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關(guān)鍵詞： 數(shù)字電路設計； 現(xiàn)代數(shù)字邏輯設計方法； 數(shù)字電路教學改革； 轉(zhuǎn)換真值表

中圖分類號： TN710?34； TP302.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0139?04

Research on the necessity of change in digital circuit design method

based on CPLD/FPGA

SHUANG Kai， CAI Hong?ming

（College of Geophysics and Information Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China）

Abstract： Application of large?scale programmable logic device has brought great flexibility to digital system design. The introduction of standard logic design language has greatly changed the design method， design process and design concepts of traditional digital system. As a technical foundation teaching link in the university， it should be adjusted accordingly. The problems of the traditional design approach and advantages of modern logic design methods are compared through the combinational logic and sequential logic design examples. By contrast， the modern logic design techniques has replaced the traditional method of digital system design and become the mainstream of the digital circuit design， which is the inevitable trend of development of electronic technology.

Keyword： digital circuit design； modern digital logic design method； digital circuit teaching reform； conversion truth table

0 引 言

20世紀90年代，國際上電子和計算機技術(shù)較為先進的國家，一直在積極探索新的電子電路設計方法，并在設計方法、工具等方面進行了徹底的變革，取得了巨大成功。在電子技術(shù)設計領(lǐng)域，可編程邏輯器件（如CPLD、FPGA）的應用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設計帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過類似軟件編程的方式對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，從而使硬件設計像軟件設計那樣方便快捷。這就極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設計方法、設計過程和設計觀念，促進了數(shù)字邏輯電路設計技術(shù)的迅速發(fā)展。本文通過幾個設計實例的對比闡述一個道理，隨著數(shù)字電路中先進設計方法的引入，高等學校中數(shù)字電子技術(shù)的教學內(nèi)容必須隨之得到改善，使之與技術(shù)進步相互適應[1?3]。

數(shù)字電路根據(jù)邏輯功能的特點，分成兩類，一類叫組合邏輯電路（簡稱組合電路），另一類是時序邏輯電路（簡稱時序電路）。組合邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出僅取決于該時刻的輸入，與電路初態(tài)無關(guān)。而時序邏輯電路任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入信號，還取決于電路原來的狀態(tài)。本文從這兩方面就傳統(tǒng)手工設計存在的問題進行討論。

1 組合邏輯設計中傳統(tǒng)設計方法與可編程邏輯

設計方法的對比

列真值表，邏輯關(guān)系式，邏輯化簡是組合邏輯設計的幾個重要步驟。但這一經(jīng)典的組合邏輯設計步驟并不總是必須的。實現(xiàn)特定邏輯功能的邏輯電路也是多種多樣的。為了使邏輯電路的設計更簡潔，通過各種方法對邏輯表達式進行化簡是必要的。組合電路設計就是用最簡單的邏輯電路實現(xiàn)給定邏輯表達式。在滿足邏輯功能和技術(shù)要求基礎上，力求電路簡單、可靠。實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)可采用基本門電路，也可采用中、大規(guī)模集成電路。

例1：三個人表決一件事情，結(jié)果按“少數(shù)服從多數(shù)”的原則決定這一邏輯問題[4?5]。在“三人表決”問題中，將三個人的意見分別設置為邏輯變量A、B、C，只能有同意或不同意兩種意見。將表決結(jié)果設置為邏輯函數(shù)F，結(jié)果也只有“通過”與“不通過”兩種情況。

傳統(tǒng)的邏輯設計需要由下面的4個步驟完成：

（1） 列真值表

對于邏輯變量A、B、C，設同意為邏輯1，不同意為邏輯0。對于邏輯函數(shù)F，設表決通過為邏輯1，不通過為邏輯0。

根據(jù)“少數(shù)服從多數(shù)”的原則，將輸入變量不同取值組合與函數(shù)值間的對應關(guān)系列成表，得到函數(shù)的真值表如表1所示。

表1 例1的真值表（共有23=8行）

[A＼&B＼&C＼&F＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&]

（2） 列邏輯函數(shù)表達式

三人表決器的邏輯表達式為：

[F=ABC+ABC+ABC+ABC] （1）

設N為上式中的邏輯項數(shù)，這時，共有邏輯項[N=C23+C33=4]項。

（3） 邏輯化簡

三人表決器的邏輯表達式可化簡為：

[F=BC+AC+AB]

（4） 畫出邏輯電路圖如圖1所示。

盡管上面的分析看上去沒有錯誤，但上例中的“三人表決器”設計給學生一個誤導，好像按照上述的設計步驟就可以進行組合邏輯設計了?？梢酝茖?，若表決人數(shù)用[p]來表示，邏輯表達式的項數(shù)為[Np=k=p2+1pCkp，]其中[Ckp]為邏輯項的組合數(shù)。以[p=7]為例，這時表1中的表項為27=128項，式（1）中的邏輯項數(shù)N變?yōu)閇N7=C47+C57+C67+C77=64]。

圖1 例1的邏輯圖

顯然，隨著表決者數(shù)量的增加，邏輯項數(shù)急劇增加，真值表不易繪制，邏輯公式無法手工書寫，邏輯化簡也非常困難。

多數(shù)表決器的邏輯公式由于過多的項數(shù)不易采用公式法化簡。如果采用卡諾圖化簡法也會因輸入變量過多而導致傳統(tǒng)化簡方法失效。

標準邏輯設計語言的出現(xiàn)給大規(guī)模邏輯設計帶來了新的希望。硬件描述語言（HDL）的采用可以使設計者的精力集中于所設計的邏輯本身，不必過多的考慮如何實現(xiàn)這個邏輯以及需要用哪些定型的邏輯模塊。這在以往中小規(guī)模集成電路邏輯設計與大規(guī)?？删幊踢壿嬙O計方法上產(chǎn)生了本質(zhì)的差別。Verilog是一種以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和行為的語言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能。在此，用Verilog設計一個“七人表決”邏輯，以考察采用現(xiàn)代邏輯設計方法較傳統(tǒng)設計方法的優(yōu)勢。

在表決器的設計中，關(guān)鍵是對輸入變量中為1的表決結(jié)果進行計數(shù)，如果把全部的邏輯狀態(tài)列表分析，勢必存在冗余的設計資源。根據(jù)多數(shù)表決的性質(zhì)，考慮采用加法邏輯來統(tǒng)計表決結(jié)果，之后再判決加法器輸出中1的個數(shù)即可實現(xiàn)該邏輯。Verilog設計如圖2所示。

圖2 七人表決的Verilog邏輯

在“七人表決”邏輯中，不再專注于每個邏輯變量狀態(tài)的變化，只抓住關(guān)鍵問題多數(shù)表決有效，并用條件操作符“？”設計出所需的Verilog行為邏輯，剩下的實現(xiàn)問題交由計算機綜合（synthesis）?？梢钥吹?，采用標準化的硬件描述語言，能有效地避開以往組合邏輯設計中逐一考察每個輸入邏輯狀態(tài)所帶來的邏輯狀態(tài)分析的爆炸，從而可以用較短的設計時間得到正確的邏輯輸出。眾所周知，加法器、比較器都是傳統(tǒng)的組合邏輯教學內(nèi)容，但以往的教學中由于采用手工分析方法，很難把這些不同的邏輯設計內(nèi)容綜合考慮進來。筆者認為，現(xiàn)代邏輯設計方法的引入將逐漸轉(zhuǎn)化人們對傳統(tǒng)邏輯設計中的關(guān)注點，勢必引起邏輯設計教學方法的更新。有必要加大邏輯功能綜合設計的內(nèi)容，減少元器件級邏輯單元選型在教學中的比例。

2 時序邏輯設計中傳統(tǒng)設計方法與現(xiàn)代可編程

邏輯設計方法的對比

數(shù)字電路的另一類設計內(nèi)容是時序邏輯設計。時序邏輯設計分為同步與異步時序邏輯設計。一般地，同步時序邏輯設計的難度要高于異步時序邏輯。因此，也在時序邏輯電路設計上占有較多的學時。如果在教學改革中僅把可編程邏輯設計作為傳統(tǒng)時序邏輯設計內(nèi)容的補充，不但不能使學生體會到先進的計算機輔助邏輯設計所帶來的便捷，還可能使學生按照傳統(tǒng)的手工時序邏輯設計步驟去理解可編程時序邏輯，導致時序邏輯設計的復雜化，增加邏輯驗證的成本。因此，有必要探討傳統(tǒng)設計方法與現(xiàn)代邏輯設計方法之間的差別。下面根據(jù)一個典型的時序邏輯設計來說明。

例2：試設計一個序列編碼檢測器[6?7]，當檢測到輸入信號出現(xiàn)110序列時，電路輸出1，否則輸出0。

這個序列編碼檢測器如果按照傳統(tǒng)的時序設計步驟，將會異常繁瑣：

（1） 由給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表

從給定的邏輯功能可知，電路有一個輸入信號A和一個輸出信號Y，電路功能是對輸入信號A的編碼序列進行檢測，一旦檢測到信號A出現(xiàn)連續(xù)編碼為110的序列時，輸出為1，檢測到其他編碼序列時，輸出為0。

設電路的初始狀態(tài)為a，如圖3中箭頭所指。在此狀態(tài)下，電路輸出[Y=0，]這時可能的輸入有[A=0]和[A=1]兩種情況。當CP脈沖相應邊沿到來時，若[A=0，]則是收到0，應保持在狀態(tài)a不變；若[A=1，]則轉(zhuǎn)向狀態(tài)[b，]表示電路收到一個1。當在狀態(tài)[b]時，若輸入[A=0，]則表明連續(xù)輸入編碼為10，不是110，則應回到初始狀態(tài)[a，]重新開始檢測；若[A=1，]則進入狀態(tài)[c，]表示已連續(xù)收到兩個1。在狀態(tài)[c]時，若A=0，表明已收到序列編碼110，則輸出[Y=1，]并進入狀態(tài)d；若[A=1，]則收到的編碼為111，應保持在狀態(tài)[c]不變，看下一個編碼輸入是否為[A=0；]由于尚未收到最后的0，故輸出仍為0。在狀態(tài)[d，]若輸入[A=0，]則應回到狀態(tài)[a，]重新開始檢測；若[A=1，]電路應轉(zhuǎn)向狀態(tài)[b，]表示在收到110之后又重新收到一個1，已進入下一輪檢測；在[d]狀態(tài)下，無論[A]為何值，輸出[Y]均為0。根據(jù)上述分析，可以得出如圖3所示的原始狀態(tài)圖和表2所示的原始狀態(tài)表。

