“数字电子技术基础实验”课程教学改革

赵晓虎，王怡影，樊敏，孙苗

（合肥师范学院，电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

学习“数字电子技术基础实验”课程，是为向电子信息行业微波工程等领域输出具备电子信息工程学科深厚的基础理论和专业知识，具有出色的创新能力和高度的社会责任感，并能从事与电子信息系统有关的设计、操作及管理等方面工作的应用型工程技术人才。

通过本实验课程的学习，不仅能够加深学生对理论教学内容的理解，使学生熟练掌握常用数字电路仪器设备以及集成芯片的使用，而且学生经过系统严格的实验技能训练，也能够掌握科学实验的基本知识、方法和技巧。培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力。

传统的实验课程主要以实验箱中电路搭建为主，通过让学生动手操作，完成实验电路的搭建，这种教学方式固有的局限性是不可能让所有学生在实验室里完成各种实验的。本课程在传统实验箱的基础上，增加了Multisim 仿真软件辅助实验教学，教师可通过学习通等教学平台及时查看学生的完成情况并给出相应的反馈。

项目教学法中多元教学模式的开展以引导式教学法为前提，对数字电子技术基础实验教学内容进行迭代式的项目教学设计，保证教学内容的完整性，提高教学质量，激发学生学习的主观能动性，提高学生的实践能力与创新能力。新模式是把理论教学内容融合到与之同步的实验项目中，合理设计实验项目，课程内容以基础型、扩展型、综合设计型3个类型的项目展开，内容与难度层层推进，分层次逐步展开教学。除了基础实验教学内容之外，还增加了拓展课程教学内容，部分拓展课程教学内容如表1所示。为了拓展学生的知识面，采用实例驱动的方式，将课本中的基础知识与实际应用联系起来，设计一些常见的电子电路，为培养应用型人才奠定基础。

表1 拓展课程教学内容

引入学习通、雨课堂等课程教学平台，利用平台中的课程资源让学生提前预习，提前了解本次课程的实验原理以及需要设计的电路。这样就克服了传统预习报告的弊端，不必在抄写上耗费大量时间，通过教学视频可以让学生直观地感受实验操作步骤。

Multisim 是美国国家仪器（NI）公司推出的一款专门用于电子电路仿真和设计的软件。该软件以Windows 为基础，采用图形界面风格，学生操作起来十分便捷。该款软件提炼了SPICE 仿真的复杂内容，学生无需深入掌握SPICE 技术便可快速搭建电路原理图，并对电路进行仿真，非常适合应用于模拟/数字电路等课程的教学中。

因此，在教学中辅以Multisim 电路仿真软件。通过使用Multisim 电路仿真软件，掌握小规模基础电路、触发器、译码器、数据选择器、移位寄存器、555 定时器等芯片的基本原理及应用，并能够运用所学知识进行电子综合设计。

采用平时成绩和期末成绩相结合的考核方式，同时将线上观看教学视频、软件仿真学习情况计入平时成绩，充分调动学生的学习兴趣，老师可以通过线上平台了解和监控学生的学习情况。

只要是在计算机中安装了Multisim 电路仿真软件，就相当于拥有一个设备齐全的电子实验室，教师可以在多媒体教室中分析电路的特性，解释各种参数变化对电路的影响，演示实验结果，并根据需要随意控制它们。学生还可以自行设计模拟电路，并通过实验得出结果。这种教学模式生动有趣，既能激发学生的学习兴趣，又能加深学生的理解，既能提高教学质量，又能降低教学成本。接下来分别通过两个仿真实例来说明Multisim 电路仿真软件在组合逻辑电路和时序逻辑电路中的应用。

以往的教学中只从理论层面讲解组合逻辑电路的特点，实验过程中学生仅仅通过实验箱来完成简单的连线操作以实现简单的电路组合，学生并不完全明白其中的逻辑和原理。为了使学生能够更加直观具体地感受组合逻辑电路的含义，上课前可以通过仿真软件让学生先自主完成电路的设计，让学生以实际行动参与其中，提升学生的自主思考能力。以四路表决器为例对组合电路进行说明，当A、B、C 和D 四路输入信号中有3 路及以上为真时，输出F 为真，四路表决器的真值表如表2所示。

表2 四路表决器真值表

根据真值表画出的卡诺图如图1所示。

图1 四路表决器卡诺图

由卡诺图可以得出四路表决器输入输出之间的逻辑表达式为：

而与非门能够实现电路中的各种逻辑结构，具有电路简洁和便于制作的优势。因此，将式（1）简化为式（2）的形式，即使用5 个与非门实现的四路表决器，逻辑结构如图2所示。

图2 四路表决器逻辑结构图

上实验课前，以抄写为主的预习并不能起到很好的效果，为了让学生更好地理解四路表决器的功能，摒弃传统纸质的实验预习报告，采用Multisim 软件对逻辑电路进行仿真。芯片74LS20 采用常用的双4 输入与非门集成电路，内含两组4 输入与非门，因此可选用3 个这样的芯片实现四路表决器。

