數字電子技術綜合實驗的實踐范文

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摘要

數字電子技術是電氣信息類專業的一門重要的專業基礎課程。該課程實驗教學對于培養學生的動手能力與創新能力有著十分重要的作用。在“卓越工程師教育培養計劃”中，東華大學對數字電子技術實驗教學的改革進行了探索。在學生完成基礎性實驗環節的基礎上，通過加入以Multisim10.0軟件和面包板為平臺的“設計+仿真+電路搭建”的綜合性實驗，使得學生可以系統地實踐與掌握該課程的重要知識內容。教學結果顯示，綜合實驗可以有效提高學生的學習能力、實踐能力及創新意識。

關鍵詞

數字電子技術;綜合實驗;卓越工程師;Multisim軟件

“卓越工程師教育培養計劃”［1－2］是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》的重大改革項目，旨在培養出一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的工程技術人才，從而全面提高工程教育人才培養質量［3］。東華大學在電氣信息類專業卓越工程師的培養方案中，要求學生在具備良好的專業知識、能力的基礎上，重視在教學實踐環節中的動手能力與分析解決問題能力的培養［4］。數字電子技術課程是電氣信息類專業的一門重要專業基礎課程，注重理論教學與實踐環節相結合［5］。為此，我們針對實驗教學環節，在保留改革前重要的實驗內容基礎上，引入“設計+仿真+電路搭建”的綜合性實驗。改革后的實驗教學包括基礎實驗(10學時)與綜合性實驗(2學時)，既保證了課程知識的學習與實踐，也鼓勵和激發了學生的創新與實踐精神，同時為后續的電子技術課程設計［6］等專業課的綜合實踐打下了堅實基礎。

1綜合實驗教學內容

本文以Multisim［7－8］環境下設計的“生理刺激反應測試”［9］綜合實驗為例，將實驗過程分為:課前準備、課程設計要求講解、系統仿真、實際電路搭建、實驗報告驗收與評分5個階段，各個階段環環相扣，評價標準規范清晰。

1.1課前準備

1)基于EDA技術［10］的Multisim10.0仿真平臺介紹與應用講解。NI公司的Multisim10.0軟件具備龐大的元器件庫與強大的仿真測試分析功能，可以滿足模擬電路、數字電路及數模結合電路的功能性設計與分析。其友好的用戶界面及簡便的操作可以讓學生較快上手。2)小型電路的講解與設計。在講解課程設計要求之前，要求學生通過Multisim設計實現老師布置的小型電路，使學生初步掌握Multisim環境下電路設計的基本要點。老師從旁指導學生解決在電路設計中遇到的問題。3)要求學生使用Multisim設計帶有4位數碼管的計數電路的原理圖。此電路將在綜合實驗電路中作為顯示模塊使用，4位數碼管由左到右分別顯示由高到低位的數值。

1.2綜合實驗設計要求與系統仿真

1.2.1設計要求“生理刺激反應”電路用來測定人眼對光源刺激物的反應時間。當準備燈亮起時，被測試人做好準備，等待測試燈亮。經過一段延時后測試燈點亮，人眼受到刺激并按下反應按鍵，測試燈與準備燈熄滅，完成本次測試。從測試燈亮起時刻至反應鍵按下，間隔的時間即為被測試人對光源的反應時間，該時間將在四位數碼管上顯示出來。設計要求測量反應時間的顯示能精確到ms級別，并可以在兩次及以上測試完成后，顯示多次測量的平均反應時間。同時，考慮到被測試人可能會出現在測試燈未亮之前就按下反應鍵的違例測量情況，需在電路中設置某一信號來標記此特殊情況是否發生。