圖3 例2的原始狀態(tài)圖

表2 例2的原始狀態(tài)表

[現(xiàn)態(tài)

[（Sn）]＼&次態(tài)/輸出[Sn+1Y]＼&現(xiàn)態(tài)

[（Sn）]＼&次態(tài)/輸出[Sn+1Y]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[a]

[b]＼&[a/0]

[a/0]＼&[b/0]

[c/0]＼&[c]

[d]＼&[d1]

[a/0]＼&[c/0]

[b/0]＼&]

（2） 狀態(tài)化簡

觀察表2現(xiàn)態(tài)欄中[a]和[d]兩行可以看出，當[A=0]和[A=1]時，分別具有相同的次態(tài)[a、][b]及相同的輸出0，因此，[a]和[d]是等價狀態(tài)，可以合并。最后得到化簡后的狀態(tài)表，見表3。

表3 例2經(jīng)化簡的狀態(tài)表

[現(xiàn)態(tài)

[（Sn）]＼&次態(tài)/輸出[Sn+1Y]＼&現(xiàn)態(tài)

[（Sn）]＼&次態(tài)/輸出[Sn+1Y]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[a]

[b]＼&[a/0]

[a/0]＼&[b/0]

[c/0]＼&[c]

＼&[a1]

＼&[c/0]

＼&]

（3） 狀態(tài)分配

化簡后的狀態(tài)有三個，可以用2位二進制代碼組合（00，01，10，11）中的任意三個代碼表示，用兩個觸發(fā)器組成電路。觀察表3，當輸入信號A=1時，有abc的變化順序，當A=0時，又存在ca的變化。綜合兩方面考慮，這里采取00011100的變化順序，會使其中的組合電路相對簡單。于是，令a=00，b=01，c=11，得到狀態(tài)分配后的狀態(tài)圖，如圖4所示。

圖4 例2狀態(tài)分配后的狀態(tài)圖

（4） 選擇觸發(fā)器類型

這里選用邏輯功能較強的JK觸發(fā)器可以得到較簡化的組合電路。

（5） 確定激勵方程組和輸出方程組

用JK觸發(fā)器設計時序電路時，電路的激勵方程需要間接導出。表4所示的JK觸發(fā)器特性表提供了在不同現(xiàn)態(tài)和輸入條件下所對應的次態(tài)。而在時序電路設計時，狀態(tài)表已列出現(xiàn)態(tài)到次態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，希望推導出觸發(fā)器的激勵條件。所以需將特性表做適當變換，以給定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為條件，列出所需求的輸入信號，稱為激勵表。根據(jù)表4建立的JK觸發(fā)器激勵表如表5所示。表中的[x]表示其邏輯值與該行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換無關(guān)。

表4 JK觸發(fā)器特性表

[[Qn]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn+1]＼&[Qn]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn+1]＼&0＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&]

表5 JK觸發(fā)器的激勵表

[[Qn]＼&[Qn+1]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn]＼&[Qn+1]＼&[J]＼&[K]＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&1＼&0＼&[x]＼&1＼&0＼&1＼&1＼&[x]＼&1＼&1＼&[x]＼&0＼&]

根據(jù)圖4和表5可以列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表及兩個觸發(fā)器所要求的激勵信號，見表6。

表6 例2的狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表及激勵信號

[[Qn1]＼&[Qn0]＼&[A]＼&[Qn+11]＼&[Qn+10]＼&[Y]＼& 激勵信號＼&[J1]＼&[K1]＼&[J0]＼&[K0]＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&0＼&[x]＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&0＼&[x]＼&1＼&[x]＼&0＼&1＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&[x]＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&[x]＼&[x]＼&0＼&1＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&[x]＼&1＼&[x]＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&[x]＼&0＼&[x]＼&0＼&]

據(jù)此，分別畫出兩個觸發(fā)器的輸入J、K和電路輸出Y的卡諾圖，如圖5所示。圖中，不使用的狀態(tài)均以無關(guān)項x填入。

圖5 激勵信號及輸出信號的卡諾圖

化簡后得到激勵方程組和輸出方程。

[J1=Q0AK1=AJ0=AK0=AY=Q1A]

（6） 畫出邏輯圖，并檢查自啟動能力

根據(jù)激勵方程組和輸出方程畫出邏輯圖，如圖6所示。

圖6 例2的邏輯圖

如果發(fā)現(xiàn)所設計的電路不能自啟動，還應修改設計，直到能自啟動為止。

由上面所列舉的設計方法可以想見，繼續(xù)增加檢測位數(shù)會使邏輯設計更加復雜。

從上例可以看到，傳統(tǒng)的時序邏輯設計方法盡管可以用來實現(xiàn)時序邏輯的設計，但設計步驟不僅復雜且需要設計者大費周折。可以預見，使用傳統(tǒng)的時序邏輯設計方法設計復雜時序電路的難度很大。那么，采用什么方法才能使教學與現(xiàn)代邏輯設計技術(shù)接軌呢？

時序電路也被稱為有限狀態(tài)機（FSM）[6，8]，因為它們的功能行為可以用有限的狀態(tài)個數(shù)來表示。在與可編程邏輯設計的對比分析中，這里采用FSM設計這個序列檢測器。

根據(jù)圖3的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（采用圖4中化簡的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖亦可），給邏輯狀態(tài)[a，b，c，d]分別分配以Gray編碼（00，01，11，10）。之所以采用Gray編碼方法，是可以省掉序列檢測中的計數(shù)檢測。序列檢測器的FSM邏輯如圖7所示。經(jīng)仿真驗證，符合設計要求。

圖7 例2的FSM實現(xiàn)

從上面的對比可以看出，傳統(tǒng)時序邏輯設計以人工邏輯分析為基礎，現(xiàn)有邏輯器件為基礎構(gòu)件，歷經(jīng)基本邏輯方程轉(zhuǎn)換及最后的狀態(tài)驗證等多個環(huán)節(jié)，設計周期長，僅適合設計小規(guī)模、時序簡單的邏輯單元[9]；現(xiàn)代標準邏輯設計語言的設計方法以邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換本身為要點，從邏輯門與觸發(fā)器級邏輯設計上升的行為邏輯設計，更易于用來設計復雜的現(xiàn)代大規(guī)模時序邏輯。

3 結(jié) 論

現(xiàn)代邏輯設計方法的引入將逐漸轉(zhuǎn)化人們對傳統(tǒng)邏輯設計的關(guān)注點，大學基礎教學中邏輯電路的設計方法也應隨著這一技術(shù)的引入更新它的內(nèi)容，改變傳統(tǒng)邏輯設計占主導地位的現(xiàn)狀。可以預見，大規(guī)模可編程邏輯器件的引入將會從根本上改變數(shù)字電子技術(shù)的教學模式?，F(xiàn)代邏輯設計概念的引入，減少手工邏輯設計方法的比重、增加現(xiàn)代數(shù)字電路設計方法，注重基本概念的靈活運用都是數(shù)字電路教學改革的選題。廣泛開展現(xiàn)代邏輯設計方法的研究，勢必帶來邏輯設計方法教學的變革。對于高等學校的教師來說，做好改革的思想準備已經(jīng)是刻不容緩的了。

參考文獻

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篇2

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路課程；實踐平臺；工程設計；實驗

1概述

在教學過程中，具備數(shù)字系統(tǒng)設計實踐工程能力，涉及相關(guān)數(shù)字系統(tǒng)課程體系教學與實踐，在各高校的電氣、電子信息類專業(yè)中，數(shù)字電路是一門專業(yè)基礎課程，隨著數(shù)字技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷擴大，在后續(xù)專業(yè)課程中，顯而易見，隨著電子產(chǎn)品數(shù)字化部分比重增大，它在數(shù)字系統(tǒng)設計中基礎性地位越來越突出。

因此，培養(yǎng)適合現(xiàn)代電氣、電子、信息技術(shù)發(fā)展的卓越人才，創(chuàng)新數(shù)字電路的課程幾次理論與工程實踐教學迫在眉睫。

根據(jù)我校近幾年電氣、電子課堂教學的實踐情況，數(shù)字電路課程應該以面向應用的數(shù)字電路設計為核心，在熟練掌握基本電路教學內(nèi)容的基礎上引入先進的數(shù)字系統(tǒng)設計方法的課程教學和實踐內(nèi)容。

工程實踐過程中，逐步從自底向上的設計方法逐步轉(zhuǎn)變到自頂向下的設計方法中來，以教師科研應用來拓展，以全面培養(yǎng)優(yōu)秀數(shù)字設計卓越技術(shù)人才[1]。

2探索構(gòu)建數(shù)字電路教學中的多層次的創(chuàng)新實踐平臺

2.1多層次的數(shù)字電路創(chuàng)新實驗平臺構(gòu)思。

面向卓越人才培養(yǎng)的數(shù)字電路課程創(chuàng)新實踐教學，可以分層次進行在各個教學階段逐步推進，包括：面向基礎的數(shù)字設計的基本原理與工程創(chuàng)新實驗教學模塊、面向應用的數(shù)字電路課程設計教學和結(jié)合科研項目的創(chuàng)新實踐平臺[2][6]。

多層次的數(shù)字電路創(chuàng)新實驗平臺架構(gòu)如圖1所示。

2.2數(shù)字設計的基礎原理與實驗教學。

數(shù)字電路基礎原理和實驗教學是數(shù)字系統(tǒng)設計的課程體系的基礎入門階段，是培養(yǎng)數(shù)字邏輯代數(shù)與邏輯電路的重要過程，大類可分為時序邏輯電路和組合邏輯電路，其中時序邏輯電路主要包括：鎖存器、觸發(fā)器和計數(shù)器，組合邏輯電路包括，編譯碼器、多路復用器、比較器、加（減）法器、數(shù)值比較器和算術(shù)邏輯單元等。教學的目的是訓練學生掌握組合和時序邏輯電路堅實理論基礎，使學生掌握數(shù)字電路的基本概念、基本電路、基本分析方法和基本實驗技能，不但要注重基本數(shù)字電路與系統(tǒng)設計理論的理解，同時讓學生在學習中逐步了解面向應用和現(xiàn)代科技進步數(shù)字電路新的設計理念[2][3]。

