数字电子技术综合实验的教学实践探讨

燕　帅，沈利芳，华一村，邓开连

(东华大学　信息科学与技术学院，上海　201620)



数字电子技术综合实验的教学实践探讨

燕帅，沈利芳，华一村，邓开连

(东华大学信息科学与技术学院，上海201620)

数字电子技术是电气信息类专业的一门重要的专业基础课程。该课程实验教学对于培养学生的动手能力与创新能力有着十分重要的作用。在“卓越工程师教育培养计划”中，东华大学对数字电子技术实验教学的改革进行了探索。在学生完成基础性实验环节的基础上，通过加入以Multisim10.0软件和面包板为平台的“设计+仿真+电路搭建”的综合性实验，使得学生可以系统地实践与掌握该课程的重要知识内容。教学结果显示，综合实验可以有效提高学生的学习能力、实践能力及创新意识。

数字电子技术；综合实验；卓越工程师；Multisim软件

“卓越工程师教育培养计划”[1-2]是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》的重大改革项目，旨在培养出一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的工程技术人才，从而全面提高工程教育人才培养质量[3]。东华大学在电气信息类专业卓越工程师的培养方案中，要求学生在具备良好的专业知识、能力的基础上，重视在教学实践环节中的动手能力与分析解决问题能力的培养[4]。数字电子技术课程是电气信息类专业的一门重要专业基础课程，注重理论教学与实践环节相结合[5]。为此，我们针对实验教学环节，在保留改革前重要的实验内容基础上，引入“设计+仿真+电路搭建”的综合性实验。改革后的实验教学包括基础实验(10学时)与综合性实验(2学时)，既保证了课程知识的学习与实践，也鼓励和激发了学生的创新与实践精神，同时为后续的电子技术课程设计[6]等专业课的综合实践打下了坚实基础。

1　综合实验教学内容

本文以Multisim[7-8]环境下设计的“生理刺激反应测试”[9]综合实验为例，将实验过程分为:课前准备、课程设计要求讲解、系统仿真、实际电路搭建、实验报告验收与评分5个阶段，各个阶段环环相扣，评价标准规范清晰。

1.1课前准备

1)基于EDA技术[10]的Multisim10.0仿真平台介绍与应用讲解。NI公司的Multisim10.0软件具备庞大的元器件库与强大的仿真测试分析功能，可以满足模拟电路、数字电路及数模结合电路的功能性设计与分析。其友好的用户界面及简便的操作可以让学生较快上手。

2)小型电路的讲解与设计。在讲解课程设计要求之前，要求学生通过Multisim设计实现老师布置的小型电路，使学生初步掌握Multisim环境下电路设计的基本要点。老师从旁指导学生解决在电路设计中遇到的问题。

3)要求学生使用Multisim设计带有4位数码管的计数电路的原理图。此电路将在综合实验电路中作为显示模块使用，4位数码管由左到右分别显示由高到低位的数值。

1.2综合实验设计要求与系统仿真

1.2.1设计要求

“生理刺激反应”电路用来测定人眼对光源刺激物的反应时间。当准备灯亮起时，被测试人做好准备，等待测试灯亮。经过一段延时后测试灯点亮，人眼受到刺激并按下反应按键，测试灯与准备灯熄灭，完成本次测试。从测试灯亮起时刻至反应键按下，间隔的时间即为被测试人对光源的反应时间，该时间将在四位数码管上显示出来。设计要求测量反应时间的显示能精确到ms级别，并可以在两次及以上测试完成后，显示多次测量的平均反应时间。同时，考虑到被测试人可能会出现在测试灯未亮之前就按下反应键的违例测量情况，需在电路中设置某一信号来标记此特殊情况是否发生。

1.2.2系统仿真

“生理刺激反应测试”的Multisim仿真如图1所示。图1中按键A为准备键，按键B为反应键，按键C为测试按键，按键D为复位按键。整个电路包含显示计数板、逻辑控制单元和测量次数设置单元3部分。

图1　系统仿真电路图

1)显示计数板。

显示平均反应时间的测试结果。该部分电路在课前准备阶段已要求学生完成。电路中最低位4518芯片接入由测量次数设置单元提供的时钟信号CP。

2)逻辑控制单元。

完成每次的反应时间的测试。其中L1为准备信号灯，L2为测试信号灯，L3为违例信号灯，各由一个JK触发器来控制。至于提供给显示计数板的RD清零信号与LD锁存信号亦各由一个作为单稳态功能的JK触发器控制。这两个触发器的脉冲信号由测试次数设置单元中7485芯片的两个输出引脚提供。

3)测量次数设置单元。

通过按键C设置测试次数N(N范围为1～9)，左半边部分的2个74160芯片配合4个4077同或门及7421四输入与门对1 kHz时钟信号进行N次分频。左边数码管显示测量设置次数N，右边数码管显示已测量的次数，当两边次数一致时，测量完毕。此时芯片7485相关引脚输出送给逻辑控制单元里的2个JK单稳态触发器脉冲输入端，完成先锁存后清零的动作。在完成N次测量后，显示计数板上才会出现平均反应时间的测量结果。

