EDA仿真设计在《数字电子技术基础》课程教学中的应用

吴学军, 张 静

(湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

数字电子技术是目前发展最快的科学技术之一. 数字电子技术基础是电子、通信等专业必修的一门专业技术基础课，它要求学生系统地掌握数字逻辑电路的分析方法、设计方法及应用能力，具有很强的实践性. 它的教学目的是培养学生扎实的理论知识和良好的实践能力，为学生在理论与实践应用之间架起一座桥梁. 因此，如何充分调动学生的学习主动性和培养学生的创新能力，已经成为很多教师的研究课题.

1 数字电子技术基础教学现状

数字电子技术基础课程教学包括理论教学、课程实验和课程设计三个环节，这三个环节应该相互依托，相互补充，具有一定的层次性. 比如第一环节的理论学习，使学生初步掌握基础理论知识，然后通过第二环节的实验对理论知识进一步巩固，并提高学生的实践能力，这两环节的学习也为第三环节的课程设计作好了充分准备. 而现在的教学现状是理论与实验环节脱节，主要表现在理论教学与课程实验不能同步开展，实验时间相对滞后，使学生对教学内容的感性认识被延迟，起不到理论与实验相互辅助的学习效果；在理论教学上，由于学时压缩，教学过程中普遍存在“满堂灌”的教学方式，教学内容主要包括数字电路的分析方法和设计方法，以及一些典型的集成电路的应用等，从而致使过多注重了教授内容的量，而忽视教学效果的质；并且如果只是一味的采用“灌入式”的教学方法，学生必然会对理论学习感到枯燥、乏味，渐渐失去学习兴趣[1].

2 在教学中引入EDA仿真设计的优势

EDA(Electronic Design Automatic)软件是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具，是以计算机的硬件和软件为基本工作平台的计算机辅助设计通用软件包. EDA技术能够把实验中实践平台形象地引入理论课堂，把实验与理论知识有效结合起来，使学生在理论学习的同时就可以感受到实验的过程，这样不仅避免了传统教学中教学内容“满堂灌”，以及实验与理论教学脱节等带来的一系列弊端，还有助于学生对理论知识的理解与掌握以及相关实验教学活动的顺利开展，从而使《数字电子技术基础》课程教学活动的三个教学环节真正地能够相互依托，共同促进学生对教学内容的理解与掌握[2]. 同时，在《数字电子技术基础》的理论教学中引入EDA仿真设计，能够使枯燥的理论知识变得更加生动、形象，从而增强学生对电子技术基础课程的学习兴趣，使学生对课堂教学内容理解得更深、学得更活；教师使用 EDA后可以提高自身素质和业务水平，不仅对教学难点掌握得更清楚、理解得更透彻，而且可以让教师的讲授更加生动、更贴近真实性，使学生更容易接受；让学生在理论知识的学习中接触EDA技术，拓宽了学生学习的知识面，并能为今后更好地掌握现代电子设计方法打好基础，也对学生在参加电子设计竞赛、课外科技活动有很大的帮助，进一步掌握好 EDA方面的技能，对于学生的未来发展以及就业都会有很大帮助. 因此，教学中引入EDA仿真设计是必要的.

3 常用EDA仿真设计工具

目前在《数字电子技术基础》课程教学中比较常用的仿真设计工具主要有以下几种[3]：

1)Protel的高版本Altium Designer，是一种完整的板级设计解决方案，可以将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件(如 FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起，可以同时进行 PCB和FPGA设计以及嵌入式设计，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能.

2)Proteus具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真. 从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，实现从概念到产品的完整设计.

3)Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件. 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim 是一个完整的集成化设计环境. Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题. 学生可以很方便地把理论知识通过计算机仿真很形象地理解掌握，并且可以发挥自己的创造力用虚拟仪器技术设计出属于自己的仪表. 它包含电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，由于含有丰富的仿真元件库和仿真仪表库，因此具有很强的仿真分析能力，高版本还可以进行单片机等MCU的仿真.

综合比较目前教学中常用的仿真设计软件，Multisim软件的性能比较突出，无论从仿真元件库中元件的数量上，还是虚拟设备的种类以及虚拟分析的种类上都比较丰富，尤其是电路故障的隐蔽设置，更为教学提供了极大的方便，而成为电子电路教学的首选软件工具.

4 EDA仿真设计在教学中的应用

《数字电子技术基础》内容主要分为三大块：组合逻辑电路、时序逻辑电路、波形产生与变换. 教学时可根据具体教学内容，在理论教学过程中安排 EDA仿真电路辅助教学，可使理论知识形象、生动、直观. 教师通过讲解其典型的集成电路芯片的功能和应用时，一边讲理论，一边利用仿真技术进行实例演示，可以加深学生对该器件及应用的理解.

