李梅，黃澤霞，邵春莉

（安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽合肥，230601）

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，教育部提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0”，加快工程教育改革創(chuàng)新，將工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目融合[1]。該計(jì)劃旨在推進(jìn)新工科建設(shè)，全力探索領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，孵化創(chuàng)新型科技人才[2,3]。各大高校積極響應(yīng)政策號(hào)召，針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)增設(shè)了具有創(chuàng)新性、開(kāi)拓性、復(fù)合性的新專業(yè)，包括人工智能、大數(shù)據(jù)、智能科學(xué)等工科專業(yè)[4～6]。

新工科、新專業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)學(xué)科的建設(shè)與創(chuàng)新，在現(xiàn)代化教育工程的基礎(chǔ)上，更多地實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教育的培養(yǎng)[7,8]。作為電氣類的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)為適應(yīng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)模式和教學(xué)方法的改革勢(shì)在必行。結(jié)合線上線下的混合式教學(xué)模式，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)，在原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備—實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上，引入口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室套件，以克服儀器設(shè)備不足、時(shí)空利用率低、創(chuàng)新性差的缺點(diǎn)。在演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提高綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例[9,10]。

1 定時(shí)器設(shè)計(jì)原理

當(dāng)前我國(guó)使用范圍比較廣的定時(shí)器是機(jī)械式發(fā)條定時(shí)器，這種定時(shí)器在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，影響使用效率[11]。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到電子行業(yè)中，電子定時(shí)器被頻繁使用。

定時(shí)器設(shè)計(jì)則屬于數(shù)字電子技術(shù)中綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的范疇，它主要由振蕩器和計(jì)數(shù)器組成。在實(shí)際系統(tǒng)中，定時(shí)器的應(yīng)用非常廣泛，例如，籃球比賽中的讀秒倒計(jì)時(shí)，洗衣機(jī)洗滌，脫水的計(jì)時(shí)功能，現(xiàn)代智能家電、工廠的自動(dòng)化設(shè)備都離不開(kāi)定時(shí)器的應(yīng)用[12]。

定時(shí)電路由控制電路、秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼/顯示電路、報(bào)警電路等部分組成[13]，整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

如圖1所示，秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器以及譯碼/顯示電路由控制電路控制。有外部控制開(kāi)關(guān)可以對(duì)定時(shí)電路進(jìn)行直接清零、置數(shù)、連續(xù)計(jì)時(shí)等選擇。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，顯示停在最后的時(shí)間上，并發(fā)出聲光報(bào)警的信號(hào)。

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中定時(shí)器的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)教學(xué)方法是在實(shí)驗(yàn)箱上按部就班地進(jìn)行搭建，搭配示波器和直流電源等進(jìn)行驗(yàn)證[14]，搭建前缺少計(jì)算機(jī)仿真，搭建過(guò)程易出錯(cuò)，排查錯(cuò)誤比較困難。其次，實(shí)驗(yàn)儀器較大，攜帶不便，實(shí)驗(yàn)箱、示波器、萬(wàn)用表等實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能固定在教室使用，使用場(chǎng)所不靈活。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱功能單一，受實(shí)驗(yàn)箱布局的局限，拓展功能部分少，口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室則可以解決上述實(shí)驗(yàn)箱存在的不足之處[14]。

本文依托數(shù)字電子技術(shù)的理論教學(xué)內(nèi)容，提出將學(xué)生隨身可攜帶的口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室EPI-M102結(jié)合Multisim仿真測(cè)試軟件和虛擬測(cè)試設(shè)備應(yīng)用于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以在相對(duì)靈活和集成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，完成軟硬件相結(jié)合的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2 口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬口袋實(shí)驗(yàn)室的引入使得硬件平臺(tái)體積縮小、軟件可虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)常規(guī)儀器的功能，豐富了實(shí)驗(yàn)手段[14～16]。易派EPI-LITE102/m102實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一款便攜式USB多功能虛擬口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，外觀和接口如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括±12V、±5V以及+3.3V對(duì)外供電接口；12位并行數(shù)字輸入，可接受5V電平輸入，最高采樣率200KSPS；12位并行邏輯輸出，輸出電平+3.3V或+5V，最高刷新率20KSPS；信號(hào)源輸出雙通道，同步12位直接數(shù)字頻率合成（DDS）；模擬輸入雙通道，12位5MSPS同步采樣。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)USB接口與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連，由EPI-m10軟件驅(qū)動(dòng)，可配置多款實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，如信號(hào)發(fā)生器、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等，如圖2(b)所示。EPI-LITE102/m102實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與Electronics Pioneer軟件、實(shí)驗(yàn)電路相結(jié)合，為學(xué)生提供了一個(gè)基于數(shù)字電路技術(shù)的不受時(shí)間、場(chǎng)地和空間約束的“口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室”，可以增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新能力。

圖2 易派口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室

3 定時(shí)器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

■3.1 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生周期為1s的時(shí)鐘脈沖，作為電路的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)鐘脈沖的精度直接影響定時(shí)的精度[17]，需要特別的設(shè)計(jì)，本節(jié)利用一個(gè)頻率較高的矩形脈沖，經(jīng)過(guò)多級(jí)分頻后得到頻率較低的脈沖信號(hào)，秒脈沖發(fā)生器如圖3所示。

