“數字電子技術基礎實驗”課程教學改革

趙曉虎，王怡影，樊敏，孫苗

（合肥師范學院，電子信息系統仿真設計安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

0 引 言

學習“數字電子技術基礎實驗”課程，是為向電子信息行業微波工程等領域輸出具備電子信息工程學科深厚的基礎理論和專業知識，具有出色的創新能力和高度的社會責任感，并能從事與電子信息系統有關的設計、操作及管理等方面工作的應用型工程技術人才。

通過本實驗課程的學習，不僅能夠加深學生對理論教學內容的理解，使學生熟練掌握常用數字電路儀器設備以及集成芯片的使用，而且學生經過系統嚴格的實驗技能訓練，也能夠掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧。培養學生理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力。

傳統的實驗課程主要以實驗箱中電路搭建為主，通過讓學生動手操作，完成實驗電路的搭建，這種教學方式固有的局限性是不可能讓所有學生在實驗室里完成各種實驗的。本課程在傳統實驗箱的基礎上，增加了Multisim 仿真軟件輔助實驗教學，教師可通過學習通等教學平臺及時查看學生的完成情況并給出相應的反饋。

1 教學設計

1.1 改革實驗項目

項目教學法中多元教學模式的開展以引導式教學法為前提，對數字電子技術基礎實驗教學內容進行迭代式的項目教學設計，保證教學內容的完整性，提高教學質量，激發學生學習的主觀能動性，提高學生的實踐能力與創新能力。新模式是把理論教學內容融合到與之同步的實驗項目中，合理設計實驗項目，課程內容以基礎型、擴展型、綜合設計型3個類型的項目展開，內容與難度層層推進，分層次逐步展開教學。除了基礎實驗教學內容之外，還增加了拓展課程教學內容，部分拓展課程教學內容如表1所示。為了拓展學生的知識面，采用實例驅動的方式，將課本中的基礎知識與實際應用聯系起來，設計一些常見的電子電路，為培養應用型人才奠定基礎。

表1 拓展課程教學內容

1.2 增加課程教學資源

引入學習通、雨課堂等課程教學平臺，利用平臺中的課程資源讓學生提前預習，提前了解本次課程的實驗原理以及需要設計的電路。這樣就克服了傳統預習報告的弊端，不必在抄寫上耗費大量時間，通過教學視頻可以讓學生直觀地感受實驗操作步驟。

1.3 合理利用仿真軟件

Multisim 是美國國家儀器（NI）公司推出的一款專門用于電子電路仿真和設計的軟件。該軟件以Windows 為基礎，采用圖形界面風格，學生操作起來十分便捷。該款軟件提煉了SPICE 仿真的復雜內容，學生無需深入掌握SPICE 技術便可快速搭建電路原理圖，并對電路進行仿真，非常適合應用于模擬/數字電路等課程的教學中。

因此，在教學中輔以Multisim 電路仿真軟件。通過使用Multisim 電路仿真軟件，掌握小規模基礎電路、觸發器、譯碼器、數據選擇器、移位寄存器、555 定時器等芯片的基本原理及應用，并能夠運用所學知識進行電子綜合設計。

1.4 改革考核方式

采用平時成績和期末成績相結合的考核方式，同時將線上觀看教學視頻、軟件仿真學習情況計入平時成績，充分調動學生的學習興趣，老師可以通過線上平臺了解和監控學生的學習情況。

2 教學案例

只要是在計算機中安裝了Multisim 電路仿真軟件，就相當于擁有一個設備齊全的電子實驗室，教師可以在多媒體教室中分析電路的特性，解釋各種參數變化對電路的影響，演示實驗結果，并根據需要隨意控制它們。學生還可以自行設計模擬電路，并通過實驗得出結果。這種教學模式生動有趣，既能激發學生的學習興趣，又能加深學生的理解，既能提高教學質量，又能降低教學成本。接下來分別通過兩個仿真實例來說明Multisim 電路仿真軟件在組合邏輯電路和時序邏輯電路中的應用。

2.1 組合邏輯電路實例

以往的教學中只從理論層面講解組合邏輯電路的特點，實驗過程中學生僅僅通過實驗箱來完成簡單的連線操作以實現簡單的電路組合，學生并不完全明白其中的邏輯和原理。為了使學生能夠更加直觀具體地感受組合邏輯電路的含義，上課前可以通過仿真軟件讓學生先自主完成電路的設計，讓學生以實際行動參與其中，提升學生的自主思考能力。以四路表決器為例對組合電路進行說明，當A、B、C 和D 四路輸入信號中有3 路及以上為真時，輸出F 為真，四路表決器的真值表如表2所示。

表2 四路表決器真值表

根據真值表畫出的卡諾圖如圖1所示。

圖1 四路表決器卡諾圖

由卡諾圖可以得出四路表決器輸入輸出之間的邏輯表達式為：

而與非門能夠實現電路中的各種邏輯結構，具有電路簡潔和便于制作的優勢。因此，將式（1）簡化為式（2）的形式，即使用5 個與非門實現的四路表決器，邏輯結構如圖2所示。

圖2 四路表決器邏輯結構圖

上實驗課前，以抄寫為主的預習并不能起到很好的效果，為了讓學生更好地理解四路表決器的功能，摒棄傳統紙質的實驗預習報告，采用Multisim 軟件對邏輯電路進行仿真。芯片74LS20 采用常用的雙4 輸入與非門集成電路，內含兩組4 輸入與非門，因此可選用3 個這樣的芯片實現四路表決器。

