數字電路教學范文

摘要：借助“數字邏輯及數字系統綜合實驗實訓平臺”，結合“LED點陣顯示漢字”設計案例，用FPGA實現數字電路綜合設計教學改革。在目標任務的達成過程中，學生會漸漸意識到不同設計方法的優劣，從而迫切想要改變自己的設計方法，提高自己的設計水平。為更高效率地完成設計，學生能夠自覺主動地探索新的知識領域，如饑似渴地學習新的設計方法，從而不斷激發學習興趣，拓寬和延伸設計思路，加強實踐動手能力，提升成長型學習思維能力，提高應用型人才的培養質量。

關鍵字：教學改革；數字電路設計；教學平臺；設計方法；應用型人才培養

引言

FPGA(FieldProgrammableGatesArray)，既能夠實現74系列芯片的功能，也能夠實現大規模集成電路CPU系列的功能，即它的功能是可以通過編程實現的。目前，很多學校把使用FPGA實現數字電路功能的設計思路引入到數字電路的教學中[1-8]，使得數字電路設計風格更靈活、設計效率更高。我校為實現《數字邏輯及應用》和EDA技術兩門課程融合，嘗試了很多方法，比如搭建共同的實驗平臺“數字邏輯及數字系統綜合實驗實訓平臺”，使用共同的設計軟件QuartusII，《數字邏輯設計及應用》立足于原理圖輸入法設計數字電路，EDA技術立足于硬件描述語言設計數字電路，這些措施提高了學生對于數字電路設計的歷史和發展的認知，但對兩種方法彼此之間的借鑒和融合還比較陌生。論文借助“LED點陣顯示”案例，探索用原理圖輸入法設計數字電路的某些弊端，而這些弊端促使學生學習新的設計方法，比如借助HDL描述數字電路，從而更好地促進兩門課程的融合。

1實驗平臺

2015年我校組織研發了“數字邏輯及數字系統綜合實驗實訓平臺”，如圖1所示。該平臺以FPGA（FieldProgrammableGatesArray，現場可編程門陣列）為核心，以綜合性、創新性實驗為導向，具有豐富的外設接口、豐富的設計資源，借助該平臺，學生可以使用EDA（ElectronicDesignAutomatic）技術實現復雜的數字電路設計，不僅能強化實踐應用能力[1]，且能使設計風格更靈活、設計效率更高。借助該平臺，我們開發了一系列的數字電路綜合實驗設計，提高學生的設計創新和實踐應用能力。借助該平臺，用原理圖實現數字電路設計和用硬件描述語言實現數字電路設計的融合程度越來越高。

2“LED點陣顯示”顯示字的原理圖實現方法

圖2為平臺中各外設片選信號控制電路，由圖2可知，要讓LED點陣顯示正常工作，需MATRIX-PWR_CS=0，即CS_74HC138=1，ADDR_SEL2～ADDR_SEL0=110。圖3為外設“LED點陣顯示”電路。由圖3可知，在LED點陣顯示中，要使LED點陣中LED燈亮，需使其陽極接高電平，陰極接低電平。LED陽極由MATRIX_CS0～MATRIX_CS15控制，若MATRIX_CS*=0，則相應的PNP管導通，3.3V電壓加在LED陽極；MATRIX_CS*由U2674154控制，當DISP_CS=1時，NPN管導通，G1=0，74154正常工作；此時控制DISP_SEL0～DISP_SEL3，則可控制相應的MATRIX_CS*=0。LED陰極由A0～A15控制，若A*=0，則低電平加在LED陰極。圖4為LED點陣顯示“亮”“宇”二字的電路圖，其中令buzz=1的目的是讓蜂鳴器不響。用兩個8count對49.152MHz的晶振進行4096分頻，同時disp_sel[3:0]得到0000～1111，意味著MATRIX_CS0～MATRIX_CS15控制的LED點陣顯示中32～17行陽極依次為1。用PCtoLCD2002分別生成“亮”“宇”的字模，共32個16位二進制數，其中點陣格式為“陽碼”，取模走向為“順向”，取模方式為“逐行式”。其中“亮”的字模為：“宇”的字模為：將“亮”的字模逆序放在rom_word_word的前16個存儲單元，將“宇”的字模逆序放在rom_word_word的后16個存儲單元，rom_word_word的地址由74163來實現。由key1控制顯示哪個字，當key1=1時，顯示“亮”字，當key1=0時，顯示“宇”字。

摘要：

針對硬件課程實踐環節在提高學生解決實際問題能力上效果不理想、課程之間銜接不好等問題，基于CDIO工程教育理念，結合“try”教學方法，基于數字電路設計課程的實踐環節，提出一種新的教學模式。

