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数字电路设计方案范文1
【关键词】Multism；数字电路；时钟；仿真分析；教学
在职业学校应用电子等相关专业的课程体系中，数字电路对于学生专业能力的形成具有极为重要的作用。数字电路主要讨论了时序逻辑电路、组合逻辑电路的设计与分析方案。其中组合逻辑电路主要侧重研究电路的输入与输出的逻辑关系，其电路的设计与分析较为简单；时序逻辑电路由于同时考虑到系统的初始状态以及输入状态，因此设计难度较大。为了能够使得在教学过程中，学生能够对于时序逻辑电路具有较好的掌握，可以应用时钟电路的设计作为一个教学项目，并使用Multism仿真软件，加强学生的直观理解，并有效提升数字电路的教学效果。
1.Multism简介
Multism是美国NI公司开发的全功能电子设计平台，又被称为虚拟实验室。软件为电子工程师以及所有的电子爱好者提供了完整的电子设计工作平台（EWB）。软件具有丰富的电子元器件库，包含常见的基本元件以及集成芯片，同时软件具备多种常见的分析测试仪器，主要包含万用表、示波器、逻辑分析仪、字信号发生器、信号源等。目前软件具备了直流分析、交流特性分析、逻辑状态分析、傅立叶分析、噪声分析等多种分析方案，能够为电路性能分析提供重要的参考。由于其功能强大，能够直观反映所设计电路的工作效果，因此在数字电路的教学过程中采用软件仿真的方案可以有效加强学生对电路的认识，提升教学效果。
2.时钟电路的设计与仿真
时钟电路设计中涉及到秒脉冲电路的设计、秒计时电路、分钟电路以及小时电路的设计。综合应用了555时基电路、计数器电路以及电路级联等方面的知识。对于学生的时序逻辑电路的设计与分析能力是一个比较综合的锻炼。
2.1 基于555时基电路的秒脉冲发生电路的设计
时钟电路计时主要是应用了74LS162计数器芯片的级联实现，计数器芯片需要标准的秒脉冲电路作为工作的CP脉冲实现精准的计时。产生秒脉冲的实现方案较多，可以采用振荡电路、555时基电路、晶振等多种方案实现。在本例中主要侧重对于数字电路知识的掌握，因此采用了555时基电路构建秒脉冲发生器。555时基电路的电路原理图以及工作波形如图1所示。
2.2 秒计时电路、分钟电路以及小时电路的设计
应用两片同步十进制计数器74LS162级联，并改变进制可以实现60进制的秒计时电路以及分钟计时电路，小时电路则使用二十四进制的方式。电路采用同步时序进行控制。秒、分钟计时电路的电路原理图如图2所示，小时电路的电路原理图如图3所示。
在时钟电路的分钟以及秒计时电路中，采用了60进制的方案，以秒计时电路为例，当计数值达到60的时候，与非门电路输出低电平控制计数器芯片的清零端，计数器清零，重新开始计数，同时秒计时电路还必须给分钟计时电路提供一个脉冲，使得分钟计时加一。分钟电路的工作原理与秒基本相同，在计时满60分钟的时候需要自身清零，同时向小时电路提供一个高电平脉冲。小时计时电路采用二十四进制，因此计数电路清零方式也与秒、分钟电路不同。整体电路采用了同步的时序，电路工作性能较为稳定。
2.3 各模块电路之间的连接
要能够完成整体时钟电路的仿真分析，需要将各个单元电路进行级联。在模拟电子产品的设计过程中单元电路级联的时候要充分考虑到阻抗特性以及耦合方式对于电路整体工作性能的影响。在数字电子产品的设计过程中，一般单元电路工作正常的前提下，只要单元电路之间连接正确都可以正常工作。各个模块之间的连接方式如图4所示。
3.数字时钟电路的功能拓展以及改进方案
本时钟电路采用了数字时序逻辑电路的方案进行了设计，能够完成对于时、分、秒的计时。但是同时也存在较多可以进一步优化的方案。主要包含以下几个方面，首现是功能的进一步拓展，可以在加上星期以及天数的计数模块，实现万年历的功能，添加温度、湿度等传感器实现温度、时间等共同显示，需要的时候还可以添加闹钟模块等；其次电路的性能也可以进一步优化，比如可以采用频率准确度更高的晶振电路提供秒脉冲信号，提升计时的精确度，可以使用DS1302计时芯片简化电路的结构等。在实际的教学过程中可以为学生提供一定的思路，指导学生在掌握本种设计方案的基础上，进行研究性学习，提升学习的积极性以及学习的实际效果。
4.结论
时钟电路是一个复杂度较小，但是较为综合的时序逻辑电路。在目前职业学校进行专业课程教学过程中，普遍存在着学生对于理论知识学习的兴趣不高，学习效果较差的现象。作为应用电子技术等相关专业的专业基础课程，数字电路在教学的过程中就要能够吸收教学改革的先进理念，应用现代化的教学手段，为学生的专业课程学习提供直观的教学方式。应用Multism软件进行时钟电路的设计，能够直观体现电路工作的性能，有效提升学生学习的积极性与主动性，改善课程的教学效果。
参考文献
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[4]清华大学通信教研组高频电路[M].北京人民邮电出版社，1979.
