多手段虛擬仿真輔助數字電子技術實驗教學

張

（燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004）

多手段虛擬仿真輔助數字電子技術實驗教學

（燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004）

分析和總結當前數字電子技術課內實驗授課現狀，以實驗教學實例對數字電子技術課內實驗授課方法進行改進和創新，提出“學理論-做仿真-做實驗”的新型實驗授課模式，引入Multisim、Proteus等電類學生常用的仿真軟件，補充課內實驗教學內容。實踐證明，該方法有助于培養學生創新意識，提高學生分析解決實際問題的能力。

仿真軟件；電類專業；數字電子技術；課內實驗

一、數字電子課內實驗教學現狀

《數字電子技術》課程是電氣、信息類專業學生必修的一門重要學科技術基礎課程，具有很強的工程實踐性，實驗教學是《數字電子技術》課程教學中的重要環節，抓好該課程的實驗教學對培養學生系統設計、技術實現、綜合測試等工程能力具有十分重要的意義，最近幾年很多高校都在開展對該課程的實驗教學改革。加強數字電子技術課內實驗教學，培養學生的實踐與創新能力，是理工科大學生培養的重要環節。

數字電子技術課程內容比較抽象，課時安排比較緊湊，學生普遍感覺到知識抽象、難于理解器件的邏輯功能、較難掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何應用，如何利用所學器件設計實用電路時顯得不知所措。以燕山大學電子實驗中心為例，數字電子實驗室承擔電氣工程學院和信息工程學院48個本科班的數字電子技術基礎課內實驗教學。根據目前的教學大綱安排，學生的專業基礎是已經學習過的電路原理和與數字電子技術正在同步學習的模擬電子技術，可以說學生的專業基礎還是相對薄弱的。

大部分學生學習數字電路知識只是停留在知識的堆砌，而沒有將應用作為重點掌握的內容。

另外，考慮到電子設計自動化（EDA）技術日趨成熟，學生掌握EDA技術已成為時代發展的要求。為了更好地激發學生的學習興趣和創造性，解決數字電路教學中存在的問題，在數字電路教學中可適度利用Multisim、Proteus等電子設計自動化仿真軟件設計仿真電路來演示器件的功能。實踐證明，將虛擬仿真技術與傳統的數字電路實踐課程教學方式相結合有助于提高學生數字電路知識運用的綜合能力和專業素質。

仿真實驗作為傳統實驗的一個必要的有益補充，使得實驗在時間和空間上得到有效的延伸，對于培養學生的創新意識和實踐能力意義重大。

二、以具體問題說明常規思路

學生在實際實驗中需要比較多掌握的是組合邏輯電路的設計，這也是數字電子電路中的一個非常重要的知識點和考察點。組合邏輯電路的基本構成單元是門電路，與時序邏輯電路不同，組合邏輯電路無記憶功能，輸出信號僅取決于當時的輸入信號。組合邏輯電路的設計是根據給定的實際問題，用邏輯函數進行表達，用數字電路來實現其邏輯功能。常用的中規模組合邏輯電路有編碼器、譯碼器、數據選擇器、加法器等。

下面以數字電子技術課內實驗中的一個題目來具體說明。電力變壓器運行控制電路的設計，具體要求如下：某工廠有三個車間各需電力供電10kVA，由A、B兩臺分別為10kVA、20kVA的變壓器供電。試設計一個能夠合理供電的自動控制電路。設計要求：一個車間工作時由變壓器A供電，兩個車間供電時由變壓器B供電，三個車間同時工作時由兩臺變壓器同時供電。（提示：輸入為三個控制開關A、B、C，用于控制三個車間的工作狀態，輸出為兩臺變壓器控制信號Y1和Y2，用于控制變壓器的工作狀態）

作者簡介：張

（1982-），女，遼寧籍，實驗師，碩士，燕山大學電子實驗中心副主任，主要研究方向為分布式發電及微電網技術。

做這個實驗的常規思路應該是列出真值表；由真值表寫出函數最小項表達式并進行化簡，采用相應的元器件進行布線。根據真值表，可以看出使用實驗室已有的74LS138譯碼器芯片和74LS20四輸入與非門芯片完成電路的設計，學生根據自己設計的邏輯框圖來到實驗室選用芯片在學習機上完成連線，驗證實驗結果是否與預期設計相符。

作為設計型實驗，鼓勵學生利用實驗室已有的芯片型號就同一個題目進行多種思路的設計，針對這個具體題目，因為考察的是組合邏輯電路部分的知識掌握情況，還可以使用單純的邏輯門來搭建電路。同樣，按照題目要求列出真值表，按照真值表列出兩個輸出Y1和Y2的表達式：

按照表達式完成電路連線，需要選擇3片74LS10三輸入與非門和2片74LS20四輸入與非門，按照實驗室已有芯片來看，整個實驗連線需要使用5片芯片12個邏輯門，這對于剛剛接觸數字實驗的本科二年級學生來說，無疑提高了實驗的完成難度。一定比例的同學是用這種方法設計的電路，但在實際實驗中由于問題的復雜性和操作的不熟練，很多同學不能順利完成實驗，尤其涉及到某一組輸入與輸出驗證與預期不相符需要使用邏輯筆排錯的情況，很多學生因為理論與實際不能完全銜接而無所適從導致實驗失敗。

三、以仿真手段理解復雜問題

目前學生學習數字電子技術的流程是學理論-做實驗，學生耗費很多時間來分析和搭建電路，對于一些學而不精的學生來說更是把所有精力都集中在了表達式的化簡上，這與這門電類專業基礎課的要求是不相適應的。因此，電子實驗中心數字實驗室突破傳統實驗教學模式，將仿真軟件的學習引入數字電子技術的教學，使得學生學習的流程轉變為學理論-做仿真——做實驗。

選取電類學生在今后的專業學習中常用的Pspice、Multisim、Proteus三種軟件分專業、分層次進行軟件教學引導，使得學生在進入實驗室之前對所做實驗有模擬的直觀認識，不但有助于完成數字電子技術課內實驗，同時對學生進入大三后的專業課學習及實踐起到很好的銜接作用。

運用Pspice仿真軟件進行搭建仿真電路，用單脈沖來給定題目中要求的輸入信號，用高低電平來呈現出真值表中的邏輯關系。

運用Multisim軟件搭建的仿真電路，在元件庫中用單刀雙閘開關來給定輸入，用兩個指示燈的亮滅來表示邏輯電平的高低（默認燈亮代表高電平，燈滅代表低電平）。相對于Pspice來說，Multisim的仿真結果比較清晰直觀，學生只需在仿真過程中撥動八次單刀雙閘開關，即可清晰直觀的驗證完真值表是否與預期設計相符。

運用Proteus搭建的仿真電路，它的仿真原理和具體操作過程與Multisim類似，不同的是，Proteus的仿真結果中，不僅可以直觀的顯示題目要求的輸入與輸出的邏輯關系，在仿真的每一個狀態，所使用邏輯門的所有輸入輸出點都會有紅色或藍色標識來指示邏輯狀態。對于初學數字電子電路的學生來說，知曉每一個點的邏輯狀態有助于學生理解電路邏輯關系，有助于學生在實驗中排錯，對邏輯筆的使用起到良好的輔助作用。

這些軟件都是電類學生進入專業課學習以后所需要的必備軟件，針對不同層次、不同專業的學生可選擇不同的軟件進行課前仿真預習，仿真預習提高了學生采用實際器件做實驗時對引起誤差因素的分析能力，實現了課堂教學與實驗教學的有機結合，同時可為學生進入各種專業類競賽選拔打下良好基礎。

四、教學效果評價

作為國家級實驗教學示范中心和省級虛擬仿真實驗中心，為了提高學生的整體實踐素質，在實驗教學方面不斷做出大膽的創新、改革嘗試，在學科競賽中取得優異成績。中心所屬數字電子技術實驗室引入仿真軟件已完成院級教改項目一項，教師指導學生在全國電子設計大賽中獲得了一個全國一等獎、兩個全國二等獎。隨著虛擬仿真實驗教學平臺的建立，以后學生可以在網站在線完成課前仿真預習，這種方式在改進實驗教學方法、提高實驗教學質量、培養學生創新能力和動手能力等方面起著非常重要的作用。

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［5］丁業兵，譚學琴，李安慶，等.基于Multisim的組合邏輯電路設計與仿真［J］.價值工程，2013，16：63-64.

Through analyzing and summarizing current teaching situation of experiments on digital electronic technology，this paper improves and reforms its teaching methods and puts forward a new teaching method，which is "theory-simulation-experiment".This teaching method also introduces some frequently-used simulation software，such as Multisim and Proteus，to supplement experiment teaching content.Practices have proven that this teaching method helps cultivate innovation awareness of students and improve their ability to solve practical problem.

simulation software；electrical specialty；digital electronic technology；in-class experiment

2096-000X（2016）16-0123-02

G642

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