“電子技術設計性實驗”課程改革的初探

劉伯恕，劉雪芬

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350108)

0 引言

“電子技術設計性實驗”這個課程，以往我們只是讓學生設計電路，軟件仿真，完成報告，教師根據(jù)報告給個分數(shù)，一門課程就完成了。這至少帶來兩個問題，第一，學生沒有進實驗室，設計結果的正確性無法得到實踐驗證，達不到應有的教學效果;第二，學生沒有實踐，教師不好評分。近幾個學期以來，我們陸續(xù)對這個課程進行了教學改革。

目前我們可以開出十三個實驗項目供學生選擇，如表1所示。這些實驗全部在實驗室完成，學生每人一組，實際焊接和調試，各人完成一個印刷電路板。教師根據(jù)電路板的布局、焊點情況、調試情況、數(shù)據(jù)結果以及對故障處理的能力，完成了從理論到實踐的課程教學改革。

表1 電子技術設計性實驗名稱

我們在教學實踐中觀察到，每一個實驗項目幾乎都有若干項實驗任務，比如，“商店迎賓機器人電路”，要求能實時統(tǒng)計來訪人數(shù)及當前店內人數(shù)，并且用數(shù)碼管顯示出來。這里有兩個任務:統(tǒng)計和顯示。我們可以先要求學生完成“統(tǒng)計”這個基本要求，然后再完成“顯示”這個更高一級的要求。我們對每一個可以劃分為功能模塊的設計性實驗，都采用分層次模塊化的教學改革，實踐收到了良好的效果。

分層次模塊化的教學，要求學生分級完成以下內容:按照實驗要求設計電路，確定元器件型號和參數(shù);按圖在實驗板上搭建焊接電路，檢查無誤后通電調試;檢查電路功能是否符合要求，指示是否正確;對測試結果進行詳細分析，得出實驗結論。當前未實現(xiàn)而后面將要實現(xiàn)的功能模塊，在印刷板上要預留適當位置放置元件和導線。

我們對學生實驗報告的內容要求如下:分析分解實驗任務，選擇技術方案;確定原理框圖(功能模塊);畫出電路原理圖;對所設計的電路進行綜合分析，包括工作原理和設計方法;寫出分級調試步驟和調試結果，列出實驗數(shù)據(jù)，畫出關鍵的波形;對實驗數(shù)據(jù)和電路的工作情況進行分析，得出結論;對實驗過程出現(xiàn)的故障(如果有)的檢查與排除，寫出收獲和體會。

以下將通過設計制作一個可容納四組選手參賽的數(shù)字式“競賽搶答器”，來詳細介紹筆者是怎樣進行分層次模塊化的實踐教學改革的。

1 初級功能的實現(xiàn)—搶答電路

圖1所示為四組智力競賽搶答器參考電路，該電路具有第一搶答信號的鑒別和鎖存功能，是競賽搶答器的核心，也是學生必須完成的電路的初級功能［1］。其中的主要器件是74LS175型四上升沿 D觸發(fā)器，它的清零端和時鐘脈沖CP是四個D觸發(fā)器共用的。當任意一位參賽者按下開關時，搶答控制器立刻接受該信號，相應的LED被點亮。與此同時，封鎖其他參賽者的輸入信號。

第一步學生檢查74LS175的芯片是否完好無損，功能正確與否。具體做法是，在圖1中，先不要接所有的與非門，74LS175的9腳直接接CP時鐘，Q1 Q4直接接數(shù)字實驗臺面的LED，觀察D1 D4有輸入時，相應的LED會不會亮。在保證74LS175芯片能正常工作后，再把圖1中的三個與非門、LED和電阻全部接上，初級功能完成。

圖1 智力競賽搶答器參考電路

在初級模塊中，值得注意和思考的如下問題:①同時按下，也有先后，顯示的是動作快的;②每次開始搶答前，主持人要先清零然后復位，即 被置1，才能開始新一輪搶答;③為提高搶答器的分辨能力，我們采用的CP為1MHz;④LED部分的4個300電阻可以合并為一。