2.3面向應用的數(shù)字電路課程設計實踐教學。

隨著電子設計自動化技術(shù)（EDA）和可編程器件（CPLD）的不斷發(fā)展和應用，以EDA技術(shù)為主導的數(shù)字系統(tǒng)理念已經(jīng)成為企業(yè)工程技術(shù)的核心。數(shù)字電路課程設計主要培養(yǎng)學生利用中小規(guī)模數(shù)字集成電路器件和大規(guī)?？删幊唐骷M行數(shù)字電路設計和開發(fā)能力。在卓越工程師培養(yǎng)背景下，結(jié)合前階段數(shù)字電路課程理論教學和實驗教學的實際情況及EDA技術(shù)的發(fā)展狀況，適時進行數(shù)字電路課程設計和EDA技術(shù)課程的綜合銜接，以及課程深度融合[4]。主要內(nèi)容包括：

2.3.1基于Multisim等相關(guān)軟件的數(shù)字系統(tǒng)仿真實驗?？梢詷?gòu)建虛擬數(shù)字實驗系統(tǒng)，不但較好地模擬實物外觀外，還可以利用系統(tǒng)提供的實驗平臺開展實驗的設計、仿真，進行實驗內(nèi)容的邏輯驗證。

2.3.2基于通用和專用數(shù)字芯片的數(shù)字系統(tǒng)設計。其主要特點是有很好的直觀性和具體性。

2.3.3基于硬件描述語言（HDL）的數(shù)學系統(tǒng)硬件描述。采用硬件描述語言實現(xiàn)數(shù)字邏輯設計，基于EDA環(huán)境仿真和驗證?？梢越Y(jié)合上述（1）和（2）的優(yōu)點，采用硬件設計軟件化技術(shù)應用于數(shù)字電路課程設計的實驗教學中，通過綜合性實驗的自行設計和實驗，對實驗內(nèi)容、實驗規(guī)模、實驗方法進行了綜合創(chuàng)新設計[5]。

2.4結(jié)合科研項目的數(shù)字設計實驗創(chuàng)新平臺。

在高等院校，教師即承擔教學任務，同時有各自的科學研究方向，同學們可以根據(jù)自己的研究興趣，加入教師的科研團隊，形成教學與科研互利的良性循環(huán)。面向卓越工程師培養(yǎng)的數(shù)字系統(tǒng)設計，可以借助橫向或縱向科研項目形成綜合教學體系。比如：搭建在線可編程門陣列（FPGA）創(chuàng)新實驗平臺，形成數(shù)字電路、電路線路課程設計、可編程邏輯器件以及集成芯片系統(tǒng)設計，形成面向數(shù)字系統(tǒng)設計的課程體系[3]。同時，應用高校與知名企業(yè)建立的校企合作平臺，把企業(yè)界的研究信息和研發(fā)需求引入到教學平臺，開拓了學生的研究思路和視野，提升了學生設計復雜數(shù)字系統(tǒng)的能力；目前，我校正在與國際知名的半導體公司Xilinx、Altera和Cypress陸續(xù)建立卓越人才大學培養(yǎng)計劃，利用大學設置小學期，在FPGA和PSoC開發(fā)平臺上進行了面向?qū)嶋H應用的數(shù)字系統(tǒng)設計，在實踐平臺上不僅有學校的任課教師，還有知名企業(yè)派來的一線工程師指導同學們的實踐，相比改革前，取得很好的實踐效果，同學們的數(shù)字系統(tǒng)設計水平得到了提高，同時在編程、接口、通信協(xié)議等方面也有了深刻的認識。

對于優(yōu)秀的學生，借助全國各種形式的大學生電子（信息）設計競賽這個創(chuàng)新平臺，組織他們積極參與，激發(fā)他們的學習研究興趣和創(chuàng)新意識，綜合所應用的數(shù)字系統(tǒng)設計知識，發(fā)揮競賽團隊的協(xié)作精神。每年，我們都有部分優(yōu)秀學生通過努力，創(chuàng)新設計的作品獲得專業(yè)認可，并取得了良好的參賽成績，也使得數(shù)字設計課程體系的建設上了一個新的臺階。

3基于創(chuàng)新平臺的課程體系優(yōu)化與實踐

卓越工程師培養(yǎng)要求的數(shù)字電路系統(tǒng)設計課程體系協(xié)調(diào)好相關(guān)電氣、電子類專業(yè)上下游相關(guān)理論課程、實驗綜合性設計同時得到協(xié)調(diào)發(fā)展。如何實踐論文所提到的創(chuàng)新實驗平臺，應該引進現(xiàn)代數(shù)字設計理念，重點把EDA軟件、設計工具、開發(fā)平臺與傳統(tǒng)的數(shù)字電路基礎理論教學相銜接。我們在這幾年對數(shù)字系統(tǒng)設計課程體系、創(chuàng)新實踐教學內(nèi)容等方面的進行了改革與探索，取得了一定的成效。經(jīng)過這幾年的實踐，我們逐步構(gòu)建了面向應用的數(shù)字系統(tǒng)設計課程優(yōu)化體系[5]，如圖2所示。

4不斷探索數(shù)字電路理論教學內(nèi)容的改革與實踐

4.1以數(shù)字電路設計為目的強化基本邏輯電路理論教學。

在進行復雜數(shù)字系統(tǒng)設計之前應該熟練掌握這些常用基本組合和時序邏輯電路，包括電路的功能、電路的描述以及電路的應用場合等。

樹立電路設計思想首先需要熟練掌握一些基本的邏輯功能電路。其次，樹立電路設計思想需要理論講解與實踐相結(jié)合，逐步熟悉硬件描述語言的描述方式。數(shù)字系統(tǒng)設計強調(diào)采用硬件描述語言來對電路與系統(tǒng)進行描述、建模、仿真等[2][3]。

4.2掌握面向應用的數(shù)字系統(tǒng)工程設計方法。

學生在掌握數(shù)字電路基本概念和一般電路的基礎上，進一步掌握數(shù)字系統(tǒng)設計的方法、途徑和手段。其主要內(nèi)容包括：數(shù)字系統(tǒng)與EDA的相關(guān)概念、可編程邏輯器件、硬件描述語言、電路元件的描述、數(shù)字系統(tǒng)的設計方法、開發(fā)環(huán)境與實驗開發(fā)平臺以及應用實例的介紹等。這些課程內(nèi)容涉及面較廣，為了提高教與學的效果，探索總結(jié)了以下的教學重點內(nèi)容，并作為教學實踐中的教學切入點[1]。

隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展與進步，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計在方法、對象、規(guī)模等方面已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的基于固定功能的集成電路設計[1][2]?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計采用硬件描述語言（HDL）描述電路，用可編程邏輯器件（PLD）來實現(xiàn)高達千萬門的目標系統(tǒng)。這一過程需要也應該有先進的設計方法。根據(jù)硬件描述語言的特性和可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)特點以及應用的需要，在教學過程中闡述了先進設計方法。例如：采用基于狀態(tài)機的設計方法設計復雜的控制器（時序電路），應用或設計鎖相環(huán)或延時鎖相環(huán)來處理時鐘信號，應用自行設計（IPcore）軟核來提高數(shù)據(jù)吞吐量[1][2][3]。

4.3深化數(shù)字電路實驗教學改革。

實驗實踐教學過程中，注重基礎訓練與實踐創(chuàng)新相結(jié)合的實驗教學改革思路，加強學生工程思維訓練、新平臺工具的使用、遇到邏輯問題的綜合分析能力，理論與實踐相結(jié)合的分析能力。在實踐過程中的提高創(chuàng)新性和綜合性能力，面向應用的數(shù)字電路創(chuàng)新平臺建設，需要不斷提高課程試驗、實驗和實踐過程在教學中的比例，在符合認知規(guī)律的同時，逐步加強來源與實際需要的綜合性數(shù)字設計實驗。

5結(jié)語

數(shù)字電路是電氣、電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程，論文針對當今卓越工程師培養(yǎng)的要求，以及在教學過程中遇到的主要問題，探討了面向應用的數(shù)字電路課程創(chuàng)新實踐平臺。提出了多層次的數(shù)字電路創(chuàng)新實驗平臺結(jié)構(gòu)和面向應用的數(shù)字系統(tǒng)設計課程優(yōu)化體系。目的在于，通過課程及相關(guān)課程體系改革與創(chuàng)新，使得學生更快、更好的適應現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)發(fā)展的需求。

參考文獻

[1]孔德明.《數(shù)字系統(tǒng)設計》課程教學重點的探討，科技創(chuàng)新導報，2012.1，173-174.

[2]任愛鋒，孫萬蓉，石光明.EDA實驗與數(shù)字電路相結(jié)合的教學模式的實踐，實驗技術(shù)與管理，2009.4，200-202.

[3]葉波，趙謙，林麗萍.FPGA課程教學改革探索，中國電力教育，2010，24，130-131.

[4]秦進平，劉海成，張凌志等.電類專業(yè)數(shù)字系統(tǒng)綜合實驗平臺研制，實驗技術(shù)與管理，2012.6，75-78.

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關(guān)鍵詞：計算機專業(yè) 課程進度 數(shù)字電路與設計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.15.132

“數(shù)字電路與邏輯設計”是電氣信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。該課程是后續(xù)專業(yè)基礎課和專業(yè)課的先修課程和基礎，是學生開展課外科技創(chuàng)新活動的必備知識，是解決工程實際問題的重要理論和方法，結(jié)合目前的實際情況，對數(shù)字電路與邏輯設計教學進行改革。

1 數(shù)字電路與邏輯設計的本質(zhì)

數(shù)字電路與邏輯設計是計算機科學與技術(shù)必修的一門重要課程。該課程中介紹了與數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)的知識，體系等。設置這門課程的重要性在于讓學生能夠更好地了解數(shù)字計算機和其他系統(tǒng)的基本邏輯電路，能夠熟練運用課程中所學到的知識并在實際操作中對案例進行分析，客觀地提出要求。

通過這門課程的系統(tǒng)學習，可以加強同學的邏輯思維能力，落實到具體工作中，可以解決具體問題，可以對系統(tǒng)硬件進行檢測，并有一定的創(chuàng)新能力。數(shù)字電路課程教學之所以進行改革是為了提高學生對計算機硬件設施的了解，為日后的學習做鋪墊。我們從計算機科學的角度劃分，可以把其課程分為：分析電路，數(shù)字電路與邏輯設計，微機原理等。從這些課程不難看出，數(shù)字電路與邏輯設計起的是承上啟下的作用。

