1、数字电子技术课程设计教学改革创新与尝试 朱清慧 南阳理工学院 摘 要： 介绍了以全硬件数字电压表为课题的数字电子技术课程设计教学内容创新与尝试过程。以 Proteus 软件为仿真设计平台, 分模块进行电路设计与仿真。通过在实验室进行实物焊接与调试, 达到测量误差要求。最后经过验收答辩, 达到了全方位教学改革目的。关键词： 数字电路; 课程设计; 数字电压表; Proteus 仿真; 作者简介：朱清慧 (1968-) , 女, 河南社旗人, 博士, 教授, 主要研究方向:检测技术及自动化装置。收稿日期：2017-07-18基金：河南省高等教育教学改革研究项目“信息技术环境下电气信息类课程虚拟实验
2、教学实践与研究”, 项目编号, 2014SJGLX067, 主持人:朱清慧Innovation and Attempt of Teaching Content in Digital Electronic Technique Course DesignZHU Qing-hui School of Electronic and Electric Engineering, Nanyang Institute of Science and Technology; Abstract： The teaching content innovation and attempt of digital elect
3、ronic technique course design based on the title of digital voltmeter with whole hardware is introduced. The circuit is designed and simulated with different modules taken Proteus as the design and simulation platform. The circuit welding and debugging in laboratory shows that the error of this DC d
4、igital voltmeter is small than 0.05 V. Finally, through the acceptance and reply, the omnidirectional teaching objective has been achieved.Keyword： digital circuit; course design; digital voltmeter; proteus simulation; Received： 2017-07-18一、改革背景根据目前工科电类专业教学情况来看, 大学生普遍存在轻硬件、重软件的思想, 即使是参加全国学科专业竞赛的学生,
5、也都习惯于使用现成的嵌入式控制平台和相关硬件驱动装置, 重视组装硬件, 编写软件。从近年我校全国电子设计竞赛学生的选题来看, 一般纯硬件设计的题目学生都少有问津, 即便选了也无疾而终。这一方面是学生学的问题, 另一方面也反映出老师教的问题。因此, 改革电子技术实践教学内容和手段, 多强调和实践硬件电路的设计与调试, 学生就会建立一个比较全面的系统设计概念。作为教师, 主要应该从模拟电子技术和数字电子技术基础教学改革来抓起。数字电子技术课程设计是在校工科大二学生的一门重要实践课程, 根据我校教学情况, 结合网上资源, 课程设计题目不外乎以下几种:数字钟、彩灯控制、抢答器、音乐教室控制台、出租车计
6、价器等, 虽然也有新的题目出现, 但仔细分析, 要么是内容过于简单, 要么是所包含的知识面太窄, 不能全面锻炼学生对数字电子技术知识的掌握和运用。同时, 由于题目老化, 学生很容易简化设计过程, 直接步入电路制作过程, 失去了课程设计的本意。本文以一种新型的数字电子技术课程设计内容“数字电压表”为例, 介绍该实践教学课程改革的内容、过程和效果。二、案例设计任务及方案该数字电压表测量电压范围为 DC 04V, 误差小于 0.05V。要求不能使用单片机和任何软件进行控制, 而是以 A/D 转换器、移位、计数和数码显示等全硬件电路来实现。主要目的想通过一个简易直流数字电压表的设计仿真和调试过程, 介
7、绍自己在实践教学中所进行的改革和尝试, 以启发广大师生重视硬件电路设计, 重视教学内容和教学方法的创新, 以达到更好的预期教学目标。根据给定的课程设计任务, 要求每个同学确立一个设计方案, 并画出直流数字电压表的功能模块结构图。依照功能结构模块图, 按模块进行数字电路原理图的设计, 和仿真, 最终分模块进行焊接和调试。本例中, 主要由 A/D 转换模块、时钟模块、二十进制转换模块、显示模块和复位/启动模块组成。其中, 二十进制转换模块是本设计的核心模块, 主要由加、减计数器模块组成。学生应根据核心模块实现的功能去设计周边模块。为了方便元器件的集中购买, 教师在任务书上可给出部分可选元器件。比如
