胡媛媛，劉 靜

(深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060)

數(shù)字電路是電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]。該課程的實(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[2]。傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)一般采用 “元器件搭接”的方式，用直插式數(shù)字邏輯芯片在面包板或者實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行插拔和連接等操作，來完成指定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該方式的主要問題在于不能站在 “系統(tǒng)”的高度去設(shè)計(jì)電路，而且電路的可靠性差，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電路的設(shè)計(jì)需求[3]。

為了提高數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，本文提出在已有的 “元器件搭接”驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首先，結(jié)合EDA軟件Multisim12.0[4]，對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)性電路進(jìn)行建模和仿真。Multisim12.0能讓學(xué)生很容易地將所學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)地再現(xiàn)出來，形成自己最初的數(shù)字電路板設(shè)計(jì)思路。然后，基于片上可編程系統(tǒng)PSoC3，完成數(shù)字電路綜合性實(shí)驗(yàn)。PSoC3實(shí)現(xiàn)了8051CPU核、數(shù)字和模擬系統(tǒng)的高度集成，不僅使學(xué)生可以站在“系統(tǒng)”的高度去思考、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)電路，而且使學(xué)生能更加專注于電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的主體，而不是其他輔助性的，如元器件的購買、制版等內(nèi)容，從而提高了設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本[5]。

對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)實(shí)行漸進(jìn)式教學(xué)模式，不僅能讓學(xué)生對(duì)數(shù)字邏輯元器件有直觀的認(rèn)識(shí)和了解，而且培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

1 漸進(jìn)式數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路

深圳大學(xué)設(shè)置數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課的目的是掌握一般數(shù)字邏輯電路的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用數(shù)字電路的理論和相關(guān)元器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力。但是，目前深圳大學(xué)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，還停留在選用標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路芯片(如TTL產(chǎn)品系列和CMOS產(chǎn)品系列)，再由這些芯片和其他元器件進(jìn)行 “元器件搭接”來完成要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的階段。這是一種 “自下而上”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒6]。這種實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力在元器件的選用、購買、制版和調(diào)試等工作上。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課時(shí)只有18個(gè)學(xué)時(shí)的情況下，學(xué)生幾乎沒有時(shí)間去認(rèn)真考慮如何設(shè)計(jì)一個(gè)電路，如何實(shí)現(xiàn)自己的一個(gè)構(gòu)想，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)形同虛設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力更是無從談起。

隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字電路已經(jīng)從用小規(guī)模集成電路進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)進(jìn)入到用中、大規(guī)模集成電路進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的階段[7]。在單芯片上實(shí)現(xiàn)MCU、數(shù)字和模擬系統(tǒng)的高度集成，會(huì)使設(shè)計(jì)更加靈活方便，同時(shí)大大節(jié)省設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)開銷[5]。這是一種 “自上而下”的設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)時(shí)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分，在電腦上實(shí)現(xiàn)功能的描述、仿真和調(diào)試，然后基于這種集MCU、數(shù)字和模擬系統(tǒng)的高度集成芯片，最終在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路。為了順應(yīng)電子技術(shù)未來發(fā)展的潮流，并在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力的目的，以往 “自下而上”的實(shí)驗(yàn)方法必須改革為 “自上而下”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

基于 “自上而下”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蛯W(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的具體情況，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)漸進(jìn)式教學(xué)改革方案，具體如圖1所示。

圖1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)思路

不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，即以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，然后是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，最后是綜合性實(shí)驗(yàn)的正三角結(jié)構(gòu)，本文提出的漸進(jìn)式教學(xué)改革方案采用紡錘形結(jié)構(gòu)模式，即大大縮減驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，增加仿真設(shè)計(jì)和綜合性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生很容易地將學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)地再現(xiàn)出來，形成自己最初的數(shù)字電路板設(shè)計(jì)思路；而基于高度集成片上系統(tǒng)芯片的綜合性實(shí)驗(yàn)，可以避開電路輔助工作的干擾，讓學(xué)生專注于電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的主體，同時(shí)，設(shè)計(jì)周期大大縮短，電路可靠性大大提高，達(dá)到了在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的最終目標(biāo)。