数字电路设计方案范文2
【关键词】三人多数表决器 电路设计 Multisim10仿真
在组合逻辑电路设计的学习环节中，将学习过程中接触到的电路设计题目通过整理分析，不难发现有这样的两个特点，其一，对于同一题目电路的设计，可采用基本逻辑门、译码器、数据选择器、加法器等不同的设计方案。学习者通过多种设计方案的整理和分析，可加强对电路的理解，掌握更多的设计思路，这些设计思路将所学知识联系起来，通过以点到面的学习方式达到系统掌握知识的目的。其二，对于不同题目的电路设计，可采用相同设计方案。如果不同题目根据其电路功能写出来的真值表相同，就意味着可以采用相同的电路来完成其功能，通过把这种类型的设计题目搜集和归类，可以节省大量的电路设计时间，对学生学习效率的提高和知识的综合应用都会起到很大作用。
本文以三人多数表决器电路设计为例，从两方面探讨和总结了电路设计题目的特点，希望学习者能够借鉴这种学习方法，达到综合掌握知识的目的。
1 三人多数表决器电路设计举例
假设题目要求设计一个三人表决器电路[1]，当表决某个提案时，多数人同意，则提案通过，少数人同意时，提案被否决。
由组合逻辑电路设计步骤[2]，首先定义变量，设三个人分别用A、B、C表示，同意提案时用1表示，否则用0表示，提案表决结果用Y表示，Y为1表示提案表决通过，Y为0则不通过。其次，写真值表，根据上述定义，把题目设计要求的文字信息转化为数字信息的真值表，具体见表1所示。最后， 由表1所示真值表得到逻辑函数表达式为：
表1 三人表决器真值表
输入 输出
A B C Y
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
2 “一题多解法”在电路设计中的应用
所谓“一题多解法”是指在设计同一个电路时，采用不同的设计方法。由于数字电路是用0、1代码表示特定含义的电路设计，任何题目在设计是都要把文字信息转换为数字信息，即用真值表的数字信息来体现电路的功能。根据这个特点在电路设计时，我们除采用传统的用与或非实现电路设计外，还可以采用各种中规模集成块来实现电路设计，只要设计出来的电路经过测试，得到的真值表和题目要求的真值表相同，那么就可以实现题目的要求。这种采用不同思路设计电路的做法，对学生思维扩展和知识综合应用方面起到了积极的作用。下面以三人多数表决器电路设计为例，介绍不同设计思路在电路设计中的应用[3]。
2.1采用基本逻辑门设计
在采用组合逻辑电路现实时，根据表达式（2）的特点，采用1个异或门、一个或门和两个与门就可完成电路搭建和测试，具体设计电路如图1所示，笔者用Multisim10仿真软件进行测试[4]，其结果完全和表1相同，达到了三人多数表决器的设计要求。
图1 基本逻辑门实现三人表决器功能仿真界面
2.2采用译码器设计
译码器74LS138是根据三个地址输入端的输入情况，在同一时刻输出其中一个Yi，译码器是组合逻辑电路设计中很重要的一个中规模集成电路，根据74LS138的工作原理，我们将表达式（1）化为：
由表达式（3）和译码器工作原理可设计出图2所示电路，经测试结果与表1数据一致，由此可见采用译码器也能实现三人表决器的功能。
图2 译码器实现三人表决器功能仿真界面
2.3 采用数据选择器设计
数据选择器是根据地址码的特点，从多路输入数据中选择其中一路输出的中规模集成器件。当逻辑函数的变量个数和数据选择器的地址输入变量个数相同时，将变量和地址码对应连接，就可以用数据选择器实现逻辑函数的功能。
根据上述工作原理，将八选一数据选择器74LS151的D3、D5、D6、D7接高电平，D0、D1、D2、D4接低电平，控制端G接低电平，按图3所示连接，即可实现三人多数表决器功能。经笔者用Multisim10仿真软件进行测试，其结果和表1相同，因此，采用数据选择器同样可以三人表决器的功能。
图3 数据选择器实现三人表决器功能仿真界面
2.4采用全加器设计
由于一位二进制全加器的进位输出端Ci=∑m（3，5，6，7），与三人表决器的真值表中Y的输出完全一样，所以只需将A、B、C对应接到全加器集成块CT74HC183的Ai、Bi、Ci-1端，输出Y接到Ci端，即可用全加器实现三人表决器的功能，采用全加器实现三人表决器功能非常简单，此处不再论述。
3 “多题一解法”在电路设计中的应用
“多题一解法”是指不同功能的电路设计题目，可采用同一个电路来实现。在电路设计过程中，只要设计题目真值表相同，其设计出的电路也就相同。学习者如果善于总结这种规律，当再次遇到真值表相同的设计题目时就可以直接使用原来的电路，这样可以节省大量的电路设计时间，从而提高学习效率。
通过笔者的搜集和归类，发现许多不同功能的电路设计题目，都可使用相同电路来实现其功能。例如，题目要求设计一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器，为了防止误报警，只有当两种或三种探测去发出探测信号时，报警系统才会产生报警信号。
假设烟感、温感和紫外光感三种火灾探测器分别用个A、B、C表示，发出探测信号时用1表示，否则用0表示，报警信号用Y表示，其中Y为1表示有报警，Y为0表示没有火灾报警。
在此定义下的得到该报警系统的真值表和表1完全一样，这也意味着火灾报警系统的电路设计和三人多数表决器一样，可使用相同的电路来完成其功能，当然也可采用上述所讲的四种方案来实现报警系统的功能。由此看来把不同类型、不同功能的电路设计题目进行归纳和总结，对比各电路真值表的特征，就可以将具有相同真值表的设计题目归为一类。这样的学习方法既提高了学习效率，又增强了学习兴趣，最终达到了深入理解知识，灵活应用知识的目的。
4 结论
通过“一题多解”和“多题一解”学习方法的总结和归类，一方面可以让学生以点学面，把所学知识系统的联系起来，通过各知识点的相互渗透，达到全面理解知识的目的。另一方面，可以为学习者节约大量的电路设计时间，对学生电路设计思想和兴趣的培养方面都会起到积极的作用。
【参考文献】
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[2] 丁业兵，谭学琴，等.基于 Multisim 的组合逻辑电路设计与仿真[J].价值工程，2013，6（8）63-64.
