實物在環(huán)實時仿真教學法研究

摘? 要：新工科背景下，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力，建設國家級一流本科課程，提出了一種新型的適用于電子技術基礎課程的教學方法——實物在環(huán)實時仿真教學法，應用于北航數字電子技術基礎課程。通過口袋儀器和實際硬件進行數字電路設計，可解決虛擬仿真的真實性問題，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力；通過虛擬儀器展示波形，使知識難點可視化，有助于學生更快、更深刻理解。實踐表明，這種方法取得了良好的教學效果，提高了教學質量。通過該教學方法學生獲得了更豐富的學習體驗，培養(yǎng)了創(chuàng)新實踐能力。

關鍵詞：實物在環(huán)仿真；口袋儀器；數字電路設計；虛擬儀器；知識難點可視化

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）02-0106-05

Abstract： Under the background of new engineering， in order to cultivate students' ability of innovation and practice and build a national first-class undergraduate course， a new teaching method suitable for the basic course of electronic technology， the hardware-in-loop real-time simulation teaching method， is proposed， which is applied to Fundamentals of Digital Electronic Technology course of Beihang University. Through the digital circuit design of pocket instrument and actual hardware， the authenticity of virtual simulation is solved， and the ability of students to solve complex engineering problems is cultivated. In addition， through the virtual instrument display waveform， the knowledge difficulties can be visualized， helping the students understand faster and deeplier. The practice shows that this method improves teaching quality. Through this kind of hardware-in-loop real-time simulation teaching method， students get a richer learning experience in the course of Fundamentals of Digital Electronic Technology， and are cultivated to have the ability of innovation.

Keywords： hardware-in-loop simulation; pocket bench; digital circuit design; virtual instrument; visualization of knowledge difficulties

“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1]。為響應國家號召，進一步推動工程教育改革創(chuàng)新，加快建設新工科，2017年2月開始，教育部多次召開新工科建設研討會，達成新工科建設“復旦共識”，構建了新工科建設“天大行動”，制定了新工科建設“北京指南”，標志著我國高等工程教育進入了新階段[2-3]。2018年6月，教育部在新時代全國高等學校本科教育工作會議上首次提出“金課”概念，并提出一流本科課程的“兩性一度”要求。對于北京航空航天大學自動化這類工科專業(yè)，其目標都是培養(yǎng)學科基礎厚、工程能力強、綜合素質高的創(chuàng)新型人才。

數字電子技術課程是自動化、電子信息、人工智能、通信等專業(yè)重要的核心工程基礎課，在電類課程體系中具有重要的作用。該課程以邏輯代數為基礎，邏輯性強，內容豐富且較抽象，實踐性強，工程應用廣，且與現代電子技術發(fā)展緊密相連[4]。

為在新工科背景下培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的綜合實踐能力和創(chuàng)新思維、自主學習和創(chuàng)新意識，推進現代信息技術與教學深度融合，引導學生選擇與使用恰當的技術、資源、工具，進行數字系統(tǒng)設計，建設一流本科課程，北京航空航天大學數字電子技術基礎教學團隊秉承以學生為中心、成果為導向的研究性教學理念及國際工程教育理念，在教學內容、教學方式方法和考核方式等方面不斷改革和研究，多年探索形成了線上MOOC教學、線下研究性課堂教學、項目驅動過程教學、創(chuàng)新實驗教學四位一體的線上線下混合教學模式，被評為“國家級線上線下混合式一流本科課程”。

在數字電子技術的線下研究性教學過程中，采用案例法、項目法等培養(yǎng)學生工程實踐能力，使用虛擬仿真技術作為教學手段，主要使用Proteus、Multisim虛擬仿真軟件。這些軟件已經廣泛應用于數字電子技術的理論課程的課堂教學和項目實踐中，可用于模擬和驗證各種數字電路，包括組合邏輯電路、時序電路、模擬與數字轉換電路等[5-9]。本課程在基于案例的研究性教學及項目驅動過程教學中，學生通過Proteus、Multisim虛擬仿真軟件，建立數字電路模型并實時驗證其功能與性能，加深了對數字電路原理的理解，獲得豐富的實踐和學習體驗。然而，在實際教學中，發(fā)現虛擬仿真技術在數字電子技術課程中存在真實性問題。虛擬仿真雖然能夠模擬數字電路的行為，但與實際硬件相比仍存在一定的差異，仿真結果可能不正確，這可能導致學生理論學習的困惑，以及在實際操作時面臨新的挑戰(zhàn)。

