数字电子技术实验教学改革探讨

1、数字电子技术实验教学改革探讨崔彬韩亮安电子科技大学物理与光电工程学院摘要：目前数字电路设计已进入电子设计自动化（eda）时代，传统的借助实验箱及集 成芯片的数字电路实验设计己无法满足学生的实验需求。针对该现状，对数字电 子技术实验进行教学改革，使学生能够提前利用proteus仿真软件进行电路设 计仿真，再使用tpe-d3a数字电路实验箱完成实验。为学生提供一个现代科学技 术实验平台，使实验教学达到了良好的实践效果。关键词：eda技术;protues仿真;数字电路设计;实验教#改革;作者简介：崔彬（1966），女，工程师，长期从事电子材料、光电技术及电子 线路的实验开发与实验教学工作。收稿日期：

2、2017-06-26received： 2017-06-26作为一门重要的电子类本科教学专业基础理论课程，数字电子技术是具有鲜明 实践特点的基础课程。为进一步提升学生分析现象、解决实际问题的综合能力， 我们在实验课时安排上，采用“16学时验证性内容+16学时设计性内容”的教 学方法。以此要求学生充分利用所学的理论知识点，通过自主设计、自主搭建并 独立调试电路。然而因为学生接触工程实践的机会较少，动手能力较差，在实验 操作中，普遍存在设计电路吋生拉硬搬课本示例的现象，以至于不仅对理论知 识没有得到深刻的理解，还使得实验的成功率难以提高。实验教学的宗旨是运用理论知识开展动手实践，而实践可以进一步加

3、深对理论 的理解和掌握。归根结底是培养学生的实践创新能力，更是培养应用创新型人才 的关键环节。因此，重视实验课的学习，增加实验环节、拓展实验流程，对提高 实践教学水平具有极其重要的意义。因此，针对数字电子技术实验教学创新改革 的需求，我们提出了一种探索改革方法的新途径u1。1原有实验教学模式原有的数字电子技术实验课程，旨在结合课堂理论教学进一步开展验证性、综合性实验。基于唯一的实验平台数字电路实验箱，学生仅能运用中型、小型集成电路来获得电路的直观认识m。在实验教学过程中，电路部分的设计也只 能在实验箱中完成。这种类似于搭积木的方法很难完成较复杂电路的设计和调 试。假设某一环节出现错误，学生将很

4、难查找到故障原因。同时，元器件及导线 的连续复用难以维持可靠性的稳定;其次，实验箱上连接点反复插拔等操作，也 极易造成导线、元器件之间的互扰，从而加大调试难度，降低了教师的辅导效 率。另外，学生还可能无法按时完成实验内容，甚至还会造成元器件及仪器设备 的损坏3。上述原因均妨碍丫学生实验积极性的培养和教学质量的提升。2创新实验教学模式分析了传统实验教学模式的不足，借鉴“软、硬件结合”的模式，我们探索出了 一种基于eda技术的创新实验教学模式。以此降低了空间条件、时间条件、实验 器材等对实验教学的限制，同时提高实验时效，优化实验结果。作为目前应用较广的eda （electronics design

5、 automation）仿真软件之一， protues是一个可对各类电路进行模拟仿真与设计的嵌入式系统开发软件u1。其内罝的一整套虚拟仪器及元器件模型库使得该软件具有较全面的仿真分析能 力。它还可结合keil功能对多种单片机系统进行电路开发和软件编译，从而真 正实现了从理论到产品的整体设计。在protues屮ares是一款高级的pcb布线编辑软件，isis是一款开放的电子系 统原理设计和仿真平台软件。本文通过使用isis软件来仿真电路中每一个基本 单元的工作方式。其中，vsm虚拟仿真是最常用的仿真模式。下面简单介绍一下 proteus的使用。在proteus环境下仿真顺序依次为:根据电路要求选

6、择元器件、放置元器件、连 线、运行。元器件选择是在元件库屮选取，点击菜单栏不的library,进入元件 库中，按类别或关键词可以检索目标元件，单击目标元件并点击确认，该元件 就会添加到元件柜中（图1）,可供设计电路时方便使用。点击任一元件，确认 选择后在图形编辑窗u下双击就可以将该元件放置到编辑窗ij中（图2），拖拉 可以移动该元件至任意位置，右击元件可以对该元件进行编辑、修改。file vi ew edit tools1e:lrzr-l>-h4b图1元件柜 下载原图file yiew edit tools design graph source debugzl03趣龜d®7s

