吳學(xué)軍, 張 靜

(湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

數(shù)字電子技術(shù)是目前發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)之一. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是電子、通信等專業(yè)必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它要求學(xué)生系統(tǒng)地掌握數(shù)字邏輯電路的分析方法、設(shè)計方法及應(yīng)用能力，具有很強的實踐性. 它的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生扎實的理論知識和良好的實踐能力，為學(xué)生在理論與實踐應(yīng)用之間架起一座橋梁. 因此，如何充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為很多教師的研究課題.

1 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)包括理論教學(xué)、課程實驗和課程設(shè)計三個環(huán)節(jié)，這三個環(huán)節(jié)應(yīng)該相互依托，相互補充，具有一定的層次性. 比如第一環(huán)節(jié)的理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握基礎(chǔ)理論知識，然后通過第二環(huán)節(jié)的實驗對理論知識進一步鞏固，并提高學(xué)生的實踐能力，這兩環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)也為第三環(huán)節(jié)的課程設(shè)計作好了充分準備. 而現(xiàn)在的教學(xué)現(xiàn)狀是理論與實驗環(huán)節(jié)脫節(jié)，主要表現(xiàn)在理論教學(xué)與課程實驗不能同步開展，實驗時間相對滯后，使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的感性認識被延遲，起不到理論與實驗相互輔助的學(xué)習(xí)效果；在理論教學(xué)上，由于學(xué)時壓縮，教學(xué)過程中普遍存在“滿堂灌”的教學(xué)方式，教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)字電路的分析方法和設(shè)計方法，以及一些典型的集成電路的應(yīng)用等，從而致使過多注重了教授內(nèi)容的量，而忽視教學(xué)效果的質(zhì)；并且如果只是一味的采用“灌入式”的教學(xué)方法，學(xué)生必然會對理論學(xué)習(xí)感到枯燥、乏味，漸漸失去學(xué)習(xí)興趣[1].

2 在教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計的優(yōu)勢

EDA(Electronic Design Automatic)軟件是隨著集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運而生的一種高級、快速、有效的電子設(shè)計自動化工具，是以計算機的硬件和軟件為基本工作平臺的計算機輔助設(shè)計通用軟件包. EDA技術(shù)能夠把實驗中實踐平臺形象地引入理論課堂，把實驗與理論知識有效結(jié)合起來，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時就可以感受到實驗的過程，這樣不僅避免了傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容“滿堂灌”，以及實驗與理論教學(xué)脫節(jié)等帶來的一系列弊端，還有助于學(xué)生對理論知識的理解與掌握以及相關(guān)實驗教學(xué)活動的順利開展，從而使《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)活動的三個教學(xué)環(huán)節(jié)真正地能夠相互依托，共同促進學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握[2]. 同時，在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》的理論教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計，能夠使枯燥的理論知識變得更加生動、形象，從而增強學(xué)生對電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容理解得更深、學(xué)得更活；教師使用 EDA后可以提高自身素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平，不僅對教學(xué)難點掌握得更清楚、理解得更透徹，而且可以讓教師的講授更加生動、更貼近真實性，使學(xué)生更容易接受；讓學(xué)生在理論知識的學(xué)習(xí)中接觸EDA技術(shù)，拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)的知識面，并能為今后更好地掌握現(xiàn)代電子設(shè)計方法打好基礎(chǔ)，也對學(xué)生在參加電子設(shè)計競賽、課外科技活動有很大的幫助，進一步掌握好 EDA方面的技能，對于學(xué)生的未來發(fā)展以及就業(yè)都會有很大幫助. 因此，教學(xué)中引入EDA仿真設(shè)計是必要的.

3 常用EDA仿真設(shè)計工具

目前在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中比較常用的仿真設(shè)計工具主要有以下幾種[3]：

1)Protel的高版本Altium Designer，是一種完整的板級設(shè)計解決方案，可以將設(shè)計流程、集成化PCB 設(shè)計、可編程器件(如 FPGA)設(shè)計和基于處理器設(shè)計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起，可以同時進行 PCB和FPGA設(shè)計以及嵌入式設(shè)計，具有將設(shè)計方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能.

2)Proteus具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS-232動態(tài)仿真. 從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計.

3)Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件. 作為 Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境. Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題. 學(xué)生可以很方便地把理論知識通過計算機仿真很形象地理解掌握，并且可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計出屬于自己的儀表. 它包含電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，由于含有豐富的仿真元件庫和仿真儀表庫，因此具有很強的仿真分析能力，高版本還可以進行單片機等MCU的仿真.

綜合比較目前教學(xué)中常用的仿真設(shè)計軟件，Multisim軟件的性能比較突出，無論從仿真元件庫中元件的數(shù)量上，還是虛擬設(shè)備的種類以及虛擬分析的種類上都比較豐富，尤其是電路故障的隱蔽設(shè)置，更為教學(xué)提供了極大的方便，而成為電子電路教學(xué)的首選軟件工具.

4 EDA仿真設(shè)計在教學(xué)中的應(yīng)用

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》內(nèi)容主要分為三大塊：組合邏輯電路、時序邏輯電路、波形產(chǎn)生與變換. 教學(xué)時可根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過程中安排 EDA仿真電路輔助教學(xué)，可使理論知識形象、生動、直觀. 教師通過講解其典型的集成電路芯片的功能和應(yīng)用時，一邊講理論，一邊利用仿真技術(shù)進行實例演示，可以加深學(xué)生對該器件及應(yīng)用的理解.

