數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)改革創(chuàng)新與嘗試

摘要：介紹了以全硬件數(shù)字電壓表為課題的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新與嘗試過程。以Proteus軟件為仿真設(shè)計平臺，分模塊進(jìn)行電路設(shè)計與仿真。通過在實驗室進(jìn)行實物焊接與調(diào)試，達(dá)到測量誤差要求。最后經(jīng)過驗收答辯，達(dá)到了全方位教學(xué)改革目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；課程設(shè)計；數(shù)字電壓表；Proteus仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）49-0126-02

一、改革背景

根據(jù)目前工科電類專業(yè)教學(xué)情況來看，大學(xué)生普遍存在輕硬件、重軟件的思想，即使是參加全國學(xué)科專業(yè)競賽的學(xué)生，也都習(xí)慣于使用現(xiàn)成的嵌入式控制平臺和相關(guān)硬件驅(qū)動裝置，重視組裝硬件，編寫軟件。從近年我校全國電子設(shè)計競賽學(xué)生的選題來看，一般純硬件設(shè)計的題目學(xué)生都少有問津，即便選了也無疾而終。這一方面是學(xué)生學(xué)的問題，另一方面也反映出老師教的問題。因此，改革電子技術(shù)實踐教學(xué)內(nèi)容和手段，多強調(diào)和實踐硬件電路的設(shè)計與調(diào)試，學(xué)生就會建立一個比較全面的系統(tǒng)設(shè)計概念。作為教師，主要應(yīng)該從模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)改革來抓起。

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計是在校工科大二學(xué)生的一門重要實踐課程，根據(jù)我校教學(xué)情況，結(jié)合網(wǎng)上資源，課程設(shè)計題目不外乎以下幾種：數(shù)字鐘、彩燈控制、搶答器、音樂教室控制臺、出租車計價器等，雖然也有新的題目出現(xiàn)，但仔細(xì)分析，要么是內(nèi)容過于簡單，要么是所包含的知識面太窄，不能全面鍛煉學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)知識的掌握和運用。同時，由于題目老化，學(xué)生很容易簡化設(shè)計過程，直接步入電路制作過程，失去了課程設(shè)計的本意。本文以一種新型的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計內(nèi)容“數(shù)字電壓表”為例，介紹該實踐教學(xué)課程改革的內(nèi)容、過程和效果。

二、案例設(shè)計任務(wù)及方案

該數(shù)字電壓表測量電壓范圍為DC 0—4V，誤差小于0.05V。要求不能使用單片機(jī)和任何軟件進(jìn)行控制，而是以A/D轉(zhuǎn)換器、移位、計數(shù)和數(shù)碼顯示等全硬件電路來實現(xiàn)。主要目的想通過一個簡易直流數(shù)字電壓表的設(shè)計仿真和調(diào)試過程，介紹自己在實踐教學(xué)中所進(jìn)行的改革和嘗試，以啟發(fā)廣大師生重視硬件電路設(shè)計，重視教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的創(chuàng)新，以達(dá)到更好的預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。

根據(jù)給定的課程設(shè)計任務(wù)，要求每個同學(xué)確立一個設(shè)計方案，并畫出直流數(shù)字電壓表的功能模塊結(jié)構(gòu)圖。依照功能結(jié)構(gòu)模塊圖，按模塊進(jìn)行數(shù)字電路原理圖的設(shè)計，和仿真，最終分模塊進(jìn)行焊接和調(diào)試。

本例中，主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊、時鐘模塊、二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊和復(fù)位/啟動模塊組成。其中，二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊是本設(shè)計的核心模塊，主要由加、減計數(shù)器模塊組成。學(xué)生應(yīng)根據(jù)核心模塊實現(xiàn)的功能去設(shè)計周邊模塊。為了方便元器件的集中購買，教師在任務(wù)書上可給出部分可選元器件。比如，ADC使用ADC0808或ADC0809并行8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（滿足精度要求），時鐘電路采用555定時器，減計數(shù)采用四位二進(jìn)制可逆計數(shù)器74LS193，加計數(shù)采用四位十進(jìn)制加計數(shù)74LS160，數(shù)碼管要求用四個帶小數(shù)點的七段顯示器，模擬量用滑動變阻器和DC 5V電源組成，復(fù)位/啟動電路可根據(jù)各功能模塊需求自行設(shè)計。

學(xué)生一人一題，單獨設(shè)計和制作。下達(dá)任務(wù)（1天），接著在老師的指導(dǎo)下在機(jī)房進(jìn)行分模塊Proteus仿真設(shè)計（共3天），仿真電路由老師驗收合格后，可領(lǐng)取元件，進(jìn)行分模塊焊接與調(diào)試（5天），最后是驗收答辯（1天），共兩周時間。

拿到任務(wù)后，學(xué)生應(yīng)從何處著手或遵循什么樣的思路去進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試電路呢？下達(dá)任務(wù)后，給出一天的時間讓學(xué)生來選題和進(jìn)行設(shè)計思考，通過思考會發(fā)現(xiàn)，ADC和加、減計數(shù)器都需要時鐘脈沖信號，因此必須先設(shè)計由555組成的時鐘電路。其次，二進(jìn)制減計數(shù)的初始值是ADC輸出的數(shù)字量，因此必須先設(shè)計ADC電路，再設(shè)計減計數(shù)模塊，而加計數(shù)模塊是為了完成BCD碼轉(zhuǎn)換進(jìn)行顯示用的，因此，最后設(shè)計加計數(shù)和顯示模塊，中間可加上必要的啟動和復(fù)位電路。有了這樣的思路，在Proteus平臺上進(jìn)行分模塊設(shè)計與仿真就OK了。

