多手段虚拟仿真辅助数字电子技术实验教学

摘 要：分析和总结当前数字电子技术课内实验授課现状，以实验教学实例对数字电子技术课内实验授课方法进行改进和创新，提出“学理论-做仿真-做实验”的新型实验授课模式，引入Multisim、 Proteus等电类学生常用的仿真软件，补充课内实验教学内容。实践证明，该方法有助于培养学生创新意识，提高学生分析解决实际问题的能力。

关键词：仿真软件；电类专业；数字电子技术；课内实验

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）16-0123-02

Abstract： Through analyzing and summarizing current teaching situation of experiments on digital electronic technology， this paper improves and reforms its teaching methods and puts forward a new teaching method， which is "theory - simulation-experiment". This teaching method also introduces some frequently-used simulation software， such as Multisim and Proteus， to supplement experiment teaching content. Practices have proven that this teaching method helps cultivate innovation awareness of students and improve their ability to solve practical problem.

Keywords： simulation software； electrical specialty； digital electronic technology； in-class experiment

一、数字电子课内实验教学现状

《数字电子技术》课程是电气、信息类专业学生必修的一门重要学科技术基础课程，具有很强的工程实践性，实验教学是《数字电子技术》课程教学中的重要环节，抓好该课程的实验教学对培养学生系统设计、技术实现、综合测试等工程能力具有十分重要的意义，最近几年很多高校都在开展对该课程的实验教学改革。加强数字电子技术课内实验教学，培养学生的实践与创新能力，是理工科大学生培养的重要环节。

数字电子技术课程内容比较抽象，课时安排比较紧凑，学生普遍感觉到知识抽象、难于理解器件的逻辑功能、较难掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何应用，如何利用所学器件设计实用电路时显得不知所措。以燕山大学电子实验中心为例，数字电子实验室承担电气工程学院和信息工程学院48个本科班的数字电子技术基础课内实验教学。根据目前的教学大纲安排，学生的专业基础是已经学习过的电路原理和与数字电子技术正在同步学习的模拟电子技术，可以说学生的专业基础还是相对薄弱的。

大部分学生学习数字电路知识只是停留在知识的堆砌，而没有将应用作为重点掌握的内容。

另外，考虑到电子设计自动化（EDA）技术日趋成熟，学生掌握EDA技术已成为时代发展的要求。为了更好地激发学生的学习兴趣和创造性，解决数字电路教学中存在的问题，在数字电路教学中可适度利用Multisim、 Proteus等电子设计自动化仿真软件设计仿真电路来演示器件的功能。实践证明，将虚拟仿真技术与传统的数字电路实践课程教学方式相结合有助于提高学生数字电路知识运用的综合能力和专业素质。

仿真实验作为传统实验的一个必要的有益补充，使得实验在时间和空间上得到有效的延伸，对于培养学生的创新意识和实践能力意义重大。

二、以具体问题说明常规思路

学生在实际实验中需要比较多掌握的是组合逻辑电路的设计，这也是数字电子电路中的一个非常重要的知识点和考察点。组合逻辑电路的基本构成单元是门电路，与时序逻辑电路不同，组合逻辑电路无记忆功能，输出信号仅取决于当时的输入信号。组合逻辑电路的设计是根据给定的实际问题，用逻辑函数进行表达，用数字电路来实现其逻辑功能。常用的中规模组合逻辑电路有编码器、译码器、数据选择器、加法器等。

下面以数字电子技术课内实验中的一个题目来具体说明。电力变压器运行控制电路的设计，具体要求如下：某工厂有三个车间各需电力供电10kVA，由A、B两台分别为10kVA、20kVA的变压器供电。试设计一个能够合理供电的自动控制电路。设计要求：一个车间工作时由变压器A供电，两个车间供电时由变压器B供电，三个车间同时工作时由两台变压器同时供电。（提示：输入为三个控制开关A、B、C，用于控制三个车间的工作状态，输出为两台变压器控制信号Y1和Y2，用于控制变压器的工作状态）

