数字逻辑电路精品实验项目的设计与实践

王心刚， 贺 利， 张冬至， 姜文聪， 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

数字逻辑电路精品实验项目的设计与实践

王心刚， 贺 利， 张冬至， 姜文聪， 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

数字逻辑电路综合设计性实验-汽车尾灯控制电路将《电工电子学》课程中数字逻辑电路部分的内容融合于一体，作为一个精品实验项目进行建设。项目实施过程中理论教学与实验教学相辅相成，实验预习作为理论课的大作业，通过小组合作的方式完成，保证高质量的预习效果；学生自主设计实验步骤，个人独立完成实验；实验时间由2学时改为4学时，保障学生有充分的分析问题、解决问题、优化电路的时间。从学生提交的多种预习设计方案以及实验过程中排除故障、优化方案来看，该精品实验项目培养了学生运用知识解决问题的能力，提高了学生工程实践能力。

数字逻辑电路； 汽车尾灯控制电路； 精品实验项目； 实验预习； 工程实践能力

0 引 言

通过精品实验项目建设，提高实验教学质量，培养学生实践能力和创新能力，各高校都在进行探索和实践，并取得了良好的效果[1-5]。我校目前也开启了精品实验项目建设计划，通过打造一个个具体的精品实验，构建以培养学生实践能力和创新能力为目标的实验教学体系，全面提升我校实验教学质量[6]。在长期教学经验积累的基础上，通过对电工电子学课程中数字逻辑电路内容的梳理，设计了“数字逻辑电路综合设计性实验-汽车尾灯控制电路”作为精品实验项目。该项目将两个成熟的小型设计性实验内容进行加工、提炼合成一个有设计情境的综合实验。项目实施中改变观念，理论教学与实验教学相辅相成，理论教学老师负责实验预习部分，以保证预习质量；加长实验时间，以保证学生有分析问题、解决问题的时间；采取小组合作预习、个人独立实验，以保证每个学生都能得到锻炼。通过这些措施使学生在查阅资料、实验设计、实验操作等方面得到系统训练，增强了学生对理论知识的综合运用能力，促进了师生之间、学生之间的交流，达到了高质量培养素质人才的目的。

1 精品实验项目的设计

精品实验项目应有时间的积淀和综合性[7]。电工电子学[8]课程数字逻辑电路部分授课内容主要包含组合逻辑电路和时序逻辑电路，针对这两部分内容，开设的设计性实验有两个。一个是“组合逻辑电路的设计”，要求用与非门74LS00完成下列电路设计：①F=ABC、F=A+B等；②三变量表决电路的设计。另一个是“计数、译码和显示电路”，要求用74LS90和74LS161实现60进制计数器[9]。这两个设计性的实验能让学生巩固理论授课的相关知识，但按精品实验的要求，这两个实验的设计性和综合性就显得不够了。两个实验的设计要求过于明确，学生无需对知识进行整合和筛选就能完成。

汽车尾灯控制电路包含了组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计，其设计要求如下：假设汽车尾部左右两侧各4个指示灯(实验箱上用发光二极管模拟，仿真用PROBE模拟)。① 汽车正常运行时指示灯全灭。② 汽车右转弯时，右侧4个指示灯从左向右循环顺序点亮。③ 汽车左转弯时，左侧4个指示灯从右向左循环顺序点亮。④ 汽车刹车时两侧指示灯同时亮。⑤ 脉冲电路不需要设计，由实验箱提供。

选用汽车尾灯控制电路作为精品实验来建设，是因为它有以下3个特点。

(1) 实验内容设计性、综合性强。汽车尾灯控制电路包含了数字电路的主要内容，其设计要求只有电路功能的描述，学生为了完成任务就需要在宏观上了解数字逻辑电路的所有内容，将所学知识进行筛选和整合，在微观上再把自己用到的内容强化学习，最后得到项目方案。

(2) 巧设情景，激发学生制作电路的兴趣。学生熟悉汽车，知道汽车尾灯的工作过程。将实验内容用汽车的形式展现出来，让学生感到学有所用，引起学生兴趣，提高学生设计电路的积极性。

