《數字電子技術》教材改革與實踐

張天鵬++姚玉欽

摘 要： 隨著數字電子技術和數字系統的高速發展和廣泛使用，傳統《數字電子技術》教材已不能跟上時代發展步伐。為了滿足應用型人才培養需要，現對《數字電子技術》教材內容進行改革，增加EDA技術基礎知識和數字系統的基本設計方法，強調教材內容的工程應用特點，具有較高的參考借鑒價值。

關鍵詞： 數字電子技術 教材改革 工程應用

1.引言

《數字電子技術》是高等學校通信工程、電子信息工程、自動化、電氣工程及自動化等專業的重要專業基礎課程[1]。隨著數字電子技術、數字系統的高速發展，以FPGA （Field Programmable Gate Array）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）為代表的大規模可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）的廣泛應用，使傳統“板上數字系統”被“片上數字系統”替代[2]。為適應數字電子技術的發展趨勢，對傳統《數字電子技術》教材內容進行了改革，在教材內容的安排和例題選用上，立足于應用型人才培養，以現代信息技術為依托，注重理論聯系實際，取得較好的應用效果。

2.教材改革的基本思路

隨著數字電子技術的快速發展，如何處理數字電子技術的經典內容與現代內容、傳統分析設計方法與現代分析設計方法之間的關系，是教材內容改革的重點。教材以“基礎知識→器件原理→器件應用→器件仿真→系統構建→系統仿真”為主線，構建數字系統的知識框架。在教材內容組織上，將數字電子技術和數字系統有關知識融為一體，系統介紹數字電子技術與數字系統的基本分析方法和設計方法；在教材內容編寫上，以培養學生的應用能力和實踐能力為目的，采用案例式或項目式編寫思路，將理論知識和實際應用相結合，把突出知識的應用性和實踐性作為主要方向，做到理論和實踐并重，既強調理論基礎，又突出應用性。對于集成電路注重邏輯功能和使用方法介紹，增加EDA （Electronic Design Automation）技術基礎知識[3]，利用Multisim 軟件對部分電路進行功能仿真，并介紹VHDL語言、QuartusⅡ軟件的基本使用方法，利用VHDL語言設計部分數字電路，利用QuartusⅡ軟件進行仿真分析，適應現代電子技術飛速發展和應用的需要。

3.教材的主要特點

3.1 教材內容組織

按照教育部高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導委員會對《數字電子技術基礎》課程教學的基本要求，對《數字電子技術》教材內容進行重新組織，將教材內容分為十章[4]。第一章介紹邏輯代數的基礎知識，主要包括各種數制、常用的編碼規則、邏輯代數的基本定理、邏輯函數的表示方法和化簡方法等。第二章介紹EDA技術的基礎知識，包括Multisim、VHDL語言、QuartusⅡ的基礎知識。第三章介紹分立門電路、集成門電路和可編程邏輯器件的特點，并介紹利用VHDL語言設計門電路的方法。第四章首先介紹組合邏輯電路的基礎知識，然后講解組合邏輯電路的應用，最后利用Multisim對組合邏輯電路進行功能仿真和設計分析，并介紹組合邏輯電路的VHDL語言設計方法。第五章介紹各種觸發器的功能和應用，并利用Multisim對觸發器進行功能仿真，介紹觸發器的VHDL語言設計方法。第六章介紹時序邏輯電路的分析方法和設計方法，介紹常用時序邏輯電路的功能和應用，并分別利用VHDL語言和Multisim進行功能描述和仿真。第七章介紹脈沖波形的產生與整形電路，重點介紹集成電路的應用。第八章介紹半導體存儲器的特點和應用。第九章介紹A/D轉換和D/A轉換的工作原理和主要技術指標，對集成DAC和ADC的基礎知識及應用進行簡單介紹，并利用Multisim對基本轉換電路進行功能仿真。第十章介紹數字系統設計的基本流程，通過3個實例介紹數字系統的不同設計方法。