2 電子技術(shù)的廣泛應用加快了數(shù)字電路的發(fā)展

現(xiàn)階段，是科技的時代，電子技術(shù)已經(jīng)應用廣泛，電子元素是計算機和電路不可缺少的構(gòu)成元素。國民經(jīng)濟和國防各領(lǐng)域的逐漸滲透，使得數(shù)字電子技術(shù)在相關(guān)專業(yè)的地位越來越重要。通過探討，認為要對以前的教程進行革新，減少理論性過強的內(nèi)容，著重掌握數(shù)字集成電路器的特性與實際運用，將重點放在學生的實際操作上面。

此外要加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，引導學生們多進行課外實踐活動，讓學生們把課堂上所學的知識用于實踐，這樣讓學生們在實踐中總結(jié)理論知識，有利于學生們知識的全面掌握。多媒體技術(shù)可以形象并明了地展示復雜的圖表，便于老師課堂上的教學，還方便了學生們觀看和理解。更重要的一點是，它節(jié)約了課堂信息量，增加了課堂上的教學內(nèi)容。以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力為主線，堅持“三個結(jié)合”，實現(xiàn)“二個轉(zhuǎn)變”，達到“一個提高”。堅持實踐內(nèi)容與理論知識相結(jié)合，創(chuàng)新實驗與科學研究相結(jié)合，課堂教學與課外實驗相結(jié)合；實現(xiàn)由基礎驗證性實驗向綜合設計性實驗轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)型實驗向創(chuàng)新型實驗轉(zhuǎn)變；達到學生實踐能力和創(chuàng)新精神的提高。提高教學的工作環(huán)境，利于開展實踐教學，從而有利于人才的培養(yǎng)和教學質(zhì)量的提高。圍繞實踐這個中心，增加新的教學內(nèi)容，根據(jù)電子信息技術(shù)的專業(yè)特點，制定科學的實驗課程，在內(nèi)容中多以實驗為主，增加教學模板，提高教學方法，總結(jié)出一套科學性、系統(tǒng)性的教學體系。

3 數(shù)字電路教學的改革方向

由于數(shù)字電路與邏輯設計的實踐性很強，所以，在實際的教學改革中要做到周全考慮，針對各項內(nèi)容都要做出調(diào)整。還需要注意的是，做到書本上所學的知識配套進行實踐。理論結(jié)合實際，多結(jié)合實際情況進行訓練。其內(nèi)容包括：工具運用能力，繪制電路，電路分析能力，項目綜合能力等。

3.1 課程體系的調(diào)整

為了更好地適應電子科學技術(shù)的發(fā)展，要優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)的總體要求出發(fā)，進行模塊化的設計，使數(shù)字電路與邏輯課程內(nèi)容體系具有系統(tǒng)性，科學性，先進性等。

數(shù)字電路與邏輯設計基礎從課程內(nèi)容上被分為兩大塊。數(shù)字電路介紹了數(shù)字系統(tǒng)的組成，數(shù)字信號的特點等；在內(nèi)容上先邏輯電路，邏輯部件，先單元電路后系統(tǒng)電路等等。數(shù)字電路多以理論為重點，在講解中多涉及外部邏輯功能。數(shù)字電路部分多以運用為主。這樣的課程組合可以讓學生對數(shù)字電路更加了解。

3.2 教學內(nèi)容的調(diào)整

數(shù)字電路與邏輯設計的課程很多，為了讓學生在有限的實踐內(nèi)把課程學好，要求教師掌握基本理論的同時有效地組織課程教學。在介紹運用時，要根據(jù)其不同的側(cè)重點進行分析。實驗教學從隨堂實驗到改革教學后進行獨立實驗，這其中包括驗證性實驗等。

通過有效的組織，可以增加學生們的實踐操作，調(diào)動學生們的積極性，從而有助于知識能力的提高。

3.3 加大實踐的內(nèi)容與次數(shù)

數(shù)字電路與邏輯設計在教學中需要增加實踐內(nèi)容，這有利于課程的安排，更提高了學生們的動手能力。在實踐中發(fā)揮良好的教學效果，要合理地拆分實踐內(nèi)容：①基本實驗；②設計實驗。我們來了解一下這兩種實驗的概念：基本實驗室使用電子儀器的能力；而設計實驗則是為了實現(xiàn)邏輯功能，而采用的是數(shù)字系統(tǒng)。在設計實驗中鼓勵學生自擬實驗的項目，并將課外活動結(jié)合進來，使學生的思維更加廣闊。

目前的電子大賽就是為高校的改革服務，它是結(jié)合了電子信息的專業(yè)內(nèi)容，這種比賽在教學改革中起到了引導的作用。這十多年來，在全國開展了很多電子計算機的競賽，這些競賽對高校體系改革幫助十分明顯，它有助于有才能的年輕人展示自己的能力與專業(yè)水平。在電子竟賽出題中增大數(shù)字電路EDA的內(nèi)容可以引導高校建設EDA的實驗室，例如：SOPC（系統(tǒng)集成芯片）是我國“十一五”制定的重大專項，目前全國已在12個高校中成立了集成電路人才培養(yǎng)基地。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段是電子化的時代，科學的進步帶動了電子技術(shù)的廣泛應用。大量的可編程器件被采用，這使得傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯方法明顯變化。計算機的應用范圍越來越高，使得人們對計算機的認識逐漸深刻，計算機的設計理念開始突破原有的范圍。數(shù)字電路與邏輯設計在各種現(xiàn)代技術(shù)的合力推動之下，得到了明顯的提升，可以做到使學生緊跟在市場的前沿。所以，數(shù)字電路和邏輯設計的改革加快了這門科學的發(fā)展，提高了學生們解決實際問題的能力，給學生們的就業(yè)和發(fā)展打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]李曉輝.數(shù)字電路與邏輯設計[J].

[2]曹魏，徐東風.計算機教育[J].

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關(guān)鍵詞：卡諾圖 標準與或表達式 數(shù)字電路

卡諾圖簡介

卡諾圖是1953　年美國貝爾實驗室的電信工程師　Maurice　Karnaugh　在維奇圖的基礎上提出的一種用于化簡邏輯函數(shù)的方法。這種方法簡單、直觀、方便的特點使其在數(shù)字電路的分析和設計中得到了廣泛的應用。由于在大多數(shù)的數(shù)字電子技術(shù)或數(shù)字電路課程的參考教材中，主要講解卡諾圖在邏輯函數(shù)化簡中的應用，從而導致初學者往往以為卡諾圖只是數(shù)字電路分析和設計中用以化簡邏輯函數(shù)的一種工具，其實不然，靈活地運用卡諾圖，可以使邏輯電路的分析和設計過程大大地簡化，讓一些難題迎刃而解。

1.卡諾圖在邏輯函數(shù)化簡中的應用

（a）每個乘積項都有三個因子。

（b）每一個變量都以原變量或者反變量的形式，作為一個因子在乘積項中出現(xiàn)且僅出現(xiàn)一次。

文獻[2]中也介紹了用卡諾圖完成兩邏輯函數(shù)的邏輯運算以及組合邏輯電路競爭冒險中的卡諾圖的應用方法，總之，卡諾圖在數(shù)字電路的分析和設計中有著重要的作用。

2.卡諾圖求解邏輯函數(shù)的標準與或表達式

事實上，卡諾圖還有一個重要的應用，然而這一應用，在數(shù)字電子技術(shù)或數(shù)字電路課程的參考教材中一直沒有介紹，至今也沒有文獻提及，那就是利用卡諾圖求解邏輯函數(shù)的標準與或表達式。這種方法方便，簡單，準確。這也正是本文提出的卡諾圖的另一種新的應用。

（1）求解標準與或表達式的常用方法

3.總結(jié)

卡諾圖在數(shù)字電路的分析中有著廣泛的應用。　它的優(yōu)點是簡單、　直觀、　使用方便，而且有一定的步驟和方法可循。在數(shù)字電路的教學中，除了使用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)以外，還可以使用卡諾圖求解邏輯函數(shù)的標準與或表達式，這種方法要比使用公式和定理推導的方法方便、簡單、準確。

參考文獻：

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關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；抗干擾技術(shù)；主要因素；主要方法

數(shù)字電路的開發(fā)過程中必定會接觸到各式各樣的干擾因素，其中主要是受到硬件干擾。因此，在解決方法上主要采用的是抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑并提高敏感器件的抗干擾能力，使用軟件降低對數(shù)字電路的干擾，對數(shù)字電路進行一定的補救，從而使得數(shù)字電路能夠正常運行，推動數(shù)字電路設計技術(shù)的進步。

1數(shù)字電路設計中形成干擾的主要因素分析

在數(shù)字電路設計中，形成干擾的主要因素有3個：干擾源、傳播路徑和敏感器件。干擾源是指在電路中確定會產(chǎn)生一定干擾的元件、設備或者是信號。在實際操作過程中，雷電、電機和繼電器等都可能成為干擾源，對電路形成巨大的干擾，并且在某些數(shù)字電路中是無法被去掉的。傳播路徑干擾是指在干擾源傳播到敏感器件的通路或者是媒介遭到一定的干擾。傳播路徑的干擾通常難以控制，干擾性會隨著傳播路徑的增加而有所增加。在實際操作過程中，空間的輻射、信號線等都會干擾傳播路徑。敏感器件是指某些容易擾的對象，包括單個設備或者分系統(tǒng)等，為了功能的需要，某些敏感器件的干擾是不可去除的。在實際操作過程中，主要指信號放大器、數(shù)字IC等。

2數(shù)字電路設計中抗干擾的主要方法分析

在數(shù)字電路設計中使用的抗干擾技術(shù)主要是抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑并提高敏感器件的抗干擾能力等方法。同時，在某些硬件設施難以達到的時候采用軟件方法進行數(shù)字電路防干擾，最大化地減少干擾項目對數(shù)字電路的干擾，保證數(shù)字電路在使用過程中的安全，確保數(shù)字電路的正常運行。

2.1對干擾源進行主動抑制

抑制干擾源是抗干擾技術(shù)的主要方針，通過盡可能地減小干擾源受到的干擾，實現(xiàn)抑制干擾的作用。對干擾源進行主動抑制，主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容和在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管。首先，為繼電器線圈增加續(xù)流二極管，通過增加續(xù)流二極管實現(xiàn)對干擾的消除作用。其次，為續(xù)電器接點兩端進行火花抑制電路的連接，以減小電火花對電路的影響。第三，為電機增加濾波電路，盡量使用減小引線的長度，增加電機的防干擾能力。第四，為電路板上的IC均接上一個高頻電容，減小IC對電源的影響。同時，在布線過程中，同樣要遵從使用較短引線的原則，以改善使用情況。第五，在實際布線過程中，應盡量采用直線布線，避免使用接近90度的折線。第六，為可控硅接上抑制電路，在防護可控硅的同時減小噪音干擾，對干擾源進行控制。