(3) 相关实验方案易查阅，且具有多样性。学生在查阅资料时可以方便查到用数字芯片、单片机、PLC等不同器件实现的汽车尾灯控制电路的方案，学生在看这些资料时有些虽然难以深刻理解，但可以达到开卷有益、开阔思路的效果。

2 精品实验项目的实施

2.1理论教学注重学生设计思维的训练

理论教学遵照先讲解理论知识，再介绍相关芯片及其设计电路的思路，最后仿真演示应用电路的顺序组织授课内容。

比如与或非等逻辑门讲完后，会介绍相关芯片，让学生用与非门实现F=A+B，并用Multisim仿真验证其正确性；分析了组合逻辑电路F=A⊕B⊕C的功能后，会介绍数据传输中如何判断接收数据是否正确的方法—奇偶校验，此电路可以判断是否有1位传错；编码器、译码器讲完后，会介绍芯片74LS148、74LS138和74LS48，课堂上带领学生设计6人病房呼叫系统，用7段数码管显示呼叫病人，课下要求学生在此基础上改造，用PROBE显示呼叫病人，实现8人病房呼叫系统并仿真验证，学生实现的电路之一如图1所示，从设计方案可以看出学生不仅掌握了设计思路，还熟练掌握了74LS148、74LS138芯片，为后面设计汽车尾灯控制电路做好了准备；触发器讲完后，会介绍芯片74LS74、74LS175和74LS112，设计2/4/8计数器/分频器以及4人抢答电路；计数器介绍芯片74LS161、74LS90及其应用后，要求学生设计一个秒表等。

2.2小组合作预习、理论授课老师把关，保证预习的质量

凡事预则立，不预则废。做实验也不例外。预习不充分，实验中遇到问题没有解决思路，出现的异常现象不能深入思考背后的实质，不利于学生的实验技能提高。因此实验预习的重要性怎么强调也不过分。

电工电子学课程理论教学和实验教学分别是由不同老师授课的。实验预习报告要求学生在实验前完成，实验时交给实验老师。由于没有督促，很多学生都是临实验前匆匆完成实验预习报告。对于汽车尾灯控制电路，学生不经过深思熟虑，很难完成预习报告。为了保证预习报告的质量，鼓励学生独立自主的完成设计方案，对预习报告环节进行了改革。

在数字逻辑电路部分授课结束后，理论老师布置一个大作业，作业需完成的内容则是设计汽车尾灯控制电路，即实验预习的内容。采取小组合作预习方式，一个小组两个人，可以本班组合，也可以与其他班组合，组合原则是志趣相投。建立QQ群，学生查阅资料后，与老师、同学交流，每组确定自己的方案，一周内将作业提交给理论老师。大作业在理论课平时成绩中占20%。

图1 学生设计完成的8人病房呼叫系统仿真电路

为了更好地引导学生运用所学知识，要求实现的方案需用实验室提供的芯片完成，芯片包括74LS00、74LS08、74LS20、74LS138、74LS90、74LS161、74LS112 、74LS175。应用Multisim辅助实验教学，可以提高实验教学质量与效率，增强学生的实验兴趣与创新意识[10-12]。因此，要求学生方案设计出来后采用Multisim[13-15]仿真验证，并将仿真文件提交给理论老师。理论老师只检查是否完成了设计要求，不评价方案优劣。

学生提交的设计方案有简单的有复杂的。对于复杂的设计方案理论老师只是提醒学生思考是否还能简化，不否定其方案。由于篇幅有限，这里图2～图4只展示了学生设计的3种方案。从这3个方案可以看到学生活跃的设计思维。方案1和2设计思路巧妙，方案合理。大部分学生采用这种设计思路，只是在单元电路上有区别。比如方案1中，学生用3个与非门U12A、U13A、U14A实现或逻辑，用来选择译码器74LS138的工作状态；方案2中，学生用两个二极管1N1202C实现或逻辑，用来选择译码器74LS138的工作状态，对于这个方案，理论老师需提醒学生在实际连电路时，二极管需要串联一个合适阻值的电阻。还有的方案计数电路采用74LS90或74LS112实现，而不是用方案1和方案2中的74LS161实现。方案3理论可行，但实际并不这样做，为什么不这样做，在理论课上学生没有找到答案，到了实验室，实际完成电路时，按此方案做的学生深刻体会到，复杂的电路不仅使用器件、导线多，出故障也多，实验用的时间远远超过了方案简单的同学，按此方案设计的同学在实验室都对该方案进行了修改。

