數字邏輯電路精品實驗項目的設計與實踐

王心剛， 賀 利， 張冬至， 姜文聰， 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

數字邏輯電路精品實驗項目的設計與實踐

王心剛， 賀 利， 張冬至， 姜文聰， 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

數字邏輯電路綜合設計性實驗-汽車尾燈控制電路將《電工電子學》課程中數字邏輯電路部分的內容融合于一體，作為一個精品實驗項目進行建設。項目實施過程中理論教學與實驗教學相輔相成，實驗預習作為理論課的大作業，通過小組合作的方式完成，保證高質量的預習效果；學生自主設計實驗步驟，個人獨立完成實驗；實驗時間由2學時改為4學時，保障學生有充分的分析問題、解決問題、優化電路的時間。從學生提交的多種預習設計方案以及實驗過程中排除故障、優化方案來看，該精品實驗項目培養了學生運用知識解決問題的能力，提高了學生工程實踐能力。

數字邏輯電路； 汽車尾燈控制電路； 精品實驗項目； 實驗預習； 工程實踐能力

0 引 言

通過精品實驗項目建設，提高實驗教學質量，培養學生實踐能力和創新能力，各高校都在進行探索和實踐，并取得了良好的效果[1-5]。我校目前也開啟了精品實驗項目建設計劃，通過打造一個個具體的精品實驗，構建以培養學生實踐能力和創新能力為目標的實驗教學體系，全面提升我校實驗教學質量[6]。在長期教學經驗積累的基礎上，通過對電工電子學課程中數字邏輯電路內容的梳理，設計了“數字邏輯電路綜合設計性實驗-汽車尾燈控制電路”作為精品實驗項目。該項目將兩個成熟的小型設計性實驗內容進行加工、提煉合成一個有設計情境的綜合實驗。項目實施中改變觀念，理論教學與實驗教學相輔相成，理論教學老師負責實驗預習部分，以保證預習質量；加長實驗時間，以保證學生有分析問題、解決問題的時間；采取小組合作預習、個人獨立實驗，以保證每個學生都能得到鍛煉。通過這些措施使學生在查閱資料、實驗設計、實驗操作等方面得到系統訓練，增強了學生對理論知識的綜合運用能力，促進了師生之間、學生之間的交流，達到了高質量培養素質人才的目的。

1 精品實驗項目的設計

精品實驗項目應有時間的積淀和綜合性[7]。電工電子學[8]課程數字邏輯電路部分授課內容主要包含組合邏輯電路和時序邏輯電路，針對這兩部分內容，開設的設計性實驗有兩個。一個是“組合邏輯電路的設計”，要求用與非門74LS00完成下列電路設計：①F=ABC、F=A+B等；②三變量表決電路的設計。另一個是“計數、譯碼和顯示電路”，要求用74LS90和74LS161實現60進制計數器[9]。這兩個設計性的實驗能讓學生鞏固理論授課的相關知識，但按精品實驗的要求，這兩個實驗的設計性和綜合性就顯得不夠了。兩個實驗的設計要求過于明確，學生無需對知識進行整合和篩選就能完成。

汽車尾燈控制電路包含了組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計，其設計要求如下：假設汽車尾部左右兩側各4個指示燈(實驗箱上用發光二極管模擬，仿真用PROBE模擬)。① 汽車正常運行時指示燈全滅。② 汽車右轉彎時，右側4個指示燈從左向右循環順序點亮。③ 汽車左轉彎時，左側4個指示燈從右向左循環順序點亮。④ 汽車剎車時兩側指示燈同時亮。⑤ 脈沖電路不需要設計，由實驗箱提供。

選用汽車尾燈控制電路作為精品實驗來建設，是因為它有以下3個特點。

(1) 實驗內容設計性、綜合性強。汽車尾燈控制電路包含了數字電路的主要內容，其設計要求只有電路功能的描述，學生為了完成任務就需要在宏觀上了解數字邏輯電路的所有內容，將所學知識進行篩選和整合，在微觀上再把自己用到的內容強化學習，最后得到項目方案。

(2) 巧設情景，激發學生制作電路的興趣。學生熟悉汽車，知道汽車尾燈的工作過程。將實驗內容用汽車的形式展現出來，讓學生感到學有所用，引起學生興趣，提高學生設計電路的積極性。

