本站原创摘 要：随着高等教育改革的进一步深化,许多课程的理论教学学时都不同程度地压缩了.如何在有限的学时内让学生掌握所学知识,是每个教师所面临的新问题.论文主要介绍了在数字电子技术课程的课堂教学中,引入MAX＋plusⅡ软件,利用其方便、强大的仿真功能,帮助学生理解课程中的难点和重点,从而提高课堂教学的效率.
关 键 词：MAX＋plusⅡ；数字电子技术；课堂教学
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31462-01
UsingMAX+plusⅡSoftwaretoEnhancetheTeachingEfficiencyofDigitalElectronicTechnology
HongHai-li
(AcademyofEquipmentCommand&TechnologyDepartmentofPhotoelectricityEquipment,Beijing101416,China)
Abstract:Alongwiththehighereducationreformfurtherdeepening,manycurriculatheoreticalteachinghoursarepressed.Howtohelpthestudenttograsptheknowledgeinthelimitedhoursisanewquestionwhicheachteacherfaces.ThispaperhasintroducedtheusingofMAX+plusⅡsoftwareintheclassroomteachingofdigitalelectronictechnologycoursemainly,andhowtohelpstudentsusingitsconvenient,powerfulsimulationfunctiontounderstandthekeypointsandthedifficultiesinthecourse.Thisaimiorenhancingtheefficiencyofclassroomteaching.
Keywords:MAX+plusⅡ,DigitalElectronicTechnology,classroomteaching
1引言
数字电子技术课程是电子信息、自动化控制和计算机等专业学生的一门具有很强的工程性和实践性的专业基础课.该课程以数字电子技术的基本概念、基本理论、基本分析方法和设计方法为主要教学内容,教学中结合数字电路具有高集成度、产品种类丰富、设计灵活、应用广泛的特点,突出数字逻辑电路的分析、设计及运用,培养学生分析、解决问题以及探索、创新的能力.数字电子技术是当前迅速发展的学科之一,在这一领域内知识更新的速度远远高于整个科技领域发展的平均速度.数字电子技术课程在教学内容、教学方法以及实验手段方面必须不断更新,使学生在有限的学习时间内,更好更快地掌握所学内容,提高分析和设计数字电路的能力.
2MAX＋plusⅡ软件简介
MAX＋plusⅡ（MultipleArrayandProgrammingLogicUserSystem）软件是美国Altera公司推出的一种EDA（ElectronicDesignAutomation）工具,主要用于可编程逻辑器件（PLD）的设计与开发.它可以在Altera的网站上免费下载.该软件可运行在Unix,WindowsNT、Window95/98、Windows2000、WindowsXP等几乎所有目前流行的操作系统下.用户可以在其友好的界面下简便快捷地设计各种数字电路.它支持原理图输入、硬件描述语言输入和波形输入,具有丰富的库单元供设计者调用,其中包含74系列的全部器件,非常方便数字电子技术初学者进行数字电路的原理图设计.MAX＋plusⅡ还具有强大的仿真与分析功能,可以方便的对所设计电路进行逻辑功能仿真和时序分析.在波形仿真文件中加载不同的输入波形,可以观察到电路中各点的输出波形.配合下载线和PLD开发板,还可将所设计的电路下载到PLD开发板上进行实际测试和验证.
MAX＋plusⅡ是一个易学易用的软件,其中重要的原因是它能够提供快捷、及时、完全和细致的帮助信息.最直接的帮助来自于它的Help菜单,其工具栏中的快速帮助按钮使用起来更是方便快捷.利用它可以迅速的找到所选器件的功能表和使用方法.
使用MAX＋plusⅡ软件进行数字电路设计主要有4个阶段,即设计输入、编译、仿真和下载.设计输入就是利用MAX＋plusⅡ软件的图形编辑器或文本编辑器将所设计的电路输入到计算器中,编译是由MAX＋plusⅡ软件的编译器(Compiler）完成,主要是对设计输人文件进行逻辑化简、综合、优化和适配,最后生成编程用的编程文件；同时它还可以检查出设计时的一些错误（如：输出短路等）.只有当编译通过后,才能进行电路仿真.仿真是利用它的仿真器（Simulator）来检验电路的逻辑功能是否正确,还可以检验组合逻辑电路的竞争冒险现象以及检查时序逻辑电路的时序、延时等.下载即是利用编程器（Programmer）将设计的电路下载到实际可编程器件中.对于数字电子技术的初学者而言,只要掌握前3个阶段的用法就行了.下载阶段需要用到下载线和开发板.前3个阶段只需要1台计算机和MAX＋plusⅡ软件就够了.
