燕　帥，沈利芳，華一村，鄧開連

(東華大學(xué)　信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上?！?01620)

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數(shù)字電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐探討

燕帥，沈利芳，華一村，鄧開連

(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620)

數(shù)字電子技術(shù)是電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力有著十分重要的作用。在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”中，東華大學(xué)對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革進(jìn)行了探索。在學(xué)生完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，通過加入以Multisim10.0軟件和面包板為平臺(tái)的“設(shè)計(jì)+仿真+電路搭建”的綜合性實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生可以系統(tǒng)地實(shí)踐與掌握該課程的重要知識(shí)內(nèi)容。教學(xué)結(jié)果顯示，綜合實(shí)驗(yàn)可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新意識(shí)。

數(shù)字電子技術(shù)；綜合實(shí)驗(yàn)；卓越工程師；Multisim軟件

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”[1-2]是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》的重大改革項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)出一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的工程技術(shù)人才，從而全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。東華大學(xué)在電氣信息類專業(yè)卓越工程師的培養(yǎng)方案中，要求學(xué)生在具備良好的專業(yè)知識(shí)、能力的基礎(chǔ)上，重視在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的動(dòng)手能力與分析解決問題能力的培養(yǎng)[4]。數(shù)字電子技術(shù)課程是電氣信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，注重理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合[5]。為此，我們針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，在保留改革前重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，引入“設(shè)計(jì)+仿真+電路搭建”的綜合性實(shí)驗(yàn)。改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)(10學(xué)時(shí))與綜合性實(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí))，既保證了課程知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，也鼓勵(lì)和激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐精神，同時(shí)為后續(xù)的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)[6]等專業(yè)課的綜合實(shí)踐打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1　綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本文以Multisim[7-8]環(huán)境下設(shè)計(jì)的“生理刺激反應(yīng)測(cè)試”[9]綜合實(shí)驗(yàn)為例，將實(shí)驗(yàn)過程分為:課前準(zhǔn)備、課程設(shè)計(jì)要求講解、系統(tǒng)仿真、實(shí)際電路搭建、實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)收與評(píng)分5個(gè)階段，各個(gè)階段環(huán)環(huán)相扣，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范清晰。

1.1課前準(zhǔn)備

1)基于EDA技術(shù)[10]的Multisim10.0仿真平臺(tái)介紹與應(yīng)用講解。NI公司的Multisim10.0軟件具備龐大的元器件庫(kù)與強(qiáng)大的仿真測(cè)試分析功能，可以滿足模擬電路、數(shù)字電路及數(shù)模結(jié)合電路的功能性設(shè)計(jì)與分析。其友好的用戶界面及簡(jiǎn)便的操作可以讓學(xué)生較快上手。

2)小型電路的講解與設(shè)計(jì)。在講解課程設(shè)計(jì)要求之前，要求學(xué)生通過Multisim設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)老師布置的小型電路，使學(xué)生初步掌握Multisim環(huán)境下電路設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)。老師從旁指導(dǎo)學(xué)生解決在電路設(shè)計(jì)中遇到的問題。

3)要求學(xué)生使用Multisim設(shè)計(jì)帶有4位數(shù)碼管的計(jì)數(shù)電路的原理圖。此電路將在綜合實(shí)驗(yàn)電路中作為顯示模塊使用，4位數(shù)碼管由左到右分別顯示由高到低位的數(shù)值。

1.2綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求與系統(tǒng)仿真

1.2.1設(shè)計(jì)要求

“生理刺激反應(yīng)”電路用來(lái)測(cè)定人眼對(duì)光源刺激物的反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)準(zhǔn)備燈亮起時(shí)，被測(cè)試人做好準(zhǔn)備，等待測(cè)試燈亮。經(jīng)過一段延時(shí)后測(cè)試燈點(diǎn)亮，人眼受到刺激并按下反應(yīng)按鍵，測(cè)試燈與準(zhǔn)備燈熄滅，完成本次測(cè)試。從測(cè)試燈亮起時(shí)刻至反應(yīng)鍵按下，間隔的時(shí)間即為被測(cè)試人對(duì)光源的反應(yīng)時(shí)間，該時(shí)間將在四位數(shù)碼管上顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)要求測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的顯示能精確到ms級(jí)別，并可以在兩次及以上測(cè)試完成后，顯示多次測(cè)量的平均反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，考慮到被測(cè)試人可能會(huì)出現(xiàn)在測(cè)試燈未亮之前就按下反應(yīng)鍵的違例測(cè)量情況，需在電路中設(shè)置某一信號(hào)來(lái)標(biāo)記此特殊情況是否發(fā)生。

