基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路實驗教學(xué)改革

譚 勇 朱 斌

長江師范學(xué)院 重慶 408003

基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路實驗教學(xué)改革

譚 勇 朱 斌

長江師范學(xué)院 重慶 408003

傳統(tǒng)的數(shù)字電路教學(xué)內(nèi)容和方法已不適應(yīng)當(dāng)前創(chuàng)新型電子技術(shù)人才的培養(yǎng)。分析了當(dāng)前數(shù)字電路實驗教學(xué)中存在的問題，介紹了我院基于電子設(shè)計自動化技術(shù)的數(shù)字電路實驗教學(xué)改革的做法，并對該教學(xué)改革的優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。

數(shù)字電路實驗教學(xué)；電子設(shè)計自動化；教學(xué)改革

Abstract: The technology of digital system design develops so fast that traditional digital circuit experiment teaching fails to cultivate creative engineers for electronic industry. In this paper, the drawbacks with traditional teaching are discussed, the transform of experimental content as well as the teaching process are introduced. Finally, the advantage of this transform has been summarized.

Key words: digital circuit experiment teaching; electronic design automation; teaching transform

數(shù)字邏輯電路是電類專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。加深學(xué)生對已學(xué)課程內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計、組裝和調(diào)試數(shù)字電路的基本技能，許多高校相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了數(shù)字電路實驗教學(xué)課程。然而，現(xiàn)行數(shù)字電路實驗教學(xué)存在多方面的缺陷，制約了教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。首先，課程是立足于中小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的，教學(xué)內(nèi)容以教材為中心且以驗證性實驗為主，對各實驗項目的電路設(shè)計以手工為主，無法滿足現(xiàn)代復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計的要求。其次，實驗所用的CMOS，TTL中小規(guī)模常規(guī)邏輯器件功能固化，實驗項目的開展基本由實驗電路板決定，靈活性差[1]。實驗內(nèi)容陳舊、設(shè)計手段落后、實驗裝置功能不靈活等問題，使得現(xiàn)有實驗教學(xué)課程缺乏對學(xué)生基本科研能力、創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，非常不利于現(xiàn)代創(chuàng)新性電子技術(shù)人才的培養(yǎng)。

近年來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展，如CPLD，F(xiàn)PGA，基于這些器件的電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation，EDA)設(shè)計技術(shù)也迅猛發(fā)展。我們將這些理念和方法引入數(shù)字電路實驗教學(xué)中，對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行改革，改變了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中教師規(guī)定器件和電路、學(xué)生按部就班搭電路的模式，使得學(xué)生在鞏固基礎(chǔ)知識的同時，有機(jī)會發(fā)揮自身的創(chuàng)造性，有效地提高了課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

1 實驗教學(xué)平臺

EDA技術(shù)是以計算機(jī)為工作平臺，以EDA軟件為開發(fā)環(huán)境，以原理圖或硬件描述語言作為輸入方式進(jìn)行數(shù)字邏輯設(shè)計和仿真，并最終以大規(guī)模可編程邏輯器件為載體實現(xiàn)數(shù)字邏輯功能。它是一種軟硬件結(jié)合的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，能夠有效滿足現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的需要。

在教學(xué)中，我們采用了基于Altera公司FPGA芯片的EDA硬件開發(fā)板和Quartus II集成開發(fā)軟件環(huán)境。其核心為Altera Cyclone系列FPGA器件EP1C3TC144，該器件具有豐富的內(nèi)部邏輯單元、存儲器陣列、硬件乘法器、鎖相環(huán)以及高達(dá)144個引腳數(shù)目，這些芯片資源保障了實驗教學(xué)中各項實驗內(nèi)容的需要。該芯片通過特定下載電纜與計算機(jī)相連，接受Quartus II軟件生成的網(wǎng)表文件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配置。其外圍器件包括多頻率時鐘信號發(fā)生器、按鍵輸入，發(fā)光二極管、數(shù)碼管、揚(yáng)聲器等輸出裝置，以及A/D，D/A轉(zhuǎn)換模塊。此外，核心芯片的所有引腳均引出可擴(kuò)展。

基于該實驗平臺的實際流程[2]如圖1所示，圖中虛線框內(nèi)的設(shè)計輸入、功能仿真、時序仿真、布局布線優(yōu)化等操作都在Quartus II開發(fā)軟件環(huán)境中完成，使得傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中需要手工操作的大量工作都被“軟化”。這樣，在實驗中非常容易修改電路設(shè)計，對于某種電路設(shè)計能夠迅速通過仿真發(fā)現(xiàn)并解決，避免了傳統(tǒng)實驗中存在的電路設(shè)計方案不易修改，在實驗中存在電接觸性能不穩(wěn)定、效率低、元器件損耗大等問題。

