问题探究式教学模式在电路仿真中的应用

陈志勇

摘要：本文基于Proteus ISIS工具仿真抢答器电路时出现的功能异常现象，采用探究式教学模式启发学生分析问题并解决问题，达到知识传授和能力培养的目的。

关键词：探究式教学模式；Proteus ISIS；抢答器；仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）44-0056-02

一、引言

在电子产品设计制作相关课程中利用Proteus ISIS进行仿真、分析各种模拟器件和集成电路已经成为教学过程中的必要环节，但部分器件模型功能还不够真实合理，如在本文中介绍的抢答器电路使用的编码器74LS148[1]模型的功能就存在一些问题。针对这样的问题在教学过程中采用探究式教学模式，引导学生思考问题，利用已学的知识分析问题本质，发挥学生的主观能动性提出解决问题的办法，提高学生解决问题的能力，在实际教学中具有一定的意义。

二、发现问题

按照教材要求：设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手参加比赛，各用一个抢答按钮。主持人有一个控制开关，用于控制系统的清零（编码显示数码管灭灯）和抢答的开始。抢答器具有数据锁存和显示的功能，抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在数码管上显示选手的编号。在有选手抢答后，要封锁住输入电路，禁止其他选手抢答，抢答成功的选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。用优先编码器74LS148，RS锁存器74LS279来完成辨别选手锁存编号，在有选手抢答后封锁住输入电路禁止其他选手抢答的功能。图1为参考教材的仿真原理图[2]。

仿真过程中发现两个异常现象：第一个问题现象是，74LS148的1—7数据输入端对应的按键使输入端为“0”（下文如没有特殊说明，“0”指低电平，“1”指高电平）后，能控制数码管显示对应的数字，GS变为“0”，由于4R为“1”，4S为“0”，所以4Q输出“1”，使得74LS148的EI输入“1”，封锁其他端口的输入。仿真主持人的重启动作，将SW2右侧闭合再向左侧闭合完成了一个重启动作，但随后出现了如图2所示的现象：GS、4S、4Q、EI出现了状态不确定（非“0”，非“1”），导致抢答器第一次正常工作后无法实现重启功能，无法再次正常工作；第二个问题现象是，开关SW1左侧闭合时，74LS148的第0数据输入端输入“0”，此时输入有效输出标志位GS本该变为“0”，但此时GS为“1”，其余的第1—7数据输入端输入为“0”时均能引起GS正常变为“0”。

三、探究问题

为什么会出现这样的现象？教材上的案例是错的？采用这些问题作为切入点，刺激学生的好奇心和探究热情。对于第一个现象引导学生回顾能够引起不稳定状态的原因：在数字电路中竞争—冒险现象有可能引起电路不稳定，对于本电路中的RS锁存器，当R、S同时为“0”时也能引起输出Q的不确定。引导学生去复习竞争—冒险的概念和RS锁存器的功能，讨论后学生得出R、S同时为“0”引起状态不稳定的可能性更大。基于此分析，仿真后发现若将SW2右侧闭合时，4R为“0”，4S为“1”，4Q输出“0”，但74LS148输入端EI从“1”变为“0”时GS输出端变为非正常“0”，由于变化时间很短使得4R和4S同时为“0”，从而引起4Q输出不确定的状态，导致EI和GS的电平状态都不确定（可以通过仿真的状态观察到这种现象）最终导致抢答器无法实现重启功能。通过反复验证，得出第一个现象的本质是由于74LS148仿真模型在EI从“1”变为“0”时GS输出端变为非正常“0”引起的。第二个现象基于74LS148的功能分析明顯是由于仿真模型的问题造成的，比较简明。

四、改进电路及仿真

分析清楚原因后，引导学生用所学知识去解决74L148仿真模型问题，由于暂时没有办法得到模型源代码，无法完善仿真模型，只能根据问题现象增加冗余电路来解决问题。针对第一个现象的关键在隔离EI从“1”变为“0”时GS输出端变为非正常“0”信号。经过仿真仪表测量，发现74LS279的仿真模型输入端设置了内部上拉高电平，GS状态不确定时为2V左右的电平信号，因此采用了在74LS148的GS输出端和RS锁存器74LS279的4S输入端串接1个电容C1，如图3所示。根据电容器隔直通交的特性可将GS输出2V左右的电平信号与4S隔离，而74LS279的仿真模型输入端设置了内部上拉高电平，因此可以使4S状态确定为“1”，这种不确定状态在加了电容后得到有效隔离；而当GS信号真正生效，即GS由“1”跳变为“0”时，4S端出现有效的“0”信号，但是电容的选择很重要，经过测试应该选择1nF电容。最后经过测量，在GS和4S间再串连一个反向器如图4所示，使得工作更稳定。针对第二个现象可以将74LS148的0输入端和74LS279的4S连接，最终改进的仿真图如图5所示。改进后测试抢答器仿真电路，其工作正常稳定。

五、结语

在ISIS仿真中采用探究式教学模式，以问题为导向——仿真模型错误；注重学生的前认识—竞争—冒险，RS锁存器功能；以问题解决为中心——使用仿真测量工具，利用电容通直隔交的特性切断不稳定状态的传递路径，并对改进后的电路加以验证。本文通过教学过程中发现的仿真模型问题探究了如何在教学过程中实现探究式教学，在教学过程中以教为辅，以学为主，培养了学生的探究能力和思维能力。

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]叶钢，李三波，张莉.小型智能电子产品开发案例教程[M].北京：科学出版社，2013.endprint