2.2對干擾傳播路徑進行選擇性切斷

傳播路徑型干擾主要分為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾就是指在數(shù)字電路中通過導線傳播到敏感器件時的干擾，主要辨別方式是通過導線。輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件時的干擾，主要辨別方式是通過空間輻射。2種干擾方式不同，但是對數(shù)字電路的干擾影響效果都相對較大。對于傳播路徑干擾，主要采用切斷和隔離的方式進行控制。首先，考慮到電源對單片機的影響。一方面，要使用效用比較良好的電源，能夠在很大程度上解決干擾問題。另一方面，可以給電源增加濾波電路，最大限度地減小電源的影響。其次，在單片機的選擇上要選取干擾較小的接口，并注意做好隔離。第三，晶振和單片機之間的距離要盡量減小，通過良好的布線減小傳播路徑的干擾。第四，要注重對電路板進行合理的分區(qū)管理。在分區(qū)管理時應該盡量將干擾源和敏感器件分隔并達到一定的距離，保證整個電路系統(tǒng)的穩(wěn)定。第五，將數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)相隔離。在實際操作過程中，一定要注意使用地線將2個分區(qū)進行隔離，減小干擾。第六，大功率器件要使用獨立地線。對于功率較大的地線通過單獨接地，減小干擾。第七，在關(guān)鍵的接口要使用類似磁珠和濾波電路等必要的抗干擾器件。

2.3充分提高敏感器件的抗干擾能力

除了對干擾源進行主動抑制和對干擾傳播路徑進行選擇性切斷，還要充分提高敏感器件的抗干擾能力，從敏感器件方面盡量減小敏感器件對整個數(shù)字電路的干擾。第一，在布線的時候要盡量避免大面積進行回路環(huán)設計，通過縮短其面積來降低干擾。第二，在實際布線過程中，在電源線和地線的選取上以粗短為優(yōu)，盡量降低干擾。第三，單片機中閑置的接口要在不改變系統(tǒng)邏輯的前提下做好接地或接電處理，盡可能避免懸空造成的干擾。第四，要使用好監(jiān)控系統(tǒng)，保證單片機處于良好的工作狀態(tài)。第五，盡量選取低速的數(shù)字電路，但是要保證速度能夠滿足實際工作中的要求，確保實際工作的可行性。第六，IC器件應該盡量直接進行焊接工作，盡量避免選用某些連接插座，從而減少干擾，保障數(shù)字電路的實際可行性。

2.4使用軟件降低干擾

除了在硬件方面采取措施降低干擾，在抗干擾技術(shù)的使用上還要注重從軟件方面出發(fā)，比如利用數(shù)字濾波技術(shù)、輸入信號重復檢測技術(shù)、輸出端口數(shù)據(jù)刷新技術(shù)、軟件攔截技術(shù)以及“看門狗”技術(shù)來降低干擾。

數(shù)字濾波技術(shù)是指在軟件中對采集到的數(shù)據(jù)進行電磁兼容消除干擾的處理。一般來說，除了在硬件中對信號采取抗干擾措施之外，還要在軟件中進行數(shù)字濾波的處理，以進一步消除附加在數(shù)據(jù)中的各式各樣的干擾，使采集到的數(shù)據(jù)能夠真實地反映現(xiàn)場的工藝實際情況。數(shù)字濾波技術(shù)相對來說算法靈活，效果良好。

輸入信號重復檢測技術(shù)是指在輸入信號過程中存在著輸入干擾而又難以使用硬件進行抑制時，采用軟件重復檢測技術(shù)，從而最大限度地減少干擾。在重復檢測過程中，如果信號一直變化不定，在達到一定程度時，可以給出相應的報警信號。輸出端口數(shù)據(jù)刷新技術(shù)也是采用重復輸出的方式降低數(shù)據(jù)干擾。通過數(shù)據(jù)的重復輸出，從而使得正確信息能夠在不斷傳輸中跳過干擾。

軟件攔截技術(shù)通過對程序運行過程中的“亂飛”現(xiàn)象進行攔截，使得程序擺脫軟件程序的“死循環(huán)”，最終使得運行通過正常程序進行，保證了程序的有效性和穩(wěn)定性。

“看門狗”技術(shù)是數(shù)字電路中的重要抗干擾技術(shù)。由于軟件攔截技術(shù)存在一定的局限性，對某些難以控制的程序“亂飛”現(xiàn)象無法正確地攔截，程序也就難以擺脫“死循環(huán)”。而通過“看門狗”，能夠?qū)Τ绦蜻M行良好的監(jiān)控。當程序受到干擾發(fā)生混亂時，由于程序邏輯已經(jīng)受到了破壞，程序在混亂的情況下無法對“看門狗”進行設置，進而導致看門狗定時溢出，導致系統(tǒng)重新運行，擺脫癱瘓狀態(tài)，保持良好的系統(tǒng)運行。

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關(guān)鍵詞 數(shù)字電路；故障檢測；原因

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0094-02

伴隨著經(jīng)濟技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用數(shù)字電路技術(shù)的產(chǎn)品遍布在大家生活的各個角落。正因為如此，電力工程方面的技術(shù)員在研發(fā)設計、調(diào)試安裝、后期維護數(shù)字電路時可能會遇到一些問題。于是精通檢測診斷數(shù)字電路故障的方法是保證數(shù)字電路能夠有效研發(fā)生產(chǎn)的重中之重。

1 產(chǎn)生數(shù)字電路故障的原因

1.1 電路元器件的老化

電路元器件在使用時由于相互摩擦就會對其造成一定的損壞。電路元器件多數(shù)是金屬質(zhì)地的，如果長時間使用的話，電路元器件就會老化并且其參數(shù)性能也會變得很差。甚至一些電路元器件在極冷或極熱的情況下就會導致其參數(shù)值的改變。

1.2 電路元器件接觸不良

電路元器件接觸不良是致使數(shù)字電路出現(xiàn)故障的最普遍的因素。在平時由于使用不當或沒有妥善保管好，電器外殼遭到破壞，就可能發(fā)生電路元器件在潮濕的空氣里或不小心把水濺進電器里這樣的事情，于是就氧化了電器元件內(nèi)部的焊點，電路板就極可能出現(xiàn)故障。

1.3 設備工作環(huán)境

設備能否順利工作是要具備一定條件的，由于空間資源的限制不是全部的設備都能在完全沒有干擾沒有影響的的環(huán)境中工作，所以當工作環(huán)境如溫濕度、電子磁場改變等不符合電路設備的需求的時候，數(shù)字電路便會出現(xiàn)故障，要想設備正常工作就很難了。

1.4 電路元件使用期限

不止是食品，電路元器件也有使用期限。在規(guī)定的使用期限內(nèi)它的參數(shù)性能才最優(yōu)。假如超出了使用的期限，電路元器件就會老化、參數(shù)性能降低，設備發(fā)生故障的機率就會變大。

2 數(shù)字電路故障的特點

2.1 數(shù)字電路特點

數(shù)字信號不管是在時間上還是在數(shù)值上都離散，數(shù)字電路是用來處理變換調(diào)制和解調(diào)這些信號的電路。其工作原理是利用“0”、“1”兩個高低電平來表示離散的信號，看起來很繁瑣，實際上基本電路非常簡單。除三態(tài)門以外，輸出狀態(tài)不是高電平就是低電平。

數(shù)字電路根據(jù)邏輯功能可分為時序邏輯電路和組合邏輯電路兩種。按照功能說，時序邏輯電路具有記憶和表達功能，這一功能是由有著存儲功能的觸發(fā)器構(gòu)成的電路來實現(xiàn)的。然而存儲電路的輸出狀態(tài)必須在輸出端上表現(xiàn)出來，并且要與輸出端邏輯運算后來決定時序電路的輸出電平。而組合邏輯電路是由多種電路構(gòu)成的，那一時刻輸入的電平來決定組合邏輯電路的輸出電平，且它和之前電路的輸出電平并無直接聯(lián)系。

圖示邏輯電路門級描述

2.2 故障特點分析

進行數(shù)字電路檢測和診斷時，一定要根據(jù)時序邏輯電路和組合邏輯電路各自的順序，仔細地觀察數(shù)字電路的電平，判斷是不是正常。然后逐個檢測以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障的位置。除此之外，數(shù)字電路也是有一些物理缺陷的，組成集成電路的門和記憶元器件都封存在一個芯片里，所以對電路輸入輸出波形沒有辦法直接觀察以致于檢測它們的電平高低時困難重重，要想及時地查找到數(shù)字電路出現(xiàn)故障的位置，就要研究出方便且可行的檢測電路故障的措施。

3 數(shù)字電路故障檢測方法

3.1 直接觀察檢測法

有一些工作經(jīng)驗的電路維修者經(jīng)直接觀察來推理出現(xiàn)電路故障的大概位置。經(jīng)過問詢在發(fā)生電路故障時的現(xiàn)象來判斷一下發(fā)生電路故障的可能原因，這樣做既省時又省力。比如，電燈突然很亮然后又滅掉了，我們應考慮可能是短路造成的，然后查找出現(xiàn)故障的位置，最后解決問題。

3.2 比較檢測診斷法

進行數(shù)字電路故障檢測時，比較法是所有檢測方法中較為常用的方法。一般情況下都需要盡快地檢測出數(shù)字電路出現(xiàn)故障的問題，以便及時地解決，這時首先測試電路的關(guān)鍵點，記錄下測試的參數(shù)值，再找沒有損壞的，能正常工作的器件，對相應的關(guān)鍵點的參數(shù)值進行測試，比較兩組參數(shù)值，數(shù)字電路發(fā)生故障的位置就在參數(shù)值不同的地方。然而大部分電路的故障發(fā)生的位置都在很細微的地方。由于在數(shù)字電路元器件生產(chǎn)時，廠商會特別注意電路板薄弱的關(guān)鍵點上，來保證器件的質(zhì)量，于是電路故障發(fā)生的位置常常不在電路板的這些關(guān)鍵點上。于是比較檢查法還有一定的缺陷。

3.3 替代檢測法

電路復雜時，一般方法檢測不出故障時，這時用替代檢測法來檢測電路故障位置。替代檢測法就是用同樣的電路元器件來替換數(shù)字電路里的電子元器件，不過代替電路元器件的元器件參數(shù)性能要好一些，不然的話仍然沒有辦法檢測出電路故障出現(xiàn)的位置。當質(zhì)量好一點的電路元器件替換好后，連接上電源，觀察電路板是不是能正常地工作。假如能正常工作就表明原電路元器件出現(xiàn)了故障，反之，就表明原電路元器件沒有故障。不管怎么說，替代檢測法在一定程度上也是費力和麻煩的。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今科學技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)字電路也顯得尤其重要。只有探究出數(shù)字電路檢測診斷的好方法，才能更好地把數(shù)字電路運用到現(xiàn)實生活里。要及時預防并解決可能出現(xiàn)的電路故障，防止給大家的生活帶來極大的不便。于是在此基礎上，我們要不斷地尋找出數(shù)字電路檢測診斷的方法和措施，及實地解決實際的電路故障，為大家的優(yōu)質(zhì)生活服好務盡到責，以滿足社會進步發(fā)展的需求。這一切都需要專業(yè)人員以及非專業(yè)人員的共同努力來完成。

參考文獻

[1]孫春輝.淺談數(shù)字電路故障檢測方法與技巧[J].技術(shù)開發(fā)，2010，05（03）.