關鍵詞：

CDIO；教學模式；實踐環節；課程銜接

由麻省理工學院等4所大學創立的CDIO工程教育理念，是繼承和發展歐美工程教育改革的一種新的教育理念。該理念包括12條標準，涵蓋了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評。它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式來學習工程的理論、技術與經驗[1-2]。數字電路設計是計算機組成原理、接口與通信以及嵌入式類課程的先修課程。如果在數字電路設計的教學中沒有考慮好與后續課程在理論教學與實踐教學內容上的銜接，則容易導致學生在后繼課程的學習中遇到困難[3]。

1數字電路設計課程實踐環節的教學條件和教學現狀

（1）社會對軟件人才的需求量遠大于對硬件人才的需求量，學生出于就業考慮，容易形成重軟件輕硬件的觀念。（2）硬件課程入門較難，實踐環節大都是驗證性的，缺乏探索性，不利于培養學生解決實際問題的能力，從而打擊了學生學習硬件課程的積極性，導致學生形成“好軟怕硬”的思想。（3）傳統教學模式是教師課堂講授，適當結合驗證性實驗，不能激發學生的學習積極性。學生學完理論、做完實驗后，仍然缺乏解決實際問題的綜合能力、工程實踐能力及創新能力[4]。傳統教學模式的弊端導致在與計算機組成原理等后繼課程的銜接中，學生不能從系統的高度認識數字邏輯[3-5]。（4）計算機學院開設的數字電路設計和計算機組成原理等課程，采用同一套實驗設備，在一定程度上能讓學生的學習具有連續性。（5）自創的“try”教學方法可適用于數字電路設計課程及實踐環節的教學[6-8]，但由于算機組成原理和數字電路設計兩門課程的內容和要求不同，“try”教學方法在應用于后者時，應有所調整。

2數字電路設計課程實踐環節改革方案

本文主要分析數字電路與系統課程設計教學中存在的問題，從課設內容、課設項目設計的方法、強化實踐技能等方面改進數電課設的教學，強化過程考核。培養學生理論聯系實踐的能力，強化數字系統的設計與分析，提高學生編程和自主解決問題的能力。數字電路與系統課程設計是電子信息、通信工程等專業在學習了數字電路與系統課程后所進行的綜合應用課程實習，是電子、自動化專業重要的實踐教學環節，數電課設在培養學生實踐能力方面具有極其重要的意義。通過改進課程的教學與過程考核，培養學生理論與實踐相結合，強化數字電路的設計與分析能力，提高實踐能力。

1數電課設教學的意義及現狀分析

數電課設的教學中，共12學時，0.5學分，共6次課。很多學生重視理論的學習，而忽視實驗的重要性。數電課設是一門理論與實踐相結合的綜合應用課程，通過不同的實驗才能深入理解數字邏輯電路的設計與分析和VHDL語言程序控制流程。數電課設可以提高學生解決問題的能力，增加學生的就業機會。但是在數電課設的教學過程中，存在一些問題需要改進。

1.1編程和調試能力需提高

數電課設使用quartusII集成開發環境進行VHDL語言編程，教學過程中發現學生對VHDL語言的語法掌握不牢，程序流程圖設計有待提高，獨立編寫代碼比較困難。對quartusII軟件的使用不熟練，如創建元器件符號、繪制原理圖、功能仿真等。學生遇到問題，首先想到的是找老師解決，而不是獨立思考尋找解決辦法。

1.2自主設計和創新能力欠缺

對于數電課設的實驗內容，按照實驗指導書進行驗證，不需要從頭到尾獨立思考設計軟硬件。尤其是當學生面對大四相關的畢業設計課題時，往往不知道如何設計系統和搭建硬件電路等。實驗過程中有很多地方可以優化創新，學生完成基本教學任務而缺乏主動尋找創新點，優化系統設計，提高測量精度等。

