

3） 如果一個小規模集成電路中的個別門電路損壞，學生無法檢查，導致實驗不能按時做完。

4） 學生一般是在大二上學期開設本門課程，在之前無相關的實驗經驗，造成實驗時間經常推遲。

5） 每年需要補充購買元器件、導線、芯片等實驗耗材。

6） 這種實驗模式只能完成小型電路的設計，它不能滿足課程設計、畢業設計或大規模電路設計的需要。

總之，這種實驗模式的缺點是：效率低、效果差、花費時間長、實驗耗材多。

那么怎樣解決這些問題呢？

針對當前數字電子技術實驗課程單一實驗模式存在的問題和弊端。我們提出了改進模式，即數字電子技術立體實驗模式。這種三位一體的立體實驗模式徹底解決了當前數字電子技術實驗單一模式中存在的問題，能夠充分發揮學生的主觀能動性，切實提高學生的動手能力，使學生能更好、更快地掌握數字電子技術的理論并付諸實踐，為今后學習其它課程打下堅實的基礎。

2 數字電子技術立體實驗模式

2.1 什么是數字電子技術立體實驗模式

所謂的數字電子技術立體實驗模式是指在保留傳統單一實驗模式的基礎之上，加上Proteus制圖與仿真和基于VHDL/Verilog 硬件描述語言的EDA（電子設計自動化）技術構成的三位一體的數字電子技術實驗模式。

2.2 數字電子技術立體實驗模式的優點

1） 引入Proteus制圖與仿真實驗模式的理由

Proteus軟件提供了完備的模擬電路、數字電路、小規模集成電路、51單片機乃至ARM元件庫，實現了從繪制電路圖到仿真的全過程。學生只需在自己的電腦上安裝Proteus軟件，不用進實驗室即可完成電路的設計、制圖和仿真，在時間和地點上無任何限制，為學生實驗提供了極大的便利；學生無須購買任何元器件，實驗成本為零；電路可任意修改、完善與擴充，消除了硬布線模式連線不易修改、不易查找等弊病。這種實驗模式最適合用在實驗的第一階段，即教師布置實驗任務，學生在自己的電腦上用Proteus軟件設計、繪圖和仿真。這樣做的好處是學生進入實驗室之前就已經對要做的實驗有了一個充分的了解，再用其它模式做實驗就會收到事半功倍的效果。

2） 引入基于VHDL/Verilog 硬件描述語言的EDA（電子設計自動化）實驗模式的理由

EDA（電子設計自動化）實驗模式也是針對硬布線模式的弊病而提出的。它使用VHDL或Verilog作為 硬件描述語言，用軟件的方式來描述硬件電路，然后把電路下載到可編程邏輯器件進行仿真和模擬。這種方式介于Proteus實驗模式和硬布線模式之間，具有這兩種方式的優點，前期部分類似于Proteus實驗模式，后期部分類似于硬布線模式。

3） 保留傳統單一實驗模式的理由

不管是Proteus實驗模式還是EDA實驗模式，都和實際電路有一定的誤差，所以有充分的理由保留傳統的硬布線實驗模式。

4） 數字電子技術立體實驗模式的優點

數字電子技術立體實驗模式就是將Proteus實驗模式、EDA實驗模式和傳統的硬布線實驗模式有機地結合在一起，為學生提供了多種實驗模式選擇。一般地說，Proteus實驗模式適合學生在業余時間、課外進行（第一階段）；傳統的硬布線實驗模式適合學生在實驗室進行（第二階段）；EDA實驗模式適合學生設計大規模電路時使用，比如畢業設計或課程設計（第三階段）。

3 數字電子技術立體實驗模式在教學中的可行性分析

現在的大學生一般都有電腦，學校一般都配備有微機實驗室，所以Proteus實驗模式的條件能夠滿足；在學校的硬件技術實驗室一般都配備了數字電子實驗實驗設備，EDA實驗模式和傳統的硬布線實驗模式可以在實驗室進行。因此數字電子技術立體實驗模式在教學中是可行的。

4 數字電子技術立體實驗模式在教學中的實踐性報告

我們從2013年起開始進行數字電子技術立體實驗模式改革和探索，經過兩年的實踐，收到了很好的效果。學生經過立體實驗模式的訓練，很好地掌握了理論知識，動手能力和前面幾屆相比有了顯著的提高。

5 數字電子技術立體實驗模式在教學中發現的問題

1） 大多數學生能夠在課外業余時間利用Proteus完成電路的設計、繪制和仿真，為下一階段到實驗室進行硬布線或EDA做好了準備。但是有少數同學并沒有完成這一階段的任務，這樣在實驗室要花很長的時間才能完成實驗。

2） EDA實驗模式需要學生掌握VHDL或Verilog 硬件描述語言的語法，因為數字電子技術理論學時的限制，不可能單獨講授VHDL或Verilog，學生如果有C語言的基礎，可以自學。所以應該提前讓學生用業余時間自學VHDL或Verilog，在理論課結束后的課程設計時使用EDA實驗模式比較合適。

3） 購買數字電子實驗設備時要求能夠同時滿足實現硬布線和EDA實驗模式。

6 結語

數字電子技術立體實驗模式結合了三種實驗模式的優點，克服了單一實驗模式的弊端。在實踐中得到了很好的效果，值得在高校數字電子技術實驗方面推廣。

參考文獻

[1] 張靖武 周靈彬. 單片機系統的PROTEUS設計與仿真.電子工業出版社 [M].北京：2007.

[2] 徐惠民 安德寧. 數字邏輯設計與VHDL描述.機械工業出版社 [M].北京：2002.