基于Proteus的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)方法研究

宋維波 郭顯久 姜鳳嬌 曹立杰 祝開艷

【摘要】為了進(jìn)一步提高數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)效果，將Proteus仿真軟件應(yīng)用在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中。根據(jù)Proteus特點(diǎn)，分別從課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，生產(chǎn)實(shí)踐3部分論述了Proteus在數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中的作用。通過對(duì)授課學(xué)生抽樣調(diào)查結(jié)果分析，將Proteus應(yīng)用在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】Proteus 數(shù)字電子技術(shù) 仿真

【中圖分類號(hào)】O4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2012）05-0023-02

伴隨著電子、計(jì)算機(jī)等行業(yè)飛速發(fā)展，使得數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)工作必須融入新的內(nèi)容來適應(yīng)這些發(fā)展。數(shù)字電子技術(shù)是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程既有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性，與實(shí)際工程緊密聯(lián)系。然而在數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)中，過去一直存在著教學(xué)方法呆板、教學(xué)手段單一、實(shí)驗(yàn)資源不足等問題，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。為解決教學(xué)中存在的問題，在教學(xué)中引入proteus仿真。

1.Proteus仿真軟件介紹

Proteus軟件是一個(gè)電子設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和創(chuàng)新平臺(tái)。該軟件可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路、單片機(jī)及外圍元器件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。Proteus提供了三十多個(gè)元器件庫(kù)、數(shù)千種元器件仿真模型。提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形方式實(shí)時(shí)顯示出來[1]。鑒于Proteus軟件的強(qiáng)大功能，將該軟件引入數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中。

2.Proteus在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 課堂教學(xué)

以往課堂教學(xué)實(shí)物演示存在很多困難。比如：實(shí)物電路在搬運(yùn)過程中很容易損壞，而且由于實(shí)物電路上的器件較小，學(xué)生很難看清電路運(yùn)行情況；同時(shí)教師只能對(duì)靜止電路圖進(jìn)行分析，會(huì)使學(xué)生感到枯燥，難理解，教學(xué)效果不佳[2]。在課堂教學(xué)中引入Proteus仿真后，使抽象問題變得形象化，使重點(diǎn)、難點(diǎn)易于理解。激發(fā)了學(xué)生興趣、提高了學(xué)習(xí)積極性。例如，在講解由十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器160的同步置數(shù)、異步置零功能，兩種不同方案構(gòu)成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，可先對(duì)“同步”與“異步”原理進(jìn)行講解后，再用如下方案：

方案1：利用異步置零。

①取D3D2D1D0 = 0000；②狀態(tài)函數(shù)二進(jìn)制代碼S7=0111；③反饋置零函數(shù)■= ■。如圖1 (a)所示。

方案2：利用同步置數(shù)。

①取D3D2D1D0 = 0000；②狀態(tài)函數(shù)二進(jìn)制代碼S7-1=0110；③反饋置數(shù)函數(shù)■= ■。如圖1 (b)所示。

圖1 集成計(jì)數(shù)器160構(gòu)成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器

利用proteus進(jìn)行生動(dòng)和直觀的實(shí)例，從圖1中可以清楚的看到，在同一個(gè)項(xiàng)目中可以同時(shí)運(yùn)行上述兩種不同的方法，并且直接得到相同的計(jì)數(shù)狀態(tài)為0～6共7個(gè)狀態(tài)。

教師還可以利用Proteus的單步調(diào)試功能，分析電路的運(yùn)行過程，同時(shí)Proteus在運(yùn)行過程中，每個(gè)元器件的引腳端，分別用紅色、藍(lán)色指示出高、低電平的變化，直觀的顯示出系統(tǒng)的運(yùn)行情況，有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

