数字电路实验课程设计分析

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1引言

数字电路在电工电子技术基础这门课程中占有非常重要的作用，它承接了电路基础、电工、模拟电子线路等先修的基础部分的课程，又是高频电子线路，计算机接口等后续相关课程的基础。而数字电路实验，是数字电路课程学习的又一个重要组成部分，它在整个数字电路教学中占有重要的作用[1-6]。一方面可以加强学生对理论知识的理解与掌握，另一方面还可以进一步培养学生的电路设计能力和实际动手能力，具有极其重要的基础性作用。实验课程不同于理论教学，实验课的主体是学生，学生的参与热情直接影响了实验教学效果的好坏。如何针对学生的实际情况对实验内容，实验实施方式，实验课程设计进行整合和改革，是本文要重点讨论的问题。

2目前设计方案的问题

目前的数字实验教学有如下的特点：内容饱满，课时紧张，对学生的预习工作要求很高，而且多数典型的数字电路实验内容对于第一次接触数字电路实验的学生来说短时间内任务较为艰巨，且由于是基础性的验证实验，趣味性不强，学生常常是还未完全理解一个电路的完整过程。又因为课时内容的限制而急忙开始了下一个内容，看似完成了不少项目，实际并未吃透原理。例如，74LS00和74LS20功能验证，第一次搭接实验电路，尤其是74LS20输入端多，总体线路偏多，多数学生接好这个实验电路已经花费了不少时间。本来重点是通过观察记录实验现象和结果，从直观的角度充分理解掌握与非门的逻辑关系，输入与输出之间的联系。但多数学生重点却不得不放在了怎么去搭接这个电路，怎么样才算是搭接好了这个电路，怎么样才能确定这个搭接好了的电路是良好无故障的。如果调试中再遇到一些问题，或是预习不充分的话，就无法在当堂课上完成全部的实验任务。即使完成了，也都比较匆忙，根本谈不上体会这些实验的目的，实验现象与理论间的关系，这样一连几次课下来，高强度又机械的实验训练关于验证理论、分析现象。尤其是体会过程，这些实验课开设的初衷并没有完全体现出来。学生对于本该充分锻炼自我动手能力的实验课程提不起兴趣甚至产生了回避的念头，课堂教学成果并不突出，大大影响了实验教学。