[2]呂俊霞.數(shù)字電路故障的基本檢測技術(shù)[J].檢測與制作，2009，11（09）.

[1]郭希維，蘇群星，谷宏強.數(shù)字電路測試中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科學技術(shù)與工程，2008.

篇7

關(guān)鍵詞 數(shù)字電路 教學理念 教學方法 創(chuàng)新教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Take Teaching Philosophy and Teaching Methods as the Starting Point to Promote Innovative Teaching of Digital Circuit Courses

BAI Xuemei， LIU Shuchang

（Electronics Experiment Teaching Center， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022）

Abstract Digital circuit course is an important professional basic course of electrical specialty. In recent years， in order to highlight the basic digital circuit courses， engineering and advanced， has been engaged in various attempts of reform and innovation. But the premise of every innovative teaching should be based on teaching philosophy and teaching methods in-depth innovation， under the guidance of the right teaching philosophy， in the practice of appropriate teaching methods， we can promote innovative teaching of digital circuit courses.

Key words digital circuit； teaching philosophy； teaching methods； innovative teaching

0 引言

數(shù)字電路課程作為電氣信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課之一，圍繞我校的人才培養(yǎng)目標，以突出其基礎性、工程性和先進性的課程目標，進行課程建設和創(chuàng)新教學改革。通過數(shù)字電路課程的學習，使學生在掌握數(shù)字電路與邏輯設計的基本理論和方法的基礎上，能運用先進的EDA 工具，結(jié)合工程應用，進行數(shù)字電路和數(shù)字邏輯的分析與設計。數(shù)字電路課程開設在第四個學期，與先行課程電路分析、電子線路緊密結(jié)合展開拓展，并為后續(xù)課程微機原理等課程打下了堅實的基礎。其課程培養(yǎng)目標是使學生掌握數(shù)字邏輯電路分析和設計的基本原理和基本方法；使學生能靈活運用所學原理和方法，自頂向下和/或自下向上地分析和設計數(shù)字邏輯系統(tǒng)；通過科學而系統(tǒng)的實驗訓練，培養(yǎng)學生邏輯思維能力，分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學生知識自我更新和不斷創(chuàng)新的能力。圍繞著這一教學目標，課程的設計和教學實現(xiàn)應當以先進的教學理念和科學的教學方法為出發(fā)點，才能實現(xiàn)教學的創(chuàng)新性。

1 數(shù)字電路課程中先進的教學理念

教學理念是人們對教學和學習活動內(nèi)在規(guī)律的認識的集中體現(xiàn)，同時也是人們對教學活動的看法和持有的基本的態(tài)度和觀念，是人們從事教學活動的信念。現(xiàn)代教學理念注重以學生、作業(yè)、活動為中心，以學為主，教師在教學過程中起輔助和引導的作用，學生擁有主動權(quán)。教師主要工作是設定情境，讓學生產(chǎn)生興趣，發(fā)現(xiàn)問題，并在教師引導下，探索研究問題，找出解決方法并進行驗證的一系列過程。①

1.1 教學設計

數(shù)字電路課程包括理論教學和實驗教學。理論教學48學時，實驗教學16學時。同時，還有與課程相應的實踐環(huán)節(jié)——數(shù)字電路課程設計（1周）。在課程教學過程中，從邏輯代數(shù)基礎出發(fā)，以組合邏輯電路、時序邏輯電路以及模數(shù)接口電路為重點，以邏輯電路的分析、設計和應用為最終目標，培養(yǎng)學生對數(shù)字系統(tǒng)的分析和設計能力。

1.2 教學內(nèi)容整合

根據(jù)數(shù)字電路課程體系和目標要求，將課程劃分為若干個教學階段模塊，對各階段模塊進行教學目標設計；在教學過程中做到點與面的結(jié)合、深入淺出，既掌握電路的細節(jié)內(nèi)容又能充分把握各章節(jié)的知識體系。同時，把分章教學、階段教學和項目教學相結(jié)合，在教學中在充分體現(xiàn)各章節(jié)間統(tǒng)一性的基礎上，著重闡述各自的特殊性，強調(diào)工程觀點和整體設計概念，注重工程問題的處理方法，培養(yǎng)學生的綜合能力，加深學生對課程的理解。在布局好本門課程的同時，還要重視與相關(guān)學科內(nèi)容的銜接，不斷深入研究和探索，及時調(diào)整教學內(nèi)容，使本課程在教學中盡可能體現(xiàn)知識點與其他課程的關(guān)系，為后續(xù)課程打下基礎 。

在教學過程中注重對學生能力的培養(yǎng)，講授給學生的不僅僅是知識點，更是培養(yǎng)學生知識獲取能力和知識應用能力。例如，在講到時序邏輯電路分析和設計時，無論是計數(shù)電路、序列信號產(chǎn)生電路、序列信號檢測電路，重點強調(diào)“狀態(tài)”的概念，進而引入一些應用實例，如彩燈設計電路、自動售貨機等，從一個整體的類別去講解，將課程講授提高到一個新的高度。而學生所收獲的不再是一個個孤立的電路和概念，而是一個整體的、有機結(jié)合的知識體系。學生會對數(shù)字電路課程的興趣劇增，對整體的設計方法有一個飛躍的認識和提高。通過課程內(nèi)容的合理安排和整合，讓學生掌握科學的學習方法和設計數(shù)字電路的能力。更有意義的是，還可以提高學生的專業(yè)興趣。由傳統(tǒng)的學習轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性的學習，讓學生的思考能力和學習模式發(fā)生根本性的改變。

2 在數(shù)字電路教學中引入合適的教學方法

（1）采用多種教學方法，激發(fā)了學生的積極性和主動性。在理論教學中采用以老師講授為主，兼用啟發(fā)式、互動式和討論式等教學方法，體現(xiàn)老師的主導作用與學生的主體作用。本課程注重培養(yǎng)學生邏輯抽象思維能力，并且邏輯設計的方法十分靈活，教師授課要注重啟發(fā)式教學，給學生思考的空間，使之能夠由此及彼，舉一反三。同時，在教學中強調(diào)采用互動式教學，克服學生被動學習的局面。課堂上不僅僅是教師提問學生，同時鼓勵學生隨時向教師提問。并適當?shù)亟M織討論，讓學生提出自己的思想和方法，由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，激發(fā)同學們學習的潛能，培養(yǎng)了學生的興趣與學習的能力。同時，合理利用網(wǎng)絡教學資源，擴大學生的學習空間。

（2）注重理論教學與實踐教學相結(jié)合，培養(yǎng)了學生的綜合實踐能力。數(shù)字電路與邏輯設計是一門實踐性很強的課程，理論與實踐的結(jié)合十分緊密。教師不僅要具有扎實的專業(yè)理論功底，也要具有較熟練的實踐技能。要求教師對本門課程的理論和實踐相結(jié)合的教材分析及過程組合的能力。②因此，在教學過程中，應該始終堅持理論與實踐的統(tǒng)一，二者相互促進。一方面在學時安排上，理論課與實驗課銜接，實驗內(nèi)容與教學內(nèi)容互相滲透與加深，另一方面采用分層次教學，即采用驗證型、設計型及綜合型三層次教學，尤其是一些綜合開發(fā)實驗，不僅延伸了教學內(nèi)容，而且對理論知識進行綜合應用。同時，本課程既要掌握靈活的思維方法和系統(tǒng)的理論知識，又要強調(diào)工程實施能力的訓練，讓學生了解理論設計方案與工程實施之間的距離，訓練學生嚴謹、務實的作風。

（3）課程中貫穿EDA軟件的應用，培養(yǎng)了學生的實踐能力。在課程中注重引入新器件、新技術(shù)、新方法，在課程中貫穿EDA軟件的應用，要求學生以自學和實驗為主掌握EDA軟件的使用方法。在綜合實驗和系統(tǒng)實驗中，要求利用EDA軟件進行分析、設計、仿真，然后再具體實現(xiàn)，使學生學會電子電路先進的科學的設計方法，培養(yǎng)學生自己解決問題的能力和創(chuàng)新意識。培養(yǎng)學生完整數(shù)字電路系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。自頂向下，設定好各個部分的功能要求，將學過的電路模塊自行組合，先在EDA仿真中軟件實現(xiàn)，然后下載到硬件電路中。也可以到硬件實驗室進行純硬件電路的搭建，完成最終測試。

3 小結(jié)

數(shù)字電路課程創(chuàng)新教學的推進，依靠各個方面的配合，也需要從各個角度去理解，但是只有從根本上解決教學理念和教學方法的革新，才能從真正意義上去推進數(shù)字電路課程的創(chuàng)新教學。

注釋

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關(guān)鍵詞：教學改革；教學方法；教學資源；實踐創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）49-0050-02

