數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

陳 龍， 郄小美， 馬學(xué)條

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州 310018)

數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

陳 龍， 郄小美， 馬學(xué)條

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州 310018)

將數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例——基于DDS的任意波形發(fā)生器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該教學(xué)案例幾乎涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)理論課程中所有核心知識(shí)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的綜合性，便于學(xué)生將理論課程中碎片化的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建成相對(duì)完善的知識(shí)體系；正弦波、方波、三角波、任意波形以及李薩如圖形等實(shí)驗(yàn)結(jié)果可通過示波器直觀觀察，具有很高的演示度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐表明，綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)方法提高了學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力，取得了良好的教學(xué)效果，有利于教學(xué)水平的提高。

數(shù)字電子技術(shù)； 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)； 任意波形發(fā)生器； 李薩如圖形； 創(chuàng)新能力

0 引 言

數(shù)字電子技術(shù)是電子類相關(guān)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，其實(shí)驗(yàn)可分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿于整個(gè)理論教學(xué)中[1-2]。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，加深學(xué)生對(duì)數(shù)字電子技術(shù)理論知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)及調(diào)試數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生科學(xué)研究素質(zhì)。我校經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在保留原有重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在課程教學(xué)的后期引入綜合性虛擬仿真、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了多個(gè)數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例，貫通理論課程的各核心內(nèi)容，以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)踐與應(yīng)用，便于學(xué)生建立數(shù)字電子技術(shù)課程的知識(shí)體系[3-4]。

本文以數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——基于直接數(shù)字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)的任意波形發(fā)生器為例，淺談如何將虛擬仿真、虛實(shí)融合技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的自行設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法和教學(xué)模式進(jìn)行綜合改革，使得理論課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)融會(huì)貫通，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力具有非常重要的作用[5-8]。

1 數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

DDS是一種新型的頻率合成技術(shù)，具有頻率分辨率高，頻率切換速度快，相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)及設(shè)備的信號(hào)源設(shè)計(jì)中，尤其在通信領(lǐng)域，DDS得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用自底向上的方法設(shè)計(jì)基于DDS的任意波形發(fā)生器，采用QuartusII軟件進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)和虛擬仿真，下載到FPGA開發(fā)板進(jìn)行硬件測(cè)試[9]。

1.1 DDS波形發(fā)生器教學(xué)案例方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)基于DDS的任意波形發(fā)生器，可產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波、任意波形等信號(hào)；通過調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值，實(shí)現(xiàn)輸出波形的頻率可控。將兩路不同頻率的正弦波合成李薩如圖形，下載到FPGA開發(fā)板中結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換器在示波器上觀察輸出結(jié)果[10]。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由ADC采樣控制模塊、DDS模塊、顯示譯碼與鎖存模塊、內(nèi)部鎖相環(huán)、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器等組成，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端連接分壓電路，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出端與頻率字1相連，通過調(diào)節(jié)輸入電壓值的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率字的調(diào)節(jié)，改變DDS模塊的輸出波形的頻率[9]。

圖1 數(shù)字電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)框圖

1.2 DDS波形發(fā)生器基本組成及工作原理

圖1中DDS模塊部分所示，DDS波形發(fā)生器包括相位累加器、存儲(chǔ)波形的ROM模塊；其中存儲(chǔ)波形的ROM模塊由正弦波、方波、三角波、鋸齒波、任意波形等組成。ROM中存儲(chǔ)了完整波形的離散采樣值，采樣數(shù)據(jù)與所選ROM的位寬和數(shù)據(jù)寬度必須一致。N位相位累加器由參考時(shí)鐘CLK控制，累加步長為頻率控制字FWD，累加結(jié)果作為波形存儲(chǔ)器ROM的尋址，為了減小波形存儲(chǔ)器所需的容量，取相位累加器輸出的高M(jìn)位為波形存儲(chǔ)器ROM的尋址，ROM查找表尋址輸出的D位波形幅度碼經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后變成階梯狀波形，再通過低通濾波器平滑后輸出光滑的信號(hào)。

2 DDS波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 ADC采樣控制模塊設(shè)計(jì)與仿真

本教學(xué)案例中AD轉(zhuǎn)換器模塊選用ADC0809芯片，ADC0809工作時(shí)序如圖2所示，根據(jù)ADC0809的工作時(shí)序，畫出狀態(tài)機(jī)對(duì)ADC0809的控制狀態(tài)圖如圖3所示。

圖2 ADC0809工作時(shí)序圖

圖3 ADC0809采樣控制機(jī)狀態(tài)圖

根據(jù)ADC0809的接口特性和采樣控制狀態(tài)機(jī)要求，本文設(shè)計(jì)的采樣控制狀態(tài)機(jī)電路如圖4所示，該電路由狀態(tài)譯碼器、控制譯碼器、狀態(tài)寄存器和鎖存器構(gòu)成。狀態(tài)譯碼器AD_SDCD元件根據(jù)ADC0809轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC和現(xiàn)狀態(tài)編碼C[2..0]，決定狀態(tài)的走向；控制譯碼器AD_CDCD元件根據(jù)狀態(tài)機(jī)所處的狀態(tài)，向ADC0809轉(zhuǎn)換器輸出控制信號(hào)LOCK、OE、START、ALE；狀態(tài)寄存器DFF3元件由3個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。ADC采樣控制模塊的工作時(shí)鐘接在DFF3元件的CLK端，決定了采樣控制模塊的工作速度。

圖4 ADC0809采樣狀態(tài)機(jī)控制電路

對(duì)ADC采樣控制模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真波形圖如圖5所示。圖中CS是現(xiàn)狀態(tài)指示，在狀態(tài)S0(CS=0)時(shí)對(duì)ADC0809轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化操作；在狀態(tài)S1(CS=1)中將ADC0809轉(zhuǎn)換器的地址鎖存進(jìn)地址寄存器，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換工作，此時(shí)ALE和START產(chǎn)生一個(gè)上升沿；在狀態(tài)S2(CS=2)中，查詢EOC是否為高電平， EOC=1時(shí)下一狀態(tài)仍停留在S2，EOC=0時(shí)進(jìn)入狀態(tài)S3(CS=3)；在狀態(tài)S3中，查詢EOC是否為低電平，直到EOC由0變成1時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束，進(jìn)入狀態(tài)S4(CS=4)。由于此時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已經(jīng)完成，所以在此打開OE控制的三態(tài)門；為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)，在狀態(tài)S5(CS=5)中，LOCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)b鎖入74374中，仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的ADC0809采樣狀態(tài)機(jī)能夠按照ADC0809工作時(shí)序?qū)DC0809進(jìn)行控制。

圖5 ADC0809采樣狀態(tài)機(jī)工作時(shí)序

2.2 DDS波形發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)DDS波形發(fā)生器的原理，設(shè)計(jì)如圖6所示DDS正弦波形發(fā)生器電路圖，包括32位ADDER32B、32位寄存器DFF32和正弦波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SIN_ROM3個(gè)模塊，其中加法器由LPM的加/減算術(shù)模塊LPM_ADD_SUB構(gòu)成。寄存器DFF32由LPM_FF宏模塊構(gòu)成，與ADDER32B組成一個(gè)32位相位累加器。其中高10位PA[31..22]作為波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SIN_ROM的地址。正弦波形數(shù)據(jù)ROM模塊SIN_ROM的地址線位寬是10位，數(shù)據(jù)線位寬是8位，即其中一個(gè)周期的正弦波離散采樣數(shù)據(jù)有1 024個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)有8位，輸出接8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832數(shù)據(jù)輸入端。

對(duì)DDS波形發(fā)生器電路進(jìn)行編譯，新建SignalTap II Logic Analyzer文件，在SignalTap II窗口中的Setup標(biāo)簽頁中，雙擊空白區(qū)域，打開Node Finder窗口，選擇Pins：output，單擊List，在Nodes Found區(qū)域中選中DAC[0]，DAC[1],…,到DAC[9]節(jié)點(diǎn)信息，單擊“>”按鈕，把要觀察的開關(guān)節(jié)點(diǎn)添加到SignalTap II中。通過嵌入式邏輯分析儀SignalTapII，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和監(jiān)控，其仿真結(jié)果如圖7所示，仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的DDS波形發(fā)生器能輸出所需波形。

圖6 DDS波形發(fā)生器電路(以正弦波為例)

圖7 嵌入式邏輯分析儀測(cè)試的FPGA輸出波形(以正弦波為例)

2.3 DDS波形發(fā)生器頂層電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求，在原理圖編輯文件中調(diào)用已生成的波形發(fā)生器DDS元件、采樣控制器AD元件、內(nèi)部鎖相環(huán)PLL元件和顯示譯碼鎖存模塊等元件構(gòu)成基于DDS的波形發(fā)生器頂層電路。利用相位累加器和存儲(chǔ)波形ROM模塊構(gòu)成DDS波形發(fā)生器；在原理圖編輯文件中調(diào)用已生成的寄存器、譯碼器和鎖存器組成采樣控制狀態(tài)機(jī)。

3 DDS波形發(fā)生器硬件測(cè)試

選用CycloneIIIEP3C5E144C8芯片F(xiàn)PGA核心板進(jìn)行硬件測(cè)試，硬件測(cè)試系統(tǒng)還包括示波器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和電源。在頂層設(shè)計(jì)電路中對(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)進(jìn)行引腳鎖定，編譯下載.sof文件，通過撥動(dòng)相應(yīng)的撥碼開關(guān)選擇對(duì)應(yīng)的輸出波形，可在示波器上觀察到如圖8(a)～(e)所示的正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波和任意波形等。

將兩路輸出波形通過示波器X軸和Y軸合成時(shí)，若兩個(gè)相互垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率為任意值，其合成的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定，當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)的頻率成簡(jiǎn)單的整數(shù)比時(shí)，其合成的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)穩(wěn)定、封閉的曲線圖形，即李薩如圖形。

在頂層設(shè)計(jì)電路中對(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)進(jìn)行引腳鎖定，重新編譯后，將兩路輸出波形同時(shí)接到示波器X軸和Y軸進(jìn)行合成，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變ADC0809的輸入電壓值從而改變頻率控制字，或通過按鍵輸入頻率控制字，示波器可顯示如圖9所示的各種頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比的李薩如圖形。

(a) 正弦波

(b) 三角波

(c) 鋸齒波

(d) 矩形波

(e) 任意波形

(a) fx∶fy=1∶1

(b) fx∶fy=1∶2

(c) fx∶fy=2∶1

(d) fx∶fy=3∶1

(e) fx∶fy=4∶1

(f) fx∶fy=5∶1

系統(tǒng)硬件測(cè)試結(jié)果表明，該教學(xué)案例成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DDS的任意波形發(fā)生器，并可生成頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比的李薩如圖形。

4 結(jié) 語

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例已成功應(yīng)用于我校數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，具有如下特點(diǎn)：

(1) 該實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例幾乎涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)理論課程中如組合電路的分析與設(shè)計(jì)、時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)、觸發(fā)器與含觸發(fā)器的PLD、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器及其應(yīng)用、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用等所有核心知識(shí)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的綜合性，便于學(xué)生將理論課程中碎片化的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建成相對(duì)完善的知識(shí)體系。

(2) 通過將QuartusII軟件虛擬仿真和FPGA驗(yàn)證融入到傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)中，虛擬仿真和虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法使學(xué)生在掌握現(xiàn)代數(shù)字電路自動(dòng)化設(shè)計(jì)與分析方法的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

(3) 通過示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果如正弦波、方波、三角波以及任意波形等，將抽象的李薩如圖形通過示波器直觀地呈現(xiàn)出來，實(shí)驗(yàn)具有很高的演示度，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠迅速由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過渡到自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，初步培養(yǎng)了學(xué)生自主創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問題的能力。

多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)表明，數(shù)字電子技術(shù)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得了良好的教學(xué)效果，值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

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Research on Comprehensive Virtual Simulation Experiment Reform of Digital Electronic Technology

CHENLong,QIEXiaomei,MAXuetiao

(School of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

Digital electronic technology experiment is one of the specialized courses for the student majoring in electronics or related. The arbitrary waveform generator based on DDS is used to the digital electronic technology comprehensive virtual simulation experiment. This teaching case covers almost all core knowledge in the theory of digital electronic technology course, and has characteristic of strong comprehensive. It is convenient for students to master theoretical knowledge fragmentation in the course to build into a relatively complete knowledge system. Experiment results such as sine wave, rectangular wave, triangle wave, arbitrary wave and Lissajous figures can be observed through the oscilloscope. The students’ interests in learning are stimulated due to high presentation of experiment results. Practice shows that, comprehensive virtual simulation case can improve the students’ ability to design complex digital circuit system. It can also cultivate the students’ ability of practical innovation and engineering application. It achieved good teaching effect, and was beneficial to the improvement of teaching level.

digital electronic technology; virtual simulation experiment; arbitrary waveform generator; Lissajous figures; innovative ability

2016-11-17

浙江省2013年高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(kg2013125)；浙江省2015年度高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(jg2015060)

陳 龍(1979-)，男，山東寧陽人，碩士，副教授,教務(wù)處副處長，國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心副主任，研究方向?yàn)閿?shù)字電子技術(shù)教學(xué)與研究，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)。

Tel.：0571-86915094；E-mail:chenlong@hdu.edu.cn

TP 391.0

A

1006-7167(2017)05-0110-04