“數字電子技術”實踐教學的研究與實施

摘要：本文介紹了我院在“數字電子技術”課程的實踐教學中的新措施。教學效果表明，軟硬兼施的實踐教學環節有力地支撐了理論教學，有效地將抽象的理論知識與數字電子技術的實現融會貫通，開拓了學生的創新思維，提高了學生分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：數字電子技術；邏輯電路；實踐教學；軟件仿真

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

1引言

“數字電子技術”是計算機專業學生必修的一門專業基礎課。本課程的主要目的是使學生掌握數字系統分析和設計的基本知識與原理，熟悉各種不同規模的邏輯器件，掌握各類邏輯電路分析與設計的基本方法，為數字計算機和其他數字系統的硬件分析與設計奠定堅實的基礎。

為了使學生能夠真正將課本上的理論知識與實際的數字電子技術電路融會貫通，我校“數字電子技術”課程組授課教師在課堂教學的基礎上，精心組織、設計該課程的相關實驗，讓實踐教學環節成為理論教學的有力支撐，使學生更好地將理論與實際結合，高效率地吸取本學科的前沿知識。

2實驗教學現狀

數字電子技術主要包括小、中和大規模數字電路的分析與設計、可編程邏輯器件和現場可編程門陣列器件、數字系統分析與設計。其教學側重整個電路的邏輯功能及其應用。在以往相當長一段時間內，由于不具備支持大規模實驗的設備，數字系統仿真軟件也不成熟，因此國內大多高校只基于“SD—2型數字電子技術實驗設備”開設了傳統的中、小規模電路的實驗，均未開設體現現代電子技術的中、大規模電路的實驗。這導致本課程的理論不能全面與實驗交融，更不能體現現代數字電子技術的核心，顯然不利于學生接受該門課的知識，也與計算機技術的發展格格不入。

近年來，多功能專用硬件實驗設備的投產給“數字電子技術”課程提供了全方面的基礎實驗平臺，使“數字電子技術”大規模硬件實驗的開設具備了基本條件。另外，為了讓學生掌握EDA核心技術，一種可行的方式是在PC機上利用VHDL實現硬件功能，仿真其工作過程，根據時間波形圖分析、改進和完善邏輯電路。這種軟件仿真模式為學生掌握現代技術，適應社會需求提供了極大的幫助。

3實驗教學目標

對邏輯變量、邏輯運算、邏輯函數、邏輯電路的感性和理性認知，能描述各種邏輯問題，并基于邏輯設計和物理設計的層次給予實現，這是學生在“數字電子技術”課程中必須達到的水平。為此，授課教師在給學生提供理性認知幫助的基礎上，必須精心設計配套的實驗課程，讓學生通過實踐環節透徹感性地掌握教學內容，進而掌握數字邏輯電路的設計與實現方法，以及性能分析、評價的手段。

“數字電子技術”實踐教學內容的設計是在驗證性實驗和開放性課程設計并存、“軟硬兼施”的模式下實施的，目標是使學生感性地認識、理解數字邏輯的基本概念、并能靈活運用，還能掌握先進的數字電子技術，實現復雜數字電路的分析和設計。

4實驗教學內容

為了使學生全面地了解和掌握數字電子技術，在具體實踐中加深對所學理論知識的理解，針對“數字電子技術”課程教學中的重點難點，我們安排了兩類實驗：基于硬件的驗證性實驗和基于軟件仿真的實驗。

4.1硬件實驗

硬件實驗采用了浙江大學方圓科技有限公司開發生產的“SD-2型數字電子技術教學實驗系統”實驗箱作為實驗平臺，用來達到驗證性實驗的目的。本課程選擇開設如下硬件實驗。

① 集成邏輯門的測試

實驗目的：掌握TTL集成與非門邏輯功能的測試方法；了解TTL與非門主要參數的意義及其測試方法；學習用與非門實現其他邏輯門的邏輯功能。

在這個實驗中，要求學生74LS00芯片完成TTL與非門的邏輯功能，高低電壓等測試，以及實現與、或、非、異或等邏輯關系，達到感性理解邏輯變量、邏輯運算的目的。

② 利用SSI設計組合邏輯電路

實驗目的：掌握用SSI器件設計組合邏輯電路的基本方法；學習用給定的SSI器件設計組合邏輯電路。

在這個實驗中，要求學生利用74LS10等小規模芯片實現一個保密電子鎖、產品質檢器和一個燈控電路，達到掌握小規模組合邏輯設計的能力。

③ 利用MSI設計組合邏輯電路

實驗目的：掌握用MSI器件設計組合邏輯電路的基本方法；學習用給定的MSI器件設計組合邏輯電路。

在這個實驗中，要求學生利用74LS138、74LS151和74LS283等中規模芯片實現一個數字判斷電路、多功能組合邏輯電路和一個代碼轉換器，達到掌握中規模邏輯設計的能力。