學生能在規(guī)定時間內完成搶答與鎖存要求，成績判定上達到“及格”。

2 中級功能的實現(xiàn)—數(shù)碼顯示電路

初級要求達到后，加上能顯示出搶答者組別的數(shù)碼顯示電路。數(shù)顯功能，屬于電路的中級功能。其中必須包含編碼、譯碼和顯示這三個組成部分。其編碼如表2所示。

表2 編碼表

用帶有約束項的卡諾圖化簡，可得 A、B、C、D的表達式:

74LS175的輸出端有Q的原變量和反變量兩個輸出，合理選擇其一，可以得到最簡單的編碼電路如圖2所示。

圖2 編碼電路

譯碼和顯示可以選擇74LS48這種輸出高電平有效的譯碼器，以及共陰極的數(shù)碼管(2)，至此數(shù)顯功能就實現(xiàn)了。在中級模塊中，值得注意和思考的問題有:①編碼電路如何實現(xiàn)最簡單;②譯碼器的型號應該與數(shù)碼管匹配，如果選擇輸出低電平有效的譯碼器，如74LS47，則數(shù)碼管要選共陽的;③74LS48的特殊功能腳3、4、5應該接高電平。

在完成初級要求的基礎上能實現(xiàn)組別顯示，學生成績就可以判定為“中”。

3 高級功能的實現(xiàn)—音響提示電路

除了搶答和組別數(shù)顯之外，一旦有參賽者按下按鈕時，有揚聲器聲音響起提醒主持人。

圖3 聲響電路一

圖4聲響電路二

圖3和圖4都是可以實現(xiàn)的聲響電路，圖中555定時器的4腳信號都來自圖1中G1門的輸出端。聲響電路還可以有其他許多形式，但它們原理是相似的。在高級模塊中，有以下問題值得注意和思考:①問學生，揚聲器支路為什么要串聯(lián)電阻或電容;②555定時器除了用4腳控制其工作狀態(tài)以外，還有哪些管腳可以用來控制;③揚聲器的發(fā)聲原理是什么;④如何辨別三極管的三只管腳。

如果學生完成了初級、中級要求后，又能進一步實現(xiàn)音響功能，成績可評為“良好”。

4 更高級的倒計時顯示電路實現(xiàn)

倒計時電路的作用是對搶答者搶答問題的時間進行控制(假設10秒之內必須有人搶答，若無人搶答，該題作廢)。如果規(guī)定的時間小于或等于10秒，那么顯示裝置應該是一個1位數(shù)字的計數(shù)顯示系統(tǒng)(計數(shù)芯片74LS192)。因為要求倒計時，當主持人給出“請搶答”指令后，計數(shù)器從“9”開始倒計數(shù)，若有人搶答則停止計數(shù)并顯示當前數(shù)值，否則計數(shù)到“0”為止(減法計數(shù))不再計數(shù);CP信號為秒脈沖(1Hz)，部分電路如圖5。74LS192的輸出四個管腳接譯碼顯示電路，不再贅述。

圖5 倒計時顯示部分電路

在這一級模塊中，可以思考以下問題:①74LS 192的13腳，在圖中完成了哪兩個功能;②74LS 192的時鐘輸入端加了兩把鎖，哪兩把，各有何用處;③若倒計時的時間不是10秒，是10秒以內的其他時間，電路如何修改;超過10秒，電路又如何修改。

把圖1到圖5有機結合，就可以構成一個功能較全面的整機電路，如圖6所示。學生如果能夠實現(xiàn)各級所有的功能，成績可以評定為“優(yōu)秀”。

圖6 競賽搶答器另一種整機電路

5 結論

我們對學生的要求是:按模塊一步步地實現(xiàn)，從初級、中級、高級到更高級，上一個模塊做好了再做下一個模塊。搶答器電路的分層次設計、分層次焊接、分層次實現(xiàn)，使學生由易到難，循序漸近，概念清楚，思路清晰，容易掌握、容易實現(xiàn)、容易查錯糾錯。教會了學生由單元電路到小電路再到系統(tǒng)電路的設計、焊接與糾錯的技能。實踐證明，這是一個行之有效的好方法，對學生理論知識的應用，動手能力的提高，有著明顯的效果。

［1］ 秦曾煌等.電工學(下冊)電子技術［M］.北京:高等教育出版社，2009

［2］ 閻石.數(shù)字電子技術基礎(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006