下面通過一個簡單應(yīng)用來介紹 Multisim 仿真設(shè)計在組合邏輯電路、時序邏輯電路、波形產(chǎn)生與變換等環(huán)節(jié)教學(xué)中的應(yīng)用.

圖1顯示了一個簡易的家用防盜系統(tǒng)[4]，它由數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器、計數(shù)器、時鐘信號發(fā)生器構(gòu)成. 數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器屬于組合邏輯電路，計數(shù)器屬于時序邏輯電路，時鐘信號發(fā)生器屬于波形產(chǎn)生電路.

簡單的家用防盜系統(tǒng)的工作原理可以分為三個部分講解.

首先是組合邏輯電路部分，它由8線---1線數(shù)據(jù)選擇器74LS151和1線---8線數(shù)據(jù)分配器74LS138連接構(gòu)成. 74151和74138作用正好相反，74151集成電路是根據(jù)控制輸入端ABC的二進制數(shù)決定8個輸入端中的1個送到輸出端，74138集成電路是根據(jù)控制輸入端ABC的二進制數(shù)決定輸入端中的數(shù)據(jù)分別送到8個不同的輸出端. 74151的8個輸入端接收傳感器開關(guān)的信號，74138的8個輸入端連接LED分別指示8個開關(guān)的信息. 所以74151相當(dāng)于一個并行-串行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換器；相應(yīng)的，74138相當(dāng)于一個串行-并行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換器. 電路設(shè)計仿真如圖2(a)和(b)所示，用開關(guān)ABCDEFGH表示門和窗戶等位置的感應(yīng)開關(guān)，用LED二極管表示對應(yīng)開關(guān)信息. 如在仿真圖中只有開關(guān)B和E是斷開的，說明B和E處有人闖入，在顯示器上LED2和LED5閃爍，即哪個開關(guān)斷開，對應(yīng)的LED就閃爍指示相應(yīng)信息.

圖1 簡易家用防盜系統(tǒng)原理

圖2 簡單家用防盜系統(tǒng)電路設(shè)計仿真圖

接著是時序邏輯電路部分，它是通過一個簡單的計數(shù)器就能實現(xiàn)，計數(shù)器設(shè)計成一個模為8的二進制計數(shù)器. 可以在講解任意進制計數(shù)器設(shè)計方法時，通過典型的集成計數(shù)器電路如74161(或74160)實現(xiàn)(如圖3所示).

圖3 計數(shù)器電路設(shè)計仿真圖

圖4 定時器設(shè)計向?qū)?/p>

第三部分是波形產(chǎn)生電路，這里主要是產(chǎn)生計數(shù)器的時鐘信號. 在教材的講解中主要是555定時器的應(yīng)用電路設(shè)計，在Multisim軟件中可以啟動555 Timer Wizard，打開定時器設(shè)計向?qū)5](如圖4所示). 產(chǎn)生時鐘信號可以選用多諧振蕩器，即無穩(wěn)態(tài)工作方式Astable Operation，根據(jù)設(shè)計需要可以設(shè)置參數(shù). 參數(shù)設(shè)置好后點擊建立電路，就能自動生成需要的電路如圖5所示. 將輸出連接一個虛擬示波器，即可觀察輸出波形是否正確，示波器顯示結(jié)果如圖6所示.

圖5 定時器電路設(shè)計仿真圖

圖6 虛擬示波器顯示輸出波形圖

教師在講解時，學(xué)生只能憑空想象：8路輸出信號是如何對應(yīng)的指示8路輸入信號呢？如何控制同步？這些問題使學(xué)生感到學(xué)習(xí)很抽象，對電路的理解應(yīng)用更加大了難度. 因此通過EDA技術(shù)同步演示電路的仿真設(shè)計，在仿真設(shè)計過程中修改電路的參數(shù)或連接線，可以直觀地觀察電路的工作狀況，使學(xué)生更容易理解各種集成電路器件的功能及應(yīng)用，比如在上述簡易家庭防盜系統(tǒng)電路中，通過開關(guān)和 LED指示燈顯示理解74151和74138的功能，74151和74138的同步是通過計數(shù)器的工作狀態(tài)控制的；通過演示仿真設(shè)計還能教會學(xué)生電路的設(shè)計方法，比如如何用555定時器設(shè)計計數(shù)器的時鐘信號. 實踐表明，在課堂上增加EDA仿真設(shè)計演示，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生求知的欲望，使學(xué)生更好地掌握該課程知識.

5 結(jié)語

在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)中應(yīng)用 EDA仿真設(shè)計工具進行電路的設(shè)計與仿真，使抽象的理論變得形象，使復(fù)雜的電路變得實際，使難以理解的工作原理分析變得生動形象，讓學(xué)生在課堂上感受到理論與實踐結(jié)合的有益效果. 總之，EDA仿真設(shè)計方法在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中應(yīng)用能夠有助于增加課堂趣味性，提高理論教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，同時也有助于提升教師自身的教學(xué)水平，進而提高教學(xué)質(zhì)量.

[1]孫麗君, 張曉東, 魯 可. “數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探析[J]. 中國電力教育, 2013(13): 67-68.

[2]曾 飛, 郭漢清. 基于EDA技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)實踐新思路[J]. 湘潭師范學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2008, 30(3): 164-166.

[3]賈 巍. 教學(xué)中常用電子設(shè)計仿真軟件的應(yīng)用[J]. 襄樊學(xué)院學(xué)報, 2007(11): 84-86.

[4]庫 克. 實用數(shù)字電子技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

[5]聶 典, 丁 偉. Multisim10計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.