做这个实验的常规思路应该是列出真值表；由真值表写出函数最小项表达式并进行化简，采用相应的元器件进行布线。根据真值表，可以看出使用实验室已有的74LS138译码器芯片和74LS20四输入与非门芯片完成电路的设计，学生根据自己设计的逻辑框图来到实验室选用芯片在学习机上完成连线，验证实验结果是否与预期设计相符。

作为设计型实验，鼓励学生利用实验室已有的芯片型号就同一个题目进行多种思路的设计，针对这个具体题目，因为考察的是组合逻辑电路部分的知识掌握情况，还可以使用单纯的逻辑门来搭建电路。同样，按照题目要求列出真值表，按照真值表列出两个输出Y1和Y2的表达式：

Y1=a"b"c=a"b"c+a"b"c+a"b"c （1）

Y2=a"bc+ab"c+abc"+abc （2）

按照表达式完成电路连线，需要选择3片74LS10三输入与非门和2片74LS20四输入与非门，按照实验室已有芯片来看，整个实验连线需要使用5片芯片12个逻辑门，这对于刚刚接触数字实验的本科二年级学生来说，无疑提高了实验的完成难度。一定比例的同学是用这种方法设计的电路，但在实际实验中由于问题的复杂性和操作的不熟练，很多同学不能顺利完成实验，尤其涉及到某一组输入与输出验证与预期不相符需要使用逻辑笔排错的情况，很多学生因为理论与实际不能完全衔接而无所适从导致实验失败。

三、以仿真手段理解复杂问题

目前學生学习数字电子技术的流程是学理论-做实验，学生耗费很多时间来分析和搭建电路，对于一些学而不精的学生来说更是把所有精力都集中在了表达式的化简上，这与这门电类专业基础课的要求是不相适应的。因此，电子实验中心数字实验室突破传统实验教学模式，将仿真软件的学习引入数字电子技术的教学，使得学生学习的流程转变为学理论-做仿真——做实验。

选取电类学生在今后的专业学习中常用的Pspice、Multisim、Proteus三种软件分专业、分层次进行软件教学引导，使得学生在进入实验室之前对所做实验有模拟的直观认识，不但有助于完成数字电子技术课内实验，同时对学生进入大三后的专业课学习及实践起到很好的衔接作用。

运用Pspice仿真软件进行搭建仿真电路，用单脉冲来给定题目中要求的输入信号，用高低电平来呈现出真值表中的逻辑关系。

运用Multisim软件搭建的仿真电路，在元件库中用单刀双闸开关来给定输入，用两个指示灯的亮灭来表示逻辑电平的高低（默认灯亮代表高电平，灯灭代表低电平）。相对于Pspice来说，Multisim的仿真结果比较清晰直观，学生只需在仿真过程中拨动八次单刀双闸开关，即可清晰直观的验证完真值表是否与预期设计相符。

运用Proteus搭建的仿真电路，它的仿真原理和具体操作过程与Multisim类似，不同的是，Proteus的仿真结果中，不仅可以直观的显示题目要求的输入与输出的逻辑关系，在仿真的每一个状态，所使用逻辑门的所有输入输出点都会有红色或蓝色标识来指示逻辑状态。对于初学数字电子电路的学生来说，知晓每一个点的逻辑状态有助于学生理解电路逻辑关系，有助于学生在实验中排错，对逻辑笔的使用起到良好的辅助作用。

这些软件都是电类学生进入专业课学习以后所需要的必备软件，针对不同层次、不同专业的学生可选择不同的软件进行课前仿真预习，仿真预习提高了学生采用实际器件做实验时对引起误差因素的分析能力，实现了课堂教学与实验教学的有机结合，同时可为学生进入各种专业类竞赛选拔打下良好基础。

四、教学效果评价

作为国家级实验教学示范中心和省级虚拟仿真实验中心，为了提高学生的整体实践素质，在实验教学方面不断做出大胆的创新、改革尝试，在学科竞赛中取得优异成绩。中心所属数字电子技术实验室引入仿真软件已完成院级教改项目一项，教师指导学生在全国电子设计大赛中获得了一个全国一等奖、两个全国二等奖。随着虚拟仿真实验教学平台的建立，以后学生可以在网站在线完成课前仿真预习，这种方式在改进实验教学方法、提高实验教学质量、培养学生创新能力和动手能力等方面起着非常重要的作用。

参考文献

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