基于元件的電子電路CAI課件的構(gòu)思與實(shí)現(xiàn)

1、基于“元件”的電子電路CAI課件的構(gòu)思與實(shí)現(xiàn)成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系邱寄帆摘要：本文介紹了向用戶提供元件庫(kù)和電路編輯器，用戶可構(gòu)建并仿真運(yùn)行任意電路，觀察電路運(yùn)作過(guò)程和原理，取得運(yùn)行結(jié)果的電子電路CAI軟件的設(shè)計(jì)思想與方法。實(shí)現(xiàn)該方法須采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。最后介紹了一個(gè)CAI課件實(shí)例。關(guān)鍵詞：元件CAI計(jì)算機(jī)仿真電路識(shí)別數(shù)學(xué)模型Conception and Realization of Courseware Electronic Circuit CAIBased on “Component”Abstract: This article is an introduction of the

2、conception and method of designing electronic circuit CAI software, which provides users with component library and editor,and users can design and simulation any circuit, observe the process and theory of circuits and obtain the results of simulation. To realize this method, the technique of comput

3、er simulation is needed. At the end of this article, a CAI courseware example is included.Key Words: ComponentCAI computer-simulation circuit-recognition mathematics-model在大力倡導(dǎo)全新教育觀念、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段，全面推行素質(zhì)教育的今天，作為代表先進(jìn)教學(xué)方法及手段的CAI在現(xiàn)代教學(xué)中的重要地位和作用，已是不爭(zhēng)的事實(shí)。近年來(lái)，在大家的共同努力下，越來(lái)越多的CAI課件被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并具體應(yīng)用，收到了很好的教學(xué)效果。如何開(kāi)

4、發(fā)出真正質(zhì)量高、實(shí)用性強(qiáng)、效果好的CAI課件，不論是在設(shè)計(jì)理念上還是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法上，仍是擺在我們面前的一個(gè)重要課題。本文就高校電子電路類課程（包括模擬電子線路、數(shù)字邏輯電路、電路分析、微機(jī)原理與應(yīng)用等）的CAI軟件的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行討論。一、設(shè)計(jì)思想我們接觸到的一些CAI課件存在的問(wèn)題是：1. 課件僅能向用戶提供數(shù)量有限且內(nèi)容固定的電路，缺乏開(kāi)放性和靈活性；2. 某些課件幾乎就是某一特定教科書(shū)的簡(jiǎn)單翻版，未能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效能、缺乏資源共享性和生動(dòng)性；3. 用戶不能有效地參與，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、想象力和創(chuàng)造力，缺乏交互性。我們發(fā)現(xiàn)，電子電路類課程的共性是：課程主

5、要內(nèi)容是對(duì)電路的構(gòu)成和工作原理進(jìn)行分析和介紹，而任何電路都是由電子元件按一定方式連接而成的。根據(jù)上述特點(diǎn)，基于“元件”的CAI軟件的設(shè)計(jì)思想是：不僅向用戶提供大量典型電路，而且向用戶提供元件庫(kù)，用戶利用元件庫(kù)及圖形編輯器可隨心所欲的構(gòu)造任意電路，并作仿真運(yùn)行演示，從而觀察電路的工作原理及工作過(guò)程，突出培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度看，這種程序設(shè)計(jì)思想要求采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。用上述設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)的軟件，不是以某一特定教材為藍(lán)本的課件或電子教案，而是一個(gè)某課程普遍適用的基于教學(xué)的電路模擬與仿真軟件。由于課件向用戶提供了電路編輯手段，用戶具有電路構(gòu)造權(quán)，因此這種CAI軟件實(shí)際上是一個(gè)集計(jì)算機(jī)輔助

6、教學(xué)、輔助設(shè)計(jì)、輔助分析于一體的多功能軟件。具體地講，這種基于“元件”的具有仿真功能的CAI課件有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 可仿真演示電路的工作原理和工作過(guò)程，觀察電路的運(yùn)作過(guò)程及每個(gè)元件狀態(tài)的變化細(xì)節(jié)。2. 由于用戶可編輯和構(gòu)造電路，故軟件可仿真演示學(xué)生感興趣的任意電路。3. 軟件能生動(dòng)、形象、直觀、準(zhǔn)確地展現(xiàn)電路狀態(tài)的變化過(guò)程，這種直觀形象的仿真演示能取得包括做實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的其他手段幾乎無(wú)法取得的效果。4. 能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和想象力、創(chuàng)造力。5. 驗(yàn)證電路功能，做虛擬實(shí)驗(yàn)。由于元件庫(kù)中的每個(gè)“元件”都以其真實(shí)元件邏輯功能的數(shù)學(xué)模型加以描述，所以對(duì)電路的仿真結(jié)果和實(shí)際電路的結(jié)果是一致的。6. 可