為了適應當今世界經(jīng)濟、科技、文化發(fā)展趨勢，滿足社會各界對當代大學生的復合型、應用型和創(chuàng)新型人才要求，2012年10月教育部高等教育司編輯出版了《普通高等學校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》[1]。新版專業(yè)目錄中重新規(guī)定了專業(yè)劃分、名稱及所屬門類，并提出了各專業(yè)的主要核心課程、專業(yè)實驗和實踐性教學環(huán)節(jié)等課程的示例。數(shù)字電路課程是電氣、電子信息、自動化和計算機類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，是一門理論性和實踐性都較強的課程。它的主要任務是通過學習數(shù)字電路的基本概念、基本原理和基本技能，使學生在數(shù)字電路及數(shù)字系統(tǒng)方面具有一定的理論水平和實踐技能，該課程對于微型計算機原理、數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理等學好后繼主要專業(yè)課程必不可少的基礎知識，并提高學生的工程實踐能力都有著極其重要的作用[2-4]。本研究通過立體式實驗課程設計，把理論教學與實驗課、課程設計、實訓課程結(jié)合起來，大學一年級開始初步接觸專業(yè)課程，可以增強教學的互動性、趣味性，培養(yǎng)學生學習單片機課程的積極性、創(chuàng)造性，并進一步降低了實驗教學成本，具有一定的實際意義。本文的第一部分分析了數(shù)字電路課程的教學安排、學時分配和考核體系，第二部分主要分析了傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗教學模式和數(shù)字電路實驗教學中遇到的問題，第三部分提出了數(shù)字電路實驗教學中引入數(shù)字芯片設計的必要性，并提出了基于Quartus Ⅱ軟件和FPGA開發(fā)板的實驗內(nèi)容和具體教學安排。

一、數(shù)字電路課程分析

在教學安排方面，數(shù)字電路課程是一門理論性和實踐性都較強的基礎課程，基本上不需要高等數(shù)學、大學物理、復變函數(shù)等前期理論基礎。因此，可以安排在大一的第二學期（四年制本科）；大一的短學期中可以安排“數(shù)字電路實訓課程”，通過數(shù)字電路實訓課程進一步提高學生的操作能力和創(chuàng)新能力；大二的第一學期中可以安排“數(shù)字芯片設計課程”或“集成芯片設計課程”，在此課程中首先學習VHDL語言，然后再學習Quartus Ⅱ可編程邏輯器件設計軟件的使用方法和上機實驗，并通過FPGA開發(fā)板來學習數(shù)字系統(tǒng)的設計和應用；基于以上基礎，大二的第二學期學生可以開始在教師的指導下參加校內(nèi)外各種設計競賽，并在大二開始為即將學習的微型計算機原理、數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理等專業(yè)必修和選修課程奠定堅實的理論基礎。學時安排方面，數(shù)字電路理論課程可以安排3學分/48學時，實驗課程1學分/16學時，共4學分/64學時。課程改革積極探索教學活動和考核方式的多樣化，考核形式可以包括筆試、實驗課程、綜合性創(chuàng)新設計等。該課程的考核可以包括：①期末的筆試，考核基本知識，理論課程成績占60%；②實驗課程成績占15%；③平時成績占5%；④綜合性創(chuàng)新設計成績占10%。

二、數(shù)字電路實驗中存在的問題分析

數(shù)字集成芯片是在半導體表面上以CMOS門電路設計的現(xiàn)代化電子產(chǎn)品，由于CMOS門電路直接設計數(shù)字芯片時會出現(xiàn)時滯性、占用芯片面積、耗電量、結(jié)構(gòu)復雜等一系列問題。而CMOS門電路的各子系統(tǒng)是利用與、或、非、同或、異或等邏輯門電路模擬化，同時實際設計的數(shù)字集成芯片內(nèi)部電路圖結(jié)構(gòu)是無法看到的。因此，數(shù)字電路課程歷來是學生感到“抽象”的課程。在數(shù)字電路實驗課程方面，長期以來普遍利用74LS系列芯片實現(xiàn)理論課程上學到的觸發(fā)器、譯碼器、選擇器等組合邏輯電路，通過該實驗可以提高學生的基本邏輯電路的功能及測試技能。但是，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗教學主要存在以下弊端：①形式單一、方法呆板，雖然利用74LS系列芯片實現(xiàn)理論教學上學到的邏輯電路，但是不能完全解決學生對數(shù)字電路課程感到“抽象”的問題；②理論與實踐脫節(jié)，在理論教學上，教師一般采用理論波形圖來描述輸入/輸出信號之間的邏輯運算結(jié)果，一般不采用總線（Bus）波形圖描述多位數(shù)的信號。在實驗教學上，一般采用模擬開關(guān)描述二進制數(shù)的輸入信號，并LED燈描述一位數(shù)的輸出信號，因此，在理論和實驗教學上學生沒有機會接觸實際數(shù)字集成芯片的設計和信息處理環(huán)境；③缺少互動性和創(chuàng)新性，學生自己提出某系統(tǒng)的邏輯控制及流程之后，利用基本的74LS系列芯片實現(xiàn)系統(tǒng)級別的數(shù)字系統(tǒng)時芯片的使用數(shù)量、輸入信號的控制、輸出信號的分析等會面臨較大的困難，難以提高學生的積極性和創(chuàng)新性。

三、數(shù)字芯片設計在實驗教學中的應用

在數(shù)字電路實驗課程中，為了實現(xiàn)進一步系統(tǒng)化、程序化、可視化的實驗，可以利用傳統(tǒng)的實驗課程和現(xiàn)代化的教學實驗設備來完成。Quartus II是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多種設計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。利用Quartus II軟件的原理圖模塊（Block Diagram/Schematic File），可以補充完成數(shù)字電路實驗課程。數(shù)字電路實驗課程設置方面，如果整個實驗課程以16學時來計劃，前8學時可以做傳統(tǒng)的基于74LS系列芯片完的成硬件系統(tǒng)設計與測試實驗，后8學時可以完成基于模塊化方式的上機操作實驗。其中，Quartus II軟件安裝與波形圖分析占2學時，組合邏輯電路與全加期占2學時，選擇器和譯碼器/編碼器占2學時，綜合設計實驗占2學時。實驗內(nèi)容方面，首先讓學生利用Quartus II軟件的原理圖模塊（Block Diagram/Schematic File）設計相關(guān)邏輯電路圖，利用Quartus II軟件中的“功能仿真”功能驗證所設計邏輯電路圖結(jié)構(gòu)是否正確，通過進一步修改和功能仿真過程驗證邏輯電路圖的結(jié)構(gòu)設計。其次，建立時序圖框架，設置時脈信號、清零信號和輸入信號，通過Quartus II軟件中的“時序仿真”功能驗證輸入/輸出信號之間的連續(xù)性和正確性。同時可以利用FPGA開發(fā)板實現(xiàn)該系統(tǒng)，并利用邏輯分析儀驗證FPGA輸出信號的正確性。在上機實驗過程中，學生應理解的內(nèi)容主要包括五個方面。①針對某一個邏輯電路，在教材上說明的理論波形圖、Quartus II軟件仿真出來的波形圖、邏輯分析儀實際仿真的波形圖等3個圖形之間為什么存在輸出信號的延遲？②設計某系統(tǒng)時，基于C語言等軟件系統(tǒng)設計和基于FPGA等硬件系統(tǒng)設計的優(yōu)點和缺點是什么？③占用芯片的面積和耗電量大約多少？④原始的組合邏輯電路設計結(jié)果和卡諾圖、布爾運算等方式簡化之后，對集成芯片的運算速度、占用面積和耗電量差異多少？⑤理論課上沒有提到的多位數(shù)的總線（Bus）信號怎么理解？

隨著社會的跨越式發(fā)展，社會各行業(yè)對當代大學生的獨創(chuàng)性、復合型要求越來越提高。相反，目前普遍存在培養(yǎng)出來的學生動手能力較弱，分析問題和解決問題的能力差，缺乏創(chuàng)新能力。本文基于2012年教育部高等教育司編輯出版的《普通高等學校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》，提出了傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗教學當中存在的問題，并建立了一種軟/硬件系統(tǒng)相結(jié)合的實踐教學體系和實驗方法。本文提出的實驗計劃及安排可以營造有利于學生的激發(fā)創(chuàng)新激情，挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能，充分發(fā)揮學生的獨創(chuàng)性，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力提供強有力的支撐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部高等教育司.普通高等學校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹[M].北京：高等教育出版社，2012：182-202.

[2]韓延義，趙全科.數(shù)字電路課程設計教學研究[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2011，（17）：103.

篇9

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子 開發(fā)板制作 教學改革 實訓模塊化

中圖分類號：TN79-4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）06（a）-0143-02

《數(shù)字電子技術(shù)》教學包括基礎理論知識教學和技能實踐教學兩部分，是電類及相關(guān)專業(yè)必修課。數(shù)電課程中理論及實踐與模電比較有較大差別，很多學生對課堂內(nèi)容理解上有困難，教學效率不高。為了培養(yǎng)學生實踐設計能力和提高教學效率，采用仿真軟件與自制開發(fā)板相結(jié)合設計實踐項目。實踐證明，使用自制開發(fā)板及課程體系的模塊化教學使理論知識更為感性，提高課堂效率，加強了理論的理解，鞏固了技能。

1 課程特點與作用

對概念的理解和集成器件的應用是數(shù)字電子技術(shù)教學的兩個側(cè)重點。教學過程中引導學生運用已學知識自主獨立創(chuàng)新設計電路，結(jié)合硬件更新，強化理論知識的理解和應用，奠定單片機及專業(yè)技能基礎。當前數(shù)電教學存在教育思路與硬件技術(shù)發(fā)展速度不一致的現(xiàn)象，導致了學生的創(chuàng)新設計能力和應用能力不足，數(shù)字電子技術(shù)課程改革迫在眉睫。

2 內(nèi)容結(jié)構(gòu)調(diào)整及措施

2.1 課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)調(diào)整

改變以往常規(guī)設計思路，采用模塊法整合課程知識結(jié)構(gòu)，合理設計每個模塊綜合實踐項目。整合后課程模塊體系如下。

首先，為基本理論模塊體系，其內(nèi)容為：邏輯基礎、三大邏輯門、組合、時序電路等方面。該體系主要是加強電路分析以及邏輯思維方面能力訓練。

其次，應用性模塊體系，其內(nèi)容為：常規(guī)集成器件應用、數(shù)字綜合電路的設計與調(diào)試等。該體系主要是加強運用數(shù)字電路知識按要求設計電路方面能力訓練。

再次，大規(guī)模集成電路應用體系，其內(nèi)容為：VHDL語言、DSP和FPGA技術(shù)應用的基本理論、方法以及仿真軟件的應用，該體系主要培養(yǎng)電路設計理念，為掌握運用不斷出現(xiàn)的硬件新技術(shù)、新產(chǎn)品奠定基礎。

