數字電子技術的交叉實驗設計與分析

江華麗　張榮輝

摘要：傳統的數字電子技術實驗教學環節基本依附于課程的理論教學，實驗項目也基本上以配合理論教學的驗證性實驗為主。因此，必須對實驗內容、實驗方法進行全面改革，更好地提高學生的綜合素質。本文結合自身多年的教學經驗，提出對數字電子技術中的實驗教學內容進行改革研究，融合專業中的核心課程進行交叉教學，設計具體實例，分析課程交叉教學，該改進教學方法有助于學生更好地掌握知識，拓展學生知識面，提高學生創新能力。

關鍵詞：數字電子；核心課程；交叉教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0165-02

1 引言

《數字電子技術》是電子信息工程專業和理工科專業的主要技術基礎理論課，在電子信息工程專業課程體系中具有重要的地位。課程的目標是使學生掌握數字邏輯電路的基本工作原理、基本分析方法和基本應用技能，使學生能夠分析、設計由各種邏輯門電路、數字集成電路構成的基本電路，并初步具備根據實際要求應用這些單元電路構成簡單數字電子系統的能力，為專業課程如《單片機原理與應用》和《EDA技術》等學習奠定扎實的基礎[1-3]。《數字電子技術實驗》課程目的是使學生動手實踐，培養電子系統設計與實際制作能力。通過電子系統的設計、制作、調試等，培養學生的初步工程能力。傳統實驗教學基本上都是配套教材進行驗證性實驗，實驗內容單一，實驗方法按部就班，學生在實驗過程中不能發揮主動性，實驗效果不佳，因此需要改進教學實驗方法，提高學生動手能力。

2 電子核心課程體系

以電子信息工程專業為例分析，學習數字電子技術需要結合已學習過的《電路分析基礎》和《模擬電子線路》等進行課程之間的聯系，構建綜合的電子系統設計概念[4-7]。在保證基本概念、基本原理和基本方法的前提下，用數字的邏輯概念，從邏輯門的學習，逐漸引導學生如何進行分析數字邏輯電路的功能，到如何設計數字邏輯電路，如何將模擬電路和數字電路進行結合。在教學計劃安排上，將數字邏輯電路知識放在模擬電路之后，半導體器件的學習主要是在模擬電路部分，模擬電路部分詳細介紹半導體器件的內部結構，在數字電路部分則主要介紹半導體器件的開關作用及用半導體器件組成各種邏輯門。電子信息專業課程中的核心課程為《數字電子技術》、《模擬電子線路》、《電路分析基礎》、《C語言程序設計》、《單片機技術》、《高頻電子線路》、《嵌入式系統》等課程，根據各門課程要求分析，課程之間存在緊密聯系，其中硬件電路包含《數字電子技術》、《模擬電子線路》、《電路分析基礎》、《單片機技術》、《高頻電子線路》、《嵌入式系統》，這幾門課程關聯性強，在教學中可以進行融合教學。例如三極管器件的學習，在模擬電路和數字電路里都是主要的器件，不同課程中的側重點不同，三極管在模擬電路中主要起放大作用，處理模擬信號，而在數字電路中則用于設計邏輯各種邏輯門，構成不同的邏輯芯片。在教學中可以用具體實例分析課程之間的相關性，有利于學生更好掌握理論知識[8]。

3 實驗教學改革實例

3.1 基礎性實驗案例設計與分析

在實驗過程中，教師應重在“引導”。通常做實驗的時候，以教師講解、輔導為主，學生按照教師的安排步驟進行實驗，始終處于被動地位，不利用培養學生的能力。教師應有意識的改變這種方式，給學生留有獨立思考的空間，啟發學生運用所學的專業知識自己去解決實驗中遇到的問題，鼓勵學生相互討論。