数字电路设计方案范文3
针对硬件课程实践环节在提高学生解决实际问题能力上效果不理想、课程之间衔接不好等问题，基于CDIO工程教育理念，结合“try”教学方法，基于数字电路设计课程的实践环节，提出一种新的教学模式。
关键词：
CDIO；教学模式；实践环节；课程衔接
由麻省理工学院等4所大学创立的CDIO工程教育理念，是继承和发展欧美工程教育改革的一种新的教育理念。该理念包括12条标准，涵盖了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评。它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式来学习工程的理论、技术与经验[1-2]。数字电路设计是计算机组成原理、接口与通信以及嵌入式类课程的先修课程。如果在数字电路设计的教学中没有考虑好与后续课程在理论教学与实践教学内容上的衔接，则容易导致学生在后继课程的学习中遇到困难[3]。
1数字电路设计课程实践环节的教学条件和教学现状
（1）社会对软件人才的需求量远大于对硬件人才的需求量，学生出于就业考虑，容易形成重软件轻硬件的观念。（2）硬件课程入门较难，实践环节大都是验证性的，缺乏探索性，不利于培养学生解决实际问题的能力，从而打击了学生学习硬件课程的积极性，导致学生形成“好软怕硬”的思想。（3）传统教学模式是教师课堂讲授，适当结合验证性实验，不能激发学生的学习积极性。学生学完理论、做完实验后，仍然缺乏解决实际问题的综合能力、工程实践能力及创新能力[4]。传统教学模式的弊端导致在与计算机组成原理等后继课程的衔接中，学生不能从系统的高度认识数字逻辑[3-5]。（4）计算机学院开设的数字电路设计和计算机组成原理等课程，采用同一套实验设备，在一定程度上能让学生的学习具有连续性。（5）自创的“try”教学方法可适用于数字电路设计课程及实践环节的教学[6-8]，但由于算机组成原理和数字电路设计两门课程的内容和要求不同，“try”教学方法在应用于后者时，应有所调整。
2数字电路设计课程实践环节改革方案
2.1实践环节的层次设计为了获得更好的教学效果，教师探索了各种方法，其中有案例法、项目驱动法、任务驱动法等[9-12]。从实验室建设、实验手法、课程整合等不同角度来提高实践环节质量[13-14]也能够有效提高教学效果。比较上述方法后，考虑与后续课程的衔接等因素，根据CDIO标准3、5、7的要求，结合自创的“try”教学方法，我们将数字电路设计课程的实践环节分成两个层次，从最简单的门级电路编程开始，难度由低到高、循序渐进，最终让学生完成源于实际案例的综合实验，初步具备实际工程能力。表1从实验项目设计、教学方法等7方面对基本实验和综合实验进行了对比。在教学中，学生学习的主要障碍不是掌握理论方法，而是缺乏理论知识和实践问题认知的沟通[11]。因此，我们在理论教材中选择15个知识点，设计成相关的任务和实验内容，如全加器、表决器等，采用“try”教学方法并结合任务驱动法，鼓励学生多动手多尝试，通过任务、查资料、仿真、实物验证、教师验收、撰写实验报告和总结这7个步骤完成对15个理论知识点的学习。为了进一步提高学生的实际工程能力，基于科研项目，贴近实际生活，我们编写了自动售货机、出租车计费器、电梯控制器等6个综合实验。实验采用分组方式，每组学生自行选择一个题目，在规定时间内完成该综合实验。综合实验的教学过程一般包括：教师项目及要求、学生分组并认领项目、组内分工、查资料、设计方案、论证可行性、学生在宿舍仿真、学生在实验室的硬件开发板上实物验证、教师验收、提交实验报告、实验答辩、成绩评定等13个环节。教师在项目要求的时候，只给出最基本的要求，学生在设计的过程中可以自行扩充，也就是说，同一个综合实验题目，其设计可繁可简，不同学生设计的电路可能会不一样。
2.2实践环节评价体系的构建根据CDIO标准11，构建了实践环节的评价体系。
2.2.1基本实验评价方法基本实验评价指标是：①时限；②工作量；③完成质量；④验收程序；⑤实验报告。其中①、②、④、⑤考核了学生的个人能力和表达能力，指标③、④、⑤考核了学生的专业知识、建造产品和系统的能力。对这5项指标加权平均得到该基本实验项目分数，如式1所示，其中Sj表示某个基本实验的得分，Ki表示某个考查指标的系数，Mi表示在某个考查指标上的得分。由15个基本实验的得分累加后除以15，得到基本实验项目的总得分，如式2所示，其中BS表示基本实验的总得分，Sj表示某一个基本实验的得分。
2.2.2综合实验评价方法综合实验评价指标是：①时限；②查资料的能力；③实验方案；④创新性；⑤设计说明书；⑥完成质量；⑦团队合作能力；⑧工作量；⑨验收；⑩实验报告；实验答辩。其中①、②、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、项考核了学生的个人自身能力、探究能力、团队合作能力和表达能力，指标③、④、⑤、⑥、⑨、⑩、考核了学生的专业知识、建造产品和系统的能力。修改式1可对这11项指标的得分加权平均，从而得到综合实验的分数。
2.2.3实践环节最终成绩评定办法及选优措施实践环节总评成绩由基本实验成绩和综合实验成绩两部分加权平均得到,从工作量及投入时间方面考虑，一般建议两者各占50%。综合实验结束后，根据学生在实践环节的学习情况和成绩，特别是综合实验中的表现，向各相关学科实验室推荐优秀本科生，使他们有机会加入科研项目组，参与教师的科研工作。