关于图中连线部分，要求学生适当使用总线连接，以利于检查电路图中可能出现的连线错误，降低电路的整体复杂度。

电路整体工作流程如图2所示。

图2　电路工作流程

延时计数部分对应于图1中逻辑控制单元中的74160芯片，使用其置数功能，置数端引脚D-A分别接在4片4518芯片最低位计数引脚上，可保证每次延时时间长短的随机性。如有违例情况发生，则违例灯L3保持长亮，提醒本次测量无效，重新设置测量次数N，进行下一轮测试。

如图1所示，测量次数N设置为5。计数脉冲CP送入与否需要测试灯L2端信号通过与非门共同作用，即显示模块的4518芯片仅在L2灯亮时计数。测量次数在小于5时计数板脉冲始终处于累加状态而不清零，仅在测量达到5次之后，计数结果先锁存显示在计数板上后，计数器随即清零。再次按下按键D后电路复位。系统工作各信号时序关系如图3所示。

图3　系统工作信号时序

2　实际电路搭建

学生将仿真电路在面包板上进行线路搭建，通过外接直流稳压电源输入5 V的芯片工作电压。由信号发生器向电路中输入时钟信号。因实际电路较大，在此截取电路中逻辑控制单元模块的电路，如图4所示，图中不包含外部仪器部分。逻辑控制单元中的74160芯片的4位置数端未接入信号，经实际测量验证，其延时长短可保证为随机性。

图4　逻辑控制单元电路搭建示意图

表1记录了不同测量次数下的实际反应时间情况，其平均反应时间大致在0.3～0.4 ms，考虑到个人反应时间稳定性的前提，可知该电路测量结果具备较好的精确性。

表1　不同测量次数下的实际反应时间

3　完成设计报告

在完成课程设计的电路验收后，要求学生对本次综合实验设计的内容及过程进行总结。报告内容包括:实验目录、设计原理、电路分析、系统仿真、线路搭建、遇到的问题与解决方法、心得体会等，要求学生的报告做到行文流畅、格式规范。这样可以帮助学生提升写作能力和语言组织能力[11]，有利于学生今后规范撰写科研类文章。

4　综合实验操作评分

老师根据综合实验评分标准，针对学生的完成情况进行评分，操作总分共计30分。操作部分评分标准主要包括6个方面。

学生在两次上课期间需签到，并在实验室里完成综合实验。

面包板上走线是否平顺均匀，导线是否有交叉、飞线等情况。

实际评分细则根据每年综合实验相应的具体要求会有所变动。

5　结束语

在电气信息类专业的“卓越工程师培养计划”里的数字电子技术课程实验教学改革中，通过引入综合性实验，不仅提升了实验教学的质量，同时也提高了学生的知识学习与应用能力。综合实验的教学时间虽然不长，但在培养学生综合能力与学习兴趣方面效果显著。通过 “设计+仿真+电路搭建”的实验模式，能够给学生提供一个软硬件结合的学习平台。

作为学校“卓越工程师培养”教育体系中的重要组成部分，实验教学的改革不仅可以提高工程人才的培养质量，同时也推进了教育的创新性与实践性。通过在不断改革的过程中逐步贴近当今技术的发展趋势，有利于培养创新性好、实践性强、适应社会发展需求的高质量技术人才[12-13]。

[1]李海燕，李海宝，赵汗青，等.基于卓越工程师背景下专业实验教学的改革[J].教育教学论坛，2014 (31):77-78.

[2]于卫，张政华，胡学龙.面向卓越工程师培养的电子技术教学研究与实践[J].武汉大学学报(理学版)，2012，58(S2):21-24.

[3]陆鑫，王雁东，张宁.针对卓越工程师培养的课程实验测评模式探索[J].实验科学与技术，2013，11(6):274-277.

[4]郑兆兆，高静.数字电子技术实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2013，11(2):103-106..

[5]宁改娣，金印彬，刘涛，等.数字电子技术课程实验教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2013(4):102-103..

[6]成开友.电子技术课程设计教学改革与实践[J].中国电力教育，2013(8):45-46..

[7]徐经纶.基于Multisim 10仿真的负反馈放大电路[J].现代电子技术，2014(4):115-117..

[8]杨上河，尚建华，沈利芳，等.电子技术实验与模拟电子技术课程设计[M].西安:西安电子科技大学出版社，2012:78-98.

[9]刘玉英.一种测试生理刺激反应时间的电路设计[J].现代电子技术，2008(17):171-173.

[10]王彩凤，胡波，李卫兵，等.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011，9(1):4-6，110.

[11]张大平，王明娟.数字电子技术课程设计教学的探索与实践[J].实验科学与技术，2012，10(2):73-75.

[12]王志秀，张吉月，蓝波.电类专业电学基础技术课程改革与实践[J].实验室研究与探索，2014，33(5):179-183.

[13]崔江慧，刘会玲，刘树庆.高校大型仪器设备管理的实践与探索[J].实验室研究与探索，2011，30(10):198-200.

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

东华大学卓越工程师培养项目(104-03-0031011)；东华大学教育改革项目。

燕帅(1988-)，男，硕士，助理实验师，主要从事电路及电工电子技术等的实验教学工作。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.038