2.2 授課課時及方式調(diào)整

該課程的教學大綱在修訂上應該體現(xiàn)出現(xiàn)代數(shù)字電路的先進性，與此同時教學模式必須同步，做出相應的調(diào)整以便更好的優(yōu)化課程的內(nèi)容。在課時安排方面應合理分配三模塊體系課時比例，前一個體系為后一體系基礎，環(huán)環(huán)相扣。其次數(shù)字語言、DSP、FPGA技術(shù)在數(shù)字電路課程教學中可以介紹其簡單使用方法，但為更好運用應另設為一門新課，其次要合理設計每個體系綜合模塊項目，使之內(nèi)容上涵蓋體系內(nèi)相關(guān)知識，效果上可以用仿真軟件實現(xiàn)其結(jié)果，實操上可以用自制開發(fā)板調(diào)試。真正做到軟、硬同時進行真正做到知其然還自其所以然。

3 新授課方法及教學模式

3.1 課堂中自制開發(fā)板應用

當前各學校實驗室使用數(shù)字電路實驗設備為箱體式，不光體積大占用空間，更為遺憾的是可操作性小、設計性項目少，未為該課程學習帶來實際效果，學生對知識的認識往往是一知半解。為此，結(jié)合課程教學特點以及實驗的便利，作者開發(fā)了“數(shù)字電子設計開發(fā)板”（見圖1），該板設計合理，制作簡單、便攜實用，巧妙的把模擬電路、數(shù)字電路、單片機融合一體，既簡便實用，為后續(xù)單片機的學習奠定基礎，開發(fā)板采用電池或者交流電供電，需提供的信號、頻率測試等電路來源于模電中的基礎實驗。同時該板中配有簡單的51系列單片機基本模塊，可進行相關(guān)仿真使用。在教學中，一些基本電路，可直接在教室邊教學邊實踐，合理的應用好該開發(fā)板，就能真正的做到“教、學、做”一體化。

3.2 綜合設計項目在課堂多媒體教學中仿真

基于數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展迅猛、大規(guī)模集成電路不斷涌現(xiàn)。為更好的運用各類硬件，在學習過程中應充分使用仿真軟件模擬運行結(jié)果，不斷在電腦中修改其外界屬性，觀其結(jié)果變化。從而更深刻的掌握器件使用。

圖2為在PROTUES仿真軟件下，通過改變R2參數(shù)，從而改變555輸出頻率，觀其CD4017輸出的帶來的變化。兩者結(jié)合起來很形象直觀的讓學生掌握555及4017的特性及使用方法。

3.3 數(shù)電課程中引入單片機入門學習

數(shù)字電路是為后續(xù)綜合電路設計奠定基礎，而目在綜合應用電路大都采用單片機來實現(xiàn)，基于此單片機重要性可想而知。單片機可以實現(xiàn)大都數(shù)字電路同樣的結(jié)果，而電路結(jié)構(gòu)卻極為簡單。因此，在數(shù)電的教學與實踐中逐步引入單片機基本概念，同一個效果采用不同的電路，讓學生更深刻理解大規(guī)模集成電路的應用，圖3為采用單片機來實現(xiàn)流水燈效果。該電路與采用十進制計數(shù)器CD4017構(gòu)造流水效果一致，甚至可以設計更復雜效果，但電路卻比后者簡單。

4 結(jié)語

作者開發(fā)設計的“數(shù)字電路開發(fā)板”獲國家授權(quán)發(fā)明專利，作者在教學實踐中通過幾期的教學改革，實踐證明，取得了良好的效果，為數(shù)字電路教學改革做出以下幾個方面成就：（1）為“教學一體化課堂”摸索了一條有效途徑，令課堂教學更形象生動、內(nèi)容豐富；（2）緩解了實驗室緊張的局面，節(jié)約成本同時增加了學生動手綜合設計機會，提高了實訓效果；（3）為課外學習提供了良好的平臺支持，豐富了學生課外課程設計生活，提高了學習效率；（4）為基礎課程與專業(yè)課程前后建立有機聯(lián)系，激發(fā)了學習單片機技術(shù)的熱情。該課程的改革有利于綜合技能的提高，同時“數(shù)字電路開發(fā)板”具有較好的價值和推廣前景。

參考文獻

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篇10

關(guān)鍵詞：FPGA VHDL 模N計數(shù)器 數(shù)字電路實驗教學

1.引言

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成電路設計也不斷向超大規(guī)模、超高速和低功耗的方向發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)字電路課程設計在許多方面都滯后于現(xiàn)代數(shù)字電路設計形勢的發(fā)展，如效率低、損耗大、電接觸不穩(wěn)定、實驗裝置缺乏穩(wěn)定性和靈活性，成為創(chuàng)新和應用型人才培養(yǎng)的阻力，而FPGA具有設計技術(shù)齊全、效率高、易仿真、可移植性高等優(yōu)點［1］，通過對芯片的設計來完成大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)，可以很好地解決上述問題。

2.FPGA概述

2.1FPGA的概念。

FPGA（Field Programmable Gate Array）又稱現(xiàn)場可編程門陣列是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于ASIC（專用集成電路）器件中的一種，具有可編程的特性和實現(xiàn)方案容易改動等特點。FPGA采用的是SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）來構(gòu)成邏輯函數(shù)發(fā)生器，一個N輸入的LUT（可編程的最小邏輯構(gòu)成單元）可以完成N個輸入變量的邏輯功能，更適于完成觸發(fā)器豐富的時序邏輯電路。在現(xiàn)代集成電路設計中，數(shù)字系統(tǒng)所占的比例越來越大，F(xiàn)PGA設計開發(fā)周期短、集成度高、設計制造成本低、開發(fā)工具先進，將發(fā)揮越來越重要的作用［2］。

2.2VHDL介紹。

利用系統(tǒng)可編程邏輯器件FPGA芯片進行數(shù)字系統(tǒng)設計時，是以硬件描述語言作為設計語言，目前最主要的硬件描述語言是：VHDL（Very High Speed Integrated Circuit HDL）和Verilog HDL。VHDL發(fā)展得較早，語法嚴格，主要利用軟件編程的方式來描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、行為。該語言具有功能強大的語言結(jié)構(gòu)，具有多層次的設計描述功能，與傳統(tǒng)的門級描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設計。

3.在數(shù)字電路課程設計中引入FPGA的必要性

將FPGA引入數(shù)字電路課程設計中是一種全新的實驗手段，可以不斷修改電路和參數(shù)，及時觀察輸出結(jié)果，有效加深了學生對電子線路本質(zhì)的理解，提高學生現(xiàn)代化電子設計能力，激發(fā)學習興趣。在數(shù)字電路實驗教學中引入FPGA有以下優(yōu)勢。

3.1實驗項目增加，效率提高。

傳統(tǒng)數(shù)字電路的實驗項目較少并普遍采用的是常規(guī)邏輯器件連接起來構(gòu)成不同功能的電路。由于電路板硬件決定了實驗項目不能隨意更改，功能單一，不利于學生綜合電路設計能力的提高。較復雜的實驗學生很難在2個課時內(nèi)做完。采用FPGA技術(shù)，增加了綜合性實驗，學生只需學會EDA工具軟件的使用方法，就可以在2個課時內(nèi)完成更多的實驗項目。

3.2實驗難度降低，成功率提高。數(shù)字電路實驗主要裝置是面包板或?qū)嶒炏?。面包板連線時容易出現(xiàn)導線接觸不良、線路干擾等不穩(wěn)定的因素。實驗箱雖然穩(wěn)定，但實驗使用的邏輯器件功能較為單一，難以實現(xiàn)復雜的數(shù)字電路。采用FPGA設計硬件電路，對于比較復雜的硬件實驗，不必編寫邏輯表達式和真值表，降低了設計難度，縮短了設計周期。也不必用通用的邏輯元器件來構(gòu)成邏輯電路，而是直接用語言描述其功能，根據(jù)電路的不同需要自行設計專用功能模塊，從而實現(xiàn)了“軟”硬件設計，降低了研發(fā)成本。程序具有良好的可讀性，支持對已有設計的再利用。并且電路的設計更加合理，提高了實驗成功率，體積和功耗也大為減小。

3.3提高了學生的實踐和動手能力。采用FPGA做數(shù)字電路實驗，對同一電路模塊的設計有了多種不同的計方案。如采用不同的門電路或者使用語言對電路的功能進行描述，得到功能模塊。此模塊還可被調(diào)用，使設計更具靈活性。

4.現(xiàn)場可編程門陣列在EDA設計中的應用實例

下面我以設計模為N的計數(shù)器電路課程設計為例，介紹使用FPGA在數(shù)字電路設計中新的設計思路。

在對計數(shù)器電路進行設計中，傳統(tǒng)的電路設計是用集成計數(shù)器構(gòu)成，如圖1所示。

但是當模N比較大或者想改變N的值的時候，會感到物理硬件連接和改動起來非常麻煩，而利用FPGA的可編程的特性，采用VHDL可以方便快捷地實現(xiàn)任意模N的計數(shù)器，并且容易發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計上的失誤，提高了設計的成功率。

上述電路采用VHDL語言描述如下。

…………

由程序可以看出，利用模12計數(shù)器的程序，只需修改計數(shù)器的狀態(tài)數(shù)，就可以實現(xiàn)任意模N計數(shù)器。通過上述電路設計的學習，學生逐漸學會用VHDL語言設計電路，體會到用VHDL語言來描述復雜的控制邏輯具有簡潔明了、良好的可移植性，以及不依賴特定器件的優(yōu)點。提高了學生自己研究問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，取得了良好的教學效果。

5.結(jié)語

隨著FPGA的普及和知識產(chǎn)權(quán)核IP日益重視，電子產(chǎn)品設計中的硬件將不再是主導因素，而是全面轉(zhuǎn)向軟設計，使得板級設計更加簡單和模塊化。為了培養(yǎng)能適應電子技術(shù)發(fā)展趨勢的創(chuàng)新型和應用型人才，將FPGA技術(shù)引入數(shù)字電路實驗教學中，能很好地鍛煉學生的綜合設計開發(fā)能力和動手能力，激發(fā)他們的學習興趣，節(jié)約實驗成本，提高教學質(zhì)量和設計效率。因此，將FPGA技術(shù)應用于數(shù)字電路設計必將成為今后數(shù)字電路實驗教學與課程設計教學改革的新方向。

參考文獻：

［1］劉廷文，唐慶玉，段玉生.EDA技術(shù)是實現(xiàn)電工學研究型教學的良好手段［J］.實驗技術(shù)與管理，2006，23，（8）：65-68.

［2］艾明晶，康光宇.EDA教學實驗平臺的設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用，2002，（10）：23-24.