問題探究式教學模式在電路仿真中的應用

陳志勇

摘要：本文基于Proteus ISIS工具仿真搶答器電路時出現的功能異常現象，采用探究式教學模式啟發學生分析問題并解決問題，達到知識傳授和能力培養的目的。

關鍵詞：探究式教學模式；Proteus ISIS；搶答器；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）44-0056-02

一、引言

在電子產品設計制作相關課程中利用Proteus ISIS進行仿真、分析各種模擬器件和集成電路已經成為教學過程中的必要環節，但部分器件模型功能還不夠真實合理，如在本文中介紹的搶答器電路使用的編碼器74LS148[1]模型的功能就存在一些問題。針對這樣的問題在教學過程中采用探究式教學模式，引導學生思考問題，利用已學的知識分析問題本質，發揮學生的主觀能動性提出解決問題的辦法，提高學生解決問題的能力，在實際教學中具有一定的意義。

二、發現問題

按照教材要求：設計一個智力競賽搶答器，可同時供8名選手參加比賽，各用一個搶答按鈕。主持人有一個控制開關，用于控制系統的清零（編碼顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。搶答器具有數據鎖存和顯示的功能，搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在數碼管上顯示選手的編號。在有選手搶答后，要封鎖住輸入電路，禁止其他選手搶答，搶答成功的選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。用優先編碼器74LS148，RS鎖存器74LS279來完成辨別選手鎖存編號，在有選手搶答后封鎖住輸入電路禁止其他選手搶答的功能。圖1為參考教材的仿真原理圖[2]。

仿真過程中發現兩個異常現象：第一個問題現象是，74LS148的1—7數據輸入端對應的按鍵使輸入端為“0”（下文如沒有特殊說明，“0”指低電平，“1”指高電平）后，能控制數碼管顯示對應的數字，GS變為“0”，由于4R為“1”，4S為“0”，所以4Q輸出“1”，使得74LS148的EI輸入“1”，封鎖其他端口的輸入。仿真主持人的重啟動作，將SW2右側閉合再向左側閉合完成了一個重啟動作，但隨后出現了如圖2所示的現象：GS、4S、4Q、EI出現了狀態不確定（非“0”，非“1”），導致搶答器第一次正常工作后無法實現重啟功能，無法再次正常工作；第二個問題現象是，開關SW1左側閉合時，74LS148的第0數據輸入端輸入“0”，此時輸入有效輸出標志位GS本該變為“0”，但此時GS為“1”，其余的第1—7數據輸入端輸入為“0”時均能引起GS正常變為“0”。

三、探究問題

為什么會出現這樣的現象？教材上的案例是錯的？采用這些問題作為切入點，刺激學生的好奇心和探究熱情。對于第一個現象引導學生回顧能夠引起不穩定狀態的原因：在數字電路中競爭—冒險現象有可能引起電路不穩定，對于本電路中的RS鎖存器，當R、S同時為“0”時也能引起輸出Q的不確定。引導學生去復習競爭—冒險的概念和RS鎖存器的功能，討論后學生得出R、S同時為“0”引起狀態不穩定的可能性更大。基于此分析，仿真后發現若將SW2右側閉合時，4R為“0”，4S為“1”，4Q輸出“0”，但74LS148輸入端EI從“1”變為“0”時GS輸出端變為非正常“0”，由于變化時間很短使得4R和4S同時為“0”，從而引起4Q輸出不確定的狀態，導致EI和GS的電平狀態都不確定（可以通過仿真的狀態觀察到這種現象）最終導致搶答器無法實現重啟功能。通過反復驗證，得出第一個現象的本質是由于74LS148仿真模型在EI從“1”變為“0”時GS輸出端變為非正常“0”引起的。第二個現象基于74LS148的功能分析明顯是由于仿真模型的問題造成的，比較簡明。

四、改進電路及仿真

分析清楚原因后，引導學生用所學知識去解決74L148仿真模型問題，由于暫時沒有辦法得到模型源代碼，無法完善仿真模型，只能根據問題現象增加冗余電路來解決問題。針對第一個現象的關鍵在隔離EI從“1”變為“0”時GS輸出端變為非正常“0”信號。經過仿真儀表測量，發現74LS279的仿真模型輸入端設置了內部上拉高電平，GS狀態不確定時為2V左右的電平信號，因此采用了在74LS148的GS輸出端和RS鎖存器74LS279的4S輸入端串接1個電容C1，如圖3所示。根據電容器隔直通交的特性可將GS輸出2V左右的電平信號與4S隔離，而74LS279的仿真模型輸入端設置了內部上拉高電平，因此可以使4S狀態確定為“1”，這種不確定狀態在加了電容后得到有效隔離；而當GS信號真正生效，即GS由“1”跳變為“0”時，4S端出現有效的“0”信號，但是電容的選擇很重要，經過測試應該選擇1nF電容。最后經過測量，在GS和4S間再串連一個反向器如圖4所示，使得工作更穩定。針對第二個現象可以將74LS148的0輸入端和74LS279的4S連接，最終改進的仿真圖如圖5所示。改進后測試搶答器仿真電路，其工作正常穩定。

五、結語

在ISIS仿真中采用探究式教學模式，以問題為導向——仿真模型錯誤；注重學生的前認識—競爭—冒險，RS鎖存器功能；以問題解決為中心——使用仿真測量工具，利用電容通直隔交的特性切斷不穩定狀態的傳遞路徑，并對改進后的電路加以驗證。本文通過教學過程中發現的仿真模型問題探究了如何在教學過程中實現探究式教學，在教學過程中以教為輔，以學為主，培養了學生的探究能力和思維能力。

參考文獻：

[1]閻石.數字電子技術基礎（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]葉鋼，李三波，張莉.小型智能電子產品開發案例教程[M].北京：科學出版社，2013.endprint