1.3重視結果忽略過程

摘要：介紹了數字電路實驗教學的情況，分析了EDA技術的分類及在實驗教學中的特點。

關鍵詞：數字電路；實驗教學；EDA

1引言

數字電子技術是電工電子及計算機相關專業的專業基礎課程。其目的是為培養應用型電子及計算機相關專業人員提供必要的理論基礎和實踐技能。學習本課程將使學生掌握電子技術的相關基礎理論知識，掌握基本工作原理和分析方法，為相關課程的后續學習奠定基礎。在傳統的課程安排中，理論課和實驗課通常分為兩個單獨的課程。通過多年的教學實踐，我們發現這種教學方式存在許多不足之處。從數字電路實驗課的基本要求來看，實驗課后，學生應學會用實驗方法驗證所學的理論。掌握各種測量儀器和集成電路的功能和用途，開發綜合分析和設計能力。傳統的教學方式不能將理論知識與實踐緊密結合，不能把學生的學習興趣完全激發出來，難以達到最佳的教學目的和要求。另一方面，在實驗教學之前，實驗實踐教學資源沒有得到充分及有效利用。經過多年的擴招，許多學校實驗設備陳舊，數量不足，資金不足，嚴重影響了實驗教學質量和實驗室的發展。如何優化課程的實踐教學，提高課程質量變得更加至關重要。EDA（EletronicsDesignAutomation）技術是一種以計算機為工作平臺的電子系統設計自動化技術。EDA通過計算機圖形學、拓撲邏輯學、計算數學和人工智能學等多種先進的計算機應用技術，開發出了一套電子系統設計的綜合工具，為電子系統設計提供了重大的幫助。

2EDA技術概述

“數字電路”實驗教學改革的基本思路是將EDA（電子設計自動化）技術的最新成果應用于實驗教學，建立先進的實驗教學平臺和現代化的實驗教學環境。在現代實驗教學平臺上，提高了學生的設計水平和實驗效率，使學生的綜合素質得到了提高。EDA技術利用計算機作為工作平臺。大規模可編程邏輯器件（FPGM/CPLD）用作實驗載體，把ASIC和SOC芯片作為目標器件。

3EDA分類

（1）ElectronicsWorkbench（簡稱EWB）。EWB是IIT推出的用于電路仿真和設計的EDA軟件。該軟件系統集成度較高，軟件使用界面友好，操作方便;具有數字、模擬和數字—模擬結合電路等多種仿真功能；多種電路分析方法；多種輸入、輸出接口。（2）Multisim。Multisim是一種基于EWB的大規模變化開發的仿真設計軟件，對于模擬和數字電路設計均適用。Multisim在保留EWB圖像可視化優勢的基礎上，對其功能和操作進行了許多改變：增加了射頻電路仿真功能；擴充了元件數據庫；允許用戶自定義元器件的屬性；擴充電路的測試功能；改善組件之間的連接，允許連接到任何地方；專業版的Multisim還支持VHDL、VerilogHDL的電路仿真與設計；提高了數字電路仿真的速度。大大增強了軟件的仿真測試和分析功能，擴展了組件庫中的組件數量，特別是增加了與實際組件對應的大量組件模型。使仿真設計的實驗結果更加直觀準確，更具有實際應用性。（3）MAX+plusⅡ。MAX+plusⅡ是Altera公司提供的FPGA/CPLD開發集成環境。1）MAX+plusII友好且易于使用，是被業界認為最簡單易用的EDA軟件。2）MAX+plusⅡ編譯器支持的硬件描述語言有VHDL、VerilogHDL及AHDL。3）MAX+plusII與來自第三方的EDIF文件兼容，可以與其他相關的EDA操作軟件相連接。4）MAX+plusII可以進行分層設計，可用于在新的編輯界面中調用由不同設計方法完成的工程模塊（組件）。使原理圖和HDL混合輸入設計的問題得到了很好解決。

1EDA技術在電子技術類課程體系中的改革

1.1應用EDA的必要性

EDA技術是現代電子信息工程領域中的一門新技術，它能夠利用軟件的方式對系統進行硬件設計，具有高層綜合和優化的功能，能在系統級對設計系統進行優化。這樣當電路較為復雜時，采用EDA技術能簡化設計過程，同時能設計出一些特定的芯片。由于采用的硬件描述語言進行開發設計，利用EDA工具設計相關硬件的版圖文件，最終在FPGA/CPLD或半單體晶片上制作成具體的硬件電路，這樣學生能接觸平時很少接觸到硬件設計相關知識，并加強數字電路的理解。

1.2EDA在電子技術類課程中的應用

針對信息類專業相關專業課程原來各自有比較完整的但相對封閉的知識體系且都有實驗教學環節的特點，將這些課程的理論教學與實驗環節有機組合，將較獨立的《EDA技術與應用》、《電子電路CAD》、《單片機原理與應用》、《電力電子技術》課程以及相關課程設計等環節銜接起來，構成一個基于EDA技術應用的設計性、綜合性實驗教學體系。在《EDA技術與應用》課程中，將EDA工具（虛擬電子工作臺EWB）引入到數字電子技術教學和數字電子技術課程設計中。利用計算機仿真的方法對電子電路的原理、性能進行仿真和測試，掌握電子電路的調試方法和排除故障的途徑；進一步熟悉各種測試儀器的使用方法；提高對所學知識的綜合應用能力，使學生在較短的時間內掌握設計和分析電子電路的先進手段，提高了數字電子技術課程的總體水平。

