数字电子技术课程设计教学探索与实践

作者/张静秋，中南大学信息科学与工程学院

课题来源：中南大学信息科学与工程学院十三五期间教学成果建设重点培育项目

数字电子技术课程设计教学探索与实践

作者/张静秋，中南大学信息科学与工程学院

课题来源：中南大学信息科学与工程学院十三五期间教学成果建设重点培育项目

本文主要介绍针对不同专业、不同层次的学生进行数字电子技术课程设计这门实践课程教学时，课题难度层次的设置、理论设计的考核与验收、实验制作的考核与验收和成绩评定方法，以及EDA仿真软件在电子技术课程设计过程中所起到的关键作用。

数字电子技术；课程设计；理论设计；实验制作；仿真；验收方法

引言

电子技术课程设计是电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习电子技术的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行课题的设计、安装和调试来完成的。这门实践课程，面向电类和机电类的工科学生开设，专业覆盖面广，与之配套的先修课程为模拟电子技术、数字电子技术以及电子技术实验。电子技术课程设计的实施应该根据授课对象因才施教，下达的课题有不同的难度层次，让学生在完成基本功能的基础上，游刃有余的学生有继续努力的目标和空间。教师可以在下达课题任务书以及对学生理论设计结果进行验收的过程中，鼓励和引导学生将课题的功能不断丰富和完善，以便充分调动学生的兴趣和创新精神。

由于开设电子技术课程设计课程的班级较多，条件有限，许多高校电子技术课程设计的实验制作是在一个由面包板所构成的实验箱上完成。而模拟电路通常需要实现频率较高的小信号的接收、放大和滤波等处理，在面包板上插接的连线方式构成的模拟电路，难以达到预期的性能要求，所以电子技术课程设计课题主要以数字电路为主。有条件的学校可以单独开设模拟和数字电子技术课程设计。下面介绍以数字电路课题来开展电子技术课程设计的实施和验收办法，课题难度层次设置、设计和制作结果的验收，成绩评定等方面的探索和实践经验。

1. 电子技术课程设计的实施和验收

数字电子技术课程设计的培养方案在许多高校计划为两周时间，第一周为理论设计，第二周为实验制作。其考核主要有三个环节：理论设计、实验制作以及提交设计报告和图纸。

目前数字电路的最佳实现方案是SOPC（System On a Programmable Chip，在片系统）为载体的EDA方式，用HDL（Hardware Design Language，硬件描述语言）替代了原理图来描述电路系统。其设计方法是自顶向下的，首先进行系统规格设计、功能级描述和仿真、模块划分和仿真等，其余一些复杂工作（比如逻辑综合、优化、布局布线，定时仿真、定时检查，输出门级网表等）都可以依靠EDA软件辅助完成，最后在PLD芯片上进行编程和测试。这种方案适合于各种规模的数字系统设计，属于“EDA技术与应用”这门课程的选择。

而数字电子技术课程设计课题的实现载体是74LS、H C等小规模芯片，例如逻辑门电路、编码器和译码器、数据选择器和数据比较器等组合逻辑电路芯片；触发器、计数器和寄存器、ROM等时序逻辑电路芯片；以及555定时器等混合芯片。其设计方法总体是自底向上的，首先由固定功能元件进行单元电路的设计，再由各单元电路在时钟脉冲作用下协调配合工作构成一个具有一定应用功能的系统，然后进行实验制作系统测试。这种方案适用于设计小型数字系统。这种看似已经远远落后的电子系统设计和实现手段，对于电类和机电类的学生认识逻辑电路的电气特性，掌握使用仪器仪表测试电路、调试电路的方法，对学生应用理论知识分析和解决实际问题有很大的帮助。这些知识和技能本身也许没多大实际用途，但是能系统掌握并且应用这些知识去分析和解决问题，会大大提升学生自身能力，使学生变得有用。

1.1 设计课题难度层次的设置

在下达设计课题任务书时，可以给学生提供足够多的课题供其选择，例如数字频率计、电子密码锁、数字抢答器、可编程彩灯控制器、自动奏乐器、交通信号控制系统、路灯控制系统、数字门控系统、数字闹钟、数字周期测量仪、数字电容测量仪等等。虽然都是常规课题，只要教师对设计课题具体任务和要求设置合理、引导得当，对学生实践能力和创新思维的提升还是有很大帮助的。

下面以几个常见的数字系统课题“交通信号控制系统”、“数字闹钟”、“电子密码锁”、“可编程彩灯控制器”为例，说明课题的难度层次设置方法。

“交通信号控制系统”的难度层次设置：①主道和支道的黄、绿、红三盏灯能正常定时切换，也就是四个状态不断循环：主绿支红—主黄支红—主红支绿—主红支黄。②主道、支道分别配有计时器。计时器倒计时，分别配合主道或支道的红黄绿灯同步切换。③黄灯闪烁，红灯和绿灯最后3秒闪烁。④可以接收主道、支道有车、没车的信息。对于没车的道路可以从绿灯直接转到黄灯，提前进入下一个状态。⑤主道和支道绿灯的维持时间可以预置初始值。

“数字闹钟”的难度层次设置。①可以按照12或24小时正常计时。②可以对“时位”和“分位”准确校时。③可以在整点前后固定报时。例如到59分55秒时固定报时5次，或者到整点后开始报5次。④根据即将到来的整点报时，到N点报完N次，最后一声为高音。⑤可以设置闹钟。