7、提高電路設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，并可避免因元器件、電路板等質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致的得不到電路結(jié)果的非人為因素的影響。二、實(shí)現(xiàn)方法1. 功能模塊的開(kāi)發(fā)由于軟件允許用戶自行設(shè)計(jì)構(gòu)造電路，并采用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，所以不可避免地涉及到了元件庫(kù)模塊、電路圖編輯器模塊、電路識(shí)別軟件、電路仿真運(yùn)行及環(huán)境支持模塊等多個(gè)功能模塊的開(kāi)發(fā)。 元件庫(kù)模塊確定元件庫(kù)的所有元件，并建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)和依據(jù)。例如在我們開(kāi)發(fā)的數(shù)字邏輯電路CAI元件庫(kù)中的JK觸發(fā)器，我們已知其特征方程為：。如果現(xiàn)在用LastState表示Qn，用NewState表示Qn+1，則在VB6中可用一函數(shù)來(lái)表示JK觸發(fā)器的邏輯功能（特征

8、方程）：Function NewState(J As Boolean,K As Boolean,LastState As Boolean) As Boolean NewState=(J And (Not LastState) Or (Not K) And LastState)End Function 電路圖編輯器模塊 應(yīng)向用戶提供一個(gè)類似Protel中的Schedit電路原理圖編輯器，編輯功能應(yīng)豐富完善，使用戶能夠方便快捷地編輯電路圖。 電路識(shí)別軟件模塊 該模塊用于用戶在電路編輯過(guò)程中或完成后，確定構(gòu)成電路圖的各元件間的相互連接關(guān)系。該模塊的成功與否直接關(guān)系到電路仿真功能是否能實(shí)現(xiàn)，從而關(guān)系到

9、整個(gè)軟件的成敗，所以該模塊是整個(gè)軟件的核心內(nèi)容之一，也是軟件的技術(shù)難點(diǎn)所在。一個(gè)對(duì)元件結(jié)構(gòu)模型科學(xué)合理的描述和元件登記方法是解決問(wèn)題的前提和條件。我們?cè)跀?shù)字邏輯電路CAI中對(duì)元件結(jié)構(gòu)有如下描述：Type ComponentRecComponentType As Byte 元件類別Direction As Byte元件放置方向PositionX As Byte在繪圖區(qū)的X坐標(biāo)值PositionY As Byte 在繪圖區(qū)的Y坐標(biāo)值 NextComponentPtr(20) As Integer 本元件的下級(jí)元件 PinsInfo As String*20 元件管腳信息Value As Byte

10、元件的值Text As String*20 附屬文字信息 End Type對(duì)用戶在編輯環(huán)境中放置的元件用ComponentRec結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)組進(jìn)行登記：Public Conponent() As ComponentRec 定義結(jié)構(gòu)型動(dòng)態(tài)數(shù)組 電路仿真運(yùn)行及環(huán)境支持模塊 在電路識(shí)別及參數(shù)配置完成后即可作仿真運(yùn)行了。仿真運(yùn)行的過(guò)程是從輸入信號(hào)加到電路輸入端開(kāi)始，逐級(jí)向后推進(jìn)直到輸出端，整個(gè)過(guò)程完全模擬真實(shí)電路的工作情況，只是將電路的工作速度降低若干個(gè)數(shù)量級(jí)，方便用戶觀察分析。該模塊還應(yīng)提供仿真運(yùn)行所必需的支持環(huán)境，如運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、仿真速度、線型、色彩配置等。2. 軟件的組織結(jié)構(gòu)我們上面討論

11、了構(gòu)成一個(gè)CAI軟件的幾大主要模塊，然而一個(gè)完整的程序還應(yīng)具備一些相應(yīng)的輔助功能。這些功能模塊之間的相互關(guān)系如圖所示。原理圖編輯器磁盤文件參數(shù)配置及 數(shù)據(jù)處理模塊電路識(shí) 別模塊實(shí)例文件仿真演示模塊數(shù)學(xué)模型元件庫(kù)運(yùn)行支持環(huán)境圖軟件的組織結(jié)構(gòu)3. 電路的仿真運(yùn)行過(guò)程 通過(guò)上述討論，從圖我們已經(jīng)知道，用戶所編輯構(gòu)造的一個(gè)電路，需經(jīng)過(guò)電路識(shí)別、參數(shù)配置和數(shù)據(jù)處理后才能作仿真運(yùn)行。在仿真過(guò)程中，系統(tǒng)并不能事先確定某個(gè)元件或器件的下一個(gè)狀態(tài)，而是根據(jù)該器件當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)和自身的邏輯功能（數(shù)學(xué)模型）在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)確定的。仍以數(shù)字邏輯電路CAI為例，仿真運(yùn)行流程圖如圖所示。開(kāi)始獲取電路輸入?yún)?shù)輸入端仿真取得