1.2.2系統(tǒng)仿真

“生理刺激反應(yīng)測(cè)試”的Multisim仿真如圖1所示。圖1中按鍵A為準(zhǔn)備鍵，按鍵B為反應(yīng)鍵，按鍵C為測(cè)試按鍵，按鍵D為復(fù)位按鍵。整個(gè)電路包含顯示計(jì)數(shù)板、邏輯控制單元和測(cè)量次數(shù)設(shè)置單元3部分。

圖1　系統(tǒng)仿真電路圖

1)顯示計(jì)數(shù)板。

顯示平均反應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果。該部分電路在課前準(zhǔn)備階段已要求學(xué)生完成。電路中最低位4518芯片接入由測(cè)量次數(shù)設(shè)置單元提供的時(shí)鐘信號(hào)CP。

2)邏輯控制單元。

完成每次的反應(yīng)時(shí)間的測(cè)試。其中L1為準(zhǔn)備信號(hào)燈，L2為測(cè)試信號(hào)燈，L3為違例信號(hào)燈，各由一個(gè)JK觸發(fā)器來(lái)控制。至于提供給顯示計(jì)數(shù)板的RD清零信號(hào)與LD鎖存信號(hào)亦各由一個(gè)作為單穩(wěn)態(tài)功能的JK觸發(fā)器控制。這兩個(gè)觸發(fā)器的脈沖信號(hào)由測(cè)試次數(shù)設(shè)置單元中7485芯片的兩個(gè)輸出引腳提供。

3)測(cè)量次數(shù)設(shè)置單元。

通過按鍵C設(shè)置測(cè)試次數(shù)N(N范圍為1～9)，左半邊部分的2個(gè)74160芯片配合4個(gè)4077同或門及7421四輸入與門對(duì)1 kHz時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行N次分頻。左邊數(shù)碼管顯示測(cè)量設(shè)置次數(shù)N，右邊數(shù)碼管顯示已測(cè)量的次數(shù)，當(dāng)兩邊次數(shù)一致時(shí)，測(cè)量完畢。此時(shí)芯片7485相關(guān)引腳輸出送給邏輯控制單元里的2個(gè)JK單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖輸入端，完成先鎖存后清零的動(dòng)作。在完成N次測(cè)量后，顯示計(jì)數(shù)板上才會(huì)出現(xiàn)平均反應(yīng)時(shí)間的測(cè)量結(jié)果。

關(guān)于圖中連線部分，要求學(xué)生適當(dāng)使用總線連接，以利于檢查電路圖中可能出現(xiàn)的連線錯(cuò)誤，降低電路的整體復(fù)雜度。

電路整體工作流程如圖2所示。

圖2　電路工作流程

延時(shí)計(jì)數(shù)部分對(duì)應(yīng)于圖1中邏輯控制單元中的74160芯片，使用其置數(shù)功能，置數(shù)端引腳D-A分別接在4片4518芯片最低位計(jì)數(shù)引腳上，可保證每次延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短的隨機(jī)性。如有違例情況發(fā)生，則違例燈L3保持長(zhǎng)亮，提醒本次測(cè)量無(wú)效，重新設(shè)置測(cè)量次數(shù)N，進(jìn)行下一輪測(cè)試。

如圖1所示，測(cè)量次數(shù)N設(shè)置為5。計(jì)數(shù)脈沖CP送入與否需要測(cè)試燈L2端信號(hào)通過與非門共同作用，即顯示模塊的4518芯片僅在L2燈亮?xí)r計(jì)數(shù)。測(cè)量次數(shù)在小于5時(shí)計(jì)數(shù)板脈沖始終處于累加狀態(tài)而不清零，僅在測(cè)量達(dá)到5次之后，計(jì)數(shù)結(jié)果先鎖存顯示在計(jì)數(shù)板上后，計(jì)數(shù)器隨即清零。再次按下按鍵D后電路復(fù)位。系統(tǒng)工作各信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)工作信號(hào)時(shí)序