近幾年，隨著微電子技術、傳感器技術等領域的快速發(fā)展，口袋儀器的性能得以提升，種類和應用范圍得到了擴展?？诖鼉x器作為一種體積小巧、輕便的便攜式儀器設備，已廣泛應用于電子工程、通信、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領域[10]。因此，本文提出一種實物在環(huán)實時仿真教學方法，由實際硬件電路、口袋儀器、計算機組成的實物在回路仿真系統(tǒng)，對數字電路進行實時仿真與實時驗證。這種口袋儀器小巧便攜，而筆記本電腦也是每一個大學生的標配，所以，這套硬件系統(tǒng)在理論課堂使用非常方便。采用實物在環(huán)實時仿真教學方法與僅使用虛擬仿真軟件相比，用實際硬件替代虛擬硬件，用虛擬儀器技術為數字系統(tǒng)提供虛擬信號源、虛擬示波器等，既能克服虛擬仿真的真實性問題，又方便學生隨時隨地進行數字電路設計與驗證。

一? 實物在環(huán)實時仿真教學法

針對數字電子技術課程實踐性強、工程應用廣的特點，采用案例法和項目驅動法進行理論課教學，我們設計了護士臺呼叫顯示系統(tǒng)、血型匹配系統(tǒng)、BCD碼加法器、五人表決器、七人搶答器、溫控報警器和圖書館人員進出控制系統(tǒng)等教學案例進行線下研究性課堂教學，設計了按鈕時行人過街紅綠燈控制電路、數字電子鐘、出租車計價器、自動售貨機等項目驅動過程教學。

在以往的理論教學中，采用Proteus或Multisim進行案例和項目仿真，但虛擬仿真雖然能夠模擬數字電路的行為，但與實際硬件相比仍存在一定的差異，仿真結果可能不正確，存在真實性問題。近幾年，隨著微電子技術、傳感器技術等領域的快速發(fā)展，以及由于新冠感染疫情期間不能線下上實驗課，口袋儀器也逐漸應用起來。清華大學研發(fā)了HPI-1000plus多功能口袋儀器，應用于清華大學、北京科技大學、北京理工大學、天津大學等約10所高校的數字電路實驗，以及電子設計競賽中。

由于口袋儀器小巧便捷，我們將其引入到數字電子技術基礎理論課堂，提出了實物在環(huán)實時仿真教學方法。實物在環(huán)實時仿真系統(tǒng)軟硬件組成如圖1所示，在DCLK-2000數字電路面包板上搭建實際數字電路，在計算機上運行“口袋實驗室”應用軟件，通過虛擬信號源和多功能口袋儀器產生數字電路的時序和控制信號；并實時采集數字電路的數字量或模擬量，通過多功能口袋儀器送至虛擬示波器觀察電路中的波形和信號，或送至虛擬邏輯分析儀分析數字電路中的信號和時序，構成實物在回路的實時仿真系統(tǒng)，進行數字電路的設計與驗證。

