應用型本科“數字電子技術”課程教學改革研究

司慧玲

（鄭州工業應用技術學院，河南 鄭州 451100）

應用技術型普通本科院校主要突出應用型專業教育，培養具有創新精神和實踐創造能力的高素質應用型高級專門人才。數字電子技術在通信網絡中具有不可替代的作用。“數字電子技術”是一門實踐性很強的技術專業基礎課程，從基礎知識到分立元器件，再到中規模組合邏輯器件和時序邏輯器件，內容較多，同時課程授課時間比較緊張，就會存在理論教學中以授課為主、后面形成教師為教而教地趕進度、知識之間脫節等現象，即使教師有心在課堂上要利用仿真軟件直觀演示，但已經沒有精力和時間來分配，學生方面也只能被動地聽，然后去實驗室進行相應的驗證性實驗，形成“理論講解”和“實踐演示”的分段教學，教師疲于教和學生疲于學，最終導致學生在學完課程內容后并不能形成完整的知識體系，不能很好地應用于實踐，教學效果大打折扣，更談不上能力的培養。下面以項目“數字搶答器電路”談談“數字電子技術”課程教學的改革思路。

1 項目的選取

授課教師在項目選取上一定要選難易適中，并且知識點綜合性較強的案例，如八路數字搶答電路，如圖1 所示。選取該電路有諸多優點，具體如下：①學生對實際生活中的搶答現象比較熟悉，所以該電路可以引起學生的共鳴，參與課堂的討論，繼而在內容學習之前已經很大程度上激發起學生的學習積極性，從而也不再覺得學習元器件是很枯燥的事情；②該電路對于初學集成器件的學生來說，難度適中，并不會讓學生一看到電路就有被嚇退的感覺，并且學生會有一種急于探索搶答功能是如何實現的心情，主動參與到下一步的學習中來；③該電路綜合性較強，綜合了中規模組合邏輯器件中的8-3 線編碼器74HC148、顯示譯碼器74HC4511、鎖存器和數碼管顯示電路等數字電路設計中常用的內容；④可以通過該電路分析，初步培養學生分析和設計系統的能力，讓學生對所學知識建立整體意識，認識到數字電路的魅力；⑤引入Proteus仿真軟件，學生在學習理論內容的同時，也熟悉了一種仿真軟件，讓學生清楚看到在學習過程中很多情況下要借助工具來驗證我們的設計才能最終實現目的，而且該軟件也會在以后的單片機技術專業課程中應用，為后面專業課學習或學習其他軟件工具打下良好的基礎。

圖1 八路數字搶答電路

2 項目實施

2.1 電路功能

讓學生充分討論該電路所要實現的具體功能，通過討論活躍課堂氣氛，聯系實際生活中的搶答用途，設置一系列問題讓學生思考，在實際應用中是否要有主持人控制開關？搶答開始時，如果其中一路搶答到，其他七路是否還能繼續按按鍵進行搶答？搶答過程中，數碼管顯示應該是如何工作的？最終確定電路能完成八路搶答功能是當主持人控制開關，控制為開始時，選手開始搶答，當某一路搶答到，如S6 搶到，則數碼管顯示6，隨后其他任意一路再進行搶答時均無效，本輪結束后，由主持人清除后，搶答電路復位，即可進行下一輪搶答。同時用Proteus 仿真軟件來演示該功能，學生直觀觀察電路功能，S6 按鍵先按下時搶答電路如圖2 所示；此時假設S0 再按下，搶答無效，如圖3 所示。

圖2 S6 按鍵先按下時搶答電路

圖3 S0 按鍵再按下搶答電路無效

2.2 各模塊分析

2.2.1 編碼模塊

課堂上讓學生百度查找74HC148 功能，引導學生查找并閱讀文獻資料，培養學生查閱文獻能力，這也是培養大學生自主學習能力非常關鍵的一步，學生只有會查閱大量的文獻，然后才能增加自己的知識儲備，從而進行創新。學生查找74HC148 中文資料，從中找到其功能表，如圖4 所示。有時資料中的介紹和仿真軟件中邏輯圖引腳命名雖有所不同，但功能是一樣的，EⅠ為控制端，低電平有效，即當EⅠ輸入端為低電平時74HC148 正常工作，能正常編碼，在該電路中輸入端能夠進行搶答，芯片有相應的輸出；否則芯片禁止工作，搶答無效，芯片輸出端全部為高電平。編碼正常工作時，搶答的八路輸入Ⅰ0—Ⅰ7 為低電平有效，有相應的編碼輸出，如當S6 按鍵按下時，Ⅰ6 輸入為低電平，編碼輸出A2A1A0 為001，其為反碼輸出，原碼為110，此時GS 輸出為低電平。

圖4 74HC148 功能

2.2.2 鎖存器電路

學生百度查找74HC279 功能，可以查到其引腳圖和功能表等，查到的功能如圖5 所示，它集成了4 個與非門組成的基本RS 觸發器，因此引出與非門結構的基本RS 觸發器的功能分析，輸入低電平有效，功能有保持、置零、置位3 種，結合與非門電路和功能表進行理解。