3实施效果及分析
为检验课改成果，我们设计了一套课程评价系统，包括一套具有反向题的学生调查问卷、学评教的数据、学生的理论课成绩单、实践环节成绩单、一套后继课程教师评价学生掌握先修课程知识的调查问卷、一套学生所在学科实验室评价该生的调查问卷等。评价系统还包括对这些数据的统计和分析。统计数据显示，在CDIO模式基本实验和综合实验实验项目设计上，学生满意度达到81.6%，在教学内容、教学方法、实验环节考核方法等方面，学生满意度达到97.4%，比传统模式提高了20几个百分点。这些数据表明，新教学模式比传统模式更能激发学生的实验兴趣，促进他们较大幅度地提高项目设计能力、动手编程能力、团队合作能力。我们将2013级计算机科学与技术专业的学生分成两组，采用相同的教学资源和不同的教学方式分别授课，一组采用新模式教学，另一组采用传统模式教学。经过一个学期的学习，2015年1月数字电路设计课程理论考试中，在试卷相同的情况下，新模式组成绩优良率达到52.9%，比传统模式组高24个百分点；新模式组不及格率为15.7%，比传统模式组低15个百分点；新模式组平均卷面成绩为78分，比传统模式组高6.1分。由此可知，基于新标准并结合“try”方法的新教学模式能够提高实践环节的教学质量，切实促进学生深入理解理论课的相关知识点，有助于学生更好地完成课程衔接，为学生后继课程的学习打下坚实的基础。追踪这些学生后继课程的学习情况，统计2015年6月计算机组成原理课程设计期末考试成绩后发现：原新模式组优良率达到80.3%，比传统模式组高25个百分点；原新模式组不及格率为0，比传统模式组低21个百分点。计算机组成原理课程理论考试中，原新模式组平均卷面成绩为68分，比传统模式组高5分；原新模式组不及格率为17.4%，比传统模式组低5个百分点。此数据表明，数字电路设计课程实践环节采用新教学模式教学有助于学生对后继课程的学习，特别是实践环节成绩有了大幅提升，不及格率也明显下降。
4结语
新教学模式基于CDIO理论，结合“try”教学理念，将数字电路设计课程实践环节分为基础实验和综合实验两个层次,并包含了配套的成绩评定方法和课程评价系统。实践证明，新教学模式能够更好地促进课程衔接，有利于培养学生自主学习、主动探索的精神和能力，培养学生的工程实践能力、沟通交流能力及团队协作能力。改革的下一步，是根据每一门课的特点，把基于CDIO理念的教学模式推广到课程群其他课程的教学中去，以期从课程层次化、课程间网络化等多角度、多层面地把学生培养成为优秀的工程技术人才。
参考文献：
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数字电路设计方案范文4
在实验教学内容上,从专业培养目标出发,全面修订了实验教学大纲,优化实验知识结构,形成梯次的教学内容体系,即基础性实验、综合性实验和创新设计性实验。在实验总学时保持不变的前提下,减少验证性实验项目,增加了综合性、设计性实验项目,并且注重实验项目课程内综合更新、课程间重组以及跨学科交叉融合,尤其重视医学和生物医学工程专业知识综合运用能力和研究创新能力的培养。近两年,面向本院生物医学工程专业本科生所开设的数字电子技术实验项目及学时分配如表1所示。从表1可知:实验项目从12个减少到9个,但是总学时保持未变;从实验内容设置来看,实验难度成梯度;实验类型分为基础验证性、设计性和综合创新设计性三种。纯粹的验证性实验只有2个,分别为实验一逻辑门测试和实验四触发器功能测试。实验一为第一次实验课,先要教会学生使用实验箱和认识芯片实物,向学生传授实验技巧,所需时间较多,因此设置的内容稍简单,让学生的实验过程既顺利又充实而有成就感,从而激起学生的实验兴趣。实验五分为两个部分:先验证计数器及寄存器逻辑功能,随后重点完成常用计数器芯片74LS161和寄存器芯片74LS194的扩展应用设计,如果只是单纯的芯片功能测试,就缺乏应用训练,不利于后面相关设计性实验的开展。实验二和实验三为组合逻辑电路设计,分为小规模和中规模,内容上不重复,电路的实现从采用逻辑门升级到采用中规模集成芯片。实验六为经典的时序逻辑电路设计,考虑到难度稍难及根据往届实验情况,将其学时调为3学时,通过该实验项目,学生对时序逻辑电路的设计流程、动作特点及测试方式有了更深刻的理解。实验七为综合性实验,主要进行综合实践训练,培养学生综合运用知识的能力。时钟脉冲信号在数字电路的工作中起控制作用,因此,特设置了一个采用经典的模数综合器件555定时器来构建简易时钟脉冲信号源的实验项目。前八个实验基本涵盖了数字电路理论内容,且按照理论课章节顺序来设置。在实验课程的最后,为了综合考查学生知识运用、创新、动手操作及团队合作能力,特设置了一个系统设计性实验项目,如《交通灯控制电路设计》。该设计任务涉及到多个功能模块,由于电路较复杂,设定学时为6学时,需要学生综合运用所学知识来实现,作为实验课程考核部分之一。综上,整个实验教学分为四个阶段:基础训练实验阶段、基础设计实验阶段、综合应用训练阶段和系统设计实验阶段。使学生从基本的实验设备和器件的使用、实验数据的处理、知识的综合运用、电路设计调试到实践创新能力都得到了训练。