課程教學中，綜合運用虛擬仿真和實物在環(huán)實時仿真方法，對教學案例和綜合項目進行軟硬件設計。引導學生建立項目工程化的思想，學習數字系統(tǒng)設計過程與項目開發(fā)方法，如圖2所示，對實際邏輯問題進行分析，根據組合邏輯電路或時序邏輯電路的設計方法進行數字電路設計，畫出邏輯電路圖；用Proteus或Multisim軟件進行虛擬仿真驗證；若驗證正確則用實物在環(huán)實時仿真法搭建硬件電路驗證；若正確則進一步制作電路板，搭建并調試數字系統(tǒng)實際硬件電路，測試成功則完成實際數字電路的設計與驗證。若任何一個步驟出現電路仿真驗證與實際測試不正確時，都需查找原因，重新設計電路重復上述過程。對于功能簡單的電路，可直接進行實物在環(huán)仿真，而不必進行虛擬仿真。在教學案例和綜合項目的數字電路設計時，不必進行數字系統(tǒng)的搭建與測試。通過對數字電路的實物在環(huán)實時仿真，逐步強化學生邏輯思維，提升學生電路設計能力和工程實踐能力。

二? 教學案例實物化，克服虛擬仿真的真實性問題

（一）? 虛擬仿真的真實性問題

在數字電路仿真過程中，我們發(fā)現了一個問題：對于圖3所示電路，用2-5-10進制異步計數器74LS90實現計數器。用Proteus軟件仿真是50進制計數器，計數范圍為0～49，如圖4所示；而用Multisim軟件仿真結果是30進制計數器，當計數到49時，下一狀態(tài)為20，如圖5所示。兩種不同軟件仿真同一數字電路，得到不同結果，造成了學生困惑。這是由于仿真軟件在模擬實際芯片或數字電路的行為時，建立的芯片數學模型和仿真模型不能與實際物理模型完全一致，導致仿真的芯片性能與實際硬件芯片存在一定的差異，會出現真實性問題。不同仿真軟件的仿真模型建模粒度不同，結果可能不同。特別是對于異步時序電路，不僅僅需要考慮觸發(fā)信號的上升沿或下降沿的到達時刻，還需考慮激勵信號的建立時間、保持時間等因素，如果在虛擬仿真應用軟件的器件建模和數字電路模擬中未充分考慮這些因素，都將會導致虛擬仿真與實際硬件相比仍存在一定的差異，導致虛擬仿真的不真實問題。這種問題不僅會在理論學習時引起學生的困惑，而且按虛擬仿真驗證通過的電路設計在實際數字電路搭建時，實際操作測試與設計結果不一致，會面臨新的挑戰(zhàn)。

（二）? 實物在環(huán)實時仿真案例

對于虛擬仿真的真實性問題，采用實物在環(huán)實時仿真教學法。用實際芯片74LS90在面包板上搭建上述數字電路，用LED燈顯示兩片計數器的狀態(tài)。將面包板與口袋儀器相應引腳連接，口袋儀器通過USB接口連接計算機，如圖6所示。

虛擬信號源輸出占空比為50%的幅值為5 V的TTL信號，通過口袋儀器給計數器74LS90提供時鐘信號，隨著時鐘信號觸發(fā)脈沖的到來，74LS90的計數狀態(tài)輸出發(fā)生變化，通過LED燈實時顯示。實時仿真結果顯示計數器的計數狀態(tài)變化為0～49，即為50進制計數器，而此時的計數值是通過實際芯片計數獲得，是準確值。

實物在環(huán)實時仿真方法，用實際芯片代替虛擬仿真器件，克服了虛擬仿真真實性問題引起的數字仿真準確度不足的短板。同時，又利用了虛擬儀器技術，將信號源、示波器、邏輯分析儀等用仿真軟件實現，將實驗室裝入口袋儀器，小巧便捷，可隨時隨地使用，方便在理論課堂上使用。實際使用時，對數字電路功能、性能影響較大且不易建模仿真的部分用實物搭建，構成實物在回路實時仿真系統(tǒng)，解決虛擬仿真的真實性問題。而對數字電路影響不大的部分采用虛擬仿真技術實現，減少實際硬件電路，易于實現。

基于DCLK-2000數字電路套件和HPI-1000plus多功能口袋儀器，采用實物在環(huán)實時仿真教學法，在數字電子技術基礎理論課堂上，教學案例實物化，用實際芯片搭建硬件電路，進行教學案例的實現與驗證，保證了數字電路的真實性與準確性，增加了學生學習興趣，提高了教學效果。

