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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇邏輯電路的設(shè)計，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
中圖分類號： TP331.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
1 組合邏輯電路的分析
組合邏輯電路的分析過程如下：
(1)由給定的邏輯電路圖，寫出輸出端的邏輯表達(dá)式；
(2)列出真值表；
(3)從真值炭概括出邏輯功能；
(4)對原電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，尋找最佳方案。
舉例說明分析過程如下：
已知邏輯電路如圖1所示，分析其功能。
解：第一步：寫出邏輯表達(dá)式。由前級到后級寫出各個門的輸出函數(shù)
第二步：如出真值表，如表2所示。
第三步；邏輯功能描述。真值表已經(jīng)全面地反映了該電路的邏輯功能。下面用文字描
述其功能。達(dá)一步對初學(xué)者有一定的困難，但通過多練習(xí)，多接觸邏輯學(xué)問題，也不難
掌握。
由真值表可以看出，在輸入三變量中，只要有兩個以上變量為1，則輸出為1，故該電路可概括為：三變量多數(shù)表決器。
第四步；檢驗該電路設(shè)計是否最簡，并改進(jìn)。
畫出卡諾圖，化簡結(jié)果與原電路一致，說明原設(shè)計合理，無改進(jìn)的必要。
（圖1） （圖2）
2組合邏輯電路的設(shè)計
電路設(shè)計的任務(wù)就是根據(jù)功能設(shè)計電路。一般按如下步驟進(jìn)行：
(1)將文字描述的邏輯命題變換為真值表，這是十分重要的一步。作出真值表前要仔
細(xì)分析解決邏輯問題的條件，作出輸入、輸出變量的邏輯規(guī)定，然后列出真值表。
(2)進(jìn)行函數(shù)化簡，化簡形式應(yīng)依據(jù)選擇什么門而定。
(3)根據(jù)化簡結(jié)果和選定的門電路，畫出邏輯電路。
（例2）設(shè)計三變量表決器，其中A具有否決權(quán)。
解第一步：列出真值表。
設(shè)A、B、C分別代表參加表決的邏輯變量，F(xiàn)為表決結(jié)果。對于變量我們作如下規(guī)
定：A、B、C為1表示贊成，為0表示反對。F＝1表示通過，F(xiàn)＝0表示被否決。真值表如
圖3所示。
第二步：函數(shù)化簡。
我們選用與非門來實現(xiàn)。畫出卡諾圖，其化簡過程如圖4所示，邏輯電路如圖5所示。
（圖3）
（圖4）（圖5）
參考文獻(xiàn)：
1、羅朝杰．?dāng)?shù)字邏輯設(shè)計基礎(chǔ)．北京：人民郵電出版社，1982．
2、(美)納爾遜(Neslon，V．P．)，等．?dāng)?shù)字邏輯電路分析與設(shè)計．英文影印本．
華大學(xué)出版社，1997．
3、王毓銀．脈沖與數(shù)字電路．3版．北京：高等教育出版社，1999．
關(guān)鍵詞：最簡化；約束條件；組合邏輯電路設(shè)計；編碼器；奎恩-麥克拉斯基法
中圖分類號：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1004-373X(2008)06-006-02
A New Method about Combinational Circuit Synthesis
ZUOQuansheng
(Changzhou Institute of Technology，Changzhou，213002，China)
Abstract：Minimization is an important step in both ASIC design and in PLD-based design.It is highly desirable to find the simplest implementation that is the one with the smallest number of gates or wires.A large number of constraint terms are dealt with in both ASIC design and in PLD-based design，but the terms whose value is 1 or 0 is limited. A new method about combinational-circuit synthesis is proposed.This method can′t deal with these constraint terms.It can only deal with those terms whose value is 1 or 0.So the steps of synthesis is simplied.It is specialized utilized in those combinational circuit synthesis which has a large number of constraint terms.Two actual examples are proposed to give evidence that according to this method we can minimize the steps of synthesis.
Keywords：minimization；constraint condition；combinational circuit synthesis；encoder；Quine-McClusky algorithm
組合邏輯電路設(shè)計的最簡化無論在ASIC設(shè)計和PLD設(shè)計中都很重要。因為組合邏輯電路中多余的門和輸入端需要ASIC芯片的更多面積，因而也增加了他的成本；PLD的門電路是固定的，組合邏輯電路中有多余的門和輸入端就需要容量更大、速度更慢、價格更高的PLD。因為用一般的邏輯表達(dá)式實現(xiàn)的組合邏輯電路的規(guī)模隨輸入變量的數(shù)目增加而成指數(shù)級增加，所以直接用一般的邏輯表達(dá)式實現(xiàn)邏輯電路是不經(jīng)濟(jì)的?，F(xiàn)在組合邏輯電路設(shè)計有很多種方法，但這些方法對那些有大量約束項的組合邏輯電路設(shè)計不是最好的。工程上常見的組合邏輯電路常有很多輸入變量，對多輸入變量的組合邏輯電路設(shè)計，文獻(xiàn)\[1\]和文獻(xiàn)\[2\]介紹的公式法和卡諾圖法都不適用。這些組合邏輯電路常有很多約束條件，使用文獻(xiàn)\[1\]介紹的奎恩-麥克拉斯基法步驟很多。例如3位二進(jìn)制(8線-3線)編碼器有8個輸入變量I7I6I5I4I3I2I1I0，3個輸出變量Y2Y1Y0。8個輸入變量I7I6I5I4I3I2I1I0е揮8種允許的組合，即00000001，00000010，00000100，00001000，00010000，00100000，01000000，10000000。另外248種組合是不允許出現(xiàn)的約束項。任何一個輸出變量實際上只有4種組合為1，4種組合為0。又如并行比較型模/數(shù)變換器ADC0881芯片中有255個時鐘鎖存器(可用C255C254…C2C1П硎)。這255個變量的組合數(shù)量是很大的，但他的編碼器的輸出是8位二進(jìn)制數(shù)(用D7D6D5D4D3D2D1D0П硎)，也就是說這255個變量只有256種組合是允許出現(xiàn)的，其他大量的組合是不允許出現(xiàn)的約束項。編碼器的每位輸出變量實際上只有128種組合為1，128種組合為0。傳統(tǒng)的公式法和卡諾圖法等組合邏輯電路設(shè)計方法主要是通過對為1的組合和約束項進(jìn)行處理，對為0的組合基本不處理。對于多輸入變量的組合邏輯電路設(shè)計而言，大量的約束項大大地增加了設(shè)計的復(fù)雜度。通過研究發(fā)現(xiàn)：利用這些有限的1和0就能設(shè)計組合邏輯電路，很多約束條件在設(shè)計時可以不用處理，這就可以大大簡化邏輯電路的分析和設(shè)計。
1 新方法的基本思想
引理1 比較輸出變量為1的組合與某個輸出變量為0的組合，找出其中不同的變量及其組合，例如輸出變量為1的組合有q=q1q2…Qt，而某個輸出變量為0的組合沒有q=q1q2…Qt，則q=q1q2…Qt是該輸出變量為1的組合的一個因子。
因為q=q1q2…Qt在輸出變量為1的組合中出現(xiàn)，在某個輸出變量為0的組合沒有出現(xiàn)，但不知道在其他輸出變量為0的組合會不會出現(xiàn)，所以q=q1q2…Qt可以表示這個輸出變量的一部分，但不能表示這個輸出變量的全部。
引理2 設(shè)Q=Q1Q2…QT是輸出變量為1的組合出現(xiàn)，而所有輸出變量為0的組合均不出現(xiàn)，則該輸出變量為1的組合可以用Q=Q1Q2…QT表示。
因為Q=Q1Q2…QT在所有輸出變量為0的組合均不出現(xiàn)，這說明含Q=Q1Q2…QT的所有項要么是1，要么是約束項，因而該輸出變量為1的組合可以用Q=Q1Q2…QT表示。
引理3 輸出變量為1的某個組合的所有因子的與可以表示該輸出變量為1的組合。
與邏輯表示只有在決定事物結(jié)果的全部條件具備時，結(jié)果才發(fā)生的因果關(guān)系。輸出變量為1的某個組合的所有因子的與表示輸出變量為1的這個組合出現(xiàn)、所有輸出變量為0的組合均不出現(xiàn)，因而可以表示輸出變量為1的這個組合。
引理4 一個輸出變量所有為1的組合的或可以表示該輸出變量。
2 新方法舉例
例1：研究3位二進(jìn)制(8線-3線)編碼器，他的8個輸入變量I7I6I5I4I3I2I1I0允許8種組合，發(fā)現(xiàn)每種組合只有一個變量為1，其余變量為零；2個或2個以上的變量為1的組合都是不允許出現(xiàn)的。輸出變量Y2Y1Y0У拿懇晃歡加4個組合為1、4個組合為0，其他都是約束項(見表1)。
Y2的第5種組合為1，這種組合有而他為0的第1種組合沒有的因子是I4，I0，I0I4；這種組合有而他為0的第2種組合沒有的因子是I4，I1，I1I4；這種組合有而他為0的第3種組合沒有的因子是I4，I2，I2I4；這種組合有而他為0的第4種組合沒有的因子是I4，I3，I3I4；輸出變量為1的這個組合所有因子的與是I4，I0I1I2I3。取其最簡單的表達(dá)式，即Y2的第5種組合可以表示為I4。同理可得：Y2的第6種組合可以表示為I5；Y2的第7種組合可以表示為I6；Y2的第8種組合可以表示為I7。最后可得：Y2=I4+I5+I6+I7；
同理可得：Y0=I1+I3+I5+I7；Y1=I2+I3+I6+I7。
例2：3位二進(jìn)制數(shù)碼輸出的并行比較型模/數(shù)變換器的代碼轉(zhuǎn)換如表2所示：
D2的第5種組合為1，這種組合有而他為0的第1種組合沒有的因子是C4，C3，C2，C1；這種組合有而他為0的第2種組合沒有的因子是C4，C3，C2；這種組合有而他為0的第3種組合沒有的因子是C4，C3；這種組合有而他為0的第4種組合沒有的因子是C4。
D2的這種種組合為1的所有因子的與的最簡單表達(dá)式是C4，即D2的第5種組合可以表示為C4；同理，D2的第6種組合為1的所有因子的與的最簡單表達(dá)式是C4，C5，即D2的第6種組合可以表示為C4或C5；D2的第7種組合為1的所有因子的與的最簡單表達(dá)式是C4，C5，C6，即D2的第7種組合可以表示為C4或C5，C6；D2的第8種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C4，C5，C6，C7，即D2的第8種組合可以表示為C4或C5，C6，C7。最后得D2的最簡表達(dá)式是：D2=C4。
D1的第3種組合為1，這種組合有而他為0的第1種組合沒有的因子是C2，C1；這種組合有而他為0的第2種組合沒有的因子是C2；這種組合有而他為0的第5種組合沒有的因子是C4，C3；這種組合有而他為0的第6種組合沒有的因子是C5，C4，C3。
D1的這種種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C2C4或C2C3；同理，D1的第4種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C1C4或C2C4；D1的第7種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C6；D1的第8種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C6或C7。
最后可得D1的最簡表達(dá)式是：C6+C2C4。D0的第2種組合為1，這種組合有而他為0的第1種組合沒有的因子是C1；這種組合有而他為0的第3種組合沒有的因子是C2；這種組合有而他為0的第5種組合沒有的因子是C4，C3，C2；這種組合有而他為0的第7種組合沒有的因子是C6，C5，C4，C3，C2。D0的這種種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C1C2。同理，D0的第4種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C3C4；D0的第6種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C5C6；D0的第8種組合為1的所有因子的與的最簡單的表達(dá)式是C7。最后可得D0的最簡表達(dá)式是：C7+C5C6+C3C4+C1C2。
3 結(jié) 語
類似的例子可以舉很多，通過上述例子分析可知，利用本文介紹的方法，這些約束條件許多可以不加處理，這可以大大簡化邏輯電路的分析和設(shè)計。
參考文獻(xiàn)
[1]Brian H，Clive W.Digital Logic Design\[M\].北京：人民郵電出版社，2006.
[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)\[M\].北京：高等教育出版社，2005.