2实验方式方法改革
在学生掌握了常用的实验仪器如数字电路实验箱、万用表、信号发生器等的使用方法,熟识了常用的集成电路芯片的基础上,结合各实验项目的要求及特点,采用多种实验方式来完成实验。验证性实验可只用数字电路实验箱来实现,多个芯片同时在实验箱上连接,连线方便,费时较短,一次实验课中可以完成多个任务。较简单设计性实验采用分立元件连接来构建电路,既可以锻炼学生动手能力,又可以在规定时间内完成实验。综合设计性实验由于难度最高,可让学生用软件仿真出电路原理图,然后制作PCB板,实现电路实物。课程开始时教师讲授的时间不易超过15min,主要帮助学生完成对实验的理解,思路的建立。实验方案的设计、实验电路的搭建及问题的排解,要有学生自主完成。在实验进行中,教师和学生各自的定位要准确,教师主指导,注重培养学生的实验兴趣。在整堂实验课中,要让学生体现主动性,感受到“做中学”的乐趣。由于实验内容大部分为设计性实验,如果纯粹依赖实验指导书进行教学,较难达到培养学生电路设计能力的目的。因此在现阶段,采用项目驱动法来开展实验教学,具体做法为:开学初把数字电子技术实验的所有实验项目以电子文档的形式发送给学生,每个设计性实验只提供设计任务、设计要求和可供参考使用的芯片种类,设计方案和电路原理图由学生自主完成。这样既可以改善学生的懒惰思想,又可以实现课前预习、培养学生查阅参考文献的和初步设计的能力。对于学时较长和难度较大的实验项目,2～3名学生可组成小团队,团队成员在参阅大量参考文献后进行小组讨论,多次讨论后确定设计方案。在电路构建及测试过程中,每个成员都必须积极参与,教师也给予一些必要性的指导。经过两年的实践发现,该实验教学方法有效增强了学生的自主学习能力、分析问题及解决问题能力、自我管理能力、团队合作能力和创新实践能力。每次实验完成之后,学生不仅对相关知识有了更深刻的理解,也获得了满足感,极大提高了学生参与实验的兴趣。
3实验室教学管理改革
对于任何一个实验项目,都允许并鼓励学生之间相互交流,教师作为引导者虽不过多干预学生的实验过程,但是也积极关注他们的实验进度,认真聆听他们的实验想法,适时给出建议,甚至和学生进行热烈讨论,帮助他们构建更正确的实验方案。当学生搭建的电路不能正常工作时,不过多责备,反而是启发他们自己寻找问题的所在,鼓励学生多思路分析问题。因此,实验室的氛围既严谨又活跃,绝大部分学生都非常专注的投入到实验中,实验效果理想率可达到95%以上,实验数据抄袭的现象非常少。
4实验考核方式改革
很多学生不重视数字电子技术实验教学的原因之一就是其考核方式不太合理,实验成绩要么只占数字电路课程成绩的百分之二十,要么只由实验报告的成绩和平时考勤成绩组成,导致有些学生认为只要期末考试卷面成绩高就行,实验做不做问题不大,有些学生虽然每次实验都出勤,但是在实验室并不认真做实验,实验报告抄袭他人。基于这些现象,近两年本院生物医学工程专业开展的数字电子技术实验考核方式做了如下改革。
(1)电子技术实验单独为一门课程。该课程成绩中模拟电子技术实验成绩占50%,数字电子技术实验成绩占50%。就数字电子技术实验成绩而言,平时出勤率仅占10%,实验过程中的表现占40%,系统设计实验考核成绩占30%,实验报告成绩占20%。因此,学生的实验态度与实验能力最大程度上决定了其课程成绩。这就使得绝大部分学生能以正确、积极的态度来对待实验课程,并尽量通过自主努力完成实验。
(2)系统设计实验项目考核时,分模块考核。比如在《交通灯控制电路设计》实验项目中,总分100分,完成时钟信号源电路模块,得10分;完成定时器模块,得25分;完成控制器模块,得40分;完成译码驱动器模块,得15分;设计方案阐述和回答教师提问部分完成,得10分。这样不仅避免由于电路硬件原因导致电路系统最终实验效果不理想而得零分,打击学生信心的情况出现,又可以让学生在实验过程中能逐级测试电路,保证最后的电路系统效果理想,且对学生的团队合作能力和答辩能力进行了培养。
5结语
数字电路设计方案范文5
[关键词] EWB仿真软件；数字电子技术；设计型实验
Abstract：This article introduced functions and chracteristics of the simulation software EWB. It expounded the application of this software in numerical electronic technology design experiments with examples of electronic circuit，and the strong and weak points of EWB simulation experiment and real field experiment，and put forward the teaching of electronic circuit experiment with integration of simulation-real field is the best model in modern experiment teaching in numerical electronic technology.
