“数字电路与逻辑设计”课程教学改革与实践

袁占生， 郑文杰， 秦德兴

(集美大学 信息工程学院， 福建 厦门 361021)

“数字电路与逻辑设计”课程教学改革与实践

袁占生， 郑文杰， 秦德兴

(集美大学 信息工程学院， 福建 厦门 361021)

本文介绍了“数字电路与逻辑设计”课程教学改革方法—通过在课堂教学中引入虚拟电子平台NI Multisim12.0。以此实现直观的实践仿真，增强学生对理论理解，既提高学生学习的积极性，又激发了学生对实践环节的兴趣，也提高了教师的教学水平。

教学改革；虚拟电子实验室；3D视图；仿真

0 引言

“数字电路与逻辑设计”课程是我校电类专业的重要基础课程，也是我院一门重要的院级平台课。随着电子信息技术飞速发展，只注重课本、注重理论知识的传统教学模式已不适应现代化教学了。工科电子类专业特点是实践性，强调理论联系实际，注重培养实践能力。所以，必须对教学方法、教学方式进行改革。以下是多年来我们在该课程教学实践中获得的一点经验体会。

1 传统式课程教学法弊端

首先是教材，就我校而言，该课程教材的内容系统性强，理论偏高偏深，但理论联系实际不够，实践性较弱。其次是教学方法，多为理论灌输式，很少在课堂教学中涉及实践环节。针对这些弊端，必须强调理论联系实际，培养实践能力，让学生自己动手，以自己的思维、想法来设计和实践。这促使我们在教材和教法上必须进行一定的改革。

2 改进措施

首先，教材的使用和选择，既要适应数字技术的高速发展，又要保留数字逻辑的经典内容。经过学院领导和有关专家、教师们多次研究和论证，现已选出合适的教材作为学院平台课统一教材。其次，在实践方面，根据学校教务处和学院的要求，在实验课程中加大设计性、综合性实验所占的比例，使学生在完成设计性和综合性实验的过程中大大加强了实践动手能力。最后，教学方法的改革尤为重要。随着教育教学技术手段发展，教师都在积极探索教学方法和教学手段的改革。比如计算机辅助、制作CAI课件等，实现课程教学方式和方法的现代化。我们在该课程实际授课时，引入电子电路仿真软件NI Multisim12.0和Ultiboard12.0软件作为虚拟平台，来加强对每一个实际电路的仿真分析。

3 改进实例

3.1 软件及其应用

电子电路仿真软件NI Multisim12.0是业界公认的一流的SPICE仿真标准环境，它是NI电路教学解决方案的重要基础。数字逻辑电路中很多模块， 都可以通过引入NI Multisim12.0为基础的电子电路虚拟平台，开展课堂实验，达到理论联系实际的效果。

3.2 应用电路仿真分析

“数字电路与逻辑设计”课程教学中，数字逻辑电路的设计和数模混合电路的分析与设计是最难学的。任何数字电路和模块工作时必须要有相应的时钟脉冲信号(CLK信号)，仿真软件可以用虚拟的时钟脉冲源来提供，而在实际设计的硬件电路中，该信号必须由实物产生。下面以脉冲振荡电路设计为例，来说明实物设计和引入NI Multisim12.0仿真设计后对于数字逻辑电路教学的重要性和实用性。

1)电路原理图

图1就是由数字逻辑模块555定时器加外围电路构成的脉冲信号产生电路。

图1 脉冲信号发生器原理电路

应用学过的理论计算公式，产生的脉冲信号其周期为

T=(R1+2R2+RP+RP′)C1

(1)

给定参数计算，振荡周期为100 ms。

图2是示波器XSC1的振荡波形。从波形图可以看出，由两个指针T1、T2中间正好是一个完整的振荡周期，可以读出是100 ms，与理论计算相符。

图2 脉冲信号发生器

2)实物电路图

所谓实物图，就是用各种实际电路元件、模块连接起来的电路图，是电路原理图的实物连接形式。图3是脉冲信号发生器实物电路图，图4是测得的波形图。与图1图2比较，可以看出由原理图计算和实物电路实测得到的都是周期为T=100 ms的脉冲振荡波形。

图3 实物电路图

图4 实物电路实测波形图

但是由图4实物电路实测结果可以看到，周期近似为100 ms，精确的说是103.015 ms，这就是实际与理论的差别。这样的误差基本上对于后续工作没有太大影响，数字逻辑设计上可以忽略。

3)电路3D视图

所谓3D视图，就是在仿真软件提供的面包板上按照安排好的布局进行的电路连接，可以得到和实验室里用面包板实物搭建的电路同样的效果。通过电路 3D视图，学生在课堂上就可以理解怎样用面包板搭建、测试、分析数字逻辑电路与系统，并根据测试结果来设计、改善电路，使整个数字电路和系统更趋于稳定、合理化。接下来可以利用Ultiboard12.0进行电路的PCB制板工作。图5(a)、(b)、(c)分别是软件实现的面包板实物3D图，PCB板图和PCB板元件的3D视图。

通过图5，学生可以清楚地知道，如何对一个数字电路或系统进行器件布局，布局需考虑的因素包含线路的走向及其电路板的制造成本等问题。然后通过3D视图，学生可以很直观地看到自己亲手分析、设计再制板焊接后得到的电路，这使学生自己觉得很有成就感，同时也会大大调动、提高学生学习和动手实践的积极性。

(a)实物电路 (b)板图 (c)3D板图图4 实物电路实测波形图

4 改革后的思考

由本文的介绍可以看到，在“数字电路与逻辑

设计”课程教学上进行改革的必要性和重要性。尤其是加入Multisim系列仿真软件后，学生很容易把理论和实际应用结合起来，使原本枯燥乏味的文字教学变得图文并茂、直观易懂。实物的仿真与设计使学生加深了对于基本理论的理解和掌握，而理论的理解也促进了学生对于电路器件实际运用能力，这对于学生学习可以达到举一反三的目的。当然，教学方式和方法的改革是永无止境的，随着时代的进步，更先进、更合理的教学方式、方法需要教师同行进行更深的探讨和学习。

5 结语

本文所介绍的教学方式、方法改革已经在我院2010级-2015级六个年级“数字电路与逻辑设计”平台课上进行有效地应用，学生和教师反映效果都很好。另外据同行实验教师反映，该教学改革对于该课程实验教学也起到了非常好的促进作用。

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The Teaching Reform and Practice of Digital Circuit and Logic Design Course

YUAN Zhan-sheng, ZHENG Wen-jie,QIN De-xing

(SchoolofInformationEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021，China)

This paper introduces the teaching method of practicing reform for the Digital Circuit and Logic Design course by using virtual electronic platform NI Multisim12.0. By introducing the virtual platform in the teaching, it helps to achieve the practicing simulation and to enhance students′ understanding of the theory. It would not only improve the students′ enthusiasm of learning and stimulate students′ interests in practice ,but also improve the teachers′ level of instruction.

teaching reform; virtual electronic lab; 3D view; simulation

2016-06-25;

2017-02- 03

袁占生(1972-)，男，硕士，讲师，主要从事数字逻辑理论与微电子学理论教学与科研,E-mail：yuanzhansheng@126.com 郑文杰(1982-)，男，硕士，实验师，主要从事数字逻辑设计及EDA实验实践教学。

TP331

A

1008-0686(2017)03-0095-03