關(guān)鍵詞：組合邏輯電路；Multisim；仿真
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.02.257
0 引言
組合邏輯電路是指在任一個時刻，輸出的狀態(tài)只取決于同一個時刻各輸入狀態(tài)的組合，而與電路之前的狀態(tài)無關(guān)。組合邏輯電路的分析和設(shè)計是數(shù)字電路中一個重要的組成部分[1][2] ?！皵?shù)字電路與邏輯設(shè)計”是電子類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時又是一門實踐性很強(qiáng)的課程。隨著電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，新器件、新電路不斷地涌現(xiàn)，現(xiàn)有實驗室的條件已經(jīng)無法滿足各種電路的設(shè)計和調(diào)試的要求，這在一定程度上影響了電路相關(guān)實驗教學(xué)的效果，而且影響了高校對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此時，在實驗教學(xué)中引入具有強(qiáng)大分析、仿真電路功能的電路仿真設(shè)計軟件Multisim，可以較好地解決這一問題。
在數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗中引入該仿真設(shè)計軟件，結(jié)合傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，就可以增開大量設(shè)計性和綜合性實驗，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力[3]。本文將以一個組合邏輯電路為例，對其進(jìn)行理論分析和仿真實驗分析，從而得出Multisim在組合邏輯電路分析實驗教學(xué)中的重要作用。
1 組合邏輯電路理論分析
組合邏輯電路分析的任務(wù)是在給定邏輯電路的基礎(chǔ)上，通過分析、歸納，確定其邏輯功能[4]。它一般分為5個步驟：組合邏輯電路；邏輯表達(dá)式；最簡表達(dá)式（經(jīng)化簡變換得到）；真值表；邏輯功能。
現(xiàn)有一組合邏輯電路，如圖1所示，以此為例，來進(jìn)行分析。
根據(jù)邏輯圖可以逐級寫出邏輯表達(dá)式：
通過化簡與變換，是表達(dá)式變換成與-或表達(dá)式：
由表達(dá)式列出真值表（如表1）：
分析邏輯功能：
由真值表可知，當(dāng)A、B、C三個變量不一致時，電路輸出為1；當(dāng)A、B、C相同時，即同為0，或同為1時，電路輸出為0。所以這個電路稱為不一致電路。
2 應(yīng)用Multisim進(jìn)行組合邏輯電路分析
2.1 創(chuàng)建仿真電路
根據(jù)圖1所示的邏輯電路圖，在Multisim 12.0中創(chuàng)建仿真電路。待仿真電路如圖2所示，對邏輯電路進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，其中，三個開關(guān)分別接VCC（表示輸入為1）和接地（表示輸入為0），萬用表用來測量輸出電壓，燈泡的亮和滅表示輸出為邏輯“1”或邏輯“0”。為了便于分析，我們還加入了邏輯變換器，它可以將邏輯電路轉(zhuǎn)換成真值表和邏輯表達(dá)式，也可以將真值表轉(zhuǎn)換成邏輯表達(dá)式和邏輯電路。
由邏輯變換器得到的真值表如圖3所示，與表1比較后可以發(fā)現(xiàn)，由邏輯電路圖分析得到的真值表和由邏輯變換器得到的真值表是一致的。
2.2 仿真分析
在仿真電路的基礎(chǔ)上，我們可以運行仿真。分別改變?nèi)齻€開關(guān)的狀態(tài)，即改變輸入變量A、B、C，從000到111，依次測試輸出電壓的高低電平，以及燈泡的亮和滅，如表2所示。其中，輸出電壓5V表示輸出為高電平，輸出電壓0V表示輸出為低電平。根據(jù)輸出結(jié)果，可以看出，仿真結(jié)果與前面得到的真值表的結(jié)果是相符的。
3 結(jié)束語
以文中所給的不一致電路為例，分別進(jìn)行了傳統(tǒng)的組合邏輯電路理論分析以及應(yīng)用Multisim對組合邏輯電路進(jìn)行仿真實驗分析，對兩者進(jìn)行了比較，根據(jù)實驗測試所得到的實驗結(jié)果對理論分析進(jìn)行了驗證，并證明了兩者是一致的?？傊肕ultisim軟件對組合邏輯電路進(jìn)行仿真實驗，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能極大地提高教師的教學(xué)水平。在實際的教學(xué)過程中，充分利用Multisim仿真的橋梁作用，可以將理論教學(xué)、 仿真和實驗教學(xué)三位一體，有效地結(jié)合起來，充分地發(fā)揮作用，培養(yǎng)出更多創(chuàng)新型的人才。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】組合邏輯電路；電路設(shè)計；解決方法
隨著數(shù)字電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電路已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)字通信、自動控制、數(shù)字計算機(jī)、數(shù)字測量等各個領(lǐng)域，并已深入我們的日常生活中。數(shù)字電路又稱邏輯電路，可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩種。它們的區(qū)別在于時序邏輯電路有存儲單元，具有記憶功能。而組合邏輯電路沒有，它只由常用門電路組合而成，即沒有從輸出到輸入的反饋連接，它的輸出僅決定于該時刻的輸入狀態(tài)。在對組合邏輯電路原理進(jìn)行設(shè)計時，可采用以下方法步驟：（1）分析設(shè)計要求，理清輸入與輸出的端口數(shù)和相互關(guān)系；（2）根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)定變量并進(jìn)行狀態(tài)賦值，再列出相應(yīng)的真值表；（3）由真值表寫出邏輯電路的輸出表達(dá)式；（4）利用卡諾圖或邏輯公式將輸出表達(dá)式進(jìn)行化簡；（5）根據(jù)最簡表達(dá)式畫出相應(yīng)邏輯電路圖。按照上述方法步驟，組合邏輯電路原理設(shè)計就完成了，但實際設(shè)計工作除此之外，還包括電路器件的選擇，安裝和調(diào)試等過程。而往往就是在這些環(huán)節(jié)中容易遇到問題，現(xiàn)將常遇問題及解決方法歸納如下：
1.接口電路的電平轉(zhuǎn)換
在設(shè)計組合邏輯電路時，常常由于速度、功耗和帶負(fù)載能力等問題需要將TTL門電路和CMOS門電路混合使用。這兩種門電路的電源電壓、參數(shù)指標(biāo)等均有所不同，因此不能直接連接，而需要借助于接口電路。接口電路是指不同類型邏輯門電路之間或邏輯門電路與外部電路之間有效連接的中間電路。接口電路的設(shè)計主要分以下兩種情況：第一，用TTL門電路驅(qū)動CMOS門電路。TTL門電路的電源電壓為+5V，而CMOS的電源電壓范圍是3～18V，因此需要將TTL輸出的高電平值升高來驅(qū)動CMOS門電路。方法是利用TTL門電路中的OC門做接口，適當(dāng)選取OC門的外接電源和電阻來滿足CMOS門電路對電源電壓的要求。由OC門的功能分析可知，OC門輸出的低電平約等于0.3V，高電平約等于UCC。所以，改變電源電壓可以方便地改變其輸出高電平。圖1第二，用CMOS門電路驅(qū)動TTL門電路。方法是應(yīng)用六反相緩沖器等專用接口器件直接驅(qū)動TTL負(fù)載電路，如圖1所示。這類專用接口器件使用電源為+5V電源，與TTL負(fù)載電路一致，輸入端允許超過電源電壓，可與CMOS門電路電源相配合使用。
2.扇入問題
扇入問題是指門電路輸入端口與實際電路輸入端口的關(guān)系，一般分以下兩種情況：（1）門電路多余輸入端的處理設(shè)計電路時，需要用到的集成門電路的輸入端多于實際電路需要的輸入端數(shù)時，就需要將多余的輸入端進(jìn)行處理。在保證輸入正確邏輯電平的條件下，可將多余的輸入端接高電平或低電平。如果是與門或與非門，應(yīng)將多余的輸入端接高電平；如果是或門或或非門，應(yīng)將多余的輸入端接地或接低電平。為防止干擾，多余的輸入端一般不能懸空。接高、低電平的方法可通過限流電阻接正電源或地，也可直接和地相連接，如圖2所示。但要注意輸入端所接的電阻不能過大，否則將改變輸入邏輯狀態(tài)。（2）門電路輸入端少于實際電路需要輸入端的處理當(dāng)用到的集成門電路的輸入端少于實際電路需要的輸入端數(shù)時，可采用分組的方法進(jìn)行解決。例如，實際電路需要與非門輸入端口為A、B、C、D共4個，但集成門電路是2輸入端與非門，可按以下分組連接解決，輸出Y=，如圖3所示。
3.扇出問題
邏輯電路的扇出問題，主要是指它的帶負(fù)載能力，即在設(shè)計電路時，可能存在一個門電路的輸出端所帶的負(fù)載門太多，超出了它的帶負(fù)載能力。門電路的帶負(fù)載能力主要通過扇出系數(shù)N來說明，它代表電路能驅(qū)動同類型門電路的最大個數(shù)。當(dāng)輸出高電平、帶拉電流負(fù)載時：如果NH≠NL，則把較小的個數(shù)定義為扇出系數(shù)。在設(shè)計電路時，可采用扇出系數(shù)大的門電路作為輸出門。在設(shè)計組合邏輯電路時，除了以上所分析的問題外，還有一些細(xì)節(jié)需要注意的。如：用中規(guī)模集成電路實現(xiàn)組合函數(shù)會使電路連接簡單很多；對邏輯表達(dá)式的變換與化簡，是盡可能使其與給定的組合邏輯器件的形式一致，而不是單純簡化；設(shè)計時應(yīng)考慮合理充分地應(yīng)用組合器件的功能，應(yīng)盡量選用結(jié)構(gòu)原理比較簡單的，但數(shù)量又少的器件來滿足設(shè)計要求。綜上所述，要成功設(shè)計出一個組合邏輯電路不容易，要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單、功能完整、參數(shù)合理的組合邏輯電路就更難，這需要設(shè)計者不斷地去嘗試、安裝和調(diào)試，從設(shè)計的過程去積累經(jīng)驗。
參考文獻(xiàn)
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[2]秀.電工電子學(xué)[M].高等教育出版社,2014,07.
【關(guān)鍵詞】數(shù)字邏輯；下標(biāo)計算法；趨勢分析法；Proteus軟件
《數(shù)字邏輯》是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以及電氣、電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹數(shù)字邏輯電路的分析和設(shè)計的方法[1]，是微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理等專業(yè)課程的先導(dǎo)課程。該課程對學(xué)生要求起點較低，不需要過高的前序知識，但實踐性較強(qiáng)，內(nèi)容分散，不容易記憶。學(xué)生一開始接觸的是基本概念、原理方法、數(shù)字邏輯運算等，內(nèi)容抽象，與實際的邏輯電路聯(lián)系不多，導(dǎo)致學(xué)生一開始就對這門課不感興趣[2]。而在課程后半段講解“中規(guī)模通用集成電路”時，單純依靠板書或PPT，無法讓學(xué)生對各種數(shù)字邏輯電路的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行深入了解和分析，更加無法培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計數(shù)字邏輯電路的能力。在這種情況下，教師如何在有限的時間內(nèi)，精心設(shè)計教學(xué)方案，改革教學(xué)方法和教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量，是一個值得認(rèn)真研究和深入討論的問題[3]。下面將分別從教學(xué)方法和教學(xué)手段方面探討如何改進(jìn)數(shù)字邏輯課程的教學(xué)，從而降低課程講解難度，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和效果，最終提升教學(xué)質(zhì)量[4]。
1 教學(xué)方法改進(jìn)
在涉及數(shù)字邏輯課程前面一部分內(nèi)容，包括邏輯代數(shù)、組合邏輯電路和時序邏輯電路等章節(jié)的教學(xué)時，采用好的技巧或方法往往能使運算或分析更易懂、更方便且更不容易出錯。下面針對數(shù)字邏輯課程中“邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換”內(nèi)容提出“下標(biāo)計算法”，針對“同步時序邏輯電路設(shè)計”的原始狀態(tài)圖構(gòu)建環(huán)節(jié)提出“趨勢分析法”，在避免教學(xué)過程中對教材內(nèi)容原樣照搬的同時，更加簡化計算和降低分析難度，更大程度上避免錯誤的發(fā)生。
1.1 下標(biāo)計算法
將一個任意邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)與-或表達(dá)式是數(shù)字邏輯課程中的基礎(chǔ)，包括卡諾圖化簡邏輯函數(shù)、二進(jìn)制譯碼器或多路選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)等內(nèi)容中均會用到。教材中主要采用的是代數(shù)轉(zhuǎn)換法，分兩步進(jìn)行：
這種轉(zhuǎn)換方法第一步不可或缺，但是第二步擴(kuò)展最小項時會使邏輯函數(shù)變得更加復(fù)雜，運算過程中更加容易出錯。針對這種缺陷，為簡化計算和減少錯誤，在第二步運算過程中采用“下標(biāo)計算法”。這種方法是把第一步得出的一般與-或表達(dá)式中的每個非最小項的與項通過表格的形式單列出來，然后計算出每個與項的全部最小項下標(biāo)，并且找出所有出現(xiàn)且不重復(fù)的下標(biāo)值，最后直接得出標(biāo)準(zhǔn)與-或表達(dá)式的簡寫形式。
第二步：采用“下標(biāo)計算法”得出標(biāo)準(zhǔn)與-或表達(dá)式，運算過程如表1所示。
從表1中可找到出現(xiàn)的全部不重復(fù)下標(biāo)分別是0、1、3、6、7，因而可直接得出標(biāo)準(zhǔn)與-或表達(dá)式的簡寫形式為
1.2 趨勢分析法
在完全確定同步時序邏輯電路的設(shè)計過程中，形成正確的原始狀態(tài)圖是設(shè)計的第一步也是最關(guān)鍵的一步，否則設(shè)計出來的電路必然是錯誤的。而在同步計數(shù)器、序列檢測器和代碼檢測器這三種同步時序邏輯電路的設(shè)計中，序列檢測器的原始狀態(tài)圖的建立又是其中的重點和難點。教材中所采用的方法可行但是難以理解，學(xué)生在設(shè)計類似電路時很容易出錯。針對這個問題，采用“趨勢分析法”能夠較好的解決。所謂“趨勢分析法”，就是根據(jù)每個狀態(tài)的存儲功能和輸入序列的變化趨勢，分析現(xiàn)態(tài)在下一個輸入信號出現(xiàn)時應(yīng)該指向哪一個次態(tài)，這樣逐步分析下去，最后得出正確的原始狀態(tài)圖的方法。下面以“0101”序列檢測器為例來說明用“趨勢分析法”建立原始狀態(tài)圖的過程。
例如，作出“0101”序列檢測器的Mealy型狀態(tài)圖，典型輸入/輸出序列如下：
輸入x 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1
輸出Z 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0