Multisim12.0是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的EDA仿真工具[8]，適用于電路板級(jí)模擬/數(shù)字電路的設(shè)計(jì)工作，可以交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真，非常適合于電子類教學(xué)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)的普及，學(xué)生還可以充分利用課余時(shí)間使用EDA軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。這樣不僅能提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且加快了學(xué)生課上實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。PSoC3(programmable system on chip)是美國cypress公司最新開發(fā)的集數(shù)字可編程陣列、模擬可編程陣列、單片機(jī)為一體的系統(tǒng)芯片，解決了數(shù)字電路與模擬電路的接口問題，內(nèi)部資源較單片機(jī)豐富，幾乎不需外部資源即可構(gòu)成電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件PSoC Creator采用圖形控件，界面簡單友好，易于調(diào)試[9]?；赑SoC3，可以設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)很多綜合設(shè)計(jì)類數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[10]，加強(qiáng)了課程的實(shí)踐性和應(yīng)用性，從而達(dá)到循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。本文提出的漸進(jìn)式數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案將基于面包板(或?qū)嶒?yàn)箱)、Multisim12.0和PSoC3進(jìn)行。

2 漸進(jìn)式數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

漸進(jìn)式數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案如表1所示，實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)為18。

1)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以直觀認(rèn)識(shí)和了解數(shù)字電路的元器件，如各類芯片的功能和基本應(yīng)用，并通過Multisim12.0對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課前仿真，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又加快了學(xué)生課上實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。

2)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)。

在掌握基本數(shù)字電路知識(shí)的基礎(chǔ)上，首先利用Multisim12.0元器件庫的豐富性，避開實(shí)驗(yàn)設(shè)備的固定化和形式化，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，一則加深對(duì)數(shù)字電路知識(shí)的理解，二則構(gòu)建自己最初的數(shù)字電路板設(shè)計(jì)思路；然后利用PSoC3完成“直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及測(cè)速實(shí)驗(yàn)”，為下階段進(jìn)行系統(tǒng)化綜合性實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

3)綜合性實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。

因?qū)嶒?yàn)總學(xué)時(shí)的限制，綜合性實(shí)驗(yàn)只有4學(xué)時(shí)。學(xué)生將根據(jù)自己的興趣從5個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)題目中選擇一個(gè)，利用PSoC3，完成從設(shè)計(jì)到仿真，直到最后實(shí)現(xiàn)的全部過程。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分層次設(shè)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)方案中對(duì)內(nèi)容和學(xué)時(shí)的分配，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。

3 漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)例

本節(jié)將以 “計(jì)數(shù)器”為例，說明驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的漸進(jìn)性設(shè)置，展示在這種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排下，學(xué)生對(duì)以 “計(jì)數(shù)器”為核心的數(shù)字電路從淺入深、從簡單到復(fù)雜的掌握情況。

3.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)——計(jì)數(shù)器

74LS90是典型的異步二—五—十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器[11]。通過不同的連接方式，74LS90可以實(shí)現(xiàn)4種不同的邏輯功能。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生利用74LS90連接成一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，輸出用4個(gè)LED燈顯示?；贛ultisim的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真圖如圖2所示，4個(gè)LED燈顯示為 “1001”，即十進(jìn)制數(shù) “9”。因?yàn)榉抡娴撵`活性，學(xué)生還可以利用74LS90實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制、八進(jìn)制、甚至六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，在不占用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的情況下，加深對(duì)計(jì)數(shù)器的了解。

圖2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的Multisim電路仿真圖

為了加深學(xué)生的直觀印象，所有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)都要求基于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱或者面包板通過 “元器件搭接”方式實(shí)現(xiàn)。

通過這類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既可以直觀了解各類常用芯片的功能和數(shù)字電路的組成，還可以通過Multisim12.0對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課前仿真，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又加快了學(xué)生課上實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。

