《数字电子技术综合实验教学设计和实践》
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摘 要：针对以往数字电子技术实验课程内容单一、偏向基础、侧重验证性实验的情况,该文介绍了以学号计数器为题目的数字电子技术综合实验教学内容设计与实践,学生通过讨论实验内容和方案、设计与仿真电路的各个模块、实物焊接与调试、演示及答辩等环节加深了对理论知识的理解,提高了分析问题和解决问题的能力.
关键词：数字电子技术;教学方法;创新思维;实践
中图分类号：G642文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0104-02
1 背景
为了满足企业对大学生创新实践能力的要求,数字电子技术实验教学应建立各理论知识点的联系、提高学生的综合分析设计能力,本文以学号计数器为例进行了数字电子技术综合实验教学设计的探讨.
2 设计任务
该学号计数器要求使用NE555设计多谐自激振荡器,计算并调整R1、R2、C的值,使之产生频率大于100HZ、占空比可调的矩形波信号;设计两级低通滤波器,对NE555输出的方波进行滤波,使得第一级输出三角波,第二级输出正弦波;设计分频电路,将产生的方波信号进行分频,分频后的信号频率为1HZ;使用两片74LS192组成模为学号后两位加20的倒计数器,计数器时钟信号周期为1秒,要求能实现手动复位和暂停功能.
该综合实验题目在教学设计的过程中整合了计数器电路、脉冲产生和整形电路、分频器电路、译码器和数码管等多个数字电子技术基础知识,要求學生掌握NE555多谐振荡器的设计及计算,掌握使用中规模集成电路构造任意进制计数器的方法,掌握CD4060、74LS192、74LS161计数器,以及74LS47、74LS48译码器和对应数码管的使用,掌握常用元器件的识别与测试方法,并且学会电路系统的整体设计及联调测试.
由于学生学号不重复,所以每个学生设计的电路不同,学生一人一组,单独设计.学生先在Multisim仿真平台下完成整体电路的设计,仿真结果经老师验收通过后领取元器件进入实验室焊接、调试、答辩以获取最终成绩.
3 实现方案
图1为电路实现方案,电源电路分别给NE555信号发生电路、分频电路和数码管提供12V和5V直流电压,NE555自激振荡电路产生一个方波信号,该信号可通过低通滤波器整形成为正弦波和三角波,同时该方波信号经过CD4060分频电路分频为1HZ的时钟信号驱动计数器电路技术,计数器电路的输出为BCD码,经译码电路后驱动7段数码管点亮,显示出对应的计数结果.
由于每位同学设计的振荡电路产生的方波频率不同,所以采用的CD4060分频器的分频输出口也不同,同时学号不同计数结果也不同,所以计数器电路设计任意进制计数器时接线方式也不同,最终所有同学的电路都不相同,避免了抄袭现象,提高了学生对电路设计的主动性和创新性.
4 电路仿真
在使用Multisim软件进行电路原理的仿真过程中,要求学生清楚每一个模块的原理,每个模块设计完成后使用仿真平台中的虚拟示波器、电流表、电压表等虚拟仪器检查当前模块是否能正常工作,保证当前模块能正常工作的情况下再进行下一个模块的设计,从而提高整个电路设计的正确性.
如图2至图5为采用虚拟示波器对每个模块的输出过程进行测试,并调整和记录相关结果,为后续设计模块提供参考.
5 焊接调试
实践过程中发现大部分同学在电路焊接调试步骤中受阻,进度缓慢或停滞,导致最终无法产生实验现象,或者实验现象和预期不符.遇到这些情况,很多同学由于理论欠缺不知所措,分析不出问题所在,会直接拆掉电路重新焊接,甚至重新领取实验耗材焊接.
为了提高学生在焊接过程中排查故障的能力,要求老师在焊接前向学生介绍每种电路故障的现象可能是哪种原因导致,出现该故障的排查方法及需要使用的工具,尽量引导学生自己发现问题,并通过思考解决问题.
6 结论
通过对学号计数器综合实验教学内容的实践,学生对数字电子技术课程的理论教学内容有了整体全面的认识,达到了学以致用的目的,同时激发了学生对电路设计的热情,提高了他们分析问题和解决问题的能力.
参考文献：
[1] 张国玉.数字电子技术实验教学改革与实践[J]. 实验科学与技术, 2018,16（02）：153-156.
[2] 梁丽.数字电子技术课程实践教学的改革与实践[J].中国现代教育装备,2018（299）：19-21.
【通联编辑：代影】
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教学设计引用文献:
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