下面通过一个简单应用来介绍 Multisim 仿真设计在组合逻辑电路、时序逻辑电路、波形产生与变换等环节教学中的应用.

图1显示了一个简易的家用防盗系统[4]，它由数据选择器、数据分配器、计数器、时钟信号发生器构成. 数据选择器和数据分配器属于组合逻辑电路，计数器属于时序逻辑电路，时钟信号发生器属于波形产生电路.

简单的家用防盗系统的工作原理可以分为三个部分讲解.

首先是组合逻辑电路部分，它由8线---1线数据选择器74LS151和1线---8线数据分配器74LS138连接构成. 74151和74138作用正好相反，74151集成电路是根据控制输入端ABC的二进制数决定8个输入端中的1个送到输出端，74138集成电路是根据控制输入端ABC的二进制数决定输入端中的数据分别送到8个不同的输出端. 74151的8个输入端接收传感器开关的信号，74138的8个输入端连接LED分别指示8个开关的信息. 所以74151相当于一个并行-串行数据传输转换器；相应的，74138相当于一个串行-并行数据传输转换器. 电路设计仿真如图2(a)和(b)所示，用开关ABCDEFGH表示门和窗户等位置的感应开关，用LED二极管表示对应开关信息. 如在仿真图中只有开关B和E是断开的，说明B和E处有人闯入，在显示器上LED2和LED5闪烁，即哪个开关断开，对应的LED就闪烁指示相应信息.

图1 简易家用防盗系统原理

图2 简单家用防盗系统电路设计仿真图

接着是时序逻辑电路部分，它是通过一个简单的计数器就能实现，计数器设计成一个模为8的二进制计数器. 可以在讲解任意进制计数器设计方法时，通过典型的集成计数器电路如74161(或74160)实现(如图3所示).

图3 计数器电路设计仿真图

图4 定时器设计向导

第三部分是波形产生电路，这里主要是产生计数器的时钟信号. 在教材的讲解中主要是555定时器的应用电路设计，在Multisim软件中可以启动555 Timer Wizard，打开定时器设计向导[5](如图4所示). 产生时钟信号可以选用多谐振荡器，即无稳态工作方式Astable Operation，根据设计需要可以设置参数. 参数设置好后点击建立电路，就能自动生成需要的电路如图5所示. 将输出连接一个虚拟示波器，即可观察输出波形是否正确，示波器显示结果如图6所示.

图5 定时器电路设计仿真图

图6 虚拟示波器显示输出波形图

教师在讲解时，学生只能凭空想象：8路输出信号是如何对应的指示8路输入信号呢？如何控制同步？这些问题使学生感到学习很抽象，对电路的理解应用更加大了难度. 因此通过EDA技术同步演示电路的仿真设计，在仿真设计过程中修改电路的参数或连接线，可以直观地观察电路的工作状况，使学生更容易理解各种集成电路器件的功能及应用，比如在上述简易家庭防盗系统电路中，通过开关和 LED指示灯显示理解74151和74138的功能，74151和74138的同步是通过计数器的工作状态控制的；通过演示仿真设计还能教会学生电路的设计方法，比如如何用555定时器设计计数器的时钟信号. 实践表明，在课堂上增加EDA仿真设计演示，提高了学生的学习兴趣，激发了学生求知的欲望，使学生更好地掌握该课程知识.

5 结语

在《数字电子技术基础》课程的教学中应用 EDA仿真设计工具进行电路的设计与仿真，使抽象的理论变得形象，使复杂的电路变得实际，使难以理解的工作原理分析变得生动形象，让学生在课堂上感受到理论与实践结合的有益效果. 总之，EDA仿真设计方法在数字电子技术基础课程的教学中应用能够有助于增加课堂趣味性，提高理论教学效果，培养学生创新能力，同时也有助于提升教师自身的教学水平，进而提高教学质量.

[1]孙丽君, 张晓东, 鲁 可. “数字电子技术”课程教学改革探析[J]. 中国电力教育, 2013(13): 67-68.

[2]曾 飞, 郭汉清. 基于EDA技术的数字电子技术教学实践新思路[J]. 湘潭师范学院学报: 自然科学版, 2008, 30(3): 164-166.

[3]贾 巍. 教学中常用电子设计仿真软件的应用[J]. 襄樊学院学报, 2007(11): 84-86.

[4]库 克. 实用数字电子技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.

[5]聂 典, 丁 伟. Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.