3.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——彩燈流水電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為設(shè)計(jì)一電路以驅(qū)動(dòng)8只燈，并使其7亮1暗，且這一暗燈按一定節(jié)拍循環(huán)右移[12]。如圖3所示，在該實(shí)驗(yàn)中，74LS90被連接成一個(gè)八進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再經(jīng)過74LS138D(3線－8線譯碼器)的譯碼，從而驅(qū)動(dòng)8只LED燈7亮1暗，按一定節(jié)拍循環(huán)右移。按下仿真開關(guān)，可以看到該電路的工作情況。

圖3 彩燈流水仿真電路

相對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的電路更加復(fù)雜，系統(tǒng)更加完整。利用Multisim12.0元器件庫的豐富性，避開實(shí)驗(yàn)設(shè)備的固定化和形式化，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)數(shù)字電路知識(shí)的理解。

3.3 綜合性實(shí)驗(yàn)——數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)用PSoC3實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)任務(wù)為利用定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和按鍵中斷設(shè)計(jì)數(shù)字鐘。具體要求為:1)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并以數(shù)字顯示時(shí)、分、秒；2)小時(shí)的計(jì)時(shí)使用24小時(shí)格式，分和秒的時(shí)間要求為六十進(jìn)制；3)可校正時(shí)間。

設(shè)計(jì)思路包括:1)輸入100 Hz的時(shí)鐘給定時(shí)器，以輸出穩(wěn)定的誤差低的時(shí)鐘信號(hào)；2)將時(shí)鐘信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)器，使用計(jì)數(shù)到信號(hào)comp逐級(jí)傳送實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)；3)設(shè)計(jì)暫停計(jì)時(shí)功能按鍵和時(shí)、分、秒校正按鍵共4個(gè)按鍵；4)設(shè)置按鍵LED指示燈和LCD顯示屏。

基于PSoC3的數(shù)字時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。設(shè)計(jì)過程中定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、按鍵中斷、LED和LCD的詳細(xì)設(shè)置和編程部分限于篇幅在此省略。

綜合性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生站在 “系統(tǒng)”的高度去思考和設(shè)計(jì)電路。學(xué)生基于在驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中對(duì) “計(jì)數(shù)器”知識(shí)的了解和應(yīng)用，在這個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)中，就可以直接應(yīng)用PSoC3中計(jì)數(shù)器模塊，直接生成24進(jìn)制和60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。由于PSoC3對(duì)數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的高度集成，學(xué)生可以在電腦上完成全部的上層框圖設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)下載到目標(biāo)器件后，就可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證了。

圖4 基于PSoC3的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

學(xué)生在完成綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，又加入了日期顯示后的PSoC電路板如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分展示了漸進(jìn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的成效。

圖5 學(xué)生 “數(shù)字鐘”作品展示

4 結(jié)束語

數(shù)字電路漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，從實(shí)驗(yàn)室實(shí)際環(huán)境出發(fā)，引入了現(xiàn)代EDA技術(shù)和數(shù)模集成系統(tǒng)芯片技術(shù)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)、工程實(shí)踐和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的統(tǒng)一，取得了良好的教學(xué)效果。

[1]鄒云海，高勝東，鄧娜.《脈沖與數(shù)字電路》課程教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007，5(1):71－73.

[2]燕帥，沈利芳，華一村，等.數(shù)字電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14(1):132－135.

[3]梅開鄉(xiāng)，梅軍進(jìn)，張健.電子電路設(shè)計(jì)與制作:電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)指導(dǎo)[M].2版.北京:北京理工大學(xué)出版社，2016.

[4]崔莉.EDA技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2015.

[5]何賓.PSoC模擬與數(shù)字電路設(shè)計(jì)指南[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6]王海光.現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)——EDA＋PLD[J].閩南師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然版)，2001，14(1):36－38.

[7]宋明秋.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的設(shè)想[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào) (高教版)，2010，5(2):150－151.

[8]聶典，李北雁，聶夢(mèng)晨，等.Multisim 12仿真設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2014.

[9]清華大學(xué)科教儀器廠.TPG－PSoC3可編程片上系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)指南 [EB/OL].(2014－11－20).http://www.qhkj.com/＿d270798479.htm.

[10]劉靜，胡媛媛.基于PSoC平臺(tái)的數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14(3):19－21.

[11]湯繼華.常用集成芯片使用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1995.

[12]蔡良偉.電路與電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2012.