(3) 相關實驗方案易查閱，且具有多樣性。學生在查閱資料時可以方便查到用數字芯片、單片機、PLC等不同器件實現的汽車尾燈控制電路的方案，學生在看這些資料時有些雖然難以深刻理解，但可以達到開卷有益、開闊思路的效果。

2 精品實驗項目的實施

2.1理論教學注重學生設計思維的訓練

理論教學遵照先講解理論知識，再介紹相關芯片及其設計電路的思路，最后仿真演示應用電路的順序組織授課內容。

比如與或非等邏輯門講完后，會介紹相關芯片，讓學生用與非門實現F=A+B，并用Multisim仿真驗證其正確性；分析了組合邏輯電路F=A⊕B⊕C的功能后，會介紹數據傳輸中如何判斷接收數據是否正確的方法—奇偶校驗，此電路可以判斷是否有1位傳錯；編碼器、譯碼器講完后，會介紹芯片74LS148、74LS138和74LS48，課堂上帶領學生設計6人病房呼叫系統，用7段數碼管顯示呼叫病人，課下要求學生在此基礎上改造，用PROBE顯示呼叫病人，實現8人病房呼叫系統并仿真驗證，學生實現的電路之一如圖1所示，從設計方案可以看出學生不僅掌握了設計思路，還熟練掌握了74LS148、74LS138芯片，為后面設計汽車尾燈控制電路做好了準備；觸發器講完后，會介紹芯片74LS74、74LS175和74LS112，設計2/4/8計數器/分頻器以及4人搶答電路；計數器介紹芯片74LS161、74LS90及其應用后，要求學生設計一個秒表等。

2.2小組合作預習、理論授課老師把關，保證預習的質量

凡事預則立，不預則廢。做實驗也不例外。預習不充分，實驗中遇到問題沒有解決思路，出現的異常現象不能深入思考背后的實質，不利于學生的實驗技能提高。因此實驗預習的重要性怎么強調也不過分。

電工電子學課程理論教學和實驗教學分別是由不同老師授課的。實驗預習報告要求學生在實驗前完成，實驗時交給實驗老師。由于沒有督促，很多學生都是臨實驗前匆匆完成實驗預習報告。對于汽車尾燈控制電路，學生不經過深思熟慮，很難完成預習報告。為了保證預習報告的質量，鼓勵學生獨立自主的完成設計方案，對預習報告環節進行了改革。

在數字邏輯電路部分授課結束后，理論老師布置一個大作業，作業需完成的內容則是設計汽車尾燈控制電路，即實驗預習的內容。采取小組合作預習方式，一個小組兩個人，可以本班組合，也可以與其他班組合，組合原則是志趣相投。建立QQ群，學生查閱資料后，與老師、同學交流，每組確定自己的方案，一周內將作業提交給理論老師。大作業在理論課平時成績中占20%。

圖1 學生設計完成的8人病房呼叫系統仿真電路

為了更好地引導學生運用所學知識，要求實現的方案需用實驗室提供的芯片完成，芯片包括74LS00、74LS08、74LS20、74LS138、74LS90、74LS161、74LS112 、74LS175。應用Multisim輔助實驗教學，可以提高實驗教學質量與效率，增強學生的實驗興趣與創新意識[10-12]。因此，要求學生方案設計出來后采用Multisim[13-15]仿真驗證，并將仿真文件提交給理論老師。理論老師只檢查是否完成了設計要求，不評價方案優劣。

學生提交的設計方案有簡單的有復雜的。對于復雜的設計方案理論老師只是提醒學生思考是否還能簡化，不否定其方案。由于篇幅有限，這里圖2～圖4只展示了學生設計的3種方案。從這3個方案可以看到學生活躍的設計思維。方案1和2設計思路巧妙，方案合理。大部分學生采用這種設計思路，只是在單元電路上有區別。比如方案1中，學生用3個與非門U12A、U13A、U14A實現或邏輯，用來選擇譯碼器74LS138的工作狀態；方案2中，學生用兩個二極管1N1202C實現或邏輯，用來選擇譯碼器74LS138的工作狀態，對于這個方案，理論老師需提醒學生在實際連電路時，二極管需要串聯一個合適阻值的電阻。還有的方案計數電路采用74LS90或74LS112實現，而不是用方案1和方案2中的74LS161實現。方案3理論可行，但實際并不這樣做，為什么不這樣做，在理論課上學生沒有找到答案，到了實驗室，實際完成電路時，按此方案做的學生深刻體會到，復雜的電路不僅使用器件、導線多，出故障也多，實驗用的時間遠遠超過了方案簡單的同學，按此方案設計的同學在實驗室都對該方案進行了修改。