在Multisim 软件中通过3 个74LS20 芯片实现的四路表决器如图3所示。其中输入端口开关A、B、C 和D 分别连接5 V 的电源，芯片U1 和U2 的两组输入信号分别按图2中4 组第一级与非门输入方式连接，U3 的一组输入信号分别接U1、U2 的输出，U3 的一路输出连接灯泡X1。通过灯泡X1 的状态来表示最后的输出结果，亮表示表决通过，灭表示表决未通过。通过仿真控制开关A、B、C 和D 的闭合与断开，实现四个输入端口高低电平的输入，最终实现灯泡X1 的亮与灭。通过该实例可让学生明白，灯泡X1 的亮与灭状态仅与开关A、B、C、D 的组合状态有关，不受其他变量的影响。让学生在直观的现象中明白由逻辑门和电子元件组成的逻辑电路由于电路中没有反馈，不存在记忆元件，所以该种电路在任意时刻的输出状态仅取决于该时刻各输入的状态组合，而与时间变量无关。

图3 Multisim 仿真软件演示四路表决器的功能特性

时序逻辑电路作为数字电路中的重点知识，由于其比较抽象，学生理解起来有些困难。时序逻辑电路的输出状态不仅与当前的输入状态有关，还与输出状态的原始状态有关，相对于组合逻辑电路，引入了反馈的概念，即将当前输出状态反馈给输入信号，其下一次的输出状态又会受到当前输出状态的影响，即增加了存储电路用来存储当前的输出状态，以便共同参与下一次输入状态的变化。因此在时序电路中引入了具有记忆功能的电路单元——触发器。为了让学生更加深刻地理解时序逻辑电路的含义，理论知识学习完以后，可通过仿真软件来演示时序电路的功能，使学生进一步理解电路的含义。

以生活中遇到较多的十进制计数器为例，4 位二进制能够实现16 种状态，即状态0000～状态1111。若采用4 位二进制实现十进制数0～9，则需要去掉1010～1111 这6种状态。如图4所示为4 个JK 触发器组成的8421BCD 码同步十进制计数器的逻辑图。～代表4个JK 触发器，～为对应触发器的输出值。

图4 同步十进制计数器逻辑图

各个JK 触发器的驱动方程如式（3）所示：

将式（3）中的各关系带入JK 触发器的特性方程即可得到该计数器的状态方程，如式（4）所示：

假设计数器的初始状态为0000，根据式（4）可计算得到各触发器当前状态之后的下一次状态。计数器由的初始状态0000 递增至最终状态1001，即代表十进制数0～9。

由此可见理论教学不够形象，学生对教师讲解的知识理解起来有困难，实验课中仅通过实验箱来完成简单的连线操作得出结果，容易产生学生思考积极性不高，理解不透彻等问题。为了能让学生更好地理解计数器的原理和功能，采用Multisim 软件实现计数器电路的仿真，可让学生积极主动地参与其中。芯片74LS162 作为一款常用四位二进制可预置数的同步计数器，被广泛运用在各种电路中。如图5所示为在Multisim 软件中通过该芯片实现的十进制计数器。

图5 Multisim 仿真软件演示十进制计数器的功能特性

在图5中，U1 为74LS162，通过频率为2 Hz 的时钟源V1 来驱动计数器计数。灯泡Q、Q、Q、Q分别连接芯片74LS162 的QA、QB、QC、QD 引脚，用四个灯泡的亮和灭分别代表计数器状态的高低电平，即用灯泡的亮和灭状态来表示二进制数的1 和0。将74LS162 的4 个输出引脚连接DCD-HEX 数码管U2，根据74LS162 输出的状态显示十进制数0～9。4 位二进制数可以产生16 种状态，因此需要去掉1010～1111 这6 种状态，在这6 种状态里对应图4中触发器和的当前状态和均为高电平，因此可以通过一个与非门实现，当和均为高电平时使计数器恢复至初始状态。在图5中可通过双输入的与非门器件74LS00D 实现，将与非门的输出端连接U1 的CLR 引脚，此引脚为低电平有效。当U1 的QD 和QB 引脚同时输出高电平时，与非门U3A 的输出为低电平，驱动U1 复位，以此实现计数器的清零，同时实现数码管U4 显示字符0。在该示例中通过改变时钟源的频率可观察到四个灯泡和数码管状态变化的快慢，让学生明白时钟源的作用，从而进一步理解时序电路中“时序”的概念，让学生在直观的现象中明白时序逻辑电路中当前状态与下一次状态之间的关系。正因为有存储元件的存在，才能实现计数器根据前一次的状态值来决定当前的状态，而不是简单的两种状态的重复。

在教学中使用Multisim 电路仿真软件不仅能提升学生的参与度，还能通过各种演示实例让学生了解常见器件的功能和使用方法，加深学生对电子元器件的认识。比如可通过多个74LS162 实现对时钟的分频，通过对单个时钟源分频来满足电路中对各种频率信号的需求，交通灯计时显示常用的数码管，等等。

基于数字电子技术基础实验的改革，增加线上教学资源和软件仿真，增强学生的学习兴趣，实现课前预习、课堂讲授、课后考核。利用Multisim 电路仿真软件不仅可以对理论知识进行验证，还能加深学生对理论知识的理解，提高学生的软件操作能力，强化对各种电子元器件原理和功能的认识，为后续的单片机应用、EDA 技术应用等实践类课程打下坚实的基础。