3利用MAX＋plusⅡ软件,提高课堂教学效率
当前教学改革的一大特点是压缩学时,我们学校的数字电子技术课,从70学时压缩到50时学时.虽然利用先进的多媒体教学手段,教师可以在课前制作好CAI课件,大大节省了在课堂上板书和画图的时间.但是,数字电路中器件种类繁多、应用灵活,电路的分析方法、设计方法也多种多样,如果教师只是对着电路图分析逻辑功能,有些逻辑功能和逻辑现象,学生在短时间内很难理解和掌握.例如,在时序逻辑电路一章中,任意进制计数器的构成方法就非常灵活.有置数法和置零法,置数法还有不同的置法,不同型号计数器的置零与置数的方式还有所不同.当需要多片计数器构成时,不仅片与片之间的进位方式可以不同,置数和置零的方式也可以有多种.这么多不同的方法,仅靠教师对着电路图讲解,学生很难搞明白.如果利用MAX＋plusⅡ软件的仿真功能,就可以让学生清楚地看到各种不同方法构成的计数器的状态转换过程,使电路图变成了真实的电路,非常生动和形象,可以帮助学生更好地理解和掌握任意计数器的构成方法.
我们以一个简单的用74161计数器构成五进制计数器为例,介绍如何利用MAX＋plusⅡ软件帮助学生快速理解置数法和置零法的异同,以及异步控制和同步控制的区别.74161是同步二进制计数器,它的置数端LD是同步置数,而置零端RD是异步置零.检测设我们要构成的五进制计数器的状态是从000到100,状态输出取q2、q1和q0.那么,用置位法实现时,我们用100状态译码产生LD等于0信号,下一个CP到来时计数器置入000.原理电路如图1所示.用置零法实现时,我们要用101状态译码产生RD等于0信号,由于电路进入101状态后立即被置成000状态,所以101状态仅在极短的瞬间出现,在稳定状态中不包括101状态.原理电路如图2所示.
分别编译两个电路,再进行波形仿真,学生从仿真波形上可以很直观地看出两个电路的工作状态变化过程的不同之处.图3是置数法的仿真波形,当计数器计到100时,产生置数信号LD等于0,此时计数器并没有被置零,而是等到在下一个时钟到来后才被置零.这是同步置数的工作过程.图4是置零法的仿真波形,从图中可以清楚的看到,当计数器计到101时,产生置零信号RD等于0,这时计数器被立即置零,置零信号随即消失.101状态和RD等于0都是在极短的瞬间出现.101状态不能作为计数器的有效状态.这是异步置零信号的工作过程.在置零法中,置零信号持续的时间极短,这种接法的电路可靠性不高.
图1置数法实现的五进制计数器
图2置零法实现的五进制计数器
图3置数法仿真波形
图4置零法仿真波形
如果将q2、q1和q0作为一组以十进制方式显示,可以更直观地观察计数器的计数规律.图5是以十进制数来显示置零法计数输出的结果.通过这样的电路仿真,可以使学生对同步控制信号和异步控制信号的工作时序留下了深刻的印象,比空洞的理论讲解更容易让学生理解.
图5置零法五进制计数器的输出
4结束语
将MAX＋plusⅡ软件应用到课堂教学中,能为学生营造出具有丰富参与感和真实感的虚拟学习环境,在课堂教学过程中把具有理论指导意义的各类电路进行仿真,使学生不仅加深对电路的感性认识,而且对电路的理论知识、电路的结构以及信号在电路中的处理都产生新的认识.
利用MAX＋plusⅡ软件将教学过程中许多抽象和难理解的内容具体化、直观化,便于理解,突出了重点和难点,加大了教学信息量,提高了教学效率,有利于学生能力的提高.通过MAX＋plusⅡ软件在课堂上对电路的仿真,解决了传统教学中课堂教学与实验教学严重脱节的问题.
利用MAX＋plusⅡ软件,还可以将一些基础知识部分的练习、例题和习题在课堂上讲解,通过计算机仿真,学生不仅能观察到一些在理论学习中可能忽略的现象,还能积累许多实用的知识和经验,加深对基础知识的理解,同时也能激发学生的学习兴趣和进一步探索的.