首先分析需要使用的狀態(tài)數(shù)目。按照一位輸入的序列檢測器的一般狀態(tài)數(shù)規(guī)律，如果需要檢測的序列有n位，則狀態(tài)數(shù)需要n+1個。這是因為其中第一個狀態(tài)為初態(tài)，其他n個狀態(tài)用于存儲n位序列的變化過程。此處待檢測序列是“0101”共四位數(shù)，故而需要五個狀態(tài)。其中A狀態(tài)為初始狀態(tài)，B狀態(tài)用于存儲輸入信號“0”，C狀態(tài)用于存儲輸入信號“01”，D狀態(tài)用于存儲輸入信號“010”，E狀態(tài)用于存儲輸入信號“0101”（即待測序列）。
接下來采用“趨勢分析法”作出Mealy型原始狀態(tài)圖，分析過程如圖1所示。
“趨勢分析法”分析過程說明如下：
（1）從初態(tài)A開始，當(dāng)x=0時，狀態(tài)從A到B，因為狀態(tài)B存信號“0”，輸出Z=0；當(dāng)x=1時，狀態(tài)從A到A保持不變，輸出Z=0。
（2）此時處于狀態(tài)B。當(dāng)x=0時，狀態(tài)從B到B，輸出Z=0；當(dāng)x=1時，狀態(tài)從B到C，因為狀態(tài)C存信號“01”，輸出Z=0。
（3）此時處于狀態(tài)C。當(dāng)x=0時，狀態(tài)從C到D，因為狀態(tài)D存信號“010”，輸出Z=0；當(dāng)x=1時，狀態(tài)從C到A，因為信號“011”不能構(gòu)成“0101”序列的任何一部分，所以只能回到初態(tài)A，輸出Z=0。
（4）此時處于狀態(tài)D。當(dāng)x=0時，狀態(tài)從D到B，因為狀態(tài)B存信號“0”，輸出Z=0；當(dāng)x=1時，狀態(tài)從D到E，因為已經(jīng)構(gòu)成“0101”序列，并且輸出Z=1（只有檢測到待測序列時輸出Z=1，否則Z=0）。
（5）此時處于狀態(tài)E。當(dāng)x=0時，狀態(tài)從E到D，因為狀態(tài)D存信號“010”，輸出Z=0；當(dāng)x=1時，狀態(tài)從E到A，因為信號“011”不能構(gòu)成“0101”序列的任何一部分，輸出Z=0。注意“當(dāng)x=0時，狀態(tài)從E到D”是學(xué)生分析時最容易出錯的地方，錯誤原因在于認(rèn)為“狀態(tài)應(yīng)該是從E到B”，這是沒有考慮到當(dāng)輸入信號“0101……”重復(fù)出現(xiàn)時，前一個“0101”序列的后半段能夠作為下一個“0101”序列的前半段這種情況。
2 教學(xué)手段改進(jìn)
為了增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字電路的感性認(rèn)識，加深學(xué)生對數(shù)字邏輯分析方法的理解，掌握常用集成器件的基本使用方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[6]，避免枯燥的集成芯片和數(shù)字邏輯電路功能講解。將Proteus軟件引入數(shù)字邏輯課程教學(xué)，可增強(qiáng)教學(xué)的生動性和直觀性[7]。Proteus 軟件具有多種元件庫，其中的元器件大多均可直接用于實際電路的搭建，而且該軟件提供了多種與實際儀器儀表用法相似的虛擬儀器設(shè)備，還有各種信號源，幾乎可以完成各類數(shù)字邏輯電路的設(shè)計、測試和輔助分析工作[8]。
在講解通用中規(guī)模時序邏輯電路章節(jié)的集成計數(shù)器相關(guān)內(nèi)容時，用同步計數(shù)器構(gòu)建任意進(jìn)制計數(shù)器有多種方法，電路比較靈活，既可以利用計數(shù)器的清除端，也可以用預(yù)置功能。此時可利用Proteus仿真演示動態(tài)過程，節(jié)約大量的教師口頭講述時間，這樣更具感染力和說服力，學(xué)生也更容易理解接受[9]。
例如，4位二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器74193構(gòu)成模10加法計數(shù)器和模12減法計數(shù)器，要求用Proteus軟件實現(xiàn)。其仿真結(jié)果如圖2所示。
圖中電路分成上下兩個部分，上半部分電路是模10加法計數(shù)器，下半部分電路是模12減法計數(shù)器。兩個計數(shù)器電路相同之處是均由信號發(fā)生器（發(fā)出頻率為1Hz，電壓為0-+5V的方波信號）、同步可逆計數(shù)器74193、七段顯示譯碼器7448和七段共陰極數(shù)碼管構(gòu)成。不同之處在于加法計數(shù)器采用累加計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器輸出由1001變成1010時，與門輸出為1，該信號接至清除端MR，使計數(shù)器狀態(tài)變成0000，因而其計數(shù)范圍是0000-1001，從而構(gòu)成模10加法計數(shù)器。而減法計數(shù)器采用累減計數(shù)，初始設(shè)置端平時為1，電路開始工作時置入初態(tài)1111，然后開始減1計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器輸出由0100變?yōu)?011時，或門輸出由1變?yōu)?，該信號送至預(yù)置端PL，使計數(shù)器立即置入1111，因而其計數(shù)范圍是1111-0100，從而構(gòu)成模12減法計數(shù)器。
3 結(jié)語
通過“下標(biāo)計算法”能夠讓學(xué)生在進(jìn)行邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換時更加簡便快速、少犯錯誤。通過“趨勢分析法”能夠讓學(xué)生在同步時序邏輯電路的設(shè)計過程中，走好關(guān)鍵的第一步，形成正確的原始狀態(tài)圖。通過Proteus軟件仿真，能夠讓原本枯燥乏味的數(shù)字邏輯電路講解變得更加形象、生動和直觀。在教學(xué)過程中需要不斷地研究和嘗試新的教學(xué)方法和教學(xué)手段，以提高數(shù)字邏輯課程的教學(xué)效果，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程以及為解決工程實踐中所遇到的數(shù)字系統(tǒng)問題打下堅實的基礎(chǔ)。
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摘要：本文分析了現(xiàn)有數(shù)字電子技術(shù)理論教材和實驗教材的內(nèi)容和不足之處，深入分析了該如何選擇電子技術(shù)的理論和實驗教材，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生能力為重點，加強(qiáng)該課程的實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生實踐與理論結(jié)合，滿足現(xiàn)代社會需要。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；現(xiàn)狀；選擇
中圖分類號：TN79文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-026X（2012）04-0000-02
一、 引言
數(shù)字電子技術(shù)課程是電氣工程、機(jī)電工程和信息工程等諸多專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其對個專業(yè)的專業(yè)課程起著尤為重要的作用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和知識的積累，在目前的高等教育中出現(xiàn)了兩個問題，其一是課程數(shù)目的大幅增加導(dǎo)致每門課的平均課時數(shù)較大減少的問題；其二是平均課時數(shù)減少而課本內(nèi)容增多的問題。比如過去本科四年需要學(xué)習(xí)的課程在35門以下，而現(xiàn)在增加到了45門以上；過去一門課的課時數(shù)為72學(xué)時，而現(xiàn)在只能減少為54學(xué)時。但是學(xué)生學(xué)習(xí)的課本不僅沒有變薄，反而增加了學(xué)習(xí)內(nèi)容和信息量，其最終的結(jié)果導(dǎo)致老師覺得課程難于教學(xué)，學(xué)生覺得課程難于學(xué)習(xí)，教學(xué)效果大不如以前。數(shù)字電路這門課程同樣存在這樣的問題，而解決該問題的有效措施是選擇合適學(xué)時、合適教學(xué)的教材。
目前的數(shù)字電子技術(shù)教材主要有理論和實驗教材兩種。其中理論教材在內(nèi)容上存在的問題是理論知識過于強(qiáng)調(diào)知識的理論性，缺少與實際應(yīng)用的舉例和論證，這樣很難培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能；而實踐教材存在的不足是沒有與理論教材配套，導(dǎo)致實踐教學(xué)很難與理論教材有效地結(jié)合起來。針對以上問題選擇更有利于教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生能力的理論教材和實驗教材顯得至關(guān)重要。
二、數(shù)字電子技術(shù)教材的現(xiàn)狀分析
（1） 現(xiàn)有的理論教材內(nèi)容分析和不足
在目前的各高校中，重點高校一般是選擇自己編寫的理論教材，但是其他大部分一般高校選擇國家級規(guī)劃教材或者名校編著的教材。數(shù)字電子技術(shù)理論教材很多，很難一一細(xì)細(xì)分析比較，但總的來說，其內(nèi)容上大致一樣。現(xiàn)根據(jù)大部分?jǐn)?shù)字電子技術(shù)教材分析該課程的內(nèi)容和不足。
從內(nèi)容上分析現(xiàn)有的數(shù)字電子技術(shù)教材，其一般包括邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、觸發(fā)器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、半導(dǎo)體存儲器、數(shù)-模與模-數(shù)轉(zhuǎn)換、脈沖波形的產(chǎn)生與整形、可編程邏輯器件、硬件描述語言等。其中邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路、觸發(fā)器、組合邏輯電路、時序邏輯電路是該課程的重點與基礎(chǔ)。下面對以上基礎(chǔ)重點部分詳細(xì)分析其內(nèi)容和不足之處。
針對該課程的第一部分――邏輯代數(shù)基礎(chǔ)，其主要講述了各種進(jìn)制與進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換、各種編碼、邏輯代數(shù)運算、基本公式、基本定理、邏輯函數(shù)化簡方法及其表示方法等。在現(xiàn)代的教育中，很多同學(xué)在高中學(xué)習(xí)計算機(jī)時就學(xué)習(xí)了二進(jìn)制、碼制等內(nèi)容，而且在學(xué)習(xí)該課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語言等編程語言，這些編程語言都都講述了進(jìn)制及其相互轉(zhuǎn)換這方面的知識。對于邏輯函數(shù)的化簡方法應(yīng)該重點闡述，尤其是卡諾圖，其在實際的應(yīng)用中很常用。該部分的不足之處就是重復(fù)闡述了進(jìn)制，浪費篇幅和時間。
在門電路章節(jié)中，其主要主要講述了二極管、三極管、CMOS門電路、TTL集成電路等。對于大部分高校而言，在學(xué)習(xí)該課程之前都學(xué)習(xí)了模擬電路課程，該課程已經(jīng)詳細(xì)分析了二極管和三極管。因此該部分的主要不足之處在于過多地介紹了二極管、三極管特性分析。
在組合邏輯電路章節(jié)中，其主要講述了組合邏輯電路的分析方法、組合邏輯電路的設(shè)計方法、常用的組合邏輯電路、組合邏輯電路中的競爭 - 冒險等內(nèi)容。在該部分中，仔細(xì)分析其內(nèi)容發(fā)現(xiàn)其有很多重復(fù)部分，主要在組合邏輯電路的設(shè)計方法這部分，由于大部分的設(shè)計方法都是大同小異，用了很多篇幅介紹。
在觸發(fā)器章節(jié)中，其主要講述了基本觸發(fā)器原理、電平觸發(fā)、脈沖觸發(fā)、邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器、觸發(fā)器的邏輯功能及其描述方法等內(nèi)容。這部分基本上沒有什么大的問題，因為內(nèi)容較陌生，對后面的時序邏輯電路尤為重要，所以應(yīng)該詳細(xì)闡述。
在時序邏輯電路章節(jié)中 ,其主要講述了時序邏輯電路的基本概念及其特點介紹 、時序電路的分析方法 、比較常見的時序邏輯電路及其設(shè)計原理等內(nèi)容。在該部分中，仔細(xì)分析其內(nèi)容發(fā)現(xiàn)其有很多重復(fù)部分，主要在時序邏輯電路的設(shè)計方法這部分，由于大部分的設(shè)計方法都是差不多，用了很多篇幅介紹。
在可編程邏輯器件和硬件描述語言章中，其主要講述了現(xiàn)場可編程邏輯陣列（EPLA）、可編程陣列邏輯（PAL）、通用陣列（GAL）、CPLD、FPGA、Verilog語言及其簡單示例等主要內(nèi)容，該部分在以后的學(xué)習(xí)中會單獨開設(shè)這方面的課程，可以大大減少這部分內(nèi)容的介紹。
在脈沖波形的產(chǎn)生與整形章節(jié)中，其主要講述了施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、波形發(fā)生器、555定時器及其應(yīng)用等內(nèi)容。這部分對于實驗教學(xué)尤為重要，應(yīng)該大部分介紹。
對于該課程最后一部分內(nèi)容――A/D和D/A轉(zhuǎn)換，其主要講述了D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器。由于在實際的應(yīng)用過程中我們是用芯片設(shè)計的，所以這部分只需簡單的介紹各種轉(zhuǎn)換器的原理而重點闡述各種轉(zhuǎn)換器的特性和適用場合。
（2） 現(xiàn)有的實驗教材內(nèi)容分析和不足
實驗教學(xué)對于實踐性很強(qiáng)的課程而言無疑非常重要，它是理論聯(lián)系實際的橋梁，是檢驗理論學(xué)習(xí)的一個重要環(huán)節(jié)。對數(shù)字電子技術(shù)課程也是同樣的重要。目前該課程實驗教學(xué)的教材很少，并且很雜，我們需要分析其實驗教材的主要內(nèi)容，指出其不足之處。大部分的實驗教材內(nèi)容也差不多，其主要根據(jù)理論教材來編寫的。
數(shù)字電子技術(shù)的實驗教材大部分包括三大部分，第一部分是基礎(chǔ)實驗，這些實驗主要是驗證理論學(xué)習(xí)中的一些基本原理、基本模塊，為了加深對理論的理解。第二部分是綜合實驗，該部分主要是利用第一部分的基本模塊，設(shè)計相對復(fù)雜的實驗，可以提高同學(xué)的創(chuàng)新和實踐能力。第三部分是實際設(shè)計制作部分，該部分主要是要求同學(xué)利用現(xiàn)有的條件設(shè)計制作一個實際的、滿足實驗要求的小作品。該部分旨在培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，分析問題，解決問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的調(diào)試能力。
對于第一部分，其主要內(nèi)容是TTL與非門的邏輯功能與參數(shù)測試，門電路邏輯功能測試與變換，編碼器測試及其應(yīng)用，譯碼器測試及其應(yīng)用，數(shù)據(jù)選擇器測試及其應(yīng)用，數(shù)值比較器測試及其應(yīng)用，觸發(fā)器測試及其功能轉(zhuǎn)換，移位寄存器測試及其應(yīng)用，計數(shù)器測試及其應(yīng)用，555定時器的應(yīng)用。這部分內(nèi)容主要是基本模塊，篇幅不宜過大，但是實驗平臺往往選擇數(shù)字電子技術(shù)實驗箱，同學(xué)們只需要接線即可，然后完成相應(yīng)的實驗報告。