EDA與電子技術課程設計的開設，為傳統課程注入了新的活力，提高了學生的學習興趣，這不僅為本課程的教學奠定了良好的基礎，也為后續各門專業課程提供了基礎知識的保證。在后續的課程中，運用EDA技術進一步掌握各種電路原理和設計方法，通過PTOTEL軟件繪制出原理圖并且設計出PCB板，最后安裝元件焊接，完成電路板的制作；另外在《單片機原理與應用》中，學生又學會用單片機實現電路的設計，這時可以讓學生將原來課程中設計的電路改用另一種方式來完成；在電力電子技術課程中，可以進一步設計基礎電路和簡單的控制系統。幾乎所有的課程都會涉及到基礎電路原理分析、控制芯片以及系統架構等內容，都需要外圍電路支持，構成一個完整電路系統。這個電路系統從基本電路設計到最后做成PCB板都可以用EDA技術中的電路板制作方式或者PROTEL軟件中的方法。

由于EDA基礎邏輯電路部分設計加入到數字電路課程中，會占用部分課時。這要求我們對相關課程教學做出部分調整。在數字電路的基礎性實驗課程部分，采用傳統的數字電路設計實驗設備與EDA技術分別完成相同的邏輯功能設計，讓學生通過對比加強對數字電路的認識。在教學方式方面，除采用多媒體教學方式以加大單位時間內的教學容量外，建議增加學生自學的環節。教師制定相關的自學指導和學習方案，引導學生進一步學習EDA技術，如帶有嵌入式IP核的ASIC設計。

2結束語

1電子設計自動化實驗系統的設計開發

1.1實驗系統的內容

該電子設計自動化實驗系統，不僅要能夠實現基本數字電路功能，而且還要能夠實現部分中規模和大規模的數字電路功能。具體設計內容包括以下這些：（1）數字時鐘的設計。（2）LED16×16點陣控制器的設計。（3）數字頻率計的設計。（4）實現搶答器數字系統。（5）實現電子密碼鎖數字系統。（6）實現三色交通指揮燈控制器的數字系統。（7）實現簡易電子琴的數字系統。（8）實現三層電梯控制器的數字系統。

1.2實驗系統的設計方案

該電子設計自動化實驗開發系統是基于FPGA/CPLD器件,主要包括四部分，即信號發生模塊、輸出信息的顯示模塊、擴展模塊、FPGA/CPLD芯片通用適配座及芯片編程下載電路。該實驗系統設計，采用了通用適配板與系統功能板分離的結構方式。通用適配板具有完整的下載電路,既可插在系統功能底板上使用,也可單獨工作。

1.3實驗系統的電路設計

根據電路功能，將其劃分為兩部分，即通用適配板電路和系統功能板電路。這兩部分通過芯片適配接口進行連接。1.3.1系統功能板電路設計系統功能板電路設計如圖1，下面是各個模塊的介紹：（1）7段數碼管模塊,用于實現各種數字顯示，例如計數器計數結果的顯示、頻率計的頻率顯示、數字鐘表的時問顯示及搶答器的倒計時顯示等。（2）紅綠燈電路模塊,用于紅綠燈的電路實驗。（3）LED指示電路模塊,用來顯示組合邏輯電路實驗的輸出電平的高低。（4）點陣模塊,用來顯示點陣輸出。（5）時鐘電路,提供時序邏輯電路的CLK。（6）狀態機電路,由FPGA相應的I/O口和狀態指示電路組成，用于序列信號發生器、告警器等的設計。（7）蜂鳴器模塊。一部分是音樂片電路,當有人搶答時該電路可以放一小段音樂來告知有人搶答；第二部分是電子琴電路,由FPGA送出一定的樂譜頻率，在揚聲器上發出相應的譜音。音樂片和電子琴電路通過一個DIP2的撥動開關來選擇。（8）鍵盤電路模塊，該模塊用于選擇電子琴的數字系統實驗、搶答器數字系統實驗、電子密碼鎖數字系統實驗等實驗項目。（9）DIP開關電路,提供輸入端的高、低電平。（10）液晶顯示電路。2.3.2通用適配板的電路設計通用適配板由CPLD芯片、下載電路、擴展接口電路等部分組成。通用適配板結構框圖見圖2。

