《数字电路技术》模拟实验系统设计和实现文献综述

 2023-02-26 11:02

实验是人类认识和改造世界的一种重要途径。实验过程中实验现象直观而又形象以及实验带给学生的身临其境感不但增强了学生感性认识,让学生从死记硬背、生搬硬套的书本理论教学中解放出来,同时也让学生在自己动手操作、总结、思考中学习到知识,激发了学生的学习兴趣。

数字电路实验是计算机科学与技术专业教学的一个重要内容,实验室的水平要不断改进与提高来适应学科的发展。用于教学中的模拟实验系统,通过把教学内容、实验设备、教师指导、学生操作等多方面有机的结合融为一体,不仅可以部分替代实际实验,而且在实际实验前后都能发挥积极的作用。比如学生在实际实验前就用模拟实验系统进行预习,这可以帮助学生从实验的整体到局部建立起直观的感性认识,有效的克服在实际实验中出现的盲目操作和实际实验不能全程投入实验的现象。同时对于一些难度大、步骤多的实验,在做完实际实验操作之后再通过模拟实验系统重做一遍可以让学生了解每一个实验步骤在实验过程中所起到的作用。教师也可以通过实验的需要来灵活的安排实验的时间及顺序。

由此看出,模拟实验系统的设计与发展势不可挡。它不仅是实验教学理论发展的要求,同时也是实验教学领域中技术发展后的必然结果。虽然模拟实验系统不能代替真实的实验,但模拟实验系统是现代计算机技术与先进的教学理论在电子实验中的运用,具有广阔的发展前景。

国内关于数字电路技术模拟实验系统的起步较晚,在早期研究的范围也比较狭窄,早期文献中仅仅是把可编程逻辑器件(PLD)作为研究的方向。戴育良[10]指出了数字电路教学改革的必要性并探讨了PLD应用于数字电路技术教学改革的种种优势。传统仪器功能固定且单一,仪器使用多年后,精度和灵敏度便会有一定程度的下降,在实验过程中常常会因为仪器的原因导致实验数据产生一些误差而浪费大量的时间进行检查。通过PLD的应用便可很好的解决这一问题,但是PLD并无法有效的成为一种模拟实验系统而仅仅是模拟实验系统对数字电路技术教学改革的一种尝试。

于是经过越来越多的学者的不断探索与技术的发展,Multisim软件出现了,Multisim是美国国家仪器公司推出的以windows为基础的仿真工具。石冬梅[8]完成了基于Multisim的虚拟电子实验系统设计。同年王连英[5]也完成了基于Multisim 10的电子仿真实验与设计。Multisim允许子电路作为组件从而扩展模拟电路的规模。在复杂数字电路系统设计中合理使用子电路功能可以大大简化系统,提高效率。经过Multisim设计出的模拟实验系统的设计是对数字电路技术模拟实验系统的进步有了长足的推动,但是Multisim软件并非开源且需要一定的学习过程,对于单人进行设计的负担较大的同时也需要大量的时间。

同时美国国家仪器公司带来了另一款程序开发环境LabVIEW。钱声强等人[4]完成了基于LabVIEW的数字电路课程远程实验平台开发。夏锴,舞萍萍[2]也实现了基于LabVIEW的数字电子技术实验系统。同时苏力,雷瑛[3]指出了LabVIEW在数字电子技术课程中的应用。其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G语言编写程序。同时美国国家仪器公司提出了虚拟测量仪器VI(Virtual Instrument)的这一概念,引发了传统仪器领域的一场重大变革,使得计算机和网络技术得以进入仪器领域,和仪器技术结合起来,开创了软件即是仪器的先河。但是与Multisim软件类似的是LabVIEW也并非开源的,在设计模拟实验系统的过程中,经费和时间必不可少。

随着世界科技的飞速发展与课程教学内容的不断更新,传统的实验教学方式日益暴露出一些缺陷和不足。EDA(Electronics Design Automation)技术即电子设计自动化技术便在此时进入了学者的眼帘。毕春跃等人[10]指出了基于EDA技术的电子电路教学改革的必要性,随着大规模及超大规模PLD的出现,现代数字系统的设计要求也越来越高,市场需求前景广阔。如果在数字电路技术的教学中引入EDA技术,这项技术带来的强大的仿真功能很容易把实践带入课堂,将EDA仿真软件应用到教学中也是一种教学手段的创新,同时也是提高教学质量的方法之一。EDA技术与数字电路技术教学的有效结合,一定程度上使教学方式产生了很大的变化,在当时可谓先进。

然而近年来,随着单一编程软件所设计的模拟实验系统功能趋于饱和,学者们便将研究领域转向了更为广阔的混合编程。杨立娜等人[6]完成了基于Multisim和LabVIEW的模拟电路虚拟实验平台的设计便是混合编程运用于数字电路技术模拟实验系统的范例之一。鉴于LabVIEW和Multisim的优点,在LabVIEW中调用和操作Multisim可以实现LabVIEW和Multisim的混合编程,充分发挥两者的优势,设计出来的模拟实验系统便具有更为丰富的功能,然而与之相对的研发成本和研发时间便不是一个研究者所能实现的,而是需要整个研究团队。

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