2　實(shí)際電路搭建

學(xué)生將仿真電路在面包板上進(jìn)行線路搭建，通過外接直流穩(wěn)壓電源輸入5 V的芯片工作電壓。由信號(hào)發(fā)生器向電路中輸入時(shí)鐘信號(hào)。因?qū)嶋H電路較大，在此截取電路中邏輯控制單元模塊的電路，如圖4所示，圖中不包含外部?jī)x器部分。邏輯控制單元中的74160芯片的4位置數(shù)端未接入信號(hào)，經(jīng)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，其延時(shí)長(zhǎng)短可保證為隨機(jī)性。

圖4　邏輯控制單元電路搭建示意圖

表1記錄了不同測(cè)量次數(shù)下的實(shí)際反應(yīng)時(shí)間情況，其平均反應(yīng)時(shí)間大致在0.3～0.4 ms，考慮到個(gè)人反應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定性的前提，可知該電路測(cè)量結(jié)果具備較好的精確性。

表1　不同測(cè)量次數(shù)下的實(shí)際反應(yīng)時(shí)間

3　完成設(shè)計(jì)報(bào)告

在完成課程設(shè)計(jì)的電路驗(yàn)收后，要求學(xué)生對(duì)本次綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及過程進(jìn)行總結(jié)。報(bào)告內(nèi)容包括:實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?、設(shè)計(jì)原理、電路分析、系統(tǒng)仿真、線路搭建、遇到的問題與解決方法、心得體會(huì)等，要求學(xué)生的報(bào)告做到行文流暢、格式規(guī)范。這樣可以幫助學(xué)生提升寫作能力和語(yǔ)言組織能力[11]，有利于學(xué)生今后規(guī)范撰寫科研類文章。

4　綜合實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分

老師根據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)學(xué)生的完成情況進(jìn)行評(píng)分，操作總分共計(jì)30分。操作部分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要包括6個(gè)方面。

學(xué)生在兩次上課期間需簽到，并在實(shí)驗(yàn)室里完成綜合實(shí)驗(yàn)。

面包板上走線是否平順均勻，導(dǎo)線是否有交叉、飛線等情況。

實(shí)際評(píng)分細(xì)則根據(jù)每年綜合實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的具體要求會(huì)有所變動(dòng)。

5　結(jié)束語(yǔ)

在電氣信息類專業(yè)的“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”里的數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，通過引入綜合性實(shí)驗(yàn)，不僅提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，同時(shí)也提高了學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力。綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力與學(xué)習(xí)興趣方面效果顯著。通過 “設(shè)計(jì)+仿真+電路搭建”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，能夠給學(xué)生提供一個(gè)軟硬件結(jié)合的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

作為學(xué)?！白吭焦こ處熍囵B(yǎng)”教育體系中的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革不僅可以提高工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量，同時(shí)也推進(jìn)了教育的創(chuàng)新性與實(shí)踐性。通過在不斷改革的過程中逐步貼近當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新性好、實(shí)踐性強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的高質(zhì)量技術(shù)人才[12-13]。

[1]李海燕，李海寶，趙汗青，等.基于卓越工程師背景下專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].教育教學(xué)論壇，2014 (31):77-78.

[2]于衛(wèi)，張政華，胡學(xué)龍.面向卓越工程師培養(yǎng)的電子技術(shù)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2012，58(S2):21-24.

[3]陸鑫，王雁東，張寧.針對(duì)卓越工程師培養(yǎng)的課程實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)模式探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(6):274-277.

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Discussion on Teaching Practice of Comprehensive Experiment of Digital Electronic Technology

YAN Shuai，SHEN Lifang，HUA Yicun，DENG Kailian

(Information Science College，Donghua University， Shanghai 201620，China)

Digital Electronic Technology is an important basic course for the students of electrical and information majors，and the experimental teaching plays a significant role in cultivating students' practical ability and innovative capability.According to the plan of excellent engineer education (PEEE)，this university has explored teaching reform on experimental teaching of the course.After the comprehensive experiment-after part of the experiment had been done，the “Design & Simulation & Build circuit” based on Multisim10.0 software & breadboard made the students systematically practice and master the knowledge in this course.The teaching results have showed comprehensive experiment efficiently improved the learning，practical abilities and the innovative consciousness of students.

digital electronic technology; comprehensive experiment; excellent engineer; Multisim

2014-10-27；修改日期: 2014-11-09

東華大學(xué)卓越工程師培養(yǎng)項(xiàng)目(104-03-0031011)；東華大學(xué)教育改革項(xiàng)目。

燕帥(1988-)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事電路及電工電子技術(shù)等的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.038