圖1 實驗開發(fā)流程

2 教學(xué)過程

可編程邏輯器件具有高度的可配置性，由此帶來實驗內(nèi)容設(shè)置上的高度靈活性。我們將實驗設(shè)置為基礎(chǔ)性實驗和綜合設(shè)計性實驗?；A(chǔ)性實驗包括編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)字比較器、寄存器、移位寄存器、計數(shù)器等，目的在于加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，掌握這些基本邏輯器件的功能和使用方法，初步培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計的能力。在基礎(chǔ)實驗上，我們結(jié)合實際應(yīng)用中的需要，從實踐和工程應(yīng)用中選擇具有一定實用價值的數(shù)字系統(tǒng)并設(shè)置為綜合設(shè)計性實驗，例如多功能數(shù)字鐘、搶答器、數(shù)字頻率計、簡易邏輯分析儀、簡易DDS信號發(fā)生器、計算機(jī)接口設(shè)計、通信信號處理電路等，目的是使學(xué)生較為全面地實踐所學(xué)基礎(chǔ)知識，通過發(fā)揮自身想象力和創(chuàng)造力達(dá)到實驗?zāi)繕?biāo)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計復(fù)雜電子系統(tǒng)的能力。

為營造寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，依據(jù)課程知識單元提出相應(yīng)實驗要求，對于每個知識單元，教師提供一個必選性實驗項目和若干選擇性項目。確定題目后，學(xué)生根據(jù)題目要求，自主進(jìn)行邏輯電路的分析和設(shè)計。在此過程中，教師轉(zhuǎn)變角色，首先從全知全能的“授業(yè)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖饣蟆?，不提供?biāo)準(zhǔn)答案，而重在引導(dǎo)學(xué)生提出可行性方法。例如，對于3位計數(shù)器的設(shè)計，學(xué)生就分別提出了如圖2所示的基于門電路，基于中規(guī)模集成電路和基于LPM的3種方式。教師則在學(xué)生設(shè)計過程中幫助他們解決所遇到的問題，并成為學(xué)生間交流的組織者和橋梁。在實驗過程中，對于綜合性較強(qiáng)的實驗內(nèi)容，教師組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，組內(nèi)成員相互交流和借鑒，對電路設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，對設(shè)計中遇到的問題提出自己的觀點和可能的解決方案。這樣，優(yōu)秀學(xué)生的思維和智慧可以在整個群體內(nèi)共享，促進(jìn)學(xué)生的共同發(fā)展和進(jìn)步。在實驗結(jié)束時，教師針對共性問題做進(jìn)一步的分析闡述。在學(xué)生成績評價方法上，我們引入了電子設(shè)計競賽模式，給出多個設(shè)計課題，要求學(xué)生自主選擇課題，在特定時間內(nèi)完成設(shè)計和制作任務(wù)，上交實物和相應(yīng)課題報告，按實物完成程度和課題報告質(zhì)量進(jìn)行評分。

圖2 對三位計數(shù)器的不同設(shè)計方案

除了課堂教學(xué)，我們實驗室還將開放，提供多套隨時使用的EDA開發(fā)系統(tǒng)，并安排相關(guān)人員值班。學(xué)生可以充分利用課余時間到實驗室做實驗，從而充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。此外，我們通過多方努力，建設(shè)了電子興趣實驗室、PCB制版實驗室，積極組織學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等相關(guān)學(xué)科競賽，讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下，把理論、實驗、設(shè)計、技能有機(jī)結(jié)合起來，通過自己選題、設(shè)計、購件和制作，將課程教學(xué)從課堂上延伸到課外，很好地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，提高了人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

3 結(jié)束語

將EDA技術(shù)融入數(shù)字電路實驗教學(xué)中，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)新能力，及早地了解現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計理念，初步掌握其設(shè)計方法和開發(fā)工具，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。通過近三年的教學(xué)改革，我校電子專業(yè)學(xué)生的數(shù)字電路設(shè)計能力有了很大提高，在2009年和2011年的全國大學(xué)生電子競賽中都獲得了優(yōu)異的成績，這充分表明我們的做法是正確的。

[1] 潘明,潘松.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[2] 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

Transform digital circuit experiment teaching by use of EDA technology

Tan Yong, Zhu Bin
Yangtze normal university, Chongqing, 408003, China

2012-03-07

譚勇，碩士，講師。