圖3 秒脈沖發(fā)生器

圖中CD4060為14級(jí)二分頻器，其內(nèi)部由一串行計(jì)數(shù)器和振蕩器組成。晶振產(chǎn)生頻率為32768Hz的矩形波，經(jīng)過(guò)CD4060分頻，得到頻率為2Hz的矩形波，再利用74LS161進(jìn)行二分頻，在74LS161的Q0端得到頻率為1Hz的秒脈沖信號(hào)，CD4060功能表如表1所示。

表1 CD4060

■3.2 30進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

30進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器采用兩片74LS192實(shí)現(xiàn)，其控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路

圖中，CPU是加法計(jì)數(shù)脈沖輸入端，CPD是減法計(jì)數(shù)脈沖輸入端，是異步置數(shù)控制端，D0～D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q3是計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端，是借位信號(hào)輸出端，是進(jìn)位信號(hào)輸出端，CR是異步清零端，74LS192的工作狀態(tài)如表2所示。

表2 74LS192功能表

直接清零控制電路通過(guò)對(duì)74LS192的異步清零端CR來(lái)進(jìn)行控制，圖4中，當(dāng)S2撥向清零端時(shí)，CR=1，計(jì)數(shù)器清零；當(dāng)S2撥向工作端時(shí)，CR=0，計(jì)數(shù)器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。置數(shù)功能由按鈕S1實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按下S1時(shí)，74LS192的 ，計(jì)數(shù)器置數(shù)；釋放S1則計(jì)數(shù)器在置數(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)始遞減計(jì)數(shù)。

暫停、連續(xù)計(jì)時(shí)控制電路由開(kāi)關(guān)S3和G1～G4門電路構(gòu)成，當(dāng)S3撥向連續(xù)端時(shí)，G4輸出為高電平，若=1（定時(shí)時(shí)間未到），G2門打開(kāi)，電路工作于連續(xù)計(jì)數(shù)狀態(tài)；當(dāng)S3撥向暫停端時(shí)，G4輸出為低電平，將G2封鎖，暫停計(jì)數(shù)；當(dāng)定時(shí)終止，高位74LS192的端輸出低電平將G2封鎖，并觸發(fā)聲光報(bào)警電路。

■3.3 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路如圖5所示，由“定時(shí)時(shí)間到”信號(hào)=0啟動(dòng)，即當(dāng)高位74LS192的端輸出低電平時(shí)，使發(fā)光二極管點(diǎn)亮，同時(shí)使555構(gòu)成的多諧振蕩器工作，輸出信號(hào)經(jīng)晶體管推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲，振蕩頻率為：

圖5 聲光報(bào)警電路

■3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1定時(shí)電路系統(tǒng)框圖，利用Multisim仿真測(cè)試軟件搭建定時(shí)仿真電路，如圖6所示。

圖6 定時(shí)電路Multisim仿真圖

圖6中使用方波信號(hào)源V1模擬秒脈沖，S2和S3選擇單刀雙擲開(kāi)關(guān)，S1選擇延時(shí)開(kāi)關(guān)，具體功能如表3所示。并通過(guò)Multisim仿真進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了搭建定時(shí)電路的可行性。

表3 仿真開(kāi)關(guān)狀態(tài)

4 定時(shí)器電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛擬儀器口袋實(shí)驗(yàn)室EPI-LITE102/m102和定時(shí)器功能電路共同組成本實(shí)驗(yàn)的硬件框架，并在軟件控制下實(shí)現(xiàn)定時(shí)器功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 定時(shí)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

使用口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)發(fā)生器模塊，替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的外部?jī)x器，實(shí)驗(yàn)電路所需的±5V工作電壓由可編程直流電源模塊提供。在Electronics Pioneer軟件的StaOut軟面板界面中可以方便地設(shè)置和調(diào)整典型激勵(lì)信號(hào)的類型和參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下，首先，在面包板上搭建定時(shí)器實(shí)驗(yàn)功能電路，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖8(a)所示。開(kāi)啟外部電源輸入，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路供電。在StaOut軟面板界面的A1功能處點(diǎn)擊打開(kāi)時(shí)鐘，并設(shè)置時(shí)鐘脈沖信號(hào)頻率為1Hz，即開(kāi)始輸出特定頻率的脈沖信號(hào)。打開(kāi)StaIn界面并切換到功能4，這時(shí)在虛擬數(shù)碼管的個(gè)位上就能看到30，29，28，…，0的數(shù)字按照1秒的周期交替出現(xiàn)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，面包板上LED亮起，代表報(bào)警功能正常。

圖8 基于口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室定時(shí)器實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室完成定時(shí)器設(shè)計(jì)，不僅可以滿足傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的要求，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受地點(diǎn)、條件等因素的限制，在仿真、搭建、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還能夠更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性和積極性，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索?？诖摂M實(shí)驗(yàn)室的引入克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱體積大，配置低、靈活性差的弊端，提升了實(shí)驗(yàn)的多樣性和可拓展性。不僅僅是定時(shí)器的設(shè)計(jì)，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)模電綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等都可以借助口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中心不僅采取了基于口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室的新型教學(xué)模式，同時(shí)對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示：97%以上的學(xué)生表示口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室使用起來(lái)簡(jiǎn)單、方便、易上手。96%以上的學(xué)生表示愿意并且能夠很好地使用口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室完成電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)要求，包括復(fù)雜性綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。92%以上的學(xué)生表示愿意使用口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并考慮自購(gòu)。綜上，本文提出的基于口袋虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)探索能夠做到以學(xué)生為中心，發(fā)揮學(xué)生的自主多樣性，新的教學(xué)模式能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)新型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更加符合新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，是混合式教學(xué)模式的又一創(chuàng)新和探索，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。