對于第二部分，其主要內(nèi)容是組合邏輯電路的設(shè)計，一位數(shù)值比較電路的設(shè)計，同步時序邏輯電路的設(shè)計，計數(shù)、譯碼、顯示電路的設(shè)計，60s定時顯示電路的設(shè)計。這部分內(nèi)容主要是利用第一部分的模塊設(shè)計跟更為復(fù)雜的電路?？梢栽敿?xì)闡述設(shè)計的思路，可能需要更大的篇幅。該實驗的實驗平臺仍然是數(shù)字電子技術(shù)實驗箱，同學(xué)們?nèi)匀恢恍枰泳€即可，然后詳細(xì)完成實驗報告。
對于第三部分，其主要的內(nèi)容是數(shù)字電子鐘，電子表，籃球計時器，多路搶答器，電子拔河游戲機(jī)，數(shù)字頻率計，光控路燈，交通信號燈控制電路，彩燈循環(huán)控制電路等。這部分內(nèi)容本意是需要實際制作與設(shè)計，需要同學(xué)們用電烙鐵實際焊接，調(diào)試完成的，但是有些教材是使用一些仿真軟件設(shè)計的，這樣大大減輕了同學(xué)們的實際制作難度，無法真正達(dá)到提高實際調(diào)試制作能力。
三、淺析數(shù)字電子技術(shù)教材的選擇
（1）理論教材的選擇
對于數(shù)字電子技術(shù)理論教材的選擇，我們根據(jù)第二部分?jǐn)?shù)字電子技術(shù)理論教材的現(xiàn)狀和不足，依次一部分一部分地闡述每章節(jié)的選擇要求，以達(dá)到理論教學(xué)的目的。
對于邏輯代數(shù)基礎(chǔ)章節(jié)，根據(jù)上面的分析可知需要選擇的教材應(yīng)該從內(nèi)容上注意以下幾點：
1.簡單或者忽略介紹有關(guān)二進(jìn)制、進(jìn)制轉(zhuǎn)換方面的內(nèi)容。
2.著重介紹邏輯代數(shù)的化簡方法，尤其是卡諾圖。
對于門電路章節(jié)，根據(jù)上面的分析可知需要選擇的教材應(yīng)該從內(nèi)容上注意以下幾點：
1.簡單介紹有關(guān)半導(dǎo)體二極管、三極管特征而著重介紹其工作在開關(guān)狀態(tài)的原理和動態(tài)性能參數(shù)。
2.重點介紹CMOS集成門電路而減少介紹TTL集成門電路。
3.重點介紹TTL 電路的一些注意事項和一些比較重要而且常見的門電路 ,如與門、或門、非門、與非門、或非門、OC門、三態(tài)門等，簡單介紹其他類型的TTL門電路。
對于組合邏輯電路章節(jié)，因為這章節(jié)在該教材中很重要，那么我們選擇的時候應(yīng)該從內(nèi)容上注意很多，由于大部分組合邏輯電路的設(shè)計過程基本上相同，我們選擇的時候需要注意介紹該部分的篇幅不宜過多，而應(yīng)該把重點放在各種邏輯電路的邏輯特點、器件特點、器件性能的擴(kuò)展與使用上，舉例幾個邏輯器件的設(shè)計說明就可以，對于比較特殊的邏輯器件應(yīng)該詳細(xì)介紹。這主要是因為我們實際使用到的數(shù)字電路不需要我們深入理解其中的內(nèi)部工作原理，只需要知道該器件的使用方法，使用特點，注意事項即可，只需要把它當(dāng)做模塊按照需要拿來用即可。就像50年代時，一般的電子學(xué)教材書籍對電阻、電容和電感的內(nèi)部工作原理大量深入的分析，但是我們現(xiàn)在的教材已經(jīng)沒有該部分內(nèi)容，這主要是因為我們大家學(xué)習(xí)電子知識，旨在去應(yīng)用它們，而不需要深入理解其內(nèi)部從微觀統(tǒng)計力學(xué)的原理角度去推倒電感值得具體公式。
對于觸發(fā)器章節(jié)，根據(jù)上面的分析可知需要選擇的教材應(yīng)該從內(nèi)容上注意盡量選擇比較詳細(xì)描述該章節(jié)的書籍，因為這部分知識對后續(xù)的學(xué)習(xí)尤為重要，如理解時序邏輯電路的工作原理，理解計算機(jī)存儲器，寄存器、鎖存器等等。
對于時序邏輯電路章節(jié)，根據(jù)上面的分析可知需要選擇的教材應(yīng)該從內(nèi)容上注意選擇時序邏輯電路的設(shè)計方法闡述較少的書籍，而是以舉例的方式進(jìn)行闡述和驗證時序邏輯電路的工作原理。主要是因為在時序邏輯電路的設(shè)計方法這部分，由于大部分的設(shè)計方法都是差不多。
對于可編程邏輯器件和硬件描述語言章節(jié)，根據(jù)上面的分析可知需要選擇的教材應(yīng)該從內(nèi)容上注意根據(jù)學(xué)校后續(xù)的學(xué)習(xí)課程來選擇，如果學(xué)校后面有專門的課程學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容，那么我們只需要簡單的介紹即可，如果沒有的話那么我們選擇比較詳細(xì)描述這部分內(nèi)容的教材。當(dāng)然，不一定找得到這樣的教材，那么我們可以選擇兩本書，一本是主體上課講述數(shù)字電路技術(shù)的基本知識，而另外一本讓同學(xué)們課外的學(xué)習(xí)和擴(kuò)展。
對于脈沖波形的產(chǎn)生與整形章節(jié)，由于現(xiàn)有的教材都對這部分內(nèi)容有比較好的闡述，這部分內(nèi)容不僅對理論學(xué)習(xí)重要，而且在實際的實踐過程中經(jīng)常用到。所以盡量選擇闡述比較詳細(xì)的教材。
對于A/D和D/A轉(zhuǎn)換章節(jié)，由于我們在實際的應(yīng)用之中只是拿其芯片用，不過還是得盡量弄懂其內(nèi)部工作原理，我們還是得詳細(xì)分析和理解一些A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理和設(shè)計思路，對我們理解將來使用的芯片有一個更好的理解。在選擇的時候我們可以不用考慮這部分。
綜上所述，我們在選擇這部分?jǐn)?shù)字電子技術(shù)理論教材時，盡量滿足以上各章節(jié)的要求，但是實際情況還得根據(jù)各高校的教學(xué)目的和教學(xué)層次，如果是研究類型高校，那么我們可以選擇盡量詳細(xì)介紹、深入分析其內(nèi)部工作的教材，如果是應(yīng)用型高?；蛘吒呗氼悓W(xué)校，那么我們盡可以按照上面分析的要求來選擇，如果一本教材無法滿足上面的要求，可以選擇一本為主，兩外一本為輔的辦法，以達(dá)到教學(xué)目的。
（1）實驗教材的選擇
對于數(shù)字電子技術(shù)實驗教材的選擇，我們根據(jù)第二部分?jǐn)?shù)字電子技術(shù)實驗教材的現(xiàn)狀和不足，依次按照那三部分要求來選擇，以達(dá)到理論教學(xué)的目的。
對于第一部分――基礎(chǔ)實驗，這部分主要是驗證理論學(xué)習(xí)的一些基本知識，那么在選擇的時候我們不求詳細(xì)介紹個實驗的實驗步驟，而是要詳細(xì)、多方面的涵蓋理論學(xué)習(xí)的內(nèi)容。不過還得考慮學(xué)校的實驗教學(xué)設(shè)備情況，根據(jù)實驗設(shè)備可以提供的實驗，來靈活的選擇實驗。
對于第二部分――綜合實驗，這部分主要是利用第一部分的基本實驗來完成該部分的，盡量選擇可以覆蓋主要知識模塊的實驗，已達(dá)到各知識、各模塊的融會貫通、靈活創(chuàng)新。同理，這部分實驗也是得依賴于學(xué)校的實驗教學(xué)設(shè)備和實驗教學(xué)學(xué)時，我們可以按照各高校的實際情況靈活選擇實驗。
對于第三部分――實際設(shè)計和制作，該部分主要是實際設(shè)計并制作完成一些具有現(xiàn)實意義的實驗。那么在選擇時我們得考慮一下高校的實際情況，包括實驗條件和教學(xué)學(xué)時，但是這部分對于同學(xué)們的實踐能力、分析問題、解決問題、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)尤為重要。那么我們可以多選擇實驗，沒有學(xué)時完成的可以讓同學(xué)們在課外完成或者提供一個實驗平臺，組成興趣實驗小組，合作完成。這樣帶來的好處是可以培養(yǎng)學(xué)生合作精神、自己動手實踐的能力，增強(qiáng)學(xué)生對學(xué)習(xí)電子知識的極大興趣。
綜上所述，我們在選擇這部分?jǐn)?shù)字電子技術(shù)實驗教材時，根據(jù)學(xué)校的實際設(shè)備情況和實驗教學(xué)學(xué)時，靈活多變的選擇適合自己高校的實驗教材，培養(yǎng)具有較強(qiáng)實踐能力的學(xué)生。
四、總結(jié)
本文分析了數(shù)字電子技術(shù)理論教材和實驗教材的現(xiàn)狀和不足，根據(jù)現(xiàn)狀和各高校的實際情況提出了選擇合適的，可以培養(yǎng)學(xué)生能力的教材，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和實踐能力的教材，在學(xué)時不夠的情況下滿足各高校的教學(xué)目的的教材。
目前，對數(shù)字電子技術(shù)教材的選擇還有一些問題，有許多的不盡完善支持，本文是作者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗和實踐心得提出的具有建設(shè)性的觀點。旨在提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實踐能力、分析問題和解決問題的能力。
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【關(guān)鍵詞】學(xué)分制；數(shù)字電子技術(shù)課程；整合
0 引言
學(xué)分制，屬于教育模式的一種，以選課為核心，教師指導(dǎo)為輔助，通過學(xué)生的成績績點和所修學(xué)分，衡量學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)和量的綜合教學(xué)管理制度。與班建制、導(dǎo)師制合稱三大教育模式。自2011年7月15日湖北省物價局正式公布了湖北省《普通高等學(xué)校學(xué)分制收費管理辦法》起，湖北省各大高校也陸續(xù)開始實施學(xué)分制，而我校也準(zhǔn)備在2015級新生中全面實施學(xué)分制。在這種大背景下，以前的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容也隨之而改變，作為電類專業(yè)的三門專業(yè)基礎(chǔ)課之一的模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容整合也急需解決，從而符合時代的發(fā)展，不但有利于學(xué)分制的順利實施，更能提高模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。
1 數(shù)字電子技術(shù)課程的地位
作為電類專業(yè)的學(xué)生，電路理論、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)必修的三門專業(yè)基礎(chǔ)課，其中模擬電子技術(shù)處于相對重要的位置，不但是電路理論和模擬電子技術(shù)的后續(xù)課程，同時也是微機(jī)原理、單片機(jī)原理及應(yīng)用等與計算機(jī)相關(guān)的先修課程，而計算機(jī)在我們現(xiàn)在的日常生活中是必不可少的，從中足以說明數(shù)字電子技術(shù)課程的重要性和不可或缺的地位。
2 數(shù)字電子技術(shù)教材的取舍
各大高校選用的教材一般是兩個，一個是清華大學(xué)出版社出版的由童詩白主編的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，另一個是高等教育出版社出版的由康華光主編的教材，我校一直采用的是康華光版的，而在學(xué)分制下也準(zhǔn)備使用該教材，該教材結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)容的組合恰當(dāng)，比較適合我校電類專業(yè)的學(xué)生。
3 數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的整合
學(xué)分制前，我校數(shù)字電子技術(shù)課程總學(xué)時72學(xué)時，理論學(xué)時48學(xué)時，實驗學(xué)時16學(xué)時，理論教學(xué)的內(nèi)容覆蓋面廣，幾乎涵蓋了教材的所有章節(jié)的內(nèi)容，從多年的教學(xué)經(jīng)驗和學(xué)生的反饋情況來看，教學(xué)效果并不太好，很多學(xué)生覺得這門課較難了，不過比模擬電子技術(shù)課程應(yīng)該是簡單一些，尤其是其中的組合邏輯電路的分析和設(shè)計，難點是時序邏輯電路的分析和設(shè)計。
由于學(xué)分制的實施充分體現(xiàn)了“以人為本”的教育思想，充分尊重學(xué)生選課、選教師、選修學(xué)計劃的自由，不但有利于培養(yǎng)學(xué)生的個性，更能充分發(fā)揮各自的潛能。在學(xué)分制的教學(xué)體制下，學(xué)校就像一個教育大超市，里面的“課程商品”可謂是琳瑯滿目，學(xué)生就是顧客，就是上帝。上哪門課，學(xué)生自己選；想聽哪位老師的課，學(xué)生自己做主；甚至什么時候上課和做實驗，都由自己決定。學(xué)分制充分體現(xiàn)了學(xué)生的自主性，這是一種新的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的嘗試，對學(xué)生是，對老師也是。作為教師，尤其是講授數(shù)字電子技術(shù)課程的我們又該如何處理呢？
第一，如何激發(fā)學(xué)生選這門課程的積極性和學(xué)習(xí)該課程的積極性，這個是重中之重，只有提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，才是提高我們教學(xué)質(zhì)量的最好的途徑，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不少同學(xué)對各種游戲感興趣，而且還建立了討論群，討論起來可謂是熱火朝天，結(jié)果游戲打得順風(fēng)順?biāo)绻麑W(xué)生能把討論游戲、玩游戲的勁頭用到學(xué)習(xí)上，肯定是事半功倍。這是我們作為高校教師必須考慮的問題，那么如何使學(xué)生從游戲中抽身出來，投入到課程的學(xué)習(xí)上呢？首先要讓學(xué)生認(rèn)識到該門課程的重要性，數(shù)字電子技術(shù)是處理數(shù)字信號的電路，這個內(nèi)容直接與我們的日常生活的計算機(jī)有關(guān)，包括我們身邊的各種電子產(chǎn)品，尤其是我們現(xiàn)在的智能手機(jī)、智能電視、空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)等家電都有數(shù)字電路的身影，可以說數(shù)字電子技術(shù)與我們是密切相關(guān)的。而在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)里面，主要是分析現(xiàn)實生活中的計算機(jī)內(nèi)部的主要電路是如何形成的，具體的電路是什么，通過該課程的學(xué)習(xí)，不但能了解數(shù)字電路的基本內(nèi)容，更能與目前一些處于科技前沿的知識聯(lián)系在一起。基于此，可以通過提問的方式或者讓學(xué)生自己調(diào)研，當(dāng)然也可以提醒學(xué)生多多參加學(xué)校組織的甚至是全國性質(zhì)的電子設(shè)計大賽，提高他們實際動手能力的同時，還能激發(fā)他們學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)課程的積極性。不過這也僅僅是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的其中一個方法而已。