三、Proteus電路設(shè)計與仿真

Proteus是一款功能齊全的電子線路設(shè)計仿真軟件，尤其在電子技術(shù)學(xué)習(xí)過程中是不可缺少的仿真平臺，又稱電子技術(shù)虛擬實驗室。利用Proteus來設(shè)計電路可以起到事倍功半、縮小設(shè)計周期、足不出戶使可獲取大量設(shè)計資源等傳統(tǒng)電路設(shè)計無法比擬的優(yōu)勢。該電路的仿真也是根據(jù)功能電路模塊來進(jìn)行的，即首先要確定模塊設(shè)計的順序，這里應(yīng)按照時鐘模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊→二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊→復(fù)位/啟動模塊→顯示模塊的順利進(jìn)行設(shè)計和仿真。設(shè)計一個模塊，仿真一個模塊。關(guān)聯(lián)模塊要聯(lián)合仿真，如時鐘模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊等，最后進(jìn)行完整電路的連接和統(tǒng)一仿真。對單個模塊仿真中出現(xiàn)的每個問題都認(rèn)真排查和改進(jìn)，這樣在最后整個系統(tǒng)電路仿真時才不會太大的故障。

以ADC0808元件為核心，先上網(wǎng)查找元件的詳細(xì)說明書，明確各引腳功能及使用。打開Proteus ISIS，調(diào)出ADC0808，再調(diào)出相應(yīng)電阻、開關(guān)、5V直流電源和直流電壓表等，根據(jù)分析可連接A/D轉(zhuǎn)換電路。仿真時，必須結(jié)合時鐘電路輸出的100kHz的時鐘信號才能進(jìn)行。用一個可調(diào)電阻作為電路采集電路，改變電阻值，看ADC輸出的數(shù)字量是否變化，然后計算數(shù)字量是否和采集到地模擬電壓值相當(dāng)。具體的算法不再詳細(xì)分析。

四、焊接與調(diào)試

通過老師的指導(dǎo)，學(xué)生把各個功能模塊的電路在Proteus中設(shè)計仿真完成之后，再進(jìn)行整體連接和仿真調(diào)試。經(jīng)過指導(dǎo)老師驗收合格后的仿真圖，學(xué)生便可以打印出來，照圖領(lǐng)取元件并進(jìn)行實物焊接和電路調(diào)試了。

在焊接時要注意以下幾個方面問題。

1.分模塊進(jìn)行焊接和調(diào)試。

2.每焊接一個功能模塊，一定要設(shè)計好調(diào)試方案，只有調(diào)試出前一個模塊的功能，才能進(jìn)行下一個模塊的焊接。

3.每個模塊都調(diào)試正確后，方可把模塊間的引線連在一起進(jìn)行整體調(diào)試。

4.焊接時應(yīng)焊接集成芯片對應(yīng)的插座，要注意元件的封裝，調(diào)試時再安裝芯片，以免焊接時燙壞芯片。

5.不要忘記焊接集成芯片的電源和接地線，最好統(tǒng)一排規(guī)整，以便排查故障。

6.要善于利用實驗臺上的裝置和儀器，注意斷電后進(jìn)行電路焊接，上電后進(jìn)行電路測量。

在實際指導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn)，萬能板焊接故障點多，如果使用自制印刷電路板，則故障點就降低了很多，容易實現(xiàn)電路功能。

為了考查學(xué)生對課程設(shè)計內(nèi)容的全部掌握情況，驗收時除了對電路板功能和焊接情況進(jìn)行驗收，還增加了答辯環(huán)節(jié)，即老師隨機(jī)提問，主要針對設(shè)計和調(diào)試過程中遇到的相關(guān)理論知識、實際應(yīng)用等進(jìn)行提問，每個學(xué)生2—3個問題，小到器件的管腳功能及參數(shù)值選定，大到功能模塊的設(shè)計原理不等，每個學(xué)生都不一樣。增加答辯之后，學(xué)生的電路板雖然測試成功，但都不急著驗收，而是在忙著看書，上網(wǎng)查資料，自己查找問題，把自己的設(shè)計制作內(nèi)容從頭研究一遍。達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的。

五、結(jié)論

本課題涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)中重點章節(jié)知識點，如脈沖發(fā)生電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，組合邏輯電路（顯示譯碼器、集成組合門電路），時序邏輯電路（移位電路、計數(shù)電路、觸發(fā)器）。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，提出分模塊進(jìn)行電路設(shè)計與調(diào)試。在Proteus虛擬實驗平臺上能加強學(xué)生自主設(shè)計的興趣和能力，通過獨立焊接調(diào)試和驗收答辯，提高了學(xué)生綜合運用數(shù)電知識解決分析實際問題的能力，鍛煉了學(xué)生的實踐操作技能。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱清慧.Proteus—電子技術(shù)虛擬實驗室[M].北京：中國水利水電出版社，2010.10.

[2]王艷春.數(shù)字電路課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2010，1.endprint