4.2軟件仿真實驗

如前所述，數字電子技術的硬件實驗只能提供中、小規模電路的設計，而且實用數字邏輯器件的電路一般較復雜，連線繁多，學生在實驗中極易出錯，且難以及時查錯，導致實驗效率不高，同時無法實現大規模電路的設計，也不能為學生提供掌握現代數字系統設計技術的條件。為此，我們在硬件實驗的基礎上采用MAX+PLUSⅡ在PC上進行仿真，實現各種規模的數字電路和簡易系統。這既能開拓學生的創新設計能力，又方便可行。具體開設的實驗分別在驗證性實驗的后階段和開放性課程設計階段完成，具體來說以下實驗①②為實驗內容，③④⑤為課程設計內容。

① 移位寄存器

實驗目的：掌握軟件MAX+PLUSⅡ的安裝方法；掌握軟件的初步使用方法；掌握原理圖輸入方法；熟悉FPGA設計流程和相關步驟的主要命令；掌握移位寄存器的邏輯功能及其測試方法；學習移位寄存器的應用。

在這個實驗中，要求學生在PC機上用MAX+PLUSⅡ驗證74LS194芯片的功能，并用來實現環行脈沖分配器、分頻器，達到熟練運用MAX+PLUSⅡ的水平。

② 計數譯碼顯示電路

實驗目的：進一步熟悉軟件的使用和原理圖輸入法FPGA設計流程；掌握層次設計方法；掌握中規模TTL集成計數器74LS161的邏輯功能及其應用；學習使用74LS48BCD—7段譯碼／驅動器和共陰極七段顯示器；學習設計計數譯碼顯示電路，并了解其計數、譯碼顯示過程。

在這個實驗中，要求學生用層次設計方法，先用74LS00、74LS161和74LS48等芯片實現模10的計數器，再級聯擴展成模100的計數器，并用十進制顯示，達到能設計中規模時序電路的能力。

③ 數字電子鐘的設計

實驗目的：熟悉使用VHDL文本輸入法設計PLD芯片的流程；學習數字電子鐘的秒信號源及秒、分、時、星期計時器的設計；學習秒、分、時、及星期譯碼，顯示電路的設計；掌握對波形圖的量化分析方法以及調試技術，提高設計能力。

在這個課程設計實踐中，讓學生主動學習，開拓創新，在老師的指導下掌握方便的VHDL文本設計方法。

④ 控制器的設計

實驗目的：掌握控制器的ASM圖描述方法；熟練掌握控制器VHDL文件的建立。

在這個課程設計實踐中，學生可以利用各種資料學習現成的程序代碼，并加以改進后實現自己確定的控制功能，實現大規模集成電路的設計，達到訓練學生收集資料和合理運用資料的能力。

⑤ 十字路口交通管理器

實驗目的：進一步掌握ASM圖的應用；編寫十字路口交通管理器的VHDL文件；深入理解層次化描述的基本要領；進一步掌握對時間波形圖的量化分析方法。

以上課程設計內容只是學生在選題時的一個啟發，拋磚引玉，學生還可以自由發揮，結合實際應用和自己的興趣確定很多實用有效的選題，并完成相應的任務。

5實驗教學效果

實踐教學環節的實施表明，“數字電子技術”實驗課程很受學生歡迎。以上硬軟兩部分實驗將傳統簡單的數字電子方法和現代先進的數字電子技術有機地結合起來，讓學生既深入理解了成熟的理論，又掌握了現代化數字電路的開發技術。特別是基于軟件仿真的課程設計，調動學生的自主創新激情，學生將抽象的理論與實際相結合，對書本的理論知識有了更深入、更具體的認識，并掌握了量化分析方法，最后達到從數字邏輯部件整體功能的角度來研究、評價數字系統的目的，這使得學生在學好“數字電子技術”專業基礎課后，為后續的課程學習打下堅實的基礎。

#61548;本門課程的實踐教學從06級學生開始改革實施。06級學生在“數字電子技術”的實踐教學環節中表現出強烈的興趣和積極性，他們按照要求很好地完成了每一個實驗。在調查問卷中，學生們對于“數字電子技術”課程的實踐教學給予了高度認可。

調查問卷中也體現出學生對軟件仿真實驗的興趣和收獲大于硬件實驗。經分析，原因在于硬件實驗平臺對實驗內容有一定的局限，沒有軟件仿真實驗那么充分的設計和創新空間，也不如仿真實驗那么靈活方便。

6結束語

我校“數字電子技術”課程組在教學中，本著理論結合實踐的宗旨，突破傳統數字電子技術實驗平臺的局限，

開設各類規模電路的設計，軟硬兼施，提供可行的實驗環境，設計可操作的實驗內容。實施效果表明它很好地支撐了理論教學，有利于培養學生分析問題和解決問題的能力，開拓了學生的創新思維。

下一步我們將著重研究和設計如何把模擬仿真正確的代碼、文檔下載到CPLD，使其更有設計性和創新性，為“數字電子技術”課程的教學構建更有利的實驗平臺。

參考文獻：

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