潘學(xué)文　趙全友

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仿真技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計實驗教學(xué)中的應(yīng)用

潘學(xué)文趙全友

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

為使學(xué)生高質(zhì)量的完成數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計實驗項目，在實踐過程中引入電路仿真軟件Multisim輔助實踐教學(xué)。本文以籃球競賽24秒計時器綜和設(shè)計實驗進行實踐教學(xué)，先進行電路仿真實驗，利用仿真軟件強大的仿真技術(shù)，幫助學(xué)生更好的理解電路原理和工作過程，觀察實驗現(xiàn)象，然后進行硬件電路搭建和測試。實踐證明，此方法能提高實驗效率，增強學(xué)生動手能力。

數(shù)字電子技術(shù)；24秒計時器；實驗教學(xué)；Multisim仿真

1　引　言

數(shù)字電子技術(shù)實驗是高校通信類專業(yè)的一門基礎(chǔ)實踐課程，它對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力有著不可替代的作用。數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計實驗是考查學(xué)生綜合知識和動手能力而設(shè)計的具有一定綜合性和設(shè)計性的實驗，能有效的檢驗教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生思考能力和動手能力[1,2]。

目前，大部分院校數(shù)字電子技術(shù)實驗使用實驗箱完成實驗或是采用中小規(guī)模集成電路芯片和面包板進行實驗[3]。對于簡單的驗證性實驗，由于電路簡單，只要熟悉相應(yīng)的集成電路芯片引腳圖和邏輯功能，電路搭建和測試過程都較容易完成。綜合設(shè)計實驗電路通常包含多個模塊，電路綜合性強，實驗教學(xué)有一定難度，學(xué)生往往在規(guī)定的課時內(nèi)較難完成實驗[4]。文章以籃球競賽24秒計時器實驗教學(xué)為例，將Multisim仿真軟件應(yīng)用到實驗教學(xué)中，并分析其教學(xué)效果。

2　仿真軟件介紹

Multisim是NI（National Instrument）公司推出的一款EDA工具軟件，主要用于電子線路仿真和設(shè)計。Multisim能進行電路圖設(shè)計，模擬、數(shù)字、射頻多功能仿真，能用于電子技術(shù)基礎(chǔ)理論教學(xué)、電子技術(shù)技能培訓(xùn)和電子創(chuàng)新理論驗證[5]。在模擬電路和數(shù)字電路仿真中，Multisim軟件具有操作簡單，使用方便等特點，使得越來越多的教育者更喜歡使用Multisim軟件進行仿真，可以說Multisim軟件在當(dāng)前電子技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。

3　籃球競賽24s計時器電路仿真實驗

籃球競賽24s計時器是個經(jīng)典綜合設(shè)計性實驗，它覆蓋了波形產(chǎn)生電路、計數(shù)器、顯示譯碼電路、控制開關(guān)等方面，知識面廣、工程性和實用性強，能跟生活實際聯(lián)系起來，大部分學(xué)生做這個實驗有很強的興趣和積極性。教學(xué)過程中，先分析電路必要的組成，布置實驗任務(wù)要求，給充足的時間讓學(xué)生思考并完成方案設(shè)計；然后進行電路仿真實驗，仿真前必須搞懂電路結(jié)構(gòu)組成和工作原理。由于電路由多個模塊組成，可分模塊分別進行仿真實驗，畫出整體工作電路圖進行電路仿真；最后再進行硬件電路搭建調(diào)試實驗。下面從電路組成分析、電路仿真兩個方面進行闡述。

3.1電路組成分析

經(jīng)分析，籃球競賽24s計時器電路主要由秒脈沖發(fā)生電路、遞減計數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路和報警電路等模塊組成，其組成框圖如圖1所示。因本實驗對脈沖頻率要求不是很高，可選用555定時器來產(chǎn)生秒脈沖。用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路可產(chǎn)生脈沖，這部分內(nèi)容上課時重點學(xué)習(xí)過，只要選用參數(shù)合理的電阻電容就能實現(xiàn)秒脈沖。遞減計數(shù)器需采用具有遞減功能的計數(shù)器集成電路芯片來完成，根據(jù)實驗任務(wù)要求和電路需要，可采用兩片74LS192來完成24進制遞減計數(shù)器設(shè)計。計數(shù)器采取反饋置數(shù)方法和串行進位或并行進位實現(xiàn)。這部分內(nèi)容可考查學(xué)生對任意計數(shù)器設(shè)計的掌握程度。

譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和共陰極七段數(shù)碼管完成。該部分電路在數(shù)字系統(tǒng)顯示電路中使用廣泛，需熟練掌握這個電路的設(shè)計?？刂齐娐吩O(shè)計是難點，利用拼湊法設(shè)計去完成啟動、暫停、連續(xù)、清除等功能，能激發(fā)學(xué)生的思考和想象力，理解電路的邏輯控制。報警電路可由發(fā)光二極管和蜂鳴器報警實現(xiàn)。