1.2.2系統仿真“生理刺激反應測試”的Multisim仿真如圖1所示。圖1中按鍵A為準備鍵，按鍵B為反應鍵，按鍵C為測試按鍵，按鍵D為復位按鍵。整個電路包含顯示計數板、邏輯控制單元和測量次數設置單元3部分。1)顯示計數板。顯示平均反應時間的測試結果。該部分電路在課前準備階段已要求學生完成。電路中最低位4518芯片接入由測量次數設置單元提供的時鐘信號CP。2)邏輯控制單元。完成每次的反應時間的測試。其中L1為準備信號燈，L2為測試信號燈，L3為違例信號燈，各由一個JK觸發器來控制。至于提供給顯示計數板的RD清零信號與LD鎖存信號亦各由一個作為單穩態功能的JK觸發器控制。這兩個觸發器的脈沖信號由測試次數設置單元中7485芯片的兩個輸出引腳提供。3)測量次數設置單元。通過按鍵C設置測試次數N(N范圍為1～9)，左半邊部分的2個74160芯片配合4個4077同或門及7421四輸入與門對1kHz時鐘信號進行N次分頻。左邊數碼管顯示測量設置次數N，右邊數碼管顯示已測量的次數，當兩邊次數一致時，測量完畢。此時芯片7485相關引腳輸出送給邏輯控制單元里的2個JK單穩態觸發器脈沖輸入端，完成先鎖存后清零的動作。在完成N次測量后，顯示計數板上才會出現平均反應時間的測量結果。關于圖中連線部分，要求學生適當使用總線連接，以利于檢查電路圖中可能出現的連線錯誤，降低電路的整體復雜度。延時計數部分對應于圖1中邏輯控制單元中的74160芯片，使用其置數功能，置數端引腳D-A分別接在4片4518芯片最低位計數引腳上，可保證每次延時時間長短的隨機性。如有違例情況發生，則違例燈L3保持長亮，提醒本次測量無效，重新設置測量次數N，進行下一輪測試。如圖1所示，測量次數N設置為5。計數脈沖CP送入與否需要測試燈L2端信號通過與非門共同作用，即顯示模塊的4518芯片僅在L2燈亮時計數。測量次數在小于5時計數板脈沖始終處于累加狀態而不清零，僅在測量達到5次之后，計數結果先鎖存顯示在計數板上后，計數器隨即清零。再次按下按鍵D后電路復位。系統工作各信號時序關系如圖3所示。

2實際電路搭建

學生將仿真電路在面包板上進行線路搭建，通過外接直流穩壓電源輸入5V的芯片工作電壓。由信號發生器向電路中輸入時鐘信號。因實際電路較大，在此截取電路中邏輯控制單元模塊的電路，如圖4所示，圖中不包含外部儀器部分。邏輯控制單元中的74160芯片的4位置數端未接入信號，經實際測量驗證，其延時長短可保證為隨機性。表1記錄了不同測量次數下的實際反應時間情況，其平均反應時間大致在0.3～0.4ms，考慮到個人反應時間穩定性的前提，可知該電路測量結果具備較好的精確性。

3完成設計報告

在完成課程設計的電路驗收后，要求學生對本次綜合實驗設計的內容及過程進行總結。報告內容包括:實驗目錄、設計原理、電路分析、系統仿真、線路搭建、遇到的問題與解決方法、心得體會等，要求學生的報告做到行文流暢、格式規范。這樣可以幫助學生提升寫作能力和語言組織能力［11］，有利于學生今后規范撰寫科研類文章。

4綜合實驗操作評分

老師根據綜合實驗評分標準，針對學生的完成情況進行評分，操作總分共計30分。操作部分評分標準主要包括6個方面。1)考勤(20)。學生在兩次上課期間需簽到，并在實驗室里完成綜合實驗。2)電路是否可以正常工作(45)。若無法正常工作，根據是否有鎖存LD信號、清零RD信號及能否正常分頻進行評分(每個各占15)。3)連線得分(10)。面包板上走線是否平順均勻，導線是否有交叉、飛線等情況。4)是否有損壞與芯片更換的情況(5)。5)完成驗收后，線路需拆除并完成芯片等主要器件的歸類，并歸還相應工具(10)。6)是否提出對現有功能的改進或擴展，并完成仿真(10)。若在實際電路中成功實現功能擴展，則獲得附加分數(10)。我們以此鼓勵學生進一步改進并實現電路功能。實際評分細則根據每年綜合實驗相應的具體要求會有所變動。

5結束語

在電氣信息類專業的“卓越工程師培養計劃”里的數字電子技術課程實驗教學改革中，通過引入綜合性實驗，不僅提升了實驗教學的質量，同時也提高了學生的知識學習與應用能力。綜合實驗的教學時間雖然不長，但在培養學生綜合能力與學習興趣方面效果顯著。通過“設計+仿真+電路搭建”的實驗模式，能夠給學生提供一個軟硬件結合的學習平臺。作為學校“卓越工程師培養”教育體系中的重要組成部分，實驗教學的改革不僅可以提高工程人才的培養質量，同時也推進了教育的創新性與實踐性。通過在不斷改革的過程中逐步貼近當今技術的發展趨勢，有利于培養創新性好、實踐性強、適應社會發展需求的高質量技術人才［12－13］。

參考文獻

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作者：燕帥 沈利芳 華一村 鄧開連 單位：東華大學 信息科學與技術學院