12、所連下級(jí)所有元件YY是輸出端嗎NN讀取元件輸入端狀態(tài)元件的原狀態(tài)數(shù)學(xué)模型決定元件新?tīng)顟B(tài)輸出端仿真根據(jù)元件新?tīng)顟B(tài)確定 下級(jí)連線的新?tīng)顟B(tài)輸出真值表畫(huà)真值表NY輸出表達(dá)式畫(huà)邏輯表達(dá)式畫(huà)波形圖輸出波形圖NYN仿真結(jié)束嗎YN結(jié)束圖數(shù)字邏輯電路CAI的仿真運(yùn)行流程圖我們知道，對(duì)于時(shí)序邏輯電路，電路（或元件）的次態(tài)是原態(tài)和輸入的函數(shù)，如JK觸發(fā)器，有：。由圖可見(jiàn)，元件的新?tīng)顟B(tài)是由該元件的當(dāng)前輸入信號(hào)、描述該元件邏輯功能的數(shù)學(xué)模型和元件的原狀態(tài)幾者共同決定的。三、實(shí)例簡(jiǎn)介基于上述思想和方法，筆者結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)幾年的努力，成功研制開(kāi)發(fā)了數(shù)字邏輯電路CAI課件。該課件功能較強(qiáng)，內(nèi)容豐富完善，使用方便靈活，

13、具有很好的交互式人機(jī)界面，能充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的先進(jìn)性、科學(xué)性、生動(dòng)性和趣味性，多達(dá)幾千機(jī)時(shí)的實(shí)際使用和學(xué)術(shù)交流的反饋意見(jiàn)均表明：使用該課件能取得較傳統(tǒng)教學(xué)方法更好的教學(xué)效果。數(shù)字邏輯電路CAI課件的主要功能特性和技術(shù)指標(biāo)如下：l 元件庫(kù)包含所有門電路、觸發(fā)器和常用的74系列中規(guī)模集成電路等幾十種不同的元器件，足以滿足教學(xué)中可能遇到的任何電路。l 類似Protel中的Schedit電路原理圖編輯器，電路設(shè)計(jì)隨心所欲。l 可仿真演示任意電路的工作原理和過(guò)程，并同步生成真值表、邏輯函數(shù)表達(dá)式和波形圖。l 內(nèi)置教材中二百個(gè)典型電路，引用簡(jiǎn)便快捷。l 具有波形序列模式、同步真值表及表達(dá)式模式、一次

14、性初值模式和連續(xù)時(shí)鐘模式等四種仿真運(yùn)行模式。l 電路的運(yùn)行仿真過(guò)程形象生動(dòng)。l 參數(shù)調(diào)整方便快捷，有些參數(shù)甚至可在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。l 虛擬現(xiàn)實(shí)靈活直觀，使用該課件做虛擬實(shí)驗(yàn)可得到和真實(shí)實(shí)驗(yàn)完全相同的結(jié)果。l 易學(xué)易用、界面友好、方便自學(xué)，且?guī)椭到y(tǒng)豐富完善。l 軟件平臺(tái)：Windows95/98/2000/NT。l 一個(gè)電路含元件數(shù)量：32768個(gè)。l 真值表輸入變量個(gè)數(shù)：6變量；輸出端個(gè)數(shù)：10。l 邏輯函數(shù)表達(dá)式數(shù)量：10。l 波形圖輸入波形數(shù)量：10；輸出波形數(shù)量：10。數(shù)字邏輯電路CAI課件已由清華大學(xué)出版社于2000年12月正式出版發(fā)行。該課件于98年12月獲航空工業(yè)總公司所屬院校 CAI 課件及電教教材專項(xiàng)評(píng)比一等獎(jiǎng)?？傊?，這種基于“元件”的CAI軟件設(shè)計(jì)思想和方法，可使我們對(duì)CAI軟件進(jìn)行較為深度的開(kāi)發(fā)，從而產(chǎn)生更高質(zhì)量和更具實(shí)用價(jià)值的CAI課件，在教學(xué)改革中發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn)