數(shù)字電路課程教學(xué)中仿真技術(shù)的層次化應(yīng)用

韓芳

【摘 要】分析了數(shù)字電路課程教學(xué)存在的問題，提出了立足于仿真設(shè)計工具的層次化教學(xué)模式，從基礎(chǔ)層、綜合層、創(chuàng)新層，解決數(shù)字系統(tǒng)的分析、設(shè)計問題。仿真技術(shù)在課程中的合理應(yīng)用，能夠優(yōu)化教學(xué)手段，填補教學(xué)內(nèi)容和實際應(yīng)用之間的鴻溝，為學(xué)生廣泛參與設(shè)計實踐以及創(chuàng)新研究提供了平臺。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路；教學(xué)；仿真；層次化

仿真技術(shù)使用計算機來完成使電路設(shè)計過程中的大部分繁瑣的底層工作，為電子工程師提供了理想的設(shè)計工具[1]，也為課程教學(xué)提供了資源豐富的仿真平臺。立足于仿真工具的應(yīng)用，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的深度以及學(xué)生的能力水平，構(gòu)建“多層次”的立體化教學(xué)平臺，有助于數(shù)字電路課程教學(xué)和學(xué)生實踐能力發(fā)展。

1 數(shù)字電路的教學(xué)

講授法和例舉法是數(shù)字電路課程中兩種常用的教學(xué)方法，教師對基本定理、方法進行系統(tǒng)的解釋和詳細(xì)分析論證或以典型例題說明元器件和芯片的功能和應(yīng)用。這兩種方法對于學(xué)生理解和掌握知識要點是必要的，但目前單純依賴多媒體課件的教學(xué)手段，很難使學(xué)生提起興趣。

數(shù)字電路是一門應(yīng)用型課程，但是課程內(nèi)容的安排上，側(cè)重于功能相對單一的、孤立的基本邏輯單元的分析和設(shè)計，而沒有建立系統(tǒng)的觀念，大多數(shù)學(xué)生感覺不能學(xué)以實用，在利用具體芯片設(shè)計實際電路時束手無策，影響了學(xué)習(xí)積極性。

傳統(tǒng)數(shù)字技術(shù)中的許多觀念、方法和思路已經(jīng)跟不上日新月異的電子技術(shù)的發(fā)展步伐，有些甚至是不恰當(dāng)、低效的，學(xué)生把過多的精力投入到這些落伍的知識、失當(dāng)?shù)睦砟?，在后續(xù)課程又要重新糾正，造成效率低下。

在當(dāng)前 “數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”方法不斷變革的背景下，有必要將新的設(shè)計理念融入到教學(xué)中[3]，將教學(xué)內(nèi)容用更生動的形式展現(xiàn)出來，從而調(diào)動學(xué)習(xí)興趣，增強實踐能力，提高學(xué)習(xí)效率，以更高的起點、開闊的視野去學(xué)習(xí)十分重要的后續(xù)課程。

2 仿真技術(shù)的層次化應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層次，主要在數(shù)字電路理論課上展開，基于Multisim仿真平臺完成驗證性實驗以及一些中小規(guī)模集成電路的分析與設(shè)計。Multisim提供了豐富的、標(biāo)準(zhǔn)化的元器件庫以及種類齊全的仿真儀器儀表，可以實現(xiàn)門電路、編譯碼、顯示驅(qū)動、觸發(fā)器、計數(shù)器、555定時等典型數(shù)字電路的設(shè)計和仿真[2]。下面是講解TTL 與非門工作原理的課堂實例，如圖1。

1）Vi=0.296V，即輸入接低電平，那么 Q1 導(dǎo)通，Q2、Q4 截止，Q3、D2 導(dǎo)通。Vo=3.954V，輸出高電平。

2）通過按鍵C，不斷增加輸入電壓，可以發(fā)現(xiàn)輸出緩慢下降但仍為高電平，閥值電壓出現(xiàn)在Vi=1.279V時，輸出發(fā)生跳變至0.849V，輸出低電平。

3）當(dāng)輸入大于閥值vth，輸出迅速下降，直到0.123V不再變化，輸出低電平。

此例中，通過仿真可以驗證反相器的輸入輸出邏輯關(guān)系，并進一步測試反相器的傳輸特性曲線。在Multisim仿真平臺上動態(tài)演示所學(xué)的芯片、電路，能夠使知識形象化，學(xué)生在課堂上觀察電路行為，加深了對教學(xué)內(nèi)容的理解，進而體會應(yīng)用方法，初步掌握分析設(shè)計電路的能力，為后續(xù)課程打下堅實基礎(chǔ)。

2.2 綜合層

在學(xué)生掌握課程基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進一步綜合培養(yǎng)。在綜合性實驗、設(shè)計性實驗、課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)活動中，基于EDA開發(fā)工具QuartusII仿真設(shè)計平臺，設(shè)計和實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)。

QuartusII是Altera公司在 windows環(huán)境下開發(fā)的可編程邏輯器件（PLD）綜合設(shè)計平臺，能夠提供從設(shè)計輸入到器件編程的全部功能，以硬件描述語言（HDL）為主要輸入工具，實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯仿真和時序分析，同時下載到可編程邏輯器件上進行實際的硬件測試和驗證，從而完成數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計[3]。

