數字電子技術課程設計教學改革創新與嘗試

摘要：介紹了以全硬件數字電壓表為課題的數字電子技術課程設計教學內容創新與嘗試過程。以Proteus軟件為仿真設計平臺，分模塊進行電路設計與仿真。通過在實驗室進行實物焊接與調試，達到測量誤差要求。最后經過驗收答辯，達到了全方位教學改革目的。

關鍵詞：數字電路；課程設計；數字電壓表；Proteus仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）49-0126-02

一、改革背景

根據目前工科電類專業教學情況來看，大學生普遍存在輕硬件、重軟件的思想，即使是參加全國學科專業競賽的學生，也都習慣于使用現成的嵌入式控制平臺和相關硬件驅動裝置，重視組裝硬件，編寫軟件。從近年我校全國電子設計競賽學生的選題來看，一般純硬件設計的題目學生都少有問津，即便選了也無疾而終。這一方面是學生學的問題，另一方面也反映出老師教的問題。因此，改革電子技術實踐教學內容和手段，多強調和實踐硬件電路的設計與調試，學生就會建立一個比較全面的系統設計概念。作為教師，主要應該從模擬電子技術和數字電子技術基礎教學改革來抓起。

數字電子技術課程設計是在校工科大二學生的一門重要實踐課程，根據我校教學情況，結合網上資源，課程設計題目不外乎以下幾種：數字鐘、彩燈控制、搶答器、音樂教室控制臺、出租車計價器等，雖然也有新的題目出現，但仔細分析，要么是內容過于簡單，要么是所包含的知識面太窄，不能全面鍛煉學生對數字電子技術知識的掌握和運用。同時，由于題目老化，學生很容易簡化設計過程，直接步入電路制作過程，失去了課程設計的本意。本文以一種新型的數字電子技術課程設計內容“數字電壓表”為例，介紹該實踐教學課程改革的內容、過程和效果。

二、案例設計任務及方案

該數字電壓表測量電壓范圍為DC 0—4V，誤差小于0.05V。要求不能使用單片機和任何軟件進行控制，而是以A/D轉換器、移位、計數和數碼顯示等全硬件電路來實現。主要目的想通過一個簡易直流數字電壓表的設計仿真和調試過程，介紹自己在實踐教學中所進行的改革和嘗試，以啟發廣大師生重視硬件電路設計，重視教學內容和教學方法的創新，以達到更好的預期教學目標。

根據給定的課程設計任務，要求每個同學確立一個設計方案，并畫出直流數字電壓表的功能模塊結構圖。依照功能結構模塊圖，按模塊進行數字電路原理圖的設計，和仿真，最終分模塊進行焊接和調試。

本例中，主要由A/D轉換模塊、時鐘模塊、二—十進制轉換模塊、顯示模塊和復位/啟動模塊組成。其中，二—十進制轉換模塊是本設計的核心模塊，主要由加、減計數器模塊組成。學生應根據核心模塊實現的功能去設計周邊模塊。為了方便元器件的集中購買，教師在任務書上可給出部分可選元器件。比如，ADC使用ADC0808或ADC0809并行8位模數轉換器（滿足精度要求），時鐘電路采用555定時器，減計數采用四位二進制可逆計數器74LS193，加計數采用四位十進制加計數74LS160，數碼管要求用四個帶小數點的七段顯示器，模擬量用滑動變阻器和DC 5V電源組成，復位/啟動電路可根據各功能模塊需求自行設計。

學生一人一題，單獨設計和制作。下達任務（1天），接著在老師的指導下在機房進行分模塊Proteus仿真設計（共3天），仿真電路由老師驗收合格后，可領取元件，進行分模塊焊接與調試（5天），最后是驗收答辯（1天），共兩周時間。

拿到任務后，學生應從何處著手或遵循什么樣的思路去進行設計和調試電路呢？下達任務后，給出一天的時間讓學生來選題和進行設計思考，通過思考會發現，ADC和加、減計數器都需要時鐘脈沖信號，因此必須先設計由555組成的時鐘電路。其次，二進制減計數的初始值是ADC輸出的數字量，因此必須先設計ADC電路，再設計減計數模塊，而加計數模塊是為了完成BCD碼轉換進行顯示用的，因此，最后設計加計數和顯示模塊，中間可加上必要的啟動和復位電路。有了這樣的思路，在Proteus平臺上進行分模塊設計與仿真就OK了。

