仿真技術在數字電子技術綜合設計實驗教學中的應用

潘學文　趙全友

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仿真技術在數字電子技術綜合設計實驗教學中的應用

潘學文趙全友

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199）

為使學生高質量的完成數字電子技術綜合設計實驗項目，在實踐過程中引入電路仿真軟件Multisim輔助實踐教學。本文以籃球競賽24秒計時器綜和設計實驗進行實踐教學，先進行電路仿真實驗，利用仿真軟件強大的仿真技術，幫助學生更好的理解電路原理和工作過程，觀察實驗現象，然后進行硬件電路搭建和測試。實踐證明，此方法能提高實驗效率，增強學生動手能力。

數字電子技術；24秒計時器；實驗教學；Multisim仿真

1　引　言

數字電子技術實驗是高校通信類專業的一門基礎實踐課程，它對于培養學生的工程實踐能力和創新能力有著不可替代的作用。數字電子技術綜合設計實驗是考查學生綜合知識和動手能力而設計的具有一定綜合性和設計性的實驗，能有效的檢驗教學效果，培養學生思考能力和動手能力[1,2]。

目前，大部分院校數字電子技術實驗使用實驗箱完成實驗或是采用中小規模集成電路芯片和面包板進行實驗[3]。對于簡單的驗證性實驗，由于電路簡單，只要熟悉相應的集成電路芯片引腳圖和邏輯功能，電路搭建和測試過程都較容易完成。綜合設計實驗電路通常包含多個模塊，電路綜合性強，實驗教學有一定難度，學生往往在規定的課時內較難完成實驗[4]。文章以籃球競賽24秒計時器實驗教學為例，將Multisim仿真軟件應用到實驗教學中，并分析其教學效果。

2　仿真軟件介紹

Multisim是NI（National Instrument）公司推出的一款EDA工具軟件，主要用于電子線路仿真和設計。Multisim能進行電路圖設計，模擬、數字、射頻多功能仿真，能用于電子技術基礎理論教學、電子技術技能培訓和電子創新理論驗證[5]。在模擬電路和數字電路仿真中，Multisim軟件具有操作簡單，使用方便等特點，使得越來越多的教育者更喜歡使用Multisim軟件進行仿真，可以說Multisim軟件在當前電子技術教學領域已得到了廣泛的應用。

3　籃球競賽24s計時器電路仿真實驗

籃球競賽24s計時器是個經典綜合設計性實驗，它覆蓋了波形產生電路、計數器、顯示譯碼電路、控制開關等方面，知識面廣、工程性和實用性強，能跟生活實際聯系起來，大部分學生做這個實驗有很強的興趣和積極性。教學過程中，先分析電路必要的組成，布置實驗任務要求，給充足的時間讓學生思考并完成方案設計；然后進行電路仿真實驗，仿真前必須搞懂電路結構組成和工作原理。由于電路由多個模塊組成，可分模塊分別進行仿真實驗，畫出整體工作電路圖進行電路仿真；最后再進行硬件電路搭建調試實驗。下面從電路組成分析、電路仿真兩個方面進行闡述。

3.1電路組成分析

經分析，籃球競賽24s計時器電路主要由秒脈沖發生電路、遞減計數器、譯碼顯示電路、控制電路和報警電路等模塊組成，其組成框圖如圖1所示。因本實驗對脈沖頻率要求不是很高，可選用555定時器來產生秒脈沖。用555定時器構成多諧振蕩器電路可產生脈沖，這部分內容上課時重點學習過，只要選用參數合理的電阻電容就能實現秒脈沖。遞減計數器需采用具有遞減功能的計數器集成電路芯片來完成，根據實驗任務要求和電路需要，可采用兩片74LS192來完成24進制遞減計數器設計。計數器采取反饋置數方法和串行進位或并行進位實現。這部分內容可考查學生對任意計數器設計的掌握程度。

譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和共陰極七段數碼管完成。該部分電路在數字系統顯示電路中使用廣泛，需熟練掌握這個電路的設計。控制電路設計是難點，利用拼湊法設計去完成啟動、暫停、連續、清除等功能，能激發學生的思考和想象力，理解電路的邏輯控制。報警電路可由發光二極管和蜂鳴器報警實現。

圖1.籃球競賽24s計時器電路組成框圖

3.2電路仿真

根據電路組成分析，可分別設計出模塊電路，并使用Multisim軟件對各模塊電路搭建仿真。確定各模塊電路邏輯功能都能實現，然后把各模塊電路全連起來進行整體電路調試，構成的籃球競賽24s計時器整體電路圖如圖2所示。電路開始仿真時需要手動進行復位，使得計數器停留在24。暫停/連續開關可以鎖定555定時器產生的脈沖信號，以實現計數器暫停和計數功能，并且該開關還帶有RS鎖存器以消除機械開關抖動帶來的不良影響，實踐證明去抖動是有必要的。當計數到00時，停止計數并顯示00，驅動二極管發光代表報警信息。

這個電路有一定的綜合性，用到了較多的器件和芯片。學生初次使用仿真軟件，若能通過學習和努力，獨立畫出電路進行仿真得到電路的邏輯功能，說明學生具備了一定的電路仿真能力，也起到了在綜合設計性實驗中融入仿真技術的目的。

4　硬件電路實驗

仿真實驗成功后進行硬件電路實驗，實驗采用面包板和元器件芯片搭建電路。由于對電路的組成、工作原理都已理解，也成功的進行了電路仿真，對電路的邏輯已熟練掌握，因此硬件電路實驗開展起來也相對容易。學生初次搭建這樣綜合性電路時會碰到較多問題，過程會比較曲折，通常要折騰幾個會回才能成功。在教學過程中有一點非常重要，需跟學生交代清楚：對于綜合性的電路必須按模塊進行電路搭建，然后進行電路級聯調試，最后在對整體電路進行邏輯功能調試。例如，本電路首先搭建脈沖產生電路，然后搭建十分頻電路，確認這部分電路功能沒問題后，搭建計數器和顯示電路，最后搭建開關電路、報警電路和對整體電路的邏輯功能進行調試。若想進一步對電路組裝、焊接、調試，對有興趣和基礎較好的同學可以進行萬能板的制作或者PCB制作，以完成一個高質量的綜合設計性實驗作品。

圖2.籃球競賽24s計時器電路原理圖

5　結束語

實踐證明，通過在數字電子技術綜合設計實驗教學中引入仿真技術，可以使得實驗教學的質量和效率得到提高。學生通過仿真技術能夠對電路結構、原理、工作過程有更深入的認識和理解，在做硬件電路實驗時會事半功倍。調試過程中若電路的邏輯功能出現一些問題或故障，學生能做到心中有數，不會慌張，會尋找解決問題的方法，達到了實踐教學的目的，增強了學生的動手能力和解決問題的能力。

[1]劉銀萍,陳惠珊.“數字電子技術”實驗教學改革的探討[J],實驗室研究與探索,2006,(8):981-983.

[2]張學成.數字電子技術實驗改革與創新[J],實驗室研究與探索,2011,(8):285-288.

[3]王彩鳳,胡波,李衛兵. EDA技術在數字電子技術實驗中的應用[J],實驗科學與技術,2011,(1):4-6.

[4]潘學文,趙全友,楊振南.Multisim仿真軟件在電子技術實驗教學中的應用及效果分析[J],湖南科技學院學報,2016, (5):40-43.

[5]張曉潔,騰乃禎.數字電子技術實驗教學改革探討[J],廣西民族師范學院學報,2010,(3):145-147.

（責任編校：宮彥軍）

2017－03－24

湖南省教改項目（湘教通〔2014〕247號）；湖南科技學院教改項目（湘科院[2014]29號）；湖南科技學院“通信工程專業綜合改革試點”項目。

潘學文（1983－），男，湖南永州人，碩士，湖南科技學院講師，主要從事通信工程專業的教學、研究和管理工作。

G642.0

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1673-2219（2017）10-0047-02