以“交通燈控制系統(tǒng)”為例，說明教學(xué)過程。首先采用經(jīng)典的設(shè)計方法，即通用的集成芯片搭建系統(tǒng)，這是一個集分頻器、BCD譯碼器、計數(shù)器、動態(tài)掃描電路、多路選擇器等常用中小規(guī)模集成器件的綜合性運用，學(xué)生可以熟悉集成器件在系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握算法狀態(tài)機設(shè)計控制單元電路并且轉(zhuǎn)換系統(tǒng)狀態(tài)的方法。然后基于可編程邏輯器件分別進行結(jié)構(gòu)級和寄存器級設(shè)計。結(jié)構(gòu)級的設(shè)計首先將系統(tǒng)根據(jù)不同功能劃分出多個單元模塊，用硬件描述語言描述每一個單元模塊，組合起來構(gòu)成頂層模塊，見圖2，這種設(shè)計方法風(fēng)格接近實際的硬件結(jié)構(gòu)，是相對抽象的行為級描述的一個合理的銜接，寄存器傳輸級HDL描述屬于行為級描述，根據(jù)操作順序描述系統(tǒng)，由于不涉及具體硬件結(jié)構(gòu)，更加體現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)越性[4]。

在系統(tǒng)的HDL描述中，只在設(shè)計的關(guān)鍵點引入有用的硬件描述語言語法構(gòu)造，采用規(guī)范的語言，清晰易懂的設(shè)計流程，力圖達(dá)到舉一反三的教學(xué)效果。教學(xué)效果表明，這種綜合性設(shè)計課題，使學(xué)生能夠了解大規(guī)模集成器件，通過比較各種設(shè)計方法，體會到隨著數(shù)字系統(tǒng)復(fù)雜性的增加EDA軟件表現(xiàn)出的強大的電路綜合能力，進而探索先進的電路設(shè)計構(gòu)思手段，激發(fā)學(xué)生實踐興趣。

2.3 創(chuàng)新層

創(chuàng)新層面向有創(chuàng)新思維的學(xué)生，依托開放性實驗課程、學(xué)科競賽的賽前訓(xùn)練、學(xué)生創(chuàng)新基金立項、參與教師科研項目以及校級、國家級電子競賽等各類課外學(xué)術(shù)科技活動，以團隊協(xié)作的形式展開，屬于電子類課程體系的提高內(nèi)容。在學(xué)習(xí)了模擬電路、單片機、C語言、傳感器技術(shù)等多門電子技術(shù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種仿真設(shè)計工具的綜合應(yīng)用，進行有特定工程背景的課題設(shè)計。

以全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽賽題“正弦信號發(fā)生器”為例，一種方案的系統(tǒng)框圖如圖3所示。該設(shè)計方案，在單片機開發(fā)平臺上實現(xiàn)主控制部分的設(shè)計；在QuartusII平臺上實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），并且在數(shù)字域設(shè)計AM、FM、ASK、PSK四類調(diào)制信號；濾波及放大電路的設(shè)計中為了達(dá)到設(shè)計目的，先在multisim平臺上通過波特儀仿真出電路在截止頻率附近的衰減情況，反復(fù)調(diào)整參數(shù)直到符合設(shè)計要求，再搭建硬件電路[5]。各種電子電路仿真設(shè)計工具的綜合使用，縮短了系統(tǒng)設(shè)計周期，硬件電路設(shè)計的軟件化，也便于電路的升級。

實踐表明，研究這些開拓性課題，能夠使學(xué)生學(xué)會用系統(tǒng)的眼光、創(chuàng)新的思路去解決復(fù)雜問題，這一過程獲得的項目開發(fā)經(jīng)驗是在課堂上無法學(xué)習(xí)到的。

3 結(jié)論

數(shù)字電路課程不能局限于有限時間內(nèi)的理論、實驗教學(xué)，一方面，要在課堂時間內(nèi)擴展內(nèi)容，一方面，把學(xué)習(xí)延伸到課堂外，面向不同層次的學(xué)生提供自學(xué)和創(chuàng)新的空間。電子設(shè)計仿真平臺在數(shù)字電路課程中的應(yīng)用，將課內(nèi)教學(xué)、課外自學(xué)進行有機結(jié)合，使之相互補充，形成相互銜接、靈活配置的教學(xué)體系，在堅實基礎(chǔ)的同時，注重實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，適應(yīng)了當(dāng)前電子技術(shù)的飛速發(fā)展對電類課程教學(xué)提出的新要求。

【參考文獻】

[1]朱娜，張金保，王志強，等.EDA技術(shù)實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2]李娜.虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字電路課程改革實踐中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（7）：147-150.

[3]趙艷華，曹丙霞，張睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]康華光.電3子技術(shù)基礎(chǔ)﹒數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

張新，王立偉.基于專業(yè)需求的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計課程教改實踐[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2011，16（11）：25-27.

[5]Stephen Brown，Zvonko Vranesic.數(shù)字邏輯基礎(chǔ)與Verilog設(shè)計[M].夏宇聞，等，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[責(zé)任編輯：田吉捷]