數字電路實驗課程設計分析

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1引言

數字電路在電工電子技術基礎這門課程中占有非常重要的作用，它承接了電路基礎、電工、模擬電子線路等先修的基礎部分的課程，又是高頻電子線路，計算機接口等后續相關課程的基礎。而數字電路實驗，是數字電路課程學習的又一個重要組成部分，它在整個數字電路教學中占有重要的作用[1-6]。一方面可以加強學生對理論知識的理解與掌握，另一方面還可以進一步培養學生的電路設計能力和實際動手能力，具有極其重要的基礎性作用。實驗課程不同于理論教學，實驗課的主體是學生，學生的參與熱情直接影響了實驗教學效果的好壞。如何針對學生的實際情況對實驗內容，實驗實施方式，實驗課程設計進行整合和改革，是本文要重點討論的問題。

2目前設計方案的問題

目前的數字實驗教學有如下的特點：內容飽滿，課時緊張，對學生的預習工作要求很高，而且多數典型的數字電路實驗內容對于第一次接觸數字電路實驗的學生來說短時間內任務較為艱巨，且由于是基礎性的驗證實驗，趣味性不強，學生常常是還未完全理解一個電路的完整過程。又因為課時內容的限制而急忙開始了下一個內容，看似完成了不少項目，實際并未吃透原理。例如，74LS00和74LS20功能驗證，第一次搭接實驗電路，尤其是74LS20輸入端多，總體線路偏多，多數學生接好這個實驗電路已經花費了不少時間。本來重點是通過觀察記錄實驗現象和結果，從直觀的角度充分理解掌握與非門的邏輯關系，輸入與輸出之間的聯系。但多數學生重點卻不得不放在了怎么去搭接這個電路，怎么樣才算是搭接好了這個電路，怎么樣才能確定這個搭接好了的電路是良好無故障的。如果調試中再遇到一些問題，或是預習不充分的話，就無法在當堂課上完成全部的實驗任務。即使完成了，也都比較匆忙，根本談不上體會這些實驗的目的，實驗現象與理論間的關系，這樣一連幾次課下來，高強度又機械的實驗訓練關于驗證理論、分析現象。尤其是體會過程，這些實驗課開設的初衷并沒有完全體現出來。學生對于本該充分鍛煉自我動手能力的實驗課程提不起興趣甚至產生了回避的念頭，課堂教學成果并不突出，大大影響了實驗教學。

3改進型系統的設計

合理安排教學內容，在課堂上大膽創新即在保證數字電路基本理論體系的前提下，合理取舍教學內容，把握教學重點，加強分析與設計方法學習的教學，使學生具備一定的自學能力和課后查閱資料的能力以應對日新月異的新技術、新器件。增強學生實驗興趣，穿插安排趣味性實驗任務，激發學生實驗的興趣，引導學生自主完成設計性實驗，并在實驗過程中驗證自己的設計方案。具體內容實施計劃如下：3.1集成“與非門”參數測試。熟悉數字實驗箱輸入輸出區域，理解輸入端原變量、反變量的引入，完成74LS20功能驗證，并列寫真值表，理解“與非”的計算結果和實驗結果輸出間的聯系。3.2組合邏輯電路分析與設計。結合教材中的典型三人表決電路，按照邏輯電路圖，進一步讓學生熟悉掌握數字電路搭接的方法，并學會判定電路的好壞，器件的好壞，最終理解組合邏輯電路的電路特點。嘗試設計簡單的組合邏輯電路，如數字電子鎖，畫出邏輯電路圖，按照自己設計的電路圖搭接電路，驗證實驗結果是否符合設計原理，歸納設計思路，并分組討論是否有其他方案完成同一個電路功能，分析比對，得出最佳方案，并加以驗證。3.3時序邏輯電路。介紹JK觸發器74LS107的邏輯功能，并驗證三人搶答器。掌握時鐘脈沖在數字電路中的作用，并用實驗箱上提供的單次脈沖按鈕，充分理解脈沖的上升沿和下降沿對觸發器輸出結果的影響，驗證三人搶答器電路的邏輯功能，嘗試排除簡單的電路故障，例如搶答時蜂鳴器不響，或者搶答器輸出不清零等，分析故障原因，并記錄。本次內容較難，只安排這一個電路。介紹雙D觸發器74LS74的邏輯功能，根據驗證表格進行器件邏輯功能的簡單驗證。按照要求，設計完成四位輸出循環“1”的時序電路，要求手動脈沖控制或者1Hz脈沖控制輸出。了解異步清零端和置位端的作用，注意互補輸出端的影響。排除常見的故障，進一步鍛煉學生排查故障的能力，總結分析故障產生原因并記錄。3.4集成計數器。介紹74LS161和74LS162，理解同步和異步的含義，用兩種器件設計同一種計數范圍的計數器。學會計數器的級聯方法，再結合門電路，設計模12、模24等常見計數電路，顯示電路暫時先通過邏輯電平指示燈進行顯示，可根據輸出的情況，盡可能選最低數量的邏輯電平指示燈。3.5譯碼、顯示電路介紹7段字符譯碼器，比對3個使能端的位權，根據簡單的顯示電路，顯示10以內數字，輸入用邏輯開關來代替。熟悉了譯碼顯示電路后，結合上節課的內容，構成“計數—譯碼—顯示”電路，由計數器實現計數部分，譯碼器進行譯碼，顯示電路用共陽數碼管顯示。注意各部分電路之間的連接，不要有多余的連接線，脈沖部分可以選擇1Hz脈沖輸入。3.6移位寄存器電路。介紹雙向移位寄存器74LS194，掌握邏輯功能，熟悉左移和右移的電路分別如何構成，驗證清零、置數、左移、右移功能。設計4s變燈電路，掌握電路構成原理，注意輸出高低位的控制。3.7綜合設計實驗。設計一個4位顯示秒表電路，脈沖部分可以先用實驗箱的1Hz脈沖來試驗。后期產生部分，可以用555多諧振蕩電路產生，注意充放電電路中電阻和電容參數的選取，要求輸出為1000Hz方波信號；計數部分電路選用十進制同步計數器74LS162，注意級聯方法，最高位的反饋選用反饋預置法完成。顯示部分電路選用74LS47或74LS247，共陽數碼管，注意限流電阻的連接，不能短路，觀察數碼管發光二極管的顏色，時刻注意檢查顯示電路是否正常。最后，這幾部分連接在一起構成秒表電路。要求連接線路清楚，不能飛線，電源和地線要利用電源條合理安排，整個電路要注意工藝，本次課時間安排為6學時，要求學生獨立完成。

4結語

在新的實驗課程設置方面，進一步強調對學生創新能力的培養，而在這一進程中，對學生的興趣引導被擺在了突出的位置上。下一步還要逐漸構成完整的實驗體系，加強前后連貫性，使學生更好的理解接受并反作用于理論知識的進一步掌握和學習。在保證數字電路基本理論體系的前提下，合理取舍教學內容，把握教學重點，在講完基本原理后，及時地輔以軟件仿真。特別是對中、大規模集成電路的應用舉例仿真，加強學生對實際電路的感性認識，從而消除其對電路的陌生感和神秘感，大大提高其學習的興趣、積極性和主動性。讓學生在參與中學習，學習中進步。隨著電子技術的不斷發展,數字電路實驗的教學內容和模式也應不斷的改革，這就要求相關老師在總結經驗的基礎上大膽創新，與時俱進，在教學過程中深入研究和探索新的方法。

參考文獻

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作者:張璐雅 阮景 單位:國防科技大學信息通信學院試驗訓練基地