3.2強調基礎理論

隨著數字電子技術的發展，數字電子技術已逐漸滲透到各個行業，《數字電子技術》課程作為高校電類專業的基礎課程，是學生走向數字化時代的第一門課程，也是某些高校相關專業的考研課程，其重要性不言而喻。教材編寫強調《數字電子技術》基礎知識的系統性、完整性，將邏輯代數基礎、組合邏輯電路分析與設計、時序邏輯電路的分析與設計等基礎知識作為教材核心內容，并結合部分高校相關專業《數字電子技術》研究生考試大綱的要求，增加部分教學內容。例如，在第六章“時序邏輯電路”中增加利用觀察法和隱含表法進行狀態化簡的內容，使學生能夠更容易掌握時序邏輯電路的傳統設計方法。

在教材內容編排上，反復訓練基礎理論知識，使學生更好地學習并掌握基礎理論知識，為進一步學習打下堅實的基礎。例如，第四章“組合邏輯電路”首先介紹組合邏輯電路的分析方法和設計方法，然后介紹常用集成組合邏輯電路的原理和應用，其中譯碼器、數值比較器按照組合邏輯電路的分析方法進行闡述，編碼器、數據選擇器、加法器按照組合邏輯電路的設計方法闡述，使教材內容循序漸進、深入淺出，適用于學生自學，有利于培養學生自主學習能力。

3.3突出實踐應用

在教材編寫過程中，注重學生對知識應用能力培養的需要，強調具體操作過程中學習理論基礎，將知識應用能力培養貫穿整本教材，突出教材知識的實踐應用性。在介紹集成電路時，刪除集成電路內部電路的分析，強調集成電路的邏輯功能和使用方法[5]，例如，介紹555定時器時，在簡單介紹555定時器的電路結構和工作原理的基礎上，以“觸摸式定時控制開關電路”、“雙音門鈴電路”等應用電路介紹555定時器的使用方法。

在第九章“數/模和模/數轉換器”中，以DAC0808、DAC 0832、AD7543為例介紹常用集成數/模轉換器的工作原理和使用方法，并分別給出DAC0832、AD7543與單片機AT89C51的接口電路，既加強與后續課程單片機、微機原理等的聯系[6]，又突出教材內容的應用性。

3.4增加EDA技術知識

EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，是從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的。教材第二章EDA技術基礎知識介紹了Multisim和QuartusⅡ兩種EDA工具的操作界面和使用方法，并介紹了VHDL語言的基本結構、數據對象、數據結構、操作符和基本語句結構，使學生借助EDA工具進行電路分析和設計。教材給出了74LS138、74LS153、74LS194、74LS160等常用集成電路的Multisim仿真電路和VHDL描述方法，并在第十章“數字系統設計”中，以“計數報警器”、“簡易交通燈控制器”、“函數信號發生器”為例，結合Multisim和QuartusⅡ軟件，詳細介紹簡單數字系統的設計過程，豐富教材內容。

4.結語

《數字電子技術》教材改革是一項長期工程，隨著數字電子技術的發展，必將對教材內容產生深刻影響。本教材于2012年10月由北京大學出版社作為“21世紀全國本科院校電氣信息類創新型應用人才培養規劃教材”出版，2013年12月被評為河南省“十二五”普通高等教育規劃教材。教材經過3年多的使用，得到了廣大師生的關注，收集了各方面建議和意見。為了更好地適應現代數字電子技術的發展和應用，需要對教材內容進行進一步改革。

參考文獻：

[1]陸冰，魏蕓，閭燕，等.“數字電子技術”課程教學改革的實踐[J].電氣電子教學學，2013，35（4）：46-47.

[2]寧改娣，杜亞利.教材：《數字電子技術》教材改革探索[J].教育教學論壇，2012（8）：98-99.

[3]黎藝華，謝蘭清.高職數字電子技術項目課程教材建設探索[J].教育與職業，2011（15）：131-132.

[4]秦長海，張天鵬，翟亞芳.數字電子技術[M].北京大學出版社，2012.

[5]王國新，張桂鳳，宋婀娜.“數字電子技術”課程教學改革探究[J].中國電力教育，2014（12）：73-74.

[6]佘新平.《數字電子技術》教材建設的探討與實踐[J].長江大學學報：自科版，2009，6（3）：324-325.