Key words：EWB simulation software；digital electronic technology；design-oriented experiment
1 引言
数字电子技术设计型实验是数字电子技术课程重要的实践性教学环节，是对学生学习数字电子技术的综合性训练，其重点是要求学生综合所学的理论知识和专业技能，设计制作功能较为复杂的电路，研究解决具有一定深度和工作量的小课题。其目的是巩固和拓展学生所学的基本理论和专业知识，培养学生综合应用、独立分析和解决实际问题的能力，培养学生设计能力和创新型思维能力。
在传统设计型实验中，一方面受实验室元器件及实验设备的品种、规格和数量上不足的限制，不能满足各种新电路的设计和调试的要求，使得实验项目开设数量有限，且内容更新缓慢，学生只能在规定的时间和空间完成老师指定的设计项目，而且受元器件品种和数量的限制，学生的设计方案只能“量体裁衣”，有些独特的想法和设计思路难以实现。另一方面设计过程中电路的安装、调试、测量过程是在实验箱和面包板上进行，往往需要反复进行多次，这就难免出现错误连线和器件损坏的现象，不仅使电路调试费时费力，还可能造成错误的性能评价，易导致学生产生厌烦情绪和对设计型实验的畏惧心理，致使设计型实验不能达到预期效果。由此可见，传统设计型实验教学方式在某种程度上制约了学生创新意识的培养，阻碍了学生主动探索的积极性，对高职教育培养技能型人才极为不利。
如果把Electronics Workbench(EWB )电子设计自动化软件应用到数字电子技术设计型实验教学中去，应用计算机进行辅助分析与设计，不仅有助于解决上述传统数字电子技术设计型实验教学中存在的问题，使学生学到新的电子设计技术，提高设计水平和实验效率，而且还会拓展学生所学知识的应用范围，进一步提高学生的职业综合素质。
2 EWB软件的特点与应用
EWB软件是专门用于电子电路设计与仿真的“虚拟电子工作台”软件，其功能强大，能够提供电阻、电容、三极管、集成电路等十几个大类几千种元件；能够提供示波器、万用表等十几种常用的电子仪器；具有强大的电路图绘制功能及波形显示功能。用该软件对电路进行设计、分析非常方便。将EWB软件引入到数字电子技术设计型教学中，为学生提供了一个大胆思维、充分发挥创造性的实验环境。EWB软件的设计试验区好像一块“面包板”，在上面可以建立各种电路进行仿真实验。与其他电路仿真软件相比，具有界面直观、操作方便等优点。它改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路的元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。EWB 中的元器件库不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值。 因此，仿真的结果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理，开发、设计新电路极为方便[1]，同时具有很大的灵活性。数字电路的分析、设计与仿真工作实现于轻点鼠标之中，由于使用了虚拟仪器技术，仿真电路就像在实验室实际操作一样，元器件可随便调用，参数可随意修改，一个方案不成功可抹掉重来，不怕元件损坏，不怕仪器出现故障，而且不受时间、地点、人数的限制，实验器件品种、型号齐全。学生不受规定实验项目的限制，能充分发挥其主观能动性和创造性，实验过程不仅充满无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。
在设计型实验教学中，首先要求学生对自己所设计的电路通过EWB 软件平台进行仿真模拟(虚拟仿真实验) ，其次要求学生用硬件来实现该电路(实物实验) ，并将虚拟仿真实验的结果与硬件实验的结果进行对照分析。这样不仅培养了学生对数字电路进行仿真实验的能力和在软件平台上进行电路设计的能力，而且便于学生随时改变电路结构、元器件参数来调整(修改) 电路，使之更好地满足设计所提出的性能指标的具体要求，得到较为理想的设计电路。
3 数字电子技术设计型实验举例
3.1 设计任务和要求
设计一个汽车尾灯控制电路。其设计要求为：假设汽车尾部左右两侧各有三个指示灯(用发光二极管模拟)。(1) 汽车正常运行时指示灯全灭；(2)右转弯时，右侧三个指示灯按右循环顺序点亮；(3)左转弯时，左侧三个指示灯按左循环顺序点亮；(4) 临时刹车时，所有指示灯同时闪烁[2]。用三个开关控制指示灯的点亮状态。其中两个是转向控制开关：[1]用于左转；[2]用于右转；还有一个是模拟脚踏制动(刹车)开关[3]。
3.2 设计方案
根据设计要求，画出汽车尾灯控制电路原理框图，如图1所示。
3.3 基本原理及单元电路设计
3.3.1 工作原理
汽车尾灯控制电路是由振荡电路、三进制计数器、译码电路、显示驱动电路和开关控制电路等电路组成。由于汽车左右转弯时，三个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。