圖1.籃球競賽24s計時器電路組成框圖

3.2電路仿真

根據(jù)電路組成分析，可分別設(shè)計出模塊電路，并使用Multisim軟件對各模塊電路搭建仿真。確定各模塊電路邏輯功能都能實現(xiàn)，然后把各模塊電路全連起來進行整體電路調(diào)試，構(gòu)成的籃球競賽24s計時器整體電路圖如圖2所示。電路開始仿真時需要手動進行復(fù)位，使得計數(shù)器停留在24。暫停/連續(xù)開關(guān)可以鎖定555定時器產(chǎn)生的脈沖信號，以實現(xiàn)計數(shù)器暫停和計數(shù)功能，并且該開關(guān)還帶有RS鎖存器以消除機械開關(guān)抖動帶來的不良影響，實踐證明去抖動是有必要的。當(dāng)計數(shù)到00時，停止計數(shù)并顯示00，驅(qū)動二極管發(fā)光代表報警信息。

這個電路有一定的綜合性，用到了較多的器件和芯片。學(xué)生初次使用仿真軟件，若能通過學(xué)習(xí)和努力，獨立畫出電路進行仿真得到電路的邏輯功能，說明學(xué)生具備了一定的電路仿真能力，也起到了在綜合設(shè)計性實驗中融入仿真技術(shù)的目的。

4　硬件電路實驗

仿真實驗成功后進行硬件電路實驗，實驗采用面包板和元器件芯片搭建電路。由于對電路的組成、工作原理都已理解，也成功的進行了電路仿真，對電路的邏輯已熟練掌握，因此硬件電路實驗開展起來也相對容易。學(xué)生初次搭建這樣綜合性電路時會碰到較多問題，過程會比較曲折，通常要折騰幾個會回才能成功。在教學(xué)過程中有一點非常重要，需跟學(xué)生交代清楚：對于綜合性的電路必須按模塊進行電路搭建，然后進行電路級聯(lián)調(diào)試，最后在對整體電路進行邏輯功能調(diào)試。例如，本電路首先搭建脈沖產(chǎn)生電路，然后搭建十分頻電路，確認(rèn)這部分電路功能沒問題后，搭建計數(shù)器和顯示電路，最后搭建開關(guān)電路、報警電路和對整體電路的邏輯功能進行調(diào)試。若想進一步對電路組裝、焊接、調(diào)試，對有興趣和基礎(chǔ)較好的同學(xué)可以進行萬能板的制作或者PCB制作，以完成一個高質(zhì)量的綜合設(shè)計性實驗作品。

圖2.籃球競賽24s計時器電路原理圖

5　結(jié)束語

實踐證明，通過在數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計實驗教學(xué)中引入仿真技術(shù)，可以使得實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率得到提高。學(xué)生通過仿真技術(shù)能夠?qū)﹄娐方Y(jié)構(gòu)、原理、工作過程有更深入的認(rèn)識和理解，在做硬件電路實驗時會事半功倍。調(diào)試過程中若電路的邏輯功能出現(xiàn)一些問題或故障，學(xué)生能做到心中有數(shù)，不會慌張，會尋找解決問題的方法，達(dá)到了實踐教學(xué)的目的，增強了學(xué)生的動手能力和解決問題的能力。

[1]劉銀萍,陳惠珊.“數(shù)字電子技術(shù)”實驗教學(xué)改革的探討[J],實驗室研究與探索,2006,(8):981-983.

[2]張學(xué)成.數(shù)字電子技術(shù)實驗改革與創(chuàng)新[J],實驗室研究與探索,2011,(8):285-288.

[3]王彩鳳,胡波,李衛(wèi)兵. EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J],實驗科學(xué)與技術(shù),2011,(1):4-6.

[4]潘學(xué)文,趙全友,楊振南.Multisim仿真軟件在電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用及效果分析[J],湖南科技學(xué)院學(xué)報,2016, (5):40-43.

[5]張曉潔,騰乃禎.數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革探討[J],廣西民族師范學(xué)院學(xué)報,2010,(3):145-147.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

2017－03－24

湖南省教改項目（湘教通〔2014〕247號）；湖南科技學(xué)院教改項目（湘科院[2014]29號）；湖南科技學(xué)院“通信工程專業(yè)綜合改革試點”項目。

潘學(xué)文（1983－），男，湖南永州人，碩士，湖南科技學(xué)院講師，主要從事通信工程專業(yè)的教學(xué)、研究和管理工作。

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1673-2219（2017）10-0047-02