8、, ADC使用 ADC0808 或 ADC0809 并行 8 位模数转换器 (满足精度要求) , 时钟电路采用 555 定时器, 减计数采用四位二进制可逆计数器 74LS193, 加计数采用四位十进制加计数 74LS160, 数码管要求用四个带小数点的七段显示器, 模拟量用滑动变阻器和 DC 5V 电源组成, 复位/启动电路可根据各功能模块需求自行设计。学生一人一题, 单独设计和制作。下达任务 (1 天) , 接着在老师的指导下在机房进行分模块 Proteus 仿真设计 (共 3 天) , 仿真电路由老师验收合格后, 可领取元件, 进行分模块焊接与调试 (5 天) , 最后是验收答辩 (1 天
9、) , 共两周时间。拿到任务后, 学生应从何处着手或遵循什么样的思路去进行设计和调试电路呢?下达任务后, 给出一天的时间让学生来选题和进行设计思考, 通过思考会发现, ADC 和加、减计数器都需要时钟脉冲信号, 因此必须先设计由 555 组成的时钟电路。其次, 二进制减计数的初始值是 ADC 输出的数字量, 因此必须先设计ADC 电路, 再设计减计数模块, 而加计数模块是为了完成 BCD 码转换进行显示用的, 因此, 最后设计加计数和显示模块, 中间可加上必要的启动和复位电路。有了这样的思路, 在 Proteus 平台上进行分模块设计与仿真就 OK 了。三、Proteus 电路设计与仿真Pro
10、teus 是一款功能齐全的电子线路设计仿真软件, 尤其在电子技术学习过程中是不可缺少的仿真平台, 又称电子技术虚拟实验室。利用 Proteus 来设计电路可以起到事倍功半、缩小设计周期、足不出户使可获取大量设计资源等传统电路设计无法比拟的优势。该电路的仿真也是根据功能电路模块来进行的, 即首先要确定模块设计的顺序, 这里应按照时钟模块 A/D 转换模块二十进制转换模块复位/启动模块显示模块的顺利进行设计和仿真。设计一个模块, 仿真一个模块。关联模块要联合仿真, 如时钟模块和 A/D 转换模块等, 最后进行完整电路的连接和统一仿真。对单个模块仿真中出现的每个问题都认真排查和改进, 这样在最后整个
11、系统电路仿真时才不会太大的故障。以 ADC0808 元件为核心, 先上网查找元件的详细说明书, 明确各引脚功能及使用。打开 Proteus ISIS, 调出 ADC0808, 再调出相应电阻、开关、5V 直流电源和直流电压表等, 根据分析可连接 A/D 转换电路。仿真时, 必须结合时钟电路输出的 100k Hz 的时钟信号才能进行。用一个可调电阻作为电路采集电路, 改变电阻值, 看 ADC 输出的数字量是否变化, 然后计算数字量是否和采集到地模拟电压值相当。具体的算法不再详细分析。四、焊接与调试通过老师的指导, 学生把各个功能模块的电路在 Proteus 中设计仿真完成之后, 再进行整体连接和
12、仿真调试。经过指导老师验收合格后的仿真图, 学生便可以打印出来, 照图领取元件并进行实物焊接和电路调试了。在焊接时要注意以下几个方面问题。1. 分模块进行焊接和调试。2. 每焊接一个功能模块, 一定要设计好调试方案, 只有调试出前一个模块的功能, 才能进行下一个模块的焊接。3. 每个模块都调试正确后, 方可把模块间的引线连在一起进行整体调试。4. 焊接时应焊接集成芯片对应的插座, 要注意元件的封装, 调试时再安装芯片, 以免焊接时烫坏芯片。5. 不要忘记焊接集成芯片的电源和接地线, 最好统一排规整, 以便排查故障。6. 要善于利用实验台上的装置和仪器, 注意断电后进行电路焊接, 上电后进行电路
13、测量。在实际指导过程中发现, 万能板焊接故障点多, 如果使用自制印刷电路板, 则故障点就降低了很多, 容易实现电路功能。为了考查学生对课程设计内容的全部掌握情况, 验收时除了对电路板功能和焊接情况进行验收, 还增加了答辩环节, 即老师随机提问, 主要针对设计和调试过程中遇到的相关理论知识、实际应用等进行提问, 每个学生 23 个问题, 小到器件的管脚功能及参数值选定, 大到功能模块的设计原理不等, 每个学生都不一样。增加答辩之后, 学生的电路板虽然测试成功, 但都不急着验收, 而是在忙着看书, 上网查资料, 自己查找问题, 把自己的设计制作内容从头研究一遍。达到了预期的教学目的。五、结论本课题涵盖了数字电子技术中重点章节知识点, 如脉冲发生电路, 模/数转换电路, 组合逻辑电路 (显示译码器、集成组合门电路) , 时序逻辑电路 (移位电路、计数电路、触发器) 。根据设计任务和要求, 提出分模块进行电路设计与调试。在 Proteus 虚拟实验平台上能加强学生自主设计的兴趣和能力, 通过独立焊接调试和验收答辩, 提高了学生综合运用数电知识解决分析实际问题的能力, 锻炼了学生的实践操作技能。参考文献1朱清慧.Proteus电子技术虚拟实验室M.北京:中国水利水电出版社, 2010.10. 2王艳春.数字电路课程设计教学改革与实践J.中国电力教育, 2010, 1.