第二，教學(xué)內(nèi)容的整合。實際上這也是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法之一。首先要把握數(shù)字電路的整體內(nèi)容，主要是組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設(shè)計，那么這兩種電路是如何形成的？而分析方法又是什么呢？解決了這兩個問題，該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容就可以迎刃而解。不但可以降低該課程的難度，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，既然數(shù)字電子技術(shù)是由組合和時序邏輯電路組成，那么就針對性對這兩種電路進(jìn)行分析和設(shè)計，其他內(nèi)容可以選學(xué)。而組合邏輯電路是由三個基本的邏輯門電路組成的，因此可以只選擇三個基本的邏輯門，即與門，或門和非門的電路符號，至于TTL門和CMOS門可以不講，當(dāng)然學(xué)生也可以不學(xué)，跳過此部分，數(shù)字電子技術(shù)難度大降低，而組合邏輯電路的分析共分為四步，只要掌握了這四步分析法，即可解決該電路的分析問題，四步分別是（1）由邏輯電路寫出邏輯表達(dá)式，（2）化簡表達(dá)式，（3）由表達(dá)式列出狀態(tài)表，（4）根據(jù)狀態(tài)表分析邏輯功能。而設(shè)計組合邏輯電路的步驟與分析步驟剛好相反，分別是（1）由邏輯要求列狀態(tài)表，（2）根據(jù)狀態(tài)表寫出邏輯表達(dá)式，（3）化簡表達(dá)式，（4）根據(jù)表達(dá)式畫出邏輯圖。這也是該課程的上半部分內(nèi)容，同時也是該課程兩大重點之一。第二個重點內(nèi)容就是時序邏輯電路的分析和設(shè)計，首先要了解三個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：可控的RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T觸發(fā)器，對于這三種觸發(fā)器，只要知道其符號和對應(yīng)的狀態(tài)表即可，至于其內(nèi)部由哪些門組成以及原理可以不講和不學(xué)，這有利于降低該部分的難度。另一個重要的就是分析和設(shè)計問題，與組合邏輯電路類似，其分析和設(shè)計步驟也是相反的，不過時序邏輯電路與組合邏輯不同的是，分為同步時序和異步時序。兩種時序邏輯電路的分析步驟類似共分為四步：（1）寫方程式：三個方程式分別是輸出方程、驅(qū)動方程和狀態(tài)方程，（2）列狀態(tài)表轉(zhuǎn)換真值表，（3）邏輯功能的說明，（4）畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時序圖。而兩種時序邏輯電路的設(shè)計也分為四步，與分析步驟基本相反。通過以上內(nèi)容的整合，使學(xué)生了解到只要掌握了組合和時序邏輯電路的分析和設(shè)計，就抓住了數(shù)字電路的靈魂，不但能使學(xué)生更容易接受這個內(nèi)容，激發(fā)他們的選修該門課程的興趣和努力學(xué)習(xí)的興趣，又能提高數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。
4 結(jié)束語
本文通過學(xué)分制的分析，提出在這一背景下數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的整合問題，主要圍繞如何提高學(xué)生選修和學(xué)習(xí)該門課程的積極性，以及在教學(xué)內(nèi)容整合方面如何精簡和整合現(xiàn)有課程內(nèi)容，從中提出了組合邏輯和時序邏輯的四步的分析步驟和設(shè)計步驟，這就體現(xiàn)了以學(xué)生為本，以教師指導(dǎo)為輔助的學(xué)分制思想，從而在一定程度上解決了教學(xué)內(nèi)容整合方面的難題。而且經(jīng)過現(xiàn)有課堂教學(xué)的實施，效果不錯。
【參考文獻(xiàn)】
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關(guān)鍵詞:數(shù)字邏輯;實驗教學(xué);實驗課題設(shè)計;教學(xué)改革;VHDL
自20世紀(jì)90年代以來,隨著電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,大規(guī)模集成電路PLD芯片逐漸取代了數(shù)字系統(tǒng)中傳統(tǒng)的分離元件和小規(guī)模集成電路。同時,數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方法向“硬件設(shè)計軟件化”轉(zhuǎn)變。用硬件設(shè)計語言設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)日益成熟且越來越廣泛地得到應(yīng)用。雖然,高校數(shù)字邏輯課程的教學(xué)內(nèi)容也有一些相應(yīng)的調(diào)整,但是實驗教學(xué)的改革往往明顯落后。
數(shù)字邏輯是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課之一,也是學(xué)生感覺學(xué)習(xí)比較困難的課程之一。我校計算機(jī)專業(yè)的數(shù)字邏輯課程的實驗教學(xué)過去一直是在實驗箱上插接集成電路芯片和連接線的方式,實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主,實驗效果很不理想,實驗教學(xué)與理論教學(xué)的銜接不好,沒有真正起到“通過實驗加深對理論知識的理解”和“理論與實際相結(jié)合”的作用。學(xué)生雖然在課堂上學(xué)習(xí)了VHDL編程并做了一些習(xí)題,但是并不知道究竟什么樣的程序才是正確的,而要想知道VHDL程序是否正確的唯一方法是編譯和仿真。為了提高數(shù)字邏輯課程的教學(xué)效果,并且與新增加的VHDL語言教學(xué)內(nèi)容相呼應(yīng),筆者進(jìn)行了數(shù)字邏輯課程的實驗教學(xué)改革探索。通過“做中學(xué)”[1],使學(xué)生真正掌握用VHDL進(jìn)行邏輯設(shè)計的方法。放棄在實驗箱上插接集成電路芯片和連接線的方式,改變?yōu)樵赒uartus軟件平臺上用VHDL語言編程和仿真實驗。從以驗證性實驗為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽O(shè)計性實驗為主,不僅使學(xué)生學(xué)到了最新的技術(shù),而且為后繼課程計算機(jī)組成原理的進(jìn)一步教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ)。
1實驗課題的設(shè)計
根據(jù)教學(xué)計劃,本課程的實驗為12學(xué)時,安排6個實驗。除第1個實驗是熟悉Quartus系統(tǒng)的使用外,其余5個實驗都是設(shè)計性實驗。
1.1設(shè)計思想
實驗課題的設(shè)計是開展設(shè)計性實驗教學(xué)必須妥善處理的關(guān)鍵問題之一。實驗課題應(yīng)該有合適的難度,使得大部分學(xué)生在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過自己的分析和努力能夠做出設(shè)計(不一定是完全正確的設(shè)計)。實驗課題應(yīng)該在本課程教學(xué)的重要知識點范圍內(nèi),通過實驗可以使學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識點,實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成。實驗課題應(yīng)該在書本或網(wǎng)絡(luò)等其他信息源上沒有現(xiàn)成的解答,學(xué)生必須自己進(jìn)行分析設(shè)計才能得到解答。
在高度網(wǎng)絡(luò)化和信息化的今天,各種教材、參考書和網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)有很多的VHDL語言程序的實例,為了保證學(xué)生是真正做設(shè)計,筆者在設(shè)計實驗課題時也廣泛查找了資料。有幾個設(shè)想的課題就因為發(fā)現(xiàn)有相同的VHDL語言程序?qū)嵗嬖诙环穸āＷ詈蟠_定的5個實驗課題,到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)有相同的VHDL語言程序?qū)嵗?。這5個實驗課題包括2個組合邏輯設(shè)計實驗課題和3個時序邏輯設(shè)計實驗課題。實驗課題的難度和復(fù)雜程度是逐漸增加的。除了基本實驗外,還為少數(shù)學(xué)有余力的學(xué)生設(shè)計了選做題目。
1.2實驗課題
1) 實驗課題一。
設(shè)計一個代碼轉(zhuǎn)換邏輯電路。把7位的ASCII碼轉(zhuǎn)換成7段字符顯示代碼。能顯示數(shù)字0～9,字母A、b、C、d、E、F、H、L、o、P、U、Γ和一些符號(-、_、=、┫、┣、、)等。用VHDL語言編程并仿真。
2) 實驗課題二。
設(shè)計一個多功能的運算器,有控制信號M、S2、S1、S0。當(dāng)M=1,在S2、S1、S0的控制下能完成兩個1位二進(jìn)制數(shù)A、B的以下算術(shù)運算:A加B,A加1,A加B和低位來的進(jìn)位,B加1,A加 ,A加0,A加A,A加 加1。當(dāng)M=0,作邏輯運算。在S2、S1、S0的控制下能完成兩個1位二進(jìn)制數(shù)A、B的以下邏輯運算:A+B,A•B, , , , , , ,等。用VHDL語言編程并仿真。
3) 實驗課題三。
設(shè)計一個自動售飲料機(jī)的控制邏輯電路。該機(jī)器有一個投幣口,每次只能投入1枚1元或5角的硬幣。當(dāng)投入了1元5角的硬幣,機(jī)器自動給出1杯飲料。當(dāng)投入了2元的硬幣,機(jī)器在自動給出1杯飲料時,還找回1枚5角的硬幣。
確定輸入/輸出變量、電路的狀態(tài)并化簡,做出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。在完成以上邏輯設(shè)計后,用VHDL語言編程并仿真。
4) 實驗課題四。
用74HC163設(shè)計一個十九進(jìn)制計數(shù)器。用VHDL層次結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計程序并仿真,底層器件是74HC163。
完成以上題目后,還可以選做題:用74HC163設(shè)計一個余3碼計數(shù)器。用VHDL層次結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計程序并仿真,底層器件是74HC163。
5) 實驗課題五。
實驗課題五有兩個題目,學(xué)生可以任選一個。
題目一:設(shè)計一個可控計數(shù)器,當(dāng)控制信號S=0時,是五進(jìn)制計數(shù)器,當(dāng)控制信號S=1時,是十五進(jìn)制計數(shù)器。設(shè)計出邏輯圖。分別用兩種不同的方法設(shè)計(行為描述,結(jié)構(gòu)描述),用VHDL語言編程并仿真。
題目二:設(shè)計一個數(shù)字鐘電路,要求能用7段數(shù)碼管顯示從0時0分0秒到23時59分59秒之間的所有時間。做出邏輯圖。用VHDL語言編程并仿真。
2教學(xué)效果分析
實驗課題一的目的是強(qiáng)化譯碼器、7段字符顯示代碼和ASCII碼等知識點。學(xué)生可以參考書上的BCD碼-7段字符顯示譯碼器的VHDL程序做這個設(shè)計,但是要實現(xiàn)那些特殊符號的顯示還是需要動腦筋的。實驗結(jié)果顯示,學(xué)生基本上都能做出數(shù)字和字母的顯示代碼設(shè)計,但是極少有能做出那些特殊符號的顯示代碼設(shè)計的。
實驗課題二的目的是強(qiáng)化加法器、全加器、算術(shù)運算、進(jìn)位和邏輯運算等知識點,并且考慮到與后繼課程計算機(jī)組成原理的ALU等知識點教學(xué)的銜接。學(xué)生做設(shè)計時可以參考1位全加器的VHDL程序。很多學(xué)生在做實驗之前認(rèn)為這個題目很簡單,只要用VHDL語言的算術(shù)運算符就可以了。開始做實驗才發(fā)現(xiàn)根本不是那樣,必須先推導(dǎo)出每個運算功能的邏輯表達(dá)式才能編程,而相當(dāng)多的學(xué)生忘記了算術(shù)運算還有進(jìn)位的邏輯表達(dá)式。這個實驗確實達(dá)到了強(qiáng)化上述知識點的目的。
實驗課題三的目的是強(qiáng)化狀態(tài)機(jī)和Mealy型時序邏輯電路設(shè)計等知識點。學(xué)生做設(shè)計時可以參考狀態(tài)機(jī)的VHDL程序。經(jīng)過這個實驗,大部分學(xué)生真正懂得了什么是狀態(tài)機(jī),時序邏輯電路是在時鐘信號的作用下發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變的,另外還有怎樣確定有哪些狀態(tài)和做狀態(tài)化簡。
實驗課題四的目的是強(qiáng)化計數(shù)器、用集成計數(shù)器實現(xiàn)任意進(jìn)制計數(shù)器和Moore型時序邏輯電路設(shè)計等知識點,也是學(xué)生第一次用VHDL結(jié)構(gòu)描述的方法做設(shè)計。學(xué)生做設(shè)計時可以利用書上的74HC163的VHDL程序例子。通過這個實驗學(xué)生進(jìn)一步理解了觸發(fā)器和計數(shù)器,掌握了用集成計數(shù)器實現(xiàn)任意進(jìn)制計數(shù)器的方法和用VHDL結(jié)構(gòu)描述做邏輯電路設(shè)計的基本方法。選做題是為少數(shù)學(xué)習(xí)好、能力強(qiáng)的學(xué)生準(zhǔn)備的,使這部分學(xué)生有機(jī)會得到更多的訓(xùn)練和提高。選做題還可以使學(xué)生掌握余3碼的概念,確實也有很少的幾個學(xué)生完成了選做題。
實驗課題二和實驗課題三都是用行為描述的方法進(jìn)行邏輯電路設(shè)計,比較容易掌握,實驗成功率較高,而實驗課題四要求用結(jié)構(gòu)描述的方法做邏輯電路設(shè)計。在實驗中間發(fā)現(xiàn),相當(dāng)多學(xué)生并沒有理解結(jié)構(gòu)描述的概念,也不知道應(yīng)該怎樣做。因此,實驗課題五繼續(xù)強(qiáng)化用結(jié)構(gòu)描述的方法做邏輯電路設(shè)計。
實驗課題五題目中的第一個,目的是鞏固用集成計數(shù)器實現(xiàn)任意進(jìn)制計數(shù)器和Mealy型時序邏輯電路設(shè)計等知識點。同時,也使學(xué)生進(jìn)一步掌握用行為描述和結(jié)構(gòu)描述進(jìn)行設(shè)計的方法。雖然這個題目相對第二個題目要簡單一些,但是由于要求分別用行為描述和結(jié)構(gòu)描述兩種方法進(jìn)行設(shè)計,所以總的工作量比實驗課題四要多。這兩個題目中的第2個不僅難度更大、更復(fù)雜,而且其設(shè)計還要考慮如何仿真的問題,是一個有挑戰(zhàn)性的題目。然而,選擇這個題目的學(xué)生卻出乎意料得多,而且有若干種不同的設(shè)計思想,既有用結(jié)構(gòu)描述的也有用行為描述的。雖然在2個小時的時間內(nèi),幾乎沒有學(xué)生完全正確地完成這個高難度實驗的設(shè)計和仿真,但是有個別學(xué)生在以后的幾個星期里仍然繼續(xù)探討并最終正確地完成了這個實驗。像數(shù)字鐘這樣的復(fù)雜實驗,在過去想要用中小規(guī)模集成電路在實驗箱上插接連線的方式完成是不可想象的,但是現(xiàn)在用Quartus系統(tǒng)上設(shè)計和仿真的方式卻是可以完成的。
設(shè)計性實驗比驗證性實驗的難度有明顯提高,學(xué)生也要花更多的時間做預(yù)習(xí)、設(shè)計和寫實驗報告。在學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯之前的各課程(物理、電路、模擬電子)實驗都是驗證性實驗,大部分學(xué)生已經(jīng)養(yǎng)成不做實驗預(yù)習(xí)的習(xí)慣。在做第一個實驗(熟悉Quartus系統(tǒng))時就發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生基本上是進(jìn)了實驗室才開始看實驗指導(dǎo)。結(jié)果是兩個小時過去了,一部分學(xué)生并沒有掌握VHDL程序調(diào)試和仿真的基本方法,個別學(xué)生輸入的源程序甚至連編譯都沒有通過。針對這個問題,我們采取了要求學(xué)生提前做實驗預(yù)習(xí),寫出實驗設(shè)計和程序才允許進(jìn)實驗室做實驗的措施,并且在逐位點名時逐個檢查實驗預(yù)習(xí)。實驗教學(xué)改革也在一定程度上調(diào)動了學(xué)生的積極性。
