数字电路渐进式实验教学探讨

胡媛媛，刘 静

(深圳大学 信息工程学院，广东 深圳 518060)

数字电路是电气信息类专业的一门重要的专业基础课程[1]。该课程的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[2]。传统的数字电路实验一般采用 “元器件搭接”的方式，用直插式数字逻辑芯片在面包板或者实验箱上进行插拔和连接等操作，来完成指定的实验内容。该方式的主要问题在于不能站在 “系统”的高度去设计电路，而且电路的可靠性差，已经远远不能满足现代电路的设计需求[3]。

为了提高数字电路实验的教学效果，本文提出在已有的 “元器件搭接”验证性实验的基础上，首先，结合EDA软件Multisim12.0[4]，对数字设计性电路进行建模和仿真。Multisim12.0能让学生很容易地将所学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，形成自己最初的数字电路板设计思路。然后，基于片上可编程系统PSoC3，完成数字电路综合性实验。PSoC3实现了8051CPU核、数字和模拟系统的高度集成，不仅使学生可以站在“系统”的高度去思考、设计和实现电路，而且使学生能更加专注于电路设计和实现的主体，而不是其他辅助性的，如元器件的购买、制版等内容，从而提高了设计的可靠性，缩短了系统设计周期，降低了设计成本[5]。

对数字电路实验实行渐进式教学模式，不仅能让学生对数字逻辑元器件有直观的认识和了解，而且培养了学生的工程实践和创新能力，取得了良好的教学效果。

1 渐进式数字电路实验教学思路

深圳大学设置数字电路实验课的目的是掌握一般数字逻辑电路的特点，能够应用数字电路的理论和相关元器件进行电路设计，培养学生的动手和创新能力。但是，目前深圳大学数字电路实验课的教学，还停留在选用标准通用集成电路芯片(如TTL产品系列和CMOS产品系列)，再由这些芯片和其他元器件进行 “元器件搭接”来完成要求的实验内容的阶段。这是一种 “自下而上”的实验模式[6]。这种实验方法，使学生浪费了大量的时间和精力在元器件的选用、购买、制版和调试等工作上。在数字电路实验课时只有18个学时的情况下，学生几乎没有时间去认真考虑如何设计一个电路，如何实现自己的一个构想，设计性实验和综合性实验形同虚设，培养学生的创新能力更是无从谈起。

随着数字电子技术的迅猛发展，数字电路已经从用小规模集成电路进行标准电路设计进入到用中、大规模集成电路进行数字系统设计的阶段[7]。在单芯片上实现MCU、数字和模拟系统的高度集成，会使设计更加灵活方便，同时大大节省设计成本，减少设计开销[5]。这是一种 “自上而下”的设计模式，设计者设计时从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分，在电脑上实现功能的描述、仿真和调试，然后基于这种集MCU、数字和模拟系统的高度集成芯片，最终在现实中实现设计者的设计思路。为了顺应电子技术未来发展的潮流，并在有限的实验学时内，达到培养学生动手和创新能力的目的，以往 “自下而上”的实验方法必须改革为 “自上而下”的实验模式。

基于 “自上而下”的实验模式和学校现有实验室的具体情况，设计了一种数字电路实验渐进式教学改革方案，具体如图1所示。

图1 数字电路实验教学渐进式结构思路

不同于传统的实验教学方案，即以验证性实验为主，然后是设计性实验，最后是综合性实验的正三角结构，本文提出的渐进式教学改革方案采用纺锤形结构模式，即大大缩减验证性实验学时，增加仿真设计和综合性实验学时。实验仿真设计可以让学生很容易地将学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，形成自己最初的数字电路板设计思路；而基于高度集成片上系统芯片的综合性实验，可以避开电路辅助工作的干扰，让学生专注于电路设计和实现的主体，同时，设计周期大大缩短，电路可靠性大大提高，达到了在有限的实验学时内，培养学生创新能力的最终目标。

Multisim12.0是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的EDA仿真工具[8]，适用于电路板级模拟/数字电路的设计工作，可以交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真，非常适合于电子类教学。同时，由于计算机的普及，学生还可以充分利用课余时间使用EDA软件进行仿真实验。这样不仅能提高了学生的学习兴趣，而且加快了学生课上实验的进度。PSoC3(programmable system on chip)是美国cypress公司最新开发的集数字可编程阵列、模拟可编程阵列、单片机为一体的系统芯片，解决了数字电路与模拟电路的接口问题，内部资源较单片机丰富，几乎不需外部资源即可构成电子系统。该系统的设计软件PSoC Creator采用图形控件，界面简单友好，易于调试[9]。基于PSoC3，可以设计并实现很多综合设计类数字电路实验项目[10]，加强了课程的实践性和应用性，从而达到循序渐进地培养学生创新能力的目的。本文提出的渐进式数字电路实验教学方案将基于面包板(或实验箱)、Multisim12.0和PSoC3进行。

2 渐进式数字电路实验设计方案

渐进式数字电路实验教学方案如表1所示，实验总学时为18。

1)验证性实验4学时。

实验中，学生可以直观认识和了解数字电路的元器件，如各类芯片的功能和基本应用，并通过Multisim12.0对实验进行课前仿真，既提高了学生的学习兴趣，又加快了学生课上实验的进度。

2)设计性实验10学时。

在掌握基本数字电路知识的基础上，首先利用Multisim12.0元器件库的丰富性，避开实验设备的固定化和形式化，让学生进行设计性实验，一则加深对数字电路知识的理解，二则构建自己最初的数字电路板设计思路；然后利用PSoC3完成“直流电机驱动及测速实验”，为下阶段进行系统化综合性实验做准备。