在Multisim 軟件中通過3 個74LS20 芯片實現的四路表決器如圖3所示。其中輸入端口開關A、B、C 和D 分別連接5 V 的電源，芯片U1 和U2 的兩組輸入信號分別按圖2中4 組第一級與非門輸入方式連接，U3 的一組輸入信號分別接U1、U2 的輸出，U3 的一路輸出連接燈泡X1。通過燈泡X1 的狀態來表示最后的輸出結果，亮表示表決通過，滅表示表決未通過。通過仿真控制開關A、B、C 和D 的閉合與斷開，實現四個輸入端口高低電平的輸入，最終實現燈泡X1 的亮與滅。通過該實例可讓學生明白，燈泡X1 的亮與滅狀態僅與開關A、B、C、D 的組合狀態有關，不受其他變量的影響。讓學生在直觀的現象中明白由邏輯門和電子元件組成的邏輯電路由于電路中沒有反饋，不存在記憶元件，所以該種電路在任意時刻的輸出狀態僅取決于該時刻各輸入的狀態組合，而與時間變量無關。

圖3 Multisim 仿真軟件演示四路表決器的功能特性

2.2 時序邏輯電路實例

時序邏輯電路作為數字電路中的重點知識，由于其比較抽象，學生理解起來有些困難。時序邏輯電路的輸出狀態不僅與當前的輸入狀態有關，還與輸出狀態的原始狀態有關，相對于組合邏輯電路，引入了反饋的概念，即將當前輸出狀態反饋給輸入信號，其下一次的輸出狀態又會受到當前輸出狀態的影響，即增加了存儲電路用來存儲當前的輸出狀態，以便共同參與下一次輸入狀態的變化。因此在時序電路中引入了具有記憶功能的電路單元——觸發器。為了讓學生更加深刻地理解時序邏輯電路的含義，理論知識學習完以后，可通過仿真軟件來演示時序電路的功能，使學生進一步理解電路的含義。

以生活中遇到較多的十進制計數器為例，4 位二進制能夠實現16 種狀態，即狀態0000～狀態1111。若采用4 位二進制實現十進制數0～9，則需要去掉1010～1111 這6種狀態。如圖4所示為4 個JK 觸發器組成的8421BCD 碼同步十進制計數器的邏輯圖。～代表4個JK 觸發器，～為對應觸發器的輸出值。

圖4 同步十進制計數器邏輯圖

各個JK 觸發器的驅動方程如式（3）所示：

將式（3）中的各關系帶入JK 觸發器的特性方程即可得到該計數器的狀態方程，如式（4）所示：

假設計數器的初始狀態為0000，根據式（4）可計算得到各觸發器當前狀態之后的下一次狀態。計數器由的初始狀態0000 遞增至最終狀態1001，即代表十進制數0～9。

由此可見理論教學不夠形象，學生對教師講解的知識理解起來有困難，實驗課中僅通過實驗箱來完成簡單的連線操作得出結果，容易產生學生思考積極性不高，理解不透徹等問題。為了能讓學生更好地理解計數器的原理和功能，采用Multisim 軟件實現計數器電路的仿真，可讓學生積極主動地參與其中。芯片74LS162 作為一款常用四位二進制可預置數的同步計數器，被廣泛運用在各種電路中。如圖5所示為在Multisim 軟件中通過該芯片實現的十進制計數器。

圖5 Multisim 仿真軟件演示十進制計數器的功能特性

在圖5中，U1 為74LS162，通過頻率為2 Hz 的時鐘源V1 來驅動計數器計數。燈泡Q、Q、Q、Q分別連接芯片74LS162 的QA、QB、QC、QD 引腳，用四個燈泡的亮和滅分別代表計數器狀態的高低電平，即用燈泡的亮和滅狀態來表示二進制數的1 和0。將74LS162 的4 個輸出引腳連接DCD-HEX 數碼管U2，根據74LS162 輸出的狀態顯示十進制數0～9。4 位二進制數可以產生16 種狀態，因此需要去掉1010～1111 這6 種狀態，在這6 種狀態里對應圖4中觸發器和的當前狀態和均為高電平，因此可以通過一個與非門實現，當和均為高電平時使計數器恢復至初始狀態。在圖5中可通過雙輸入的與非門器件74LS00D 實現，將與非門的輸出端連接U1 的CLR 引腳，此引腳為低電平有效。當U1 的QD 和QB 引腳同時輸出高電平時，與非門U3A 的輸出為低電平，驅動U1 復位，以此實現計數器的清零，同時實現數碼管U4 顯示字符0。在該示例中通過改變時鐘源的頻率可觀察到四個燈泡和數碼管狀態變化的快慢，讓學生明白時鐘源的作用，從而進一步理解時序電路中“時序”的概念，讓學生在直觀的現象中明白時序邏輯電路中當前狀態與下一次狀態之間的關系。正因為有存儲元件的存在，才能實現計數器根據前一次的狀態值來決定當前的狀態，而不是簡單的兩種狀態的重復。

在教學中使用Multisim 電路仿真軟件不僅能提升學生的參與度，還能通過各種演示實例讓學生了解常見器件的功能和使用方法，加深學生對電子元器件的認識。比如可通過多個74LS162 實現對時鐘的分頻，通過對單個時鐘源分頻來滿足電路中對各種頻率信號的需求，交通燈計時顯示常用的數碼管，等等。

3 結 論

基于數字電子技術基礎實驗的改革，增加線上教學資源和軟件仿真，增強學生的學習興趣，實現課前預習、課堂講授、課后考核。利用Multisim 電路仿真軟件不僅可以對理論知識進行驗證，還能加深學生對理論知識的理解，提高學生的軟件操作能力，強化對各種電子元器件原理和功能的認識，為后續的單片機應用、EDA 技術應用等實踐類課程打下堅實的基礎。