3結(jié)語
用VHDL語言設(shè)計組合邏輯電路和時序邏輯電路的方法與傳統(tǒng)的用邏輯代數(shù)和邏輯圖設(shè)計的方法有很大不同,特別是行為描述的方法很容易掌握。用軟件工具對所做設(shè)計進(jìn)行仿真以檢驗設(shè)計的正確性比在面包板上插接、連線、調(diào)試要方便容易,避免了接觸不良造成的故障和連線錯誤損壞器件等問題,實驗成功率高、消耗低。學(xué)生不僅要做邏輯設(shè)計,還要做仿真輸入波形設(shè)計。仿真輸出波形直觀地表現(xiàn)了邏輯功能的正確與否。部分學(xué)生自己有計算機(jī),可以提前做出設(shè)計并編程,在進(jìn)入實驗室后能夠在比較短的時間里完成實驗;也有一些學(xué)生由于設(shè)計錯誤,在實驗室沒有完成實驗,是回去以后繼續(xù)用自己的計算機(jī)改正程序、完成仿真的。
從實際教學(xué)效果看,上述實驗課題的設(shè)計是成功的。大部分學(xué)生通過設(shè)計和實驗都有不同程度的提高,基本上理解了有關(guān)的知識點,掌握了VHDL程序設(shè)計、調(diào)試和仿真方法。從后來的調(diào)查問卷的結(jié)果看,大部分學(xué)生認(rèn)為數(shù)字邏輯實驗“不是很難”(4個選項分別是太難、不是很難、很簡單、不能理解),只有少數(shù)學(xué)生不喜歡這種設(shè)計性實驗。
數(shù)字邏輯課程的實驗教學(xué)改革探索取得了初步成功,今后還將繼續(xù)改進(jìn),也希望與其他學(xué)校的教師交流教學(xué)改革的經(jīng)驗和教訓(xùn),共同提高。
參考文獻(xiàn):
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Exploration of Experiment Teaching of Digital Logic
SHENG Jian-lun
(School of Computer, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China)
關(guān)鍵詞:D觸發(fā)器; 數(shù)據(jù)選擇器; 時序網(wǎng)絡(luò); 多輸入時序邏輯電路
中圖分類號:TP331.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)12-0010-03
Design of Data Multi-input Sequential Logic Circuit Based on Data Multiplexer and D Flip-flop
REN Jun-yuan
(Bohai University, Jinzhou 121000, China)
Abstract:The design technique of multi-input sequential logic circiut based on multiplexer and D flip-flops is introduced to investigate a simple method to realize the multi-input sequential logic circiut, which D flip-flops are combined with multiplexer. Taking the present states as the data multiplexer to select input variables and the output functions of the data multiplexer as the input signals of D flip-flops, the multi-input sequential network with the functions of storage and selection is composed. The input variables are selected according to the present states of D flip-flops, the transformation direction of the next states of D flip-flops is determined by the selected variables. The combination of these two components is suitable to the realization of the mutual exclusion multi-variable sequential logic circuit. The function simplification is unnecessary in design process. This is a new method to design sequential logic circuits.
Keywords: D flip-flop; data multiplexer; sequential network; multi-input sequential logic circuit
在SSI時序邏輯電路設(shè)計中,遵循的設(shè)計準(zhǔn)則是:在保證所設(shè)計的時序邏輯電路具有正確功能的前提下,觸發(fā)器的激勵函數(shù)應(yīng)最小化,從而簡化電路結(jié)構(gòu)。
用卡諾圖法或公式法化簡觸發(fā)器的激勵函數(shù),在多輸入變量時相當(dāng)繁瑣甚至難以進(jìn)行。因此,需要尋求多輸入時序邏輯電路簡捷設(shè)計方法。
本文給出多輸入變量時序邏輯網(wǎng)絡(luò)的一種新型結(jié)構(gòu):將D觸發(fā)器[ 1-10] 和數(shù)據(jù)選擇器[ 1-10] 進(jìn)行組合,構(gòu)成既有存儲功能又有數(shù)據(jù)選擇功能的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)[ 1] ,并給出設(shè)計過程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡的設(shè)計技術(shù)。
1 基本原理
1.1 基本多輸入時序網(wǎng)絡(luò)
1.1.1 多輸入時序網(wǎng)絡(luò)的基本形式
用1個D觸發(fā)器和1個2選1數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成多輸入時序網(wǎng)絡(luò)的基本電路[1],如圖1所示。
圖1 多輸入時序網(wǎng)絡(luò)的基本電路
圖1中,觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)輸出Qn作為數(shù)據(jù)選擇器的A選擇輸入變量,數(shù)據(jù)選擇器的Y輸出作為觸發(fā)器的D輸入信號,數(shù)據(jù)選擇器的輸入端D0,D1ё魑所構(gòu)成時序網(wǎng)絡(luò)的外部信號輸入端。
1.1.2 多輸入時序網(wǎng)絡(luò)基本電路的狀態(tài)方程
由D觸發(fā)器的特性方程Qn+1=D、數(shù)據(jù)選擇器的輸出邏輯表達(dá)式Y(jié)=AD0+AD1及A=Qn,D=YУ墓叵,得多輸入時序網(wǎng)絡(luò)基本電路的狀態(tài)方程:
Qn+1=QnD0+QnD1 (1)
寫成矩陣形式為:
[Qn+1]=[Qn]D0D1 (2)
1.1.3已知狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定時序網(wǎng)絡(luò)輸入矩陣參數(shù)的方法
由式(1)、式(2)有:
(1) 現(xiàn)態(tài)Qn=0時,Qn+1=D0,選擇輸入D0,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D0可實現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換:
若Qn+1=0,即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為00,則式(2)中的輸入矩陣應(yīng)填D0=0;
若Qn+1=1,即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為01,則式(2) 中的輸入矩陣應(yīng)填D0=使?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生變化的輸入變量。
(2) 現(xiàn)態(tài)Qn=1時,Qn+1=D1,選擇輸入D1,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D1可實現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換:
若Qn+1=1,即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為11,則式(2)中的輸入矩陣中應(yīng)填D1=1;
若Qn+1=0,即狀態(tài)轉(zhuǎn)換為10,則式(2)中的輸入矩陣中應(yīng)填D1=使?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生變化的輸入變量取反。
1.2 2個狀態(tài)變量的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)
1.2.1 2個狀態(tài)變量多輸入時序網(wǎng)絡(luò)的形式
用2個D觸發(fā)器和2個4選1數(shù)據(jù)選擇器可構(gòu)成有2個狀態(tài)變量的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)[1],如圖2所示。
圖2中,觸發(fā)器的2個現(xiàn)態(tài)輸出Qn1Qn0作為數(shù)據(jù)選擇器的A1A0選擇輸入變量,2個數(shù)據(jù)選擇器的Y輸出分別作為2個觸發(fā)器的D輸入信號,數(shù)據(jù)選擇器的輸入端D10~D13,D00~D03ё魑所構(gòu)成時序網(wǎng)絡(luò)的外部信號輸入端。
圖2 2個狀態(tài)變量的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)
1.2.2 兩個狀態(tài)變量多輸入時序網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程
按基本多輸入時序網(wǎng)絡(luò)的分析方法,可得狀態(tài)方程的矩陣形式為:
[Qn+11Qn+10]=[Qn1Qn0]D10D00D11D01D12D02D13D03 (3)
1.2.3 現(xiàn)態(tài)對輸入信號的選擇及輸入矩陣參數(shù)的確定
現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0的取值組合決定所選擇的數(shù)據(jù)輸入端,而數(shù)據(jù)輸入端的輸入情況又決定次態(tài):
(1) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=00時,Qn+11=D10,Qn+10=D00,選擇輸入D10,D00,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D10,D00可實現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;
(2) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=01時,Qn+11=D11,Qn+10=D01,選擇輸入D11,D01,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D11,D01可實現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;
(3) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=10時,Qn+11=D12,Qn+10=D02,選擇輸入D12,D02,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D12,D02可實現(xiàn)所要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;
(4) 現(xiàn)態(tài)Qn1Qn0=11時,Qn+11=D13,Qn+10=D03,選擇輸入D13,D03,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定D13,D03Э墑迪炙要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
已知狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定式(3)中輸入矩陣參數(shù)的方法如1.1.2所述。
1.3 n個狀態(tài)變量的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)
按照D觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)組合作為數(shù)據(jù)選擇器的選擇輸入變量、數(shù)據(jù)選擇器的輸出作為D觸發(fā)器輸入信號的構(gòu)成方法,用n個D觸發(fā)器、n個2n選1數(shù)據(jù)選擇器組合,可構(gòu)成n個狀態(tài)變量的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)[1]。
2基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時序邏輯電路設(shè)計
2.1 設(shè)計步驟
采用數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器構(gòu)成的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多輸入時序邏輯電路設(shè)計的步驟:
(1) 由設(shè)計要求做出最簡狀態(tài)圖;
(2) 根據(jù)狀態(tài)個數(shù)確定多輸入時序網(wǎng)絡(luò)中D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器的個數(shù)及數(shù)據(jù)選擇器的選擇規(guī)模;
(3) 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系確定輸入矩陣的參數(shù),即確定數(shù)據(jù)選擇器輸入端所接的變量或常量;
(4) 畫出時序邏輯圖。
2.2 應(yīng)用舉例
主干道、支干道十字路通燈控制電路中的控制器共有4個狀態(tài),在不同輸入信號的作用下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換:
(1) Qn1Qn0=00狀態(tài),主干道綠燈亮、支干道紅燈亮,到了規(guī)定的30 s時間隔由控制電路中的計數(shù)器向控制器輸入1個T30 =1的信號,控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài);
(2) Qn1Qn0=01狀態(tài),主干道黃燈亮、支干道紅燈亮,到了規(guī)定的5 s時間隔由控制電路中的計數(shù)器向控制器輸入1個T5=1的信號,控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài);