數(shù)字電子技術(shù)是一門應(yīng)用實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課，理論與實(shí)踐密切結(jié)合。以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是側(cè)重于驗(yàn)證性，忽略了設(shè)計(jì)性、創(chuàng)造性。此外，設(shè)計(jì)過程中很容易造成儀器儀表設(shè)備和元器件的損壞，需要學(xué)校提供大量的資金支持。應(yīng)用Proteus仿真軟件可以彌補(bǔ)硬件環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

例如：講解10線-4線優(yōu)先編碼器74LS147，邏輯功能如圖2所示。可以將10個(gè)低電平輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成BCD碼的反碼輸出，允許同時(shí)輸入多個(gè)編碼信號(hào)，并只對(duì)其中優(yōu)先權(quán)最高的信號(hào)進(jìn)行編碼輸出的邏輯電路。被編信號(hào)優(yōu)先級(jí)別從高到低依次為：I9、I8、I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0。當(dāng)I9=0時(shí)，不論其他Ii為高電平1，還是低電平0，電路只對(duì) I9 進(jìn)行編碼，輸出Y3Y2Y1Y0 =0110，為反碼，其原碼為1001。因?yàn)槠叨巫g碼器74LS47的輸入是以高電平為有效輸入信號(hào)的BCD碼，因此用反相器74LS04連接二者，通過數(shù)碼管輸出顯示。仿真效果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用仿真與實(shí)際電路演示相結(jié)合的方法，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.3 生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)

Proteus不僅可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)原理圖設(shè)計(jì)、混合模式SPICE仿真，其中的ARES部分還可以進(jìn)行PCB(Printed Circuit Board)系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)。例如：以利用555集成定時(shí)器制作模擬救護(hù)車鈴聲系統(tǒng)為例，學(xué)生對(duì)老師布置的設(shè)計(jì)要求，先進(jìn)行理論研究、仿真調(diào)試，如圖4所示；再按照印制電路板(PCB)流程設(shè)計(jì)，以此來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3D效果圖及PCB版圖分別如圖5(a)、(b)所示。通過原理圖設(shè)計(jì)階段優(yōu)化整個(gè)電路性能，這樣就無須多次購(gòu)買元器件焊接測(cè)試，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，提高了設(shè)計(jì)效果和質(zhì)量。通過完整的設(shè)計(jì)過程，使學(xué)生對(duì)電子系統(tǒng)的產(chǎn)品化過程有更深刻的理解，也對(duì)以后的就業(yè)起到積極作用。

3.proteus仿真教學(xué)方法效果分析

為了推進(jìn)和深化數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的高素質(zhì)的人才；完善教學(xué)內(nèi)容、方法、手段、以及提高教師的教學(xué)及專業(yè)水平，統(tǒng)計(jì)對(duì)本校電子信息工程學(xué)院三、四年級(jí)學(xué)習(xí)過數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)生進(jìn)行了一次教學(xué)情況抽樣調(diào)查。其中四年級(jí)學(xué)生采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，三年級(jí)學(xué)生采用Proteus仿真輔助教學(xué)方法。

從本次抽樣調(diào)查的學(xué)生總體中，兩個(gè)年級(jí)各回收有效問卷220份。此次調(diào)查，主要針對(duì)學(xué)生對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣，分析結(jié)果如圖6所示。經(jīng)分析，三年級(jí)與四年級(jí)相比：很喜歡、喜歡的人數(shù)分別高出10%和8.2%。數(shù)據(jù)顯示，通過采用proteus仿真輔助教學(xué)方法可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這給數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)改革提供了方向。

4.結(jié)束語

數(shù)字電子技術(shù)課程中引入Proteus仿真的教學(xué)方法可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中具有明確的目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過仿真可實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)，有效的提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。但是引入Proteus仿真教學(xué)只是提高教學(xué)質(zhì)量的一種輔助方法，同時(shí)還要求任課教師加強(qiáng)業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)，提倡互動(dòng)式教學(xué)，活躍課堂氣氛，加強(qiáng)教學(xué)管理，樹立良好的學(xué)風(fēng)。

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