“电子密码锁”的难度层次设置：①实现4位二进制密码的锁存和判断功能，密码正确则开锁，密码错误则报警。②设置不同声音、不同时长，通知开锁或是报警。③设置5秒的密码输入时间限制，超时封锁密码输入并报警。④实现4位十进制密码的锁存和判断功能，密码正确则开锁，密码错误则报警。

“可编程彩灯控制器”的难度层次设置：①一幅一幅图片动态显示一句话，例如“CSU EDA”。②以在ROM中存储图片的方式，滚动显示一句话，显示方式参照列车箱里的显示屏。③开始动态扫描一幅图片时发声通报。④可以手动选择动态显示第几幅图片。⑤以控制ROM地址线的方式滚动显示一句话。即每个字只占八个字节，动态扫描连续的八个字节以后，首地址加1，再动态扫描接下来连续的八个字节。显示方式参照列车箱里的显示屏。

1.2 理论设计的实施和验收

在理论设计开始阶段，教师需要向学生介绍电子技术课程设计的目的意义、设计步骤、设计原则、设计方法，然后下达设计课题任务书。课题任务书包含：一课题内容和要求；二总体方案设计，设计思路和原理框图。理论设计验收阶段，教师验收学生提交的电路原理图和仿真结果。可以要求学生讲解自己所设计电路的工作原理、各功能模块的输入和输出信号之间的逻辑关系，如果是组合逻辑模块则要求提供真值表，如果是时序逻辑模块则要求提供时序波形图。相同功能的电路要尽量设计的最简单，也就是芯片最少、连线最少。鼓励学生广泛查阅资料，尽量选用经典电路完成单元电路的设计，以保证电路的可靠性。教师审查电路原理图的可行性与合理性，而逻辑正确性则需要以Multisim或Proteus等的仿真结果为准。引导学生调用虚拟仪器和仪表以及指示灯等测试手段观察各电路模块的输入和输出信号，学会按模块调试电路，为实验制作做好充分的准备。教师审图的过程中，可以引导学生逐步丰富课题所实现的逻辑功能，尽其所能做到极致。使得能力强的学生有事情可干，有强烈的兴趣在有限的时间将作品做到最好；而能力弱的学生也可以完成课题的基本功能。

1.3 实验制作环节的实施和验收

实验制作开始阶段，教师需要向学生介绍实验箱布局、布线方法，元器件检测、单元电路调试，常见故障排除方法等。要求学生按模块、根据信号流向，用万用表和示波器等仪器仪表来测试电路，确认问题所在，用理论指导实践加以解决。如果之前的理论设计存在问题或不完善，则需要边修改和完善理论设计，边实验制作没有问题的模块，在实验制作结束时拿出最好的理论设计和实验制作成果。

教师可以根据学生理论设计成果在实验箱上的完成情况、利用仪器仪表进行电路调试情况，给出最后的理论设计成绩和实验制作成绩。理论设计验收时并不立即给出最终的理论验收成绩，学生在实验过程中可以不断修改和完善电路的功能，随时可以提交更好的仿真结果，给了学生很大的创意空间，大大激发了学生积极性和创新精神。

1.4 课程设计成绩评定

电子技术课程设计成绩评定包括三个部分：第一部分是理论设计成果，即系统原理图及其仿真结果。完成一定的功能并且仿真成功才能达到优秀等级。第二部分是实验制作。在实验箱上完全实现有一定难度的设计成果才能达到优秀等级。第三部分是课程设计报告和图纸。设计报告内容完整，单元电路设计合理，系统原理图图纸规范，才能达到优秀等级。只有三部分都达到优秀等级，电子技术课程设计总评成绩才能获得优秀。

2. 结论

这种电子技术课程设计实施办法，充分调动了学生的学习主动性和创造性，经过本人多年的教学实践证明效果很好。

＊ [1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社,1997.10.

对商品房价格产生影响的社会因素包括人文因素和历史因素等。历史因素是指由于叶落归根的观念而产生的对于某一地区的偏爱使得消费者对自己生长故土的住宅需求上升。而人文因素是指人口结构、人口数量以及风俗习惯与一般公众的心理动向等。大体分为以下几种：

＊ [2]张静秋.静态工作点对放大电路性能指标的影响[J].电子制作,2017,(11):61—64+56.

＊ [3]张静秋.基于集成运算放大器的加减法运算电路的分析与设计[J].电子制作,2017,(09):5—7+43.

＊ [4]张静秋.基于集成运算放大器的窗口电压比较器的设计[J].电子制作,2017,(07):10—12.

＊ [5]张静秋.二阶有源低通滤波电路的计算机辅助设计[J].电子制作,2017,(01):8—11+14.

＊ [6]张静秋,胡燕瑜.共射共基和共集三种基本放大电路特性的仿真研究[J].电子制作,2016,(23):40—43.

＊ [7]张静秋,韩玉玮.基于Multisim的滞回电压比较器的设计及其应用[J].电子制作,2016,(21):10—12+17.

＊ [8]张静秋,韩玉玮.二极管及其典型应用电路仿真测试[J].电子制作,2016,(19):72—75.