(3) Qn1Qn0=10狀態(tài),主干道紅燈亮、支干道綠燈亮,到了規(guī)定的20 s時間隔由控制電路中的計數(shù)器向控制器輸入1個T20=1的信號,控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài);
(4) Qn1Qn0=11狀態(tài),主干道紅燈亮、支干道黃燈亮,到了規(guī)定的5 s時間隔由控制電路中的計數(shù)器向控制器輸入1個T5=1的信號,Э刂破髯到第(1)種工作狀態(tài)。
控制器的狀態(tài)圖如圖3所示。
圖3 交通燈控制電路中控制器的狀態(tài)圖
用有2個狀態(tài)變量的多輸入時序網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),由圖3所示狀態(tài)圖的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系,可確定輸入矩陣參數(shù)為:
0T30T5T51T20T5T5 (4)
選用雙D觸發(fā)器74LS74和雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74LS153構(gòu)成多輸入時序網(wǎng)絡(luò)并由式(4)連接輸入端畫出邏輯圖如圖4所示,其中R,C構(gòu)成通電復(fù)位電路。
3 結(jié) 語
基于數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器的多輸入時序邏輯電路設(shè)計方法,適合實現(xiàn)互斥多變量時序邏輯電路,且在設(shè)計過程中不需要進(jìn)行函數(shù)化簡,而這一過程在多變量 時是相當(dāng)繁瑣甚至難以進(jìn)行。
圖4 交通燈控制電路中控制器的邏輯電路圖
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】數(shù)字邏輯電路；形象思維；教學(xué)方法
一、引言
《數(shù)字邏輯》是一門實踐性、技術(shù)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課。隨著現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字邏輯這門課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法也在不斷的發(fā)生變化。如果學(xué)生沒有扎實的理論知識作為基礎(chǔ)，就不能很好的去指導(dǎo)實踐；同樣如果在實踐課上沒有弄清硬件結(jié)構(gòu)，也就難以去理解理論知識。所以，理論課程和實踐課程的有機(jī)結(jié)合，是我們教學(xué)工作者的重中之重。對于《數(shù)字邏輯電路》這門課程的教學(xué)，筆者認(rèn)為如能注重教學(xué)方法，講究教學(xué)的藝術(shù)性將會取得較好的教學(xué)效果。
課堂教學(xué)在整個教學(xué)中是最重要的一環(huán)。當(dāng)然教學(xué)是教師和學(xué)生雙方面的結(jié)合，要使我們所傳授的知識真正為學(xué)生所理解與掌握，就必須要了解學(xué)生的接受能力，并把握學(xué)生的學(xué)習(xí)心理，采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，使學(xué)生對所學(xué)的內(nèi)容產(chǎn)生興趣，然后由淺入深，才能引導(dǎo)學(xué)生積極思考，從而產(chǎn)生理想的效果。
數(shù)字邏輯理論抽象，如能通過“形象思維”來培養(yǎng)學(xué)生的“抽象思維”，我覺得不失為一種好的教學(xué)方法。例如在講述“多數(shù)表決器”真值表時，可用運動會的舉重比賽項目的評判運動員舉重成功與否的紅燈和白燈多少來比喻，經(jīng)這一比喻，“多數(shù)表決器”真值表的功能很快地讓學(xué)生理解了。對于記憶觸發(fā)器的激勵表，則把它轉(zhuǎn)變成記憶觸發(fā)器的狀態(tài)圖。多用些比喻，多分析結(jié)論的邏輯意義，這種生動活潑的課堂氣氛可以開拓學(xué)生的形象思維，使他們對數(shù)字邏輯的學(xué)習(xí)能自始至終保持濃厚的學(xué)習(xí)興趣。實踐證明，在快樂中學(xué)習(xí)才能使學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到輕松、學(xué)有所獲。
總而言之，要想使自己的教學(xué)能夠為學(xué)生所接受，就必須下苦功夫，在認(rèn)真?zhèn)湔n的前提下，不斷總結(jié)自己的和別人的教學(xué)經(jīng)驗，不斷加強(qiáng)自身的學(xué)問修養(yǎng)，才能使自己在教學(xué)中得心應(yīng)手，取得良好的教學(xué)效果。
二、數(shù)字邏輯教學(xué)的要點
1．以基礎(chǔ)實驗為主導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力?；A(chǔ)實驗是《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)中的一個重要的環(huán)節(jié)，通過這些基礎(chǔ)實驗，不僅能提高學(xué)生對數(shù)字邏輯電路的認(rèn)識，更重要地是培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及有效地提高學(xué)生的動手能力，使學(xué)生在教學(xué)活動中真正學(xué)有所得，學(xué)有所獲。如我院在《數(shù)字邏輯電路》教學(xué)中安排了9個基礎(chǔ)實驗，這其中既有組合線路的設(shè)計，又有時序線路的設(shè)計，實驗體系從簡單門電路的測試延伸到較復(fù)雜電路的設(shè)計，內(nèi)容比較全面也相對合理。
2．適量增開PLD仿真實驗，提高學(xué)生綜合分析及設(shè)計能力。隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實驗手段正不斷得到更新、完善和開拓。除了可以用常規(guī)TTL邏輯器件外，也可采用可編程邏輯器件PLD，借助計算機(jī)輔助設(shè)計軟件實現(xiàn)；在《數(shù)字邏輯》實驗大綱中，安排了多項PLD實驗項目，如：LED譯碼器、八位左移寄存器和四位三級先進(jìn)后出堆棧等；像上述代碼轉(zhuǎn)換器的實例，經(jīng)過功能設(shè)計，僅需用簡單的VHDL語言實現(xiàn)。面對PLD器件及技術(shù)的迅速發(fā)展，基于PLD器件的實驗將成為今后硬件實驗的一個重要的發(fā)展方向。為此我們采用科技講座，講解理論知識，并通過興趣小組給予同學(xué)參與的機(jī)會。
通過讓學(xué)生熟悉基于PLD器件的仿真實驗的設(shè)計和開發(fā)過程，可以使學(xué)生掌握一種全新高效的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，為今后將其應(yīng)用到實際的硬件實驗中打下良好的基礎(chǔ)，從而也可使學(xué)生擺脫硬件實驗中繁瑣的物理連線，把主要精力投入到對實驗的設(shè)計及實現(xiàn)上來。
3．以開放實驗室為依托，培養(yǎng)學(xué)生主動探索的習(xí)慣。課堂上重點講授的知識和方法，學(xué)生要在自學(xué)和實驗教學(xué)這兩個環(huán)節(jié)中得到進(jìn)一步鞏固和理解。學(xué)生既可以圍繞提出的問題和學(xué)習(xí)目標(biāo)來自行設(shè)計和完成某個專題實驗，也可能會為了解決自己在自修中產(chǎn)生的一些問題及想法去進(jìn)行某個實驗。這就要求實驗教學(xué)應(yīng)該成為開放式的教學(xué)，從而充分調(diào)動學(xué)生自身的學(xué)習(xí)熱情和積極性，并使學(xué)生能夠在觀察現(xiàn)象、提出問題、分析問題和解決問題方面得到能力上的培養(yǎng)和鍛煉，并養(yǎng)成主動探索的習(xí)慣。
針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在內(nèi)容抽象、理論無法聯(lián)系實踐、復(fù)雜難學(xué)等諸多問題，提出以Proteus仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，從理論教學(xué)、實驗教學(xué)、實踐教學(xué)三個方面進(jìn)行了改革實踐，經(jīng)過幾年的實踐表明，提高了學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情、工程實踐能力和創(chuàng)新能力，教學(xué)質(zhì)量得到很大改善。
關(guān)鍵詞：
數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)；Proteus仿真；教學(xué)改革
1PROTEUS軟件介紹
PROTEUS軟件是英國LabcenterElectronics公司開發(fā)的電路分析與實物仿制及印制電路板設(shè)計軟件，是一個電子設(shè)計的教學(xué)平臺、實驗平臺和創(chuàng)新平臺，覆蓋了電工電子實驗室、電子技術(shù)實驗室，單片機(jī)應(yīng)用實驗室等全部功能。它可以對模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)及其電路組成的系統(tǒng)仿真，并進(jìn)行功能驗證，通過動態(tài)器件如電機(jī)、LED，LCD開關(guān)等，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器，實時觀看運行后的輸入輸出的效果。
2理論教學(xué)改革
根據(jù)我校地處偏遠(yuǎn)且為農(nóng)林院校的特殊情況和實際工程需要，教學(xué)內(nèi)容上舍去復(fù)雜的理論分析，注重理論分析結(jié)果的應(yīng)用，減少有關(guān)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析過程，著重介紹器件（或集成元器件）的作用、主要參數(shù)、使用方法。全系教師根據(jù)各路反饋信息，確定數(shù)字電路基礎(chǔ)、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖波形產(chǎn)生于整形，AD/DA和DA/AD轉(zhuǎn)換電路五大教學(xué)項目，每個大項目又分為幾個小的教學(xué)模塊，同時弱化或忽略掉其它相關(guān)內(nèi)容?！稊?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》是學(xué)生第一次接觸與以往截然不同的邏輯電路，其中涉及到很多電路的原理和繁瑣抽象名詞術(shù)語，這些無論板書或者多媒體課件，都會使學(xué)生覺得枯燥無味，喪失學(xué)習(xí)激情。如果教學(xué)時根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過程中利用多媒體講解原理、用法，再穿插Proteus仿真,可使理論知識直觀、形象、生動，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和記憶。例如，剛接觸常用組合邏輯電路8線-3線優(yōu)先編碼器74HC148時，學(xué)生對什么是編碼器，選通輸入端、低電平有效等名詞一頭霧水，更難以想象對輸入的編碼其輸出是怎樣的，如果有幾路信號同時輸入，究竟對哪一路優(yōu)先編碼輸出，怎樣實現(xiàn)利用功能端實現(xiàn)擴(kuò)展編碼？單靠多媒體講解，這些問題在學(xué)生腦海里像一盤漿糊，一片茫然，無疑加大了學(xué)生的理解難度。這時，教師可以在Proteus界面上形象地演示編碼器74HC148的邏輯功能，改變各個輸入端和控制端的輸入，即可用發(fā)光二極管形象的表現(xiàn)出74HC148輸出端的狀態(tài)，結(jié)合仿真現(xiàn)象形象講解，使得原來難以理解的芯片功能表也變得容易，會起到事半功倍之效，為后面的學(xué)習(xí)打下夯實的基礎(chǔ)。實踐表明，通過在課堂上現(xiàn)場穿插PROTEUS仿真教學(xué)，學(xué)生很輕松學(xué)習(xí)地譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)比較器等常用組合邏輯電路，各種觸發(fā)器、常用時序邏輯電路和555定時器的運用，以及AD,DA轉(zhuǎn)換器，對《數(shù)字電路基礎(chǔ)》的畏難情緒一掃而光。
3實驗教學(xué)改革
在我校人才培養(yǎng)方案中該課程實驗教學(xué)10學(xué)時，因受到實驗場所、時間、設(shè)備和管理等多方面因素的限制，幾乎不可能提供學(xué)生太多的實踐機(jī)會。而且，傳統(tǒng)的《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》實驗往往以驗證性實驗為主，實驗課上學(xué)生機(jī)械第按照實驗指導(dǎo)書連線，觀察實驗結(jié)果，完全沒有獨立思考和動手設(shè)計的機(jī)會，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力被嚴(yán)重制約。自從在教學(xué)中引進(jìn)PROTEUS仿真后，實驗教學(xué)也進(jìn)行了大刀闊斧的改革。首先，在講解相關(guān)理論內(nèi)容時，提前給大家布置實驗內(nèi)容，要求學(xué)生利用課余時間先進(jìn)行PROTEUS仿真，并把仿真文件傳給教師，進(jìn)行檢查指導(dǎo)，然后實驗課上再完成硬件連接。再次，加大設(shè)計實驗力度。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，實驗內(nèi)容不再以驗證性試驗為主，加大設(shè)計實驗內(nèi)容，重點放在各種芯片的應(yīng)用設(shè)計上。增加用數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計測試輸血和受血血型匹配的電路實驗，74LS138譯碼器和與非門設(shè)計控制發(fā)電機(jī)工作的邏輯電路、電子秒表實驗等設(shè)計型實驗。例如，實驗時學(xué)生利用74LS153芯片設(shè)計的血型匹配電路。A、B代表輸血者，C、D代表受血者（她們的取值00代表O型血，01代表A型血，10代表B型血，11代表AB型血），根據(jù)四個變量的取值，在輸出端用發(fā)光二極管表示是否匹配，二極管亮表示血型匹配，二極管熄滅表示血型不匹配。最后，加大實驗考核力度。為了促進(jìn)學(xué)生動手做實驗的熱情，試驗成績在課程考核成績中所占比重加大，由過去的15%，加大30%。另外，不再完全根據(jù)實驗報告和考勤給實驗成績，而是組織專門考試。學(xué)生現(xiàn)場抽取預(yù)先準(zhǔn)備好的題目，當(dāng)場做實驗，根據(jù)實驗結(jié)果和學(xué)生講解，教師現(xiàn)場給成績。
4課程設(shè)計改革
課程設(shè)計是教學(xué)中非常重要的實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取實際工程經(jīng)驗和能力，走向就業(yè)的重要途徑。但是，對于沒有實踐經(jīng)驗的學(xué)生來說，設(shè)計電路的合理、正確與否沒有判斷經(jīng)驗，容易造成器件和儀器的損壞，有時辛苦焊接好后，預(yù)期的設(shè)計結(jié)果也出不來，往往需要重新設(shè)計，造成大量的人力和資金浪費。但采用Proteus軟件后，每個學(xué)生相當(dāng)于擁有了一個完整的虛擬實驗室，學(xué)生可在ProteusISIS窗口大膽進(jìn)行電路設(shè)計、測量、調(diào)試，修改，且在安裝實物作品前就可看到結(jié)果。仿真成功后，只要安裝正確無誤、焊接可靠、布線合理，實際作品都會得到與Proteus仿真設(shè)計一致的結(jié)果。自從在課程設(shè)計環(huán)節(jié)引入Proteus仿真環(huán)節(jié)，學(xué)生設(shè)計的電子秒表、數(shù)字頻率計、拔河游戲機(jī)等作品成功率大大提高，節(jié)省了硬件投入，使學(xué)生獨立操作能力和創(chuàng)造力都得到了極致發(fā)揮。