3.3.2 三进制计数器电路的仿真设计
三进制计数器电路可由双JK触发器7476构成。如图2所示。使用EWB 软件平台中的元器件创建电路，其中输出1Q、2Q均连接到显示器件探测器(指示灯)上，可以通过探测器发光与否来直接观察电路的输出状态(该探测器若发光则表示为高电平“1”；若不发光则表示为低电平“0”)。时钟脉冲控制信号CP(为了突出设计电路的简捷，省略了该部分电路的设计)直接采用EWB软件平台中的脉冲信号源(其频率7 Hz、幅值5 V、占空比50% )来替代。创建电路图完毕，进行仿真分析实验，即按下“启动/停止”开关，运行EWB模拟程序对所设计的实验电路进行模拟分析，从探测器指示灯上的状态可以直接观察出实验结果。还可以用虚拟逻辑分析仪来观CP、1Q、2Q的输出时序波形图。如图3所示：
3.3.3 汽车尾灯电路的仿真设计
汽车尾灯电路由译码电路和显示驱动电路组成。其显示驱动电路由6个发光二极管和6个反相器(7404)构成；译码电路由3—8线译码器74138和6个与非门(7400)构成。74138的三个输入端A、B、C分别接三进制计数器的输出端1Q、2Q和转向控制开关[2]。当[2]=0，使能端信号G=0(译码器工作)、S=1，计数器的状态为00、01、10时，74138对应的输出端Y0、Y1、Y2依次为“0”有效，即反相器G1～G3的输出端也依次为0，故指示灯按D3D2 D1顺序点亮。若上述条件不变，而[2]=1时，则74138对应的输出端Y4、Y5、Y6依次为0有效，即反相器G4～G6的输出依次为0，故指示灯按D4 D5 D6顺序点亮。当G=1(译码器禁止译码)、S=1时，74138的输出全为1，G1～G6的输出也全为1，指示灯全灭；G =1、S=CP时，指示灯随CP的频率闪烁。(“1”表示高电平，“0”表示低电平)，电路中限流电阻取值为0.2 kΩ。电路如图4所示。
3.3.4 开关控制电路仿真设计
开关控制电路用异或门(7486)和与非门构成。设74138和显示驱动电路的使能端信号分别为G和S。当[3]=0时：[1]=1、[2]=0表示汽车左转；[1]=0、[2]=1表示汽车右转；[1]、[2]全为1或全为0表示汽车正常行驶，[3]=1表示汽车临时刹车。汽车正常运行时G=S=1；汽车转向时G=0、S=1；汽车临时刹车时G=1、S=CP。可以通过探测器发光与否来直接观察G、S的输出状态。其电路如图5所示：
3.4 汽车尾灯控制电路的仿真分析
将各模块电路连接成完整的仿真电路，时钟脉冲控制信号CP直接采用EWB软件平台中的脉冲信号源。如图6所示：
接通仿真开关，进行电路仿真分析实验。按数字键3，使刹车控制开关[3] 接低电平，接着按数字键1和2，使转向控制开关[1]=1、[2]=0，此时发光二极管按D3D2D1顺序循环点亮，示意汽车左转；使[1]=0、[2]=1，此时发光二极管按D4D5D6顺序循环点亮，示意汽车右转；使[1]=[2]=0或[1]=[2]=1，发光二极管全灭，示意汽车正常行驶。
再按数字键3，使刹车控制开关[3]=1，此时无论转向控制开关[1]和[2]取何值，都将看到发光二极管D1～D6均随时钟脉冲控制信号CP频率闪烁，示意汽车临时刹车。由仿真分析可知，通过EWB软件平台仿真设计的汽车尾灯控制电路满足课题的设计要求，而且仿真过程方便、直观，效果生动、形象。
4 EWB仿真实验与实际硬件实验的有机结合
从实例分析可见，EWB软件平台本身含有强大的元器件库，从而不受经费和数量的限制，可以随时改变电路元器件参数来调整电路，使之更好地接近设计要求。但仿真实验也有它自身的局限性，利用EWB软件设计的电路仅仅是一个虚拟的电路，与实际电路有着本质的区别，由于EWB是通过计算机仿真来实现的，在对培养学生实际操作能力与元器件、仪器设备的使用能力方面存在着不可避免的缺点，如果学生只在EWB技术软件平台上进行仿真分析与设计实验，而不经过实际实验的验证，那么电路设计也只是“纸上谈兵”。因此在数字电子技术设计型教学中要注意“虚”与“实”的有机结合，充分发挥仿真实验——“虚”与硬件实验——“实”的各自优势，通过仿真实验加深对理论的理解，建立动态、形象、直观的感性认识；而通过实际硬件实验增强实际动手能力，积累设计、调试、革新等方面的实践经验。电路的仿真实验和电路的硬件实验之间的关系是相辅相成的，二者缺一不可[3]。所以，对于设计型实验应要求学生在设计好电路之后，必须使用EWB软件平台进行电路仿真、调试，优化电路结构和参数，以得出最佳、最优的电路设计方案。最后，再用硬件电路来实现，这才是现代数字电路设计型实验最佳的实验教学模式。将EWB软件平台的仿真实验和实际动手操作的硬件实验两者有机地结合起来，可使综合设计性实验的实验教学方法更加充实、更加完善，而且通过“虚”——“实”结合、相互补充的实践教学方式强化了学生工程实践能力，增强了实验教学的效果。
[参考文献]
[1] 路而红.虚拟电子实验室 [M].北京：人民邮电出版社，2001：1-3.