7、eg-bcd+呤jtu1丄:ckltton74ls90clock酮:te<图2器件编辑下载原图将器件在编辑窗u放置好后，就可以进行连线操作。电路连接好后，点击仿真运 行图标就可以运行电路，在此过程中，可以观察电路的状态或波形图，以鉴别 设计的正确与否。3实验举例实验内容:60进制计数器电路设计、仿真与测试实验。所用元器件:计数器使用741s90 (异步)，七段数码显示采用7seg-bcd (自带译 码器)。(1) 提前告知学生实验内容，要求学生利用课余时间熟悉仿真软件，复习与实 验相关的理论知识。(2) 理论分析及仿真。通过对理论知识的理解，进行设计前分析，并完成电路的 仿真设计。个位向

8、十位的进位实现：以741s90为例，根据该集成计数器功能表可知，计数时必须满足r0 (1) r0 (2) =0, r9 (1) -r9 (2) =0o用两片741s90异步计数器接成一个异步的60 进制计数器。所谓异步计数器，即两片的时钟不一致。个位时钟接1hz方波信号， 十位计数器的时钟信号要从个位计数器来提供。进位信号的要求是在第十个秒脉 冲下降沿到来时，只能从个位计数器的输出端来提供。由于741s90是在时钟的 下降沿到来时计数，所以q3正好符合要求，在十秒之内只给出一个下降沿。这 样，个位和十位之间的进位信号就找到了，把个位的q3 (11端)连接到十位的 cka (14 端)上。60进

9、制的实现：当计秒到59时，希望回到00，此时个位正好是计满十个数，不用清零即可自动 从9回0;十位应接成六进制，即从0飞循环计数。用异步清零法，当6出现的 瞬间，即q3q2q1qo=o11o时,同时给r0 (1)和r0 (2)高电平，使这个状态变 成0000,由于6出现的吋间很短，被0取代。图3是要求学生在来实验室之前预时根据理论分析，使用proteus仿真的电路 原理图。qoq1q2q3ro<t)1晷3?«lssa-<texta分1眾1<11>d-<m>ckbroo»ro(i"»o)qasss图3 proteus仿真

10、电路原理图不载原图在proteus界面点击左下角运行阁标，运行该电路，并截取计数器计数到“11”时的瞬间数码显示。从仿真数码管显示结果可以看出个位及十位计数器的 工作状态与以上理论分析完全相符，即可判断所设计的电路是正确的。在电路的设计仿真过程中，也可能会出现因设计的电路存在问题或所放置的虚 拟仪器设置不正确，导致仿真结果与理论分析不一致。这就需要学生反复修改并 完善电路的设计，而修改与完善电路提高了学生对理论知识的更深刻理解，从 而体现了实验教学改革的功效。(3) 实验室实践操作。图4是学生来实验室后根据自己预习时的电路仿真原理图 在实验箱平台上搭建的实物连接图。从实验箱上的连线及显示结果看

11、，实验也是 成功的。图4实物连接电路图下载原图这样，将proteus引入数字电路实验教学中，加强了实验预习效果。以往预习是 要求学生提前看看指导书，写一个预习报告，其目的是让学生提前熟悉实验内 容，而学生对实验的过程和结果仍然很茫然。引入了 proteus,预习可以通过该 软件仿真完成。学生在初步掌握了理论知识后，再进入到计算机仿真环境中，对 实验的全过程进行仿真。其优点是，使学生能够得知仿真结果及仿真过程屮所遇 到的各种问题，并加以解决，提高分析速度和准确度。同吋也减少因为学生的误操作带来不必要的元器件损坏。因此，与传统实验教学模式相比，该方法扩大了 知识范围，提高了学生解决实际问题的能力和兴趣。4结语基于proteus软件进行数字电子技术实验，可以弥补原有的纯硬件实验的不足， 使学生掌握以软件仿真辅助硬件实验的方法，从而形成“理论教学-计算机仿真 -实验环节”的教学模式。这种软硬结合的实验教学模式可以为学生提供一个现 代科技实验平台，不仅符合目前电子技术的发展趋势，而且有助于应用创新型 人才的培养。参考文献1郑兆兆，高静.数字电子技术实验教学改革探讨jl实验室科学与技术，201