5結(jié)束語
把Proteus仿真應(yīng)用到《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)中，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，使得枯燥無味的理論知識變得生動起來，為數(shù)電教學(xué)質(zhì)量的提高和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)提供了一種新的思路和方法。并且，該仿真軟件也可應(yīng)用到后續(xù)課程的單片機(jī)教學(xué)中來，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。
作者：孫少杰 裴玖玲 周丹 單位：塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院
關(guān)鍵詞：計算機(jī)類；數(shù)字邏輯電路；教學(xué)改革
中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）11-0073-02
當(dāng)前，國家建設(shè)和區(qū)域社會發(fā)展需要高校培養(yǎng)大批不同類型、不同層次和不同規(guī)格的高素質(zhì)應(yīng)用型人才[1]，這就要求多數(shù)地方本科高校必須從學(xué)術(shù)型或理論型向應(yīng)用型人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。這是教育在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的必然選擇[2]，也對高校教學(xué)方式的變革提出了新的要求與挑戰(zhàn)。大批以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的本科高校如何轉(zhuǎn)變教育理念，探索新的教育模式成為當(dāng)前不少專業(yè)各類課程改革的目標(biāo)和導(dǎo)向。
“數(shù)字邏輯電路”是計算機(jī)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程理論與實踐結(jié)合緊密，在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，由于受各種因素制約，顯現(xiàn)出了較多問題，通過對這些問題的梳理和分析，筆者嘗試從理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩方面入手，對教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革與探索，以期更好地配合與促進(jìn)計算機(jī)類專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
一、“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)現(xiàn)狀
（一）內(nèi)容冗余陳舊，教學(xué)方法單一
目前在不少以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的高校中，計算機(jī)類專業(yè)“數(shù)字邏輯電路”課程的教學(xué)內(nèi)容依然與重點本科高校相同，內(nèi)容多，時代感不強(qiáng)，與當(dāng)下電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用有一定的差距，更與計算機(jī)類專業(yè)的專業(yè)主干課程嚴(yán)重脫節(jié)。在實際教學(xué)過程中，這些問題使具備了一定的編程思想，思維比較活躍的計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的距離感，感覺課程內(nèi)容不實用，也認(rèn)識不到課程的重要性，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高。
在教學(xué)方法上，目前絕大部分任課教師仍然以“灌輸式”為主，盡管引入了多媒體進(jìn)行輔助教學(xué)，但實際上即便課件做得再精美，學(xué)生仍覺得內(nèi)容抽象、枯燥乏味[3]，課堂教學(xué)效果自然大打折扣。
（二）實踐內(nèi)容不豐富，考核機(jī)制不合理
目前的課內(nèi)實驗，項目多為原理性或驗證性，缺乏對學(xué)生實踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在具體實施過程中，由于實驗題目少，重復(fù)率高，學(xué)生相互依賴性較強(qiáng)，實驗結(jié)果雷同甚至互相抄襲現(xiàn)象較嚴(yán)重，無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；教師在實驗成績記載和考核方面主要依靠學(xué)生的實驗報告，很難做到真正的公平公正。
課程設(shè)計環(huán)節(jié)目前主要采用兩種方式：一是在實驗箱上用中小規(guī)模芯片搭建具有特定功能的電路；二是組裝焊接主要應(yīng)用中小規(guī)模芯片的產(chǎn)品。雖然它們可以加深學(xué)生對中小規(guī)模芯片應(yīng)用的理解，一定程度上也鍛煉了學(xué)生的電路糾錯能力，但面對日新月異的電子信息技術(shù)，如現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD等的日趨成熟和廣泛應(yīng)用，原有設(shè)計方式與實際工程應(yīng)用脫節(jié)較為嚴(yán)重的缺點顯現(xiàn)無疑，其制約了思維相對活躍的計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的個性發(fā)展，不利于調(diào)動他們對新技術(shù)探索的積極性。
二、“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)改革的新探索
（一）加強(qiáng)理論教學(xué)改革
1.加深課程認(rèn)知。相比其他專業(yè)課程，計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生普遍認(rèn)為“數(shù)字邏輯電路”與自己的專業(yè)相距甚遠(yuǎn)，重視度不夠。因此加深學(xué)生對課程的認(rèn)知，是調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性的一個重要因素。從第一節(jié)理論課就指出該課程是學(xué)習(xí)“計算機(jī)組成原理”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”等后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，使學(xué)生認(rèn)識到課程的重要性。課堂中通過一些生動現(xiàn)實的例子，譬如簡單解釋公交車IC卡、各種電器中的計時、定時系統(tǒng)等的電路原理激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生了解到電子電路的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)影響人們生產(chǎn)、生活的方方面面，并且發(fā)揮著越來越重要的作用，因此學(xué)習(xí)相關(guān)理論和知識是十分必要的。
2.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。針對計算機(jī)類專業(yè)的特點而言，教學(xué)重點應(yīng)放在應(yīng)用器件與設(shè)計系統(tǒng)方面，因此在保證課程理論體系完整和內(nèi)容連貫的前提下，對理論部分進(jìn)行合理取舍，強(qiáng)調(diào)基本器件的工作原理，重點講解器件的實際應(yīng)用。在具體教學(xué)過程中，首先根據(jù)計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生后續(xù)課程中數(shù)模互換應(yīng)用較多的實際情況，將數(shù)?；Q章節(jié)作為重點內(nèi)容展開講解；其次配合電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字邏輯器件出現(xiàn)可編程、高密度、高速度等特點，增添介紹目前流行的CPLD、FPGA等內(nèi)容，并適當(dāng)介紹硬件描述語言基礎(chǔ)；最后對因前導(dǎo)課程缺乏而導(dǎo)致學(xué)生晦澀難懂的“門電路”部分，可以將其放到課程最后進(jìn)行簡單介紹，讓學(xué)生了解即可。
（二）強(qiáng)化實踐教學(xué)
1.重構(gòu)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，創(chuàng)新考核機(jī)制。將實驗項目分為基礎(chǔ)驗證性和綜合設(shè)計性兩類?；A(chǔ)驗證性實驗的主要目的是讓學(xué)生掌握芯片的基本功能及應(yīng)用，主要采用相對“封閉式”的教學(xué)方式，即在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定實驗環(huán)境中完成。實驗項目一般是將實際芯片單片或者幾個集成芯片進(jìn)行簡單連線即可得到實驗結(jié)果，對學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的要求較低。而對于綜合設(shè)計性實驗，教師則設(shè)計較多的題目，如：交通燈控制電路設(shè)計、廣告流水燈設(shè)計、八路鎖存搶答器設(shè)計等。實驗中將學(xué)生2―3人分為一組，采用一組一題的方法。此類實驗主要采用“開放式”教學(xué)方式[4]，不限定學(xué)生采用何種方法和芯片，只要學(xué)生在教師要求的截止時間前完成并通過考核即可。
“數(shù)字邏輯電路”實驗成績原本僅占課程總成績的20%，為增加學(xué)生重視程度，現(xiàn)改為一門獨立考核的考查課程。該考查課程成績由三部分構(gòu)成：平時實驗成績、基礎(chǔ)驗證性實驗成績和綜合設(shè)計性實驗成績。其中平時成績占總成績的30%，以實驗報告、出勤和平時實驗檢查情況為評分依據(jù)；基礎(chǔ)驗證性實驗成績占總成績的50%，考核方式為期末統(tǒng)一考核，每人一組，實驗項目隨機(jī)抽??；綜合設(shè)計性實驗成績占總成績的20%，以實驗結(jié)果展示和回答教師提問等為評分依據(jù)。表1給出了基礎(chǔ)驗證性實驗考核的評分標(biāo)準(zhǔn)。
2.以學(xué)生為主體課程設(shè)計。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，以學(xué)生為本，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師只在關(guān)鍵節(jié)點介入發(fā)揮指導(dǎo)作用，使學(xué)生在鞏固基礎(chǔ)知識的同時拓展知識結(jié)構(gòu)。課程設(shè)計的選題由學(xué)生查找資料并與教師進(jìn)行充分討論后確定，選題以單元電路的應(yīng)用為鋪墊，強(qiáng)調(diào)電子系統(tǒng)的設(shè)計思路，并要求運用硬件描述語言設(shè)計系統(tǒng)。目前我們主要采用了Quartus仿真軟件，以及VHDL硬件描述語言設(shè)計并進(jìn)行仿真編譯及調(diào)試，最后下載到FPGA或CPLD芯片中，用實驗箱展示硬件實現(xiàn)效果。由于計算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)對編程語言有了較深入的了解，并具備了一定的編程思想，因此他們對于硬件描述語言的自學(xué)能力較強(qiáng)，接受也較快。在實際教學(xué)過程中，學(xué)生比較積極、主動，課程設(shè)計結(jié)束時，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為“數(shù)字邏輯電路”是門很實用的課程，收獲頗豐。
（三）發(fā)揮現(xiàn)代教育技術(shù)優(yōu)勢，豐富教學(xué)手段
1.充分利用網(wǎng)絡(luò)課程資源。利用各類教學(xué)平臺，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程，充分發(fā)揮和利用互聯(lián)網(wǎng)特性及網(wǎng)絡(luò)資源，展現(xiàn)現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)勢。網(wǎng)站為學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課堂實驗、課后總結(jié)和課外拓展創(chuàng)造條件。它主要由教學(xué)信息、公共資源、練習(xí)測試、互動交流、第二課堂以及考核評價等六個模塊組成。前三個模塊主要放置任課教師簡介、教學(xué)大綱、教學(xué)課件、教學(xué)視頻、其他高校微課、MOOC的鏈接以及任務(wù)點練習(xí)等內(nèi)容；互動交流模塊支持師生以及生生之間的實時、非實時交流，以拓展課程教學(xué)的時間和空間；第二課堂模塊存放以提升興趣和能力為目的的綜合實踐實訓(xùn)課題，包括課題題目、相關(guān)資源推薦、課題攻關(guān)小組信息及小組成果展示等內(nèi)容，模塊突破了傳統(tǒng)課程知識和思維的封閉性，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；考核評價模塊主要建立學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價體系，如通過統(tǒng)計學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)點的情況、網(wǎng)絡(luò)測驗成績、解決問題的次數(shù)等綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和效果。
2.運用計算機(jī)輔助教學(xué)。在理論教學(xué)和實驗課預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中均采用EDA仿真技術(shù)，通過實例仿真的直觀演示，使學(xué)生對器件的原理和應(yīng)用一目了然、印象深刻，更加有效地理解和掌握知識點，大大調(diào)動學(xué)生應(yīng)用芯片的興趣和動手操作的欲望。
對于大量即將轉(zhuǎn)型為培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的高等學(xué)校來說，如何構(gòu)建配套的教育教學(xué)體系是一個系統(tǒng)工程。針對這類高校計算機(jī)類專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，本文分析了“數(shù)字邏輯電路”課程在教學(xué)過程中的一些問題，并在理論教學(xué)、實踐教學(xué)以及新的教學(xué)手段和模式上進(jìn)行了一些新的嘗試和探索。從目前實際教學(xué)情況來看，改革后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性得到了提高，動手和編程能力也得到了加強(qiáng)，在計算機(jī)類專業(yè)應(yīng)用型人才方面進(jìn)行了有益的嘗試。
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