三? 知識難點可視化，促進知識快速深刻理解

針對數字電子技術課程內容抽象、難點多的特點，采用實物在環(huán)實時仿真教學法，通過虛擬示波器、虛擬邏輯分析儀，以及面包板上的七段碼顯示器、LED燈等實時顯示數字電路狀態(tài)，可使知識難點可視化，促使學生對知識難點快速深刻理解。

例如，門電路這一章的知識內容抽象難理解，因此，門電路部分是歷年答疑最多的教學內容，也是MOOC課程上視頻觀看人數較多、觀看時長較長的內容。這里以CMOS非門電路的電壓傳輸特性和傳輸延時為例，介紹知識難點可視化方法。

（一）? CMOS非門電壓傳輸特性

帶輸入保護電路的六路反相器CD4069UBE內部結構如圖7所示[11]，其邏輯關系為G=■，此時可面包板上用六路反相器CD4069搭建非門數字電路，如圖8所示，電源電壓接5 V，注意非門的輸入端不可懸空。

在電腦上，雙擊“口袋實驗室”圖標打開應用軟件。點擊虛擬信號源，設置參數產生峰值為5 V的三角波，通過口袋儀器的AO1引腳送至非門輸入端A，并通過口袋儀器的AI1引腳送至虛擬示波器的通道A，將非門輸出端G通過口袋儀器的AI2引腳接至虛擬示波器的通道B，用虛擬示波器測量非門輸出端G與輸入端A的波形如圖9（a）所示，可以看到：當輸入A為低電平時，PMOS管導通，NMOS管截止，輸出G為高電平；當輸入A為高電平時，NMOS管導通，PMOS管截止，非門輸出G為低電平；當輸入信號A在閾值電壓2.5 V附近，即在2～3 V時，PMOS管和NMOS管同時導通，輸出電壓由兩個MOS管的導通電阻分壓獲得，在閾值電壓處發(fā)生快速翻轉。

將虛擬示波器接成X-Y模式，可以得到該非門的電壓傳輸特性曲線如圖9（b）所示。

（二）? CMOS非門傳輸延時特性

用虛擬電壓源給非門輸入端A提供峰峰值為5 V，頻率200 kHz的方波信號，將G和Z的信號分別送至虛擬示波器的通道A和B，波形如圖10所示?？梢钥吹捷敵霭l(fā)生變化與輸入變化之間有一個時間延遲，即非門的傳輸延時。

為方便測量，將G和Y的信號分別送至虛擬示波器的通道A和B，Y相當于G有4個門電路的延時，調節(jié)Y與G的波形位置如圖11所示。將光標浮停在兩個波形轉換50%處（即2.5 V處），測得的時間差除以4即得非門的傳輸延時約58 ns，與芯片數據手冊一致[11]。

在理論分析非門的功能和性能特性時，通過口袋儀器對反相器CD4069加載輸入信號，并實時檢測輸出信號，通過虛擬示波器直觀顯示，用圖形可視化技術顯示知識難點，促使同學們對知識難點快速深刻理解，同時加深了記憶，提高了教學效果。

四? 結束語

本文提出的實物在環(huán)實時仿真教學法，利用口袋儀器和實際數字電路，克服了虛擬仿真方法的真實性問題，具有教學案例實物化、知識難點可視化的特點，實現了理實一體化的數字電子技術課堂教學。數字電子技術基礎課程中，將實物在環(huán)實時仿真方法與虛擬仿真方法相結合，培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才，建設國家級一流本科課程。學生獲得了更豐富的學習體驗，激發(fā)了學習興趣，獲得了扎實的理論知識，培養(yǎng)了綜合實踐能力和創(chuàng)新思維，提高了教學效果。學生反饋：“這種教學方法，結合實物有助于形象的理解，對知識理解更深刻，還可以應用于暫穩(wěn)態(tài)、滯回曲線等光聽感覺不出來的地方”“用實物實現綜合項目，有成就感”。該教學方法除可應用于數字電子技術理論課外，亦可用于電路分析、模擬電子技術等課程的理論教學。

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