数字电路设计方案范文6
关键词：电子系统；电路仿真
1设计任务分析
数字电路主要研究的是电路中输入与输出之间的逻辑关系，进而确定电路输出与输入之间的逻辑表达式。仿真即是利用实际设计任务与所得逻辑表达式，选择合适的电子器件进行电路连接，得到描述实际设计任务的完整电路图。
交通灯控制器仿真将涉及时间计数问题，选用74LSl61同步计数器和74LSl92十进制可逆计数器，可解决此问题；涉及LED灯交替转换问题，按照指示灯相互交替亮灭的规律，选用74LSl94移位寄存器构成扭环计数器可解决此问题；各个逻辑器件的选用对电路的运行准确性和整体的美观性同样具有重要的作用，在仿真过程中，也需做具体实践分析。
2仿真过程
2.1仿真要求
1）主干道与支干道的车辆交替运行，主干道通行时间为24s；支干道通行时间为20s；
2）当绿灯跳至红灯的时，黄灯先亮4s；
3）主干道与支干道除具有黄，红，绿三种指示灯外，要求每个指示灯亮的时间都由显示器进行倒计时显示，并且只要有一个显示器计数时，其余均清零。（这里我只给出了主干道显示器，支干道同理可知）；
4）设置同步人行道红绿灯指示。
2.2仿真系统组成
此交通灯控制器系统的组成如下：LED灯，74LS161同步计数器构成的24进制计数器，74LS192十进制可逆计数器，七段译码显示器，JK触发器构成的分频器，74LS194移位寄存器，脉冲信号发生器（为各个部分提供脉冲信号）以及各种门电路。
2.3仿真电路
2.3.1倒计时显示器
1）红灯24s倒计时
由74LSl61构成的24进制计数器，七段译码显示器组成。
七段译码显示器最左侧为最高位。左侧显示器为十位，从二至零依次循环递减；右侧为个位，从九至零依次循环递减。
2）绿灯20s倒计时
由两片74LSl92构成的二十进制递减计数器组成。
3）黄灯4s倒计时
由74LSl92构成的四进制递减计数器组成。
2.3.2四分频器件
JK触发器构成的分频器实现四分频，经过JK触发器，将时钟信号的四秒转为74LSl94时钟信号的一个周期，传送给电路的下一部分。
2.3.374LS194移位寄存器
两片74LS194移位寄存器构成一个模12扭环计数器，加上的脉冲信号周期为4秒，24秒共为6个周期，前5个周期绿灯亮20s，后一个周期黄灯亮4s，6个周期红灯亮24s，依次循环实现红绿黄灯的转换。
2.3.4LED灯
交通指示灯由10个灯组成。
D1，D3，D5为主干道交通指示灯，D7，D8为主干道人行指示灯；D2，D4，D6为支干道交通指示灯，D9，D10为为支干道人行指示灯。
D5，D6，D7，D10为绿指示灯，D1，D2，D8，D9为红指示灯，D3，D4为黄指示灯。
当交通指示灯为绿灯或黄灯时，人行指示灯为红灯；当交通指示灯为红灯时，人行指示灯为绿灯。
3仿真结果
注：下面四幅图中，从左侧数起，第一和第二个显示器为红灯倒计时；第三和第四个显示器为绿灯倒计时；第五个显示器为黄灯倒计时。
1）主干道交通灯为红灯，人行灯为绿灯；支干道交通灯为绿灯，支干道人行灯为红灯。红灯倒计时，绿灯和黄灯显示均为零。如图1所示。
2）主干道交通灯为绿灯，人行灯为红灯；支干道交通灯为红灯，支干道人行灯为绿灯。绿灯倒计时，红灯和黄灯显示均为零。如图2所示。
3）主干道交通灯为黄灯，人行灯为红灯；支干道交通灯为红灯，支干道人行灯为绿灯。黄灯倒计时，绿灯和红灯显示均为零。如图3所示。
4）支干道交通灯为黄灯，人行灯为红灯；主干道交通灯为红灯，支干道人行灯为绿灯。如图4所示。
4问题讨论
本电路设计存在如下缺陷：
1）24s倒时显示器本应显示为23-00，此电路显示为29-06。这是由于本电路的倒计时显示是由二十四进制递增计数器通过门电路使其硬性转化为递减计数显示。
改进方法：可以直接使用74LS192十进制BCD递减计数器构成上述电路。
2）24s倒计时显示器，当绿灯和黄灯亮时，无法清零至00，而是一直保持29状态。原因如下：还是由于二十四进制递增计数器直接硬性转化为递减计数器显示导致。设计电路时，二十四进制递增计数器00通过门电路转化为了29，所以29对应状态即为清零状态。
3）绿灯20s倒计时，在清零为00的瞬间会出现20瞬时状态。因为两片74LSl92均实现减法运算，低位的74LS192从9减到0时，借位信号BO会有效，将BO作为高位的74LS192的时钟信号，当低位的74LSl92完成两次完整减法（从9减到0）时，仍会给高位的74LS192一个时钟信号，这是清零信号还未到来，因此会出现20瞬时状态。
黄灯4s倒计时显示仍出现上述情况，清零时出现4过渡状态。