3)综合性实验4学时。

因实验总学时的限制，综合性实验只有4学时。学生将根据自己的兴趣从5个综合性实验题目中选择一个，利用PSoC3，完成从设计到仿真，直到最后实现的全部过程。

表1 实验项目分层次设计表

实验方案中对内容和学时的分配，充分调动了学生学习的积极主动性，培养了学生的实践动手能力和创新精神。

3 渐进式实验项目实例

本节将以 “计数器”为例，说明验证性实验、设计性实验和综合性实验的渐进性设置，展示在这种实验内容安排下，学生对以 “计数器”为核心的数字电路从浅入深、从简单到复杂的掌握情况。

3.1 验证性实验——计数器

74LS90是典型的异步二—五—十进制加法计数器[11]。通过不同的连接方式，74LS90可以实现4种不同的逻辑功能。在验证性实验中，要求学生利用74LS90连接成一个十进制计数器，输出用4个LED灯显示。基于Multisim的十进制计数器的仿真图如图2所示，4个LED灯显示为 “1001”，即十进制数 “9”。因为仿真的灵活性，学生还可以利用74LS90实现二进制、八进制、甚至六十进制的计数器，大大激发了学生学习的积极主动性，在不占用实验学时的情况下，加深对计数器的了解。

图2 十进制计数器的Multisim电路仿真图

为了加深学生的直观印象，所有验证性实验都要求基于数字电路实验箱或者面包板通过 “元器件搭接”方式实现。

通过这类验证性实验，学生既可以直观了解各类常用芯片的功能和数字电路的组成，还可以通过Multisim12.0对实验进行课前仿真，既提高了学生的学习兴趣，又加快了学生课上实验的进度。

3.2 设计性实验——彩灯流水电路的设计

实验内容为设计一电路以驱动8只灯，并使其7亮1暗，且这一暗灯按一定节拍循环右移[12]。如图3所示，在该实验中，74LS90被连接成一个八进制计数器，再经过74LS138D(3线－8线译码器)的译码，从而驱动8只LED灯7亮1暗，按一定节拍循环右移。按下仿真开关，可以看到该电路的工作情况。

图3 彩灯流水仿真电路

相对于验证性实验，设计性实验的电路更加复杂，系统更加完整。利用Multisim12.0元器件库的丰富性，避开实验设备的固定化和形式化，让学生进行设计性实验，加深对数字电路知识的理解。

3.3 综合性实验——数字时钟设计与实现

该实验用PSoC3实现。实验任务为利用定时器、计数器和按键中断设计数字钟。具体要求为:1)准确计时，并以数字显示时、分、秒；2)小时的计时使用24小时格式，分和秒的时间要求为六十进制；3)可校正时间。

设计思路包括:1)输入100 Hz的时钟给定时器，以输出稳定的误差低的时钟信号；2)将时钟信号输入到计数器，使用计数到信号comp逐级传送实现计时；3)设计暂停计时功能按键和时、分、秒校正按键共4个按键；4)设置按键LED指示灯和LCD显示屏。

基于PSoC3的数字时钟实现电路如图4所示。设计过程中定时器、计数器、按键中断、LED和LCD的详细设置和编程部分限于篇幅在此省略。

综合性实验要求学生站在 “系统”的高度去思考和设计电路。学生基于在验证性和设计性实验中对 “计数器”知识的了解和应用，在这个综合性实验中，就可以直接应用PSoC3中计数器模块，直接生成24进制和60进制的计数器。由于PSoC3对数字系统和模拟系统的高度集成，学生可以在电脑上完成全部的上层框图设计，然后将设计下载到目标器件后，就可以对设计进行测试和验证了。

图4 基于PSoC3的数字时钟设计与实现

学生在完成综合性实验内容的基础上，又加入了日期显示后的PSoC电路板如图5所示。实验结果充分展示了渐进性实验教学对学生实践动手能力和创新能力培养的成效。

图5 学生 “数字钟”作品展示

4 结束语

数字电路渐进式实验教学改革，从实验室实际环境出发，引入了现代EDA技术和数模集成系统芯片技术，切实实现了理论知识、工程实践和培养学生创新能力的统一，取得了良好的教学效果。

[1]邹云海，高胜东，邓娜.《脉冲与数字电路》课程教学改革研究[J].实验科学与技术，2007，5(1):71－73.

[2]燕帅，沈利芳，华一村，等.数字电子技术综合实验的教学实践探讨[J].实验科学与技术，2016，14(1):132－135.

[3]梅开乡，梅军进，张健.电子电路设计与制作:电子技术课程设计教学指导[M].2版.北京:北京理工大学出版社，2016.

[4]崔莉.EDA技术[M].武汉:华中科技大学出版社，2015.

[5]何宾.PSoC模拟与数字电路设计指南[M].北京:化学工业出版社，2012.

[6]王海光.现代数字电子系统设计的趋势——EDA＋PLD[J].闽南师范大学学报 (自然版)，2001，14(1):36－38.

[7]宋明秋.数字电路实验教学改革的设想[J].长春理工大学学报 (高教版)，2010，5(2):150－151.

[8]聂典，李北雁，聂梦晨，等.Multisim 12仿真设计[M].北京:电子工业出版社，2014.

[9]清华大学科教仪器厂.TPG－PSoC3可编程片上系统创新实验平台指南 [EB/OL].(2014－11－20).http://www.qhkj.com/＿d270798479.htm.

[10]刘静，胡媛媛.基于PSoC平台的数模结合实验项目设计[J].实验科学与技术，2016，14(3):19－21.

[11]汤继华.常用集成芯片使用[M].北京:北京理工大学出版社，1995.

[12]蔡良伟.电路与电子学实验教程[M].西安:西安电子科技大学出版社，2012.