案例1：設計全加器電路。

分析：該實驗屬于數字電子技術中的組合邏輯電路部分，實驗目的在于讓學生掌握全加器的概念，理解全加器和半加器的區別。全加器是能夠計算低位進位的二進制加法電路。與半加器相比，全加器不只考慮本位計算結果是否有進位，也考慮低一位對本位的進位，可以把多個一位全加器級聯后做成多位全加器。教師在指導學生實驗時可以讓學生自由發揮，不局限于本章節內容設計，可用不同章節方法設計出同樣的效果，也可以跨課程交叉方法設計。該設計舉以下兩種方法，方法1設計全加器電路，理論知識是固定的，但是設計過程是靈活的，輸出端Si和Ci的邏輯表達式學生可以自由化簡，每個同學設計的電路圖可以不同，根據實驗室提供的芯片進行設計，同學們在實驗過程中會發現很多不同的問題，例如芯片懸空端處理，芯片管腳不同，電路的復雜程度等，在設計過程中提出問題，對比各種方法的電路圖復雜程度，理解實現最簡電路圖的實質。方法2用集成芯片實現全加器，學生首先要掌握選擇器的概念，掌握如何確定選擇器的數據端信號。這兩種方法是不同章節的內容，學生可主動學習，用不同章節的內容進行融合設計。

方法1：假設全加器有三個輸入端Ai、Bi、Ci-1，二個輸出端Si、Ci，其真值表如表1所示。其中Ai、Bi分別是被加數、加數，Ci-1是低位進位，Si為本位全加器和，Ci為本位向高位的進位。

由真值表可分別寫出輸出端Si和Ci的邏輯表達式：

邏輯電路圖如圖1所示。

方法2：用雙4選1數據選擇器74LS153及74LS00與非門實現一位全加器。假設全加器中Ai為被加數，Bi為加數，相鄰低位來的進位數為Ci-1，輸出本位和為Si。向相鄰高位進位數為Ci，實際電路圖如圖2所示。

3.2 綜合性實驗案列設計與分析

課程實驗內容應具有實用性、綜合性、先進性。結合本課程課時安排、學生基礎和實驗條件，有計劃的更新實驗內容，由驗證型實驗向綜合型、設計型實驗轉換，特別在應用模塊部分開展與專業背景相結合的實驗項目，讓學生感覺課程的作用和意義，以激發他們學習的積極性和主動性。除了基礎實驗，實驗內容的改革需增加綜合實驗部分。增加綜合實驗，讓學生自主設計電路，為學生提供器件，提高動手能力，而不只是基礎理論實驗。

案例2：設計流水燈實驗，設計一個8位LED流水燈的電路，燈從左向右流動，到達最右側后，返回流動，如此循環。

分析：該設計屬于綜合實驗部分，流水燈實驗的設計在模擬電路、數字電路和單片機系統設計課程中是個很典型的例子。在數字電子技術中要實現流水燈實驗，可以根據移位寄存器和觸發器、定時器進行設計，課程沒有明確的電路圖提供學生參考，鼓勵學生自己設計電路，對實驗進行改革嘗試，培養學生實驗設計能力和創新能力。該流水燈設計舉以下兩種方法，方法1用定時器和移位寄存器設計，燈左移、右移的控制，用D觸發器的Q與輸出端連接移位寄存器的左移、右移控制端，利用其異步置1與置0的功能，進行自動控制。方法2用單片機實現8位LED燈的流動顯示，用單片機和C語言程序對流水燈進行自動控制。兩種方法屬于兩門課程，在教學中可以指導學生用自己所學過的知識去實現設計功能。

方法1：用555定時器和兩片CD40194/74LS194移位寄存器實現8位LED燈的流動顯示。

方法2：用單片機實現接在 P0口的8個LED從左到右循環依次點亮。（如圖3所示）。

4 結語

本文在基礎實驗和綜合實驗中分析數字電子技術實驗教學內容和教學方法的改革，除了教學內容的改革，可開放實驗室為學生提供更多實踐的機會。通過組織各類科技活動，鼓勵學生參加“大學生創新實驗”。結合實驗室的條件，學生可根據自己的專業和興趣，自由選擇相應的實驗題目，根據實驗室安排實驗時間，選做實驗，自己設計、調試、完成。當然，教師也要做一些必要的指導，這樣可以使學生得到更好的鍛煉，培養學生獨立思考、獨立操作和獨立分析解決問題的能力。

參考文獻

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