三、Proteus電路設計與仿真

Proteus是一款功能齊全的電子線路設計仿真軟件，尤其在電子技術學習過程中是不可缺少的仿真平臺，又稱電子技術虛擬實驗室。利用Proteus來設計電路可以起到事倍功半、縮小設計周期、足不出戶使可獲取大量設計資源等傳統電路設計無法比擬的優勢。該電路的仿真也是根據功能電路模塊來進行的，即首先要確定模塊設計的順序，這里應按照時鐘模塊A/D轉換模塊→二—十進制轉換模塊→復位/啟動模塊→顯示模塊的順利進行設計和仿真。設計一個模塊，仿真一個模塊。關聯模塊要聯合仿真，如時鐘模塊和A/D轉換模塊等，最后進行完整電路的連接和統一仿真。對單個模塊仿真中出現的每個問題都認真排查和改進，這樣在最后整個系統電路仿真時才不會太大的故障。

以ADC0808元件為核心，先上網查找元件的詳細說明書，明確各引腳功能及使用。打開Proteus ISIS，調出ADC0808，再調出相應電阻、開關、5V直流電源和直流電壓表等，根據分析可連接A/D轉換電路。仿真時，必須結合時鐘電路輸出的100kHz的時鐘信號才能進行。用一個可調電阻作為電路采集電路，改變電阻值，看ADC輸出的數字量是否變化，然后計算數字量是否和采集到地模擬電壓值相當。具體的算法不再詳細分析。

四、焊接與調試

通過老師的指導，學生把各個功能模塊的電路在Proteus中設計仿真完成之后，再進行整體連接和仿真調試。經過指導老師驗收合格后的仿真圖，學生便可以打印出來，照圖領取元件并進行實物焊接和電路調試了。

在焊接時要注意以下幾個方面問題。

1.分模塊進行焊接和調試。

2.每焊接一個功能模塊，一定要設計好調試方案，只有調試出前一個模塊的功能，才能進行下一個模塊的焊接。

3.每個模塊都調試正確后，方可把模塊間的引線連在一起進行整體調試。

4.焊接時應焊接集成芯片對應的插座，要注意元件的封裝，調試時再安裝芯片，以免焊接時燙壞芯片。

5.不要忘記焊接集成芯片的電源和接地線，最好統一排規整，以便排查故障。

6.要善于利用實驗臺上的裝置和儀器，注意斷電后進行電路焊接，上電后進行電路測量。

在實際指導過程中發現，萬能板焊接故障點多，如果使用自制印刷電路板，則故障點就降低了很多，容易實現電路功能。

為了考查學生對課程設計內容的全部掌握情況，驗收時除了對電路板功能和焊接情況進行驗收，還增加了答辯環節，即老師隨機提問，主要針對設計和調試過程中遇到的相關理論知識、實際應用等進行提問，每個學生2—3個問題，小到器件的管腳功能及參數值選定，大到功能模塊的設計原理不等，每個學生都不一樣。增加答辯之后，學生的電路板雖然測試成功，但都不急著驗收，而是在忙著看書，上網查資料，自己查找問題，把自己的設計制作內容從頭研究一遍。達到了預期的教學目的。

五、結論

本課題涵蓋了數字電子技術中重點章節知識點，如脈沖發生電路，模/數轉換電路，組合邏輯電路（顯示譯碼器、集成組合門電路），時序邏輯電路（移位電路、計數電路、觸發器）。根據設計任務和要求，提出分模塊進行電路設計與調試。在Proteus虛擬實驗平臺上能加強學生自主設計的興趣和能力，通過獨立焊接調試和驗收答辯，提高了學生綜合運用數電知識解決分析實際問題的能力，鍛煉了學生的實踐操作技能。

參考文獻：

[1]朱清慧.Proteus—電子技術虛擬實驗室[M].北京：中國水利水電出版社，2010.10.

[2]王艷春.數字電路課程設計教學改革與實踐[J].中國電力教育，2010，1.endprint