2結束語

1電子設計自動化實驗系統的設計開發

為了減少教學和實驗中實驗器材的投入，降低實驗成本，提高實驗效率，出于這個目的進行電子設計自動化實驗系統的開發。

1.1實驗系統的內容

該電子設計自動化實驗系統，不僅要能夠實現基本數字電路功能，而且還要能夠實現部分中規模和大規模的數字電路功能。具體設計內容包括以下這些：（1）數字時鐘的設計。（2）LED16×16點陣控制器的設計。（3）數字頻率計的設計。（4）實現搶答器數字系統。（5）實現電子密碼鎖數字系統。（6）實現三色交通指揮燈控制器的數字系統。（7）實現簡易電子琴的數字系統。（8）實現三層電梯控制器的數字系統。

1.2實驗系統的設計方案

該電子設計自動化實驗開發系統是基于FPGA/CPLD器件,主要包括四部分，即信號發生模塊、輸出信息的顯示模塊、擴展模塊、FPGA/CPLD芯片通用適配座及芯片編程下載電路。該實驗系統設計，采用了通用適配板與系統功能板分離的結構方式。通用適配板具有完整的下載電路,既可插在系統功能底板上使用,也可單獨工作。

1.3實驗系統的電路設計

根據電路功能，將其劃分為兩部分，即通用適配板電路和系統功能板電路。這兩部分通過芯片適配接口進行連接。1.3.1系統功能板電路設計系統功能板電路設計如圖1，下面是各個模塊的介紹：（1）7段數碼管模塊,用于實現各種數字顯示，例如計數器計數結果的顯示、頻率計等的設計。（7）蜂鳴器模塊。一部分是音樂片電路,當有人搶答時該電路可以放一小段音樂來告知有人搶答；第二部分是電子琴電路,由FPGA送出一定的樂譜頻率，在揚聲器上發出相應的譜音。音樂片和電子琴電路通過一個DIP2的撥動開關來選擇。（8）鍵盤電路模塊，該模塊用于選擇電子琴的數字系統實驗、搶答器數字系統實驗、電子密碼鎖數字系統實驗等實驗項目。（9）DIP開關電路,提供輸入端的高、低電平。（10）液晶顯示電路。1.3.2通用適配板的電路設計通用適配板由CPLD芯片、下載電路、擴展接口電路等部分組成。通用適配板結構框圖見圖2。

摘要：

數字電子技術是物聯網專業的一門核心專業基礎課程，對學生的職業生涯規劃和發展有著重要影響。為了獲得更好的教學效果，將整個教學過程分為理論教學和實驗教學兩個部分，在實驗教學部分引入了Multisim仿真軟件，有效地將理論知識、實驗內容和方法以及考核方式進行了改革和實踐。通過多種方式進行教學，提高了學生對數字電子技術的興趣，加強了學生的邏輯思維和創新實踐能力。通過合理的課程考核方式，提高了學生學習的積極性。

關鍵詞：

數字電子技術；物聯網；Multisim仿真

1引言

近幾年，物聯網技術快速發展，被公認為是世界信息產業發展的新的重點領域。其發展前景將大大促進全球經濟的快速增長，為未來的經濟發展和科技創新提供重要保障，同時將會徹底改變人們的生活方式[1]。物聯網工程專業的人才需求日益增加，從信息產業發展方向和構建復合型人才知識結構的角度出發，賀州學院計算機系開設了物聯網工程專業。物聯網工程是電子技術、計算機網絡、嵌入式系統、傳感器技術、數據庫系統等技術的綜合體[2]。在物聯網工程專業的課程體系中，以上課程是物聯網工程專業的必修專業課，其中，電子技術中的《數字電子術》在整個課程體系中扮演著重要角色，是物聯網專業的一門核心基礎課程。為此，賀州學院計算機系的物聯網專業開設了《數字電子技術》這門課。《數字電子技術》具有實踐性和應用型均較強的特點，其教學改革模式對類似專業的專業基礎課或核心專業課具有一定的參考價值[3]。隨著數字化信息技術的普及和物聯網技術的快速發展，對《數字電子技術》課程進行一定的改革和實踐，有一定的意義。

2《數字電子技術》改革和實踐的基本內容

根據教育部面向21世紀教學內容和課程體系改革的要求，遵循高等教育發展的基本規律，本著“打好基礎，加強實踐和創新能力”的原則，我們針對課程的教學理念、教學內容、教學方法和教學手段等方面進行了改革和實踐[4]。改革的目標是在充分運用現代教育技術的基礎上，構建更優的教學模式和教學平臺，全面提升該課程的教學質量，促進學生專業素質和創新實踐能力的提高，從而適應社會對物聯網專業高技能、應用型人才的需求。