2.3個人獨立實驗，保證每個學生得到鍛煉

圖2 學生設計的汽車尾燈控制電路之方案1

小組合作預習可以解決個人知識儲備不足，時間短、任務重的問題。為了避免搭便車的現象，到實驗室做實驗時，個人獨立設計實驗步驟、搭建實驗電路、分析實驗現象。采取這種實驗方式既可以培養學生團結協作的團隊精神，又督促了每個人在小組預習中積極參與，熟悉設計方案的工作原理，為個人順利完成實驗做好準備。

2.4延長實驗時間，讓學生沉心靜氣地完成實驗

汽車尾燈控制電路是一個綜合性很強的實驗，實驗的工作量增加不少，因此，將實驗時間由2學時改為4學時，保證學生有充足的時間搭建電路、分析實驗現象、改進電路。設計了實驗過程記錄表，引導學生記錄實驗過程，將遇到的問題和解決的方案記錄下來。

一個預習方案為圖3所示方案的學生，他的實驗過程記錄表中的活動內容如下所示：①檢查導線通斷；②連計數器電路，顯示正確；③連接完成實驗電路；④接通電源，操作開關，發現指示燈能夠閃爍；⑤發現電路有問題，都接高電位不亮，都接低電位全亮，并且一個開關能控制兩邊燈的點亮；⑥檢查整改電路。簡化電路，將與非門U12A去掉，換成一根導線，在兩個二極管后面接一個1 kΩ電阻，將單刀雙擲開關換成0、1位開關；⑦驗證電路，電路運行正常，能夠實現設計要求。

充足的時間使得學生可以沉心靜氣地完成實驗，并在實驗中發現問題解決問題，優化電路。做完實驗后，該同學實驗報告中的仿真電路如圖5所示。相比圖3所示方案，圖5的方案更簡化，更合理。

圖3 學生設計的汽車尾燈控制電路之方案2

圖4 學生設計的汽車尾燈控制電路之方案3

圖5 學生優化的方案

3 結 語

汽車尾燈控制電路將電工電子學課程中數字電路的內容融合在一個實驗中，對于沒有數字電路設計經驗的學生來說其難度是很大的。教師需改變重理論、輕實驗的觀念，改革理論授課方式，課堂上訓練學生的設計思維，為順利完成實驗打下理論基礎。從實驗的預習到實驗步驟的設計、實驗的完成充分融入主體性教育，突出學生的主體地位，發揮學生的主動性和能動性[16]。學生多種預習方案以及獨立實施、優化方案，說明此實驗項目培養了學生運用知識解決問題的能力，提高了學生工程實踐能力。

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DesignandPracticeofExperimentalProjectinDigitalLogicCircuit

WANGXingang，HELi，ZHANGDongzhi，JIANGWencong，RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Control circuit design for automobile tail light was proposed as a high-quality experimental project for integrating the digital logic circuit part in the courses of electrical and electronics. The project was performed through theoretical teaching and experimental teaching complements. The experiment preview was completed as a complicated theoretical homework and team cooperation was used to ensure a good learning effect. The related experiment was designed and done by the student independently, and the corresponding experimental duration was increased from two hours to four hours in order to guarantee the students have sufficient time to analyze, solve and optimize the experimental problems. From the various design, troubleshooting and optimization completed by the students, this project is beneficial to cultivate the ability of solving problems using the mastered knowledge and improves the students’ engineering practical ability.

digital logic circuit； automobile tail light control circuit； high-quality experimental project； experiment preview； engineering practice ability

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0175-04

2016-10-08

山東省教學改革研究項目(B2016M007)；山東省重點教改項目(2015Z025)；中國石油大學(華東)教改項目(JS201406)

王心剛(1969-) ，男，山東高密人，學士，副教授，研究方向電氣控制及自動化。Tel.：18266639970；E-mail: wxg7038@ sina.com