3改进型系统的设计

合理安排教学内容，在课堂上大胆创新即在保证数字电路基本理论体系的前提下，合理取舍教学内容，把握教学重点，加强分析与设计方法学习的教学，使学生具备一定的自学能力和课后查阅资料的能力以应对日新月异的新技术、新器件。增强学生实验兴趣，穿插安排趣味性实验任务，激发学生实验的兴趣，引导学生自主完成设计性实验，并在实验过程中验证自己的设计方案。具体内容实施计划如下：3.1集成“与非门”参数测试。熟悉数字实验箱输入输出区域，理解输入端原变量、反变量的引入，完成74LS20功能验证，并列写真值表，理解“与非”的计算结果和实验结果输出间的联系。3.2组合逻辑电路分析与设计。结合教材中的典型三人表决电路，按照逻辑电路图，进一步让学生熟悉掌握数字电路搭接的方法，并学会判定电路的好坏，器件的好坏，最终理解组合逻辑电路的电路特点。尝试设计简单的组合逻辑电路，如数字电子锁，画出逻辑电路图，按照自己设计的电路图搭接电路，验证实验结果是否符合设计原理，归纳设计思路，并分组讨论是否有其他方案完成同一个电路功能，分析比对，得出最佳方案，并加以验证。3.3时序逻辑电路。介绍JK触发器74LS107的逻辑功能，并验证三人抢答器。掌握时钟脉冲在数字电路中的作用，并用实验箱上提供的单次脉冲按钮，充分理解脉冲的上升沿和下降沿对触发器输出结果的影响，验证三人抢答器电路的逻辑功能，尝试排除简单的电路故障，例如抢答时蜂鸣器不响，或者抢答器输出不清零等，分析故障原因，并记录。本次内容较难，只安排这一个电路。介绍双D触发器74LS74的逻辑功能，根据验证表格进行器件逻辑功能的简单验证。按照要求，设计完成四位输出循环“1”的时序电路，要求手动脉冲控制或者1Hz脉冲控制输出。了解异步清零端和置位端的作用，注意互补输出端的影响。排除常见的故障，进一步锻炼学生排查故障的能力，总结分析故障产生原因并记录。3.4集成计数器。介绍74LS161和74LS162，理解同步和异步的含义，用两种器件设计同一种计数范围的计数器。学会计数器的级联方法，再结合门电路，设计模12、模24等常见计数电路，显示电路暂时先通过逻辑电平指示灯进行显示，可根据输出的情况，尽可能选最低数量的逻辑电平指示灯。3.5译码、显示电路介绍7段字符译码器，比对3个使能端的位权，根据简单的显示电路，显示10以内数字，输入用逻辑开关来代替。熟悉了译码显示电路后，结合上节课的内容，构成“计数—译码—显示”电路，由计数器实现计数部分，译码器进行译码，显示电路用共阳数码管显示。注意各部分电路之间的连接，不要有多余的连接线，脉冲部分可以选择1Hz脉冲输入。3.6移位寄存器电路。介绍双向移位寄存器74LS194，掌握逻辑功能，熟悉左移和右移的电路分别如何构成，验证清零、置数、左移、右移功能。设计4s变灯电路，掌握电路构成原理，注意输出高低位的控制。3.7综合设计实验。设计一个4位显示秒表电路，脉冲部分可以先用实验箱的1Hz脉冲来试验。后期产生部分，可以用555多谐振荡电路产生，注意充放电电路中电阻和电容参数的选取，要求输出为1000Hz方波信号；计数部分电路选用十进制同步计数器74LS162，注意级联方法，最高位的反馈选用反馈预置法完成。显示部分电路选用74LS47或74LS247，共阳数码管，注意限流电阻的连接，不能短路，观察数码管发光二极管的颜色，时刻注意检查显示电路是否正常。最后，这几部分连接在一起构成秒表电路。要求连接线路清楚，不能飞线，电源和地线要利用电源条合理安排，整个电路要注意工艺，本次课时间安排为6学时，要求学生独立完成。

4结语

在新的实验课程设置方面，进一步强调对学生创新能力的培养，而在这一进程中，对学生的兴趣引导被摆在了突出的位置上。下一步还要逐渐构成完整的实验体系，加强前后连贯性，使学生更好的理解接受并反作用于理论知识的进一步掌握和学习。在保证数字电路基本理论体系的前提下，合理取舍教学内容，把握教学重点，在讲完基本原理后，及时地辅以软件仿真。特别是对中、大规模集成电路的应用举例仿真，加强学生对实际电路的感性认识，从而消除其对电路的陌生感和神秘感，大大提高其学习的兴趣、积极性和主动性。让学生在参与中学习，学习中进步。随着电子技术的不断发展,数字电路实验的教学内容和模式也应不断的改革，这就要求相关老师在总结经验的基础上大胆创新，与时俱进，在教学过程中深入研究和探索新的方法。

参考文献

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[2]郁玲艳.《模拟电路与数字电路》教学改革探讨[J].信息系统工程,2017(02):169-170.

[3]杨航,孔慧君.数字电子技术课程教学改革的研究与探索[J].河南机电高等专科学校学报,2010,18(05):104-106.

[4]王甲,阮颐,张璐雅.基于超声波技术的液体计量SoC芯片设计[J].集成电路应用,2018,35(05):23-26.

[5]孙丽君,张晓东,鲁可.“数字电子技术”课程教学改革探析[J].中国电力教育,2013(13):67-68.

[6]宁改娣,金印彬,刘涛,杨爽.“数字电子技术”课程实验教学改革探讨[J].电气电子教学学报,2013,35(04):102-103.

作者:张璐雅 阮景 单位:国防科技大学信息通信学院试验训练基地