圖5 74HC279 功能

在搶答器電路中，進一步理解74HC148 和74HC279 的級聯。因主持人開關在上側，74HC279 的1R—4R 輸入端均接高電平，而編碼器輸出A2A1A0的001 和GS 輸出的低電平送至鎖存器，所以74HC279的4S 為0，3S2S1S 為001，所以鎖存器的輸出4Q 為1，3Q2Q1Q 為110，同時4Q 的高電平反饋到74HC148的EⅠ輸入端，編碼器停止工作。

2.2.3 譯碼顯示模塊

該模塊完成搶答的譯碼和顯示功能，通過閱讀文獻查找顯示譯碼器74HC4511 和七段數碼管的邏輯圖和功能。學生首先要理解七段數碼管的顯示原理，如何使用是重點，實際應用中分共陰和共陽2 種，共陰的公共端接低電平，每段需高電平點亮；共陽的公共端接高電平，每段需低電平點亮。其次理解74HC4511的譯碼功能，主要理解對8421BCD 的譯碼功能，其控制端的控制功能，強調該顯示譯碼器是輸出高電平有效的譯碼器，也即輸出高電平去點亮數碼管的相應字段，那么提出問題讓學生思考，使用時是選用共陰的還是共陽的數碼管？然后進行擴展，顯示譯碼器也有輸出低電平有效的，那么選用時注意配用關系，否則電路設計就會出錯，所以在該搶答電路中，就選用的是共陰數碼管。最后，完成二者之間的級聯，只需將每一段分別連接即可，但使用中注意要用限流電阻，否則數碼管容易燒壞，在此就強調學生在學習過程中要從實際出發，不能滿足于理論分析即可。

那么74HC4511 如何和前一級電路74HC279 的輸出進行級聯呢？將74HC279 的輸出3Q、2Q、1Q 分別連接到74HC4511 的C、B、A 端，D 端直接接低電平，74HC4511 的控制端接有效電平才能正常譯碼，這里的問題是其BⅠ輸入端的處理，為什么要和前一級的4Q連在一起呢？學生要進一步思考加以分析才能解開謎底，當4Q 的高電平反饋到74HC148 芯片的控制端EⅠ的同時，也即編碼器不工作，而譯碼器滿足了工作條件，正常譯碼，對輸入端D、C、B、A 的8421BCD碼0110 進行譯碼，從而使得數碼管顯示6 數字。

系統分析到這里，看似已經完成，實則并未透徹，在編碼器收到反饋信號的控制不工作時，74HC148 的輸出也發生了變化，那么會不會因此影響到整個電路的輸出呢？當74HC148 不工作時，輸出端全部為高電平，鎖存器74HC279 在輸入端全部為高電平時是保持功能，因此鎖存器的輸出保持狀態，那么后面的電路信號都將保持不變。無論其他七路如何搶答，數碼管仍然只顯示6 不變。

學生在教師的一步步引導下，不斷地去探尋電路內部信號的控制，在解決一個又一個問題中獲得知識的滿足感，學習的興趣會越來越濃厚。

2.2.4 設計驗證

通過搶答器電路分析，把相關的理論知識一環接一環地學習到位，并且已經把所學內容系統化，而且也學會了舉一反三。但結果的正確與否是需要調試的，對于還沒有開展專業課學習的學生來說，這些都是全新內容，大學的專業課程學習中，也會用到仿真軟件，當然工具有很多種，不必拘泥于一種，如Proteus、Multisim、Protel 等專業軟件都是電類專業在學習中將會使用的，通過介紹拓寬學生的視野，在課上引導學會一種，課下自學其他，從而培養學生的自學能力。在用Proteus 進行搶答器電路仿真中，用到的庫中元器件如圖6 所示。

圖6 搶答器電路元器件

電路設計并非一種方案，也有很多種其他思路，讓學生利用課外時間分組去探索其他的設計方案或者嘗試進行一些其他的數字電路設計，并進行軟件仿真調試；并且學生也需要進一步完成實物的搭建和調試，在完成實物的過程中，又會遇到很多實際的問題，比如手邊沒有現有的元器件，能否用其他元器件代替，也需要走線和焊接多方面的知識，完成的過程需要組內成員團結協作，不但培養學生的實踐動手能力，也培養學生之間的團結協作和溝通能力。

3 結語

在“數字電子技術”課程的教學過程中，教師應從整體上把握數字電子基礎課程前后之間的聯系，形成整體，選取比較典型的綜合性項目引入教學，將從元器件學習到單元電路的學習，最終再到系統分析和設計的學習，形成整體意識，從而優化了課程內容，能在有限的時間內使得學生把握住了重點，也提高了學生的學習積極性，培養數字系統整體的分析和設計能力，從而提高學生的創新能力和實踐能力，完成應用型本科學生的培養目標。