2.3个人独立实验，保证每个学生得到锻炼

图2 学生设计的汽车尾灯控制电路之方案1

小组合作预习可以解决个人知识储备不足，时间短、任务重的问题。为了避免搭便车的现象，到实验室做实验时，个人独立设计实验步骤、搭建实验电路、分析实验现象。采取这种实验方式既可以培养学生团结协作的团队精神，又督促了每个人在小组预习中积极参与，熟悉设计方案的工作原理，为个人顺利完成实验做好准备。

2.4延长实验时间，让学生沉心静气地完成实验

汽车尾灯控制电路是一个综合性很强的实验，实验的工作量增加不少，因此，将实验时间由2学时改为4学时，保证学生有充足的时间搭建电路、分析实验现象、改进电路。设计了实验过程记录表，引导学生记录实验过程，将遇到的问题和解决的方案记录下来。

一个预习方案为图3所示方案的学生，他的实验过程记录表中的活动内容如下所示：①检查导线通断；②连计数器电路，显示正确；③连接完成实验电路；④接通电源，操作开关，发现指示灯能够闪烁；⑤发现电路有问题，都接高电位不亮，都接低电位全亮，并且一个开关能控制两边灯的点亮；⑥检查整改电路。简化电路，将与非门U12A去掉，换成一根导线，在两个二极管后面接一个1 kΩ电阻，将单刀双掷开关换成0、1位开关；⑦验证电路，电路运行正常，能够实现设计要求。

充足的时间使得学生可以沉心静气地完成实验，并在实验中发现问题解决问题，优化电路。做完实验后，该同学实验报告中的仿真电路如图5所示。相比图3所示方案，图5的方案更简化，更合理。

图3 学生设计的汽车尾灯控制电路之方案2

图4 学生设计的汽车尾灯控制电路之方案3

图5 学生优化的方案

3 结 语

汽车尾灯控制电路将电工电子学课程中数字电路的内容融合在一个实验中，对于没有数字电路设计经验的学生来说其难度是很大的。教师需改变重理论、轻实验的观念，改革理论授课方式，课堂上训练学生的设计思维，为顺利完成实验打下理论基础。从实验的预习到实验步骤的设计、实验的完成充分融入主体性教育，突出学生的主体地位，发挥学生的主动性和能动性[16]。学生多种预习方案以及独立实施、优化方案，说明此实验项目培养了学生运用知识解决问题的能力，提高了学生工程实践能力。

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DesignandPracticeofExperimentalProjectinDigitalLogicCircuit

WANGXingang，HELi，ZHANGDongzhi，JIANGWencong，RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Control circuit design for automobile tail light was proposed as a high-quality experimental project for integrating the digital logic circuit part in the courses of electrical and electronics. The project was performed through theoretical teaching and experimental teaching complements. The experiment preview was completed as a complicated theoretical homework and team cooperation was used to ensure a good learning effect. The related experiment was designed and done by the student independently, and the corresponding experimental duration was increased from two hours to four hours in order to guarantee the students have sufficient time to analyze, solve and optimize the experimental problems. From the various design, troubleshooting and optimization completed by the students, this project is beneficial to cultivate the ability of solving problems using the mastered knowledge and improves the students’ engineering practical ability.

digital logic circuit； automobile tail light control circuit； high-quality experimental project； experiment preview； engineering practice ability

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0175-04

2016-10-08

山东省教学改革研究项目(B2016M007)；山东省重点教改项目(2015Z025)；中国石油大学(华东)教改项目(JS201406)

王心刚(1969-) ，男，山东高密人，学士，副教授，研究方向电气控制及自动化。Tel.：18266639970；E-mail: wxg7038@ sina.com