導(dǎo)語：如何才能寫好一篇數(shù)字電路設(shè)計(jì)知識，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞:項(xiàng)目教學(xué);數(shù)字電路;課程設(shè)置;教學(xué)實(shí)例

項(xiàng)目教學(xué)是將某門專業(yè)課程按類別分為若干知識和技能單元,每個(gè)知識和技能單元作為一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目,每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目都以應(yīng)用該項(xiàng)知識和技能完成一個(gè)具體的項(xiàng)目任務(wù)作為目標(biāo),所以,項(xiàng)目教學(xué)是將理論與實(shí)踐融于一體的教學(xué)模式。把理論知識和實(shí)踐知識較好的融于到具體項(xiàng)目是搞好項(xiàng)目教學(xué)的關(guān)鍵,所以,數(shù)字電路課程結(jié)構(gòu)必須按照項(xiàng)目教學(xué)模式來重新設(shè)置,本文結(jié)合作者項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究工作對基于項(xiàng)目教學(xué)模式的數(shù)字電路課程設(shè)置進(jìn)行淺顯探討。

一、課程的性質(zhì)與作用

《數(shù)字電路》是高等職業(yè)院校電子信息專業(yè)、通信專業(yè)等電類專業(yè)的一門核心職業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課,是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。

本課程主要針對企業(yè)生產(chǎn)第一線產(chǎn)品裝配、調(diào)試、檢驗(yàn)、維修、生產(chǎn)管理等崗位。通過基于工作任務(wù)的項(xiàng)目式教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的邏輯電路分析能力、邏輯電路設(shè)計(jì)能力(即用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)具有一定功能的邏輯電路,而不是設(shè)計(jì)一個(gè)編碼器、譯碼器、計(jì)數(shù)器等)、常用儀器儀表使用能力(如雙蹤示波器、穩(wěn)壓電源、信號源、計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)、萬用表等儀器儀表使用能力)、邏輯電路制作能力、故障排除能力、仿真工具使用能力、自學(xué)能力、設(shè)計(jì)報(bào)告編寫能力及職業(yè)素質(zhì)養(yǎng)成,本課程培養(yǎng)的核心能力是邏輯電路分析能力、邏輯電路設(shè)計(jì)能力。

二、課程結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

課程教學(xué)設(shè)計(jì)的理念:以項(xiàng)目教學(xué)開展課程教學(xué);實(shí)現(xiàn)理論實(shí)踐一體化教學(xué);以職業(yè)能力培養(yǎng)為主線,以應(yīng)用為目的。依據(jù)此理念設(shè)計(jì)出的課程教學(xué)內(nèi)容體系如圖1所示。

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)包括單元實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面?！皢卧獙?shí)驗(yàn)”訓(xùn)練常用電子儀器的使用方法和數(shù)字電路的基本測試方法,它所涉及的內(nèi)容與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān),充分體現(xiàn)課程的實(shí)踐性?！胺抡鎸?shí)驗(yàn)”主要利用EWB平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn),使學(xué)生掌握仿真工具的使用方法,并能利用仿真工具對一些設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行仿真。“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”是通過常用的數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)簡單功能的邏輯電路。

項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)采用EWB仿真設(shè)計(jì)+實(shí)物制作相結(jié)合的手段,項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)內(nèi)容主要利用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)具有一定功能的數(shù)字系統(tǒng)。在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中鼓勵(lì)學(xué)生將課外科技活動(dòng)、數(shù)字電路制作大賽納入教學(xué)活動(dòng)中來,課內(nèi)外學(xué)習(xí)相互結(jié)合,使學(xué)生視野開闊、能力增強(qiáng)。

理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)時(shí)間比例為1∶1;并安排2周課程設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合實(shí)踐訓(xùn)練。

(一)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思路

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思路:設(shè)計(jì)的項(xiàng)目應(yīng)覆蓋整個(gè)工作領(lǐng)域和承載這個(gè)工作領(lǐng)域所需要的知識和技能;項(xiàng)目結(jié)構(gòu)劃分應(yīng)體現(xiàn)工作體系的特征;在以項(xiàng)目劃分為線索進(jìn)行工作分析的基礎(chǔ)上,合理設(shè)計(jì)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)具體原則:項(xiàng)目應(yīng)覆蓋知識點(diǎn)和技能要求;知識點(diǎn)的內(nèi)容應(yīng)最大限度地融于項(xiàng)目教學(xué)之中;項(xiàng)目大小要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)度和要求來確定;項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)要考慮教學(xué)組織的可行性和合理性。

(二)課程教學(xué)實(shí)施思路

課程教學(xué)實(shí)施思路:理論教學(xué)主要結(jié)合在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行教學(xué)。

課程的教學(xué)以項(xiàng)目作為核心實(shí)例帶動(dòng)知識點(diǎn)講授,以工作任務(wù)完成過程為主線選擇和組織課程內(nèi)容,以完成工作任務(wù)為主要學(xué)習(xí)方式,每一個(gè)項(xiàng)目分解為若干個(gè)工作任務(wù),通過每一個(gè)工作任務(wù)使學(xué)生掌握必要的理論知識和技能。大部分內(nèi)容教學(xué)實(shí)施在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行理論實(shí)踐一體化教學(xué),可先分析再實(shí)踐,或先實(shí)踐再分析理論知識,或隨講隨練,講練結(jié)合,工學(xué)交替,理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)同步進(jìn)行。教學(xué)實(shí)施過程中突出“以職業(yè)能力培養(yǎng)為主線,以應(yīng)用為目的”原則,重點(diǎn)加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng),通過對項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。

(三)實(shí)踐教學(xué)的4個(gè)層面

本課程教學(xué)模式是基于工作過程的項(xiàng)目式教學(xué),借助這種教學(xué)模式和項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)3個(gè)實(shí)踐平臺,構(gòu)建了由基礎(chǔ)訓(xùn)練、應(yīng)用訓(xùn)練、創(chuàng)新訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練組成的“四個(gè)層面”的實(shí)踐教學(xué)體系,為學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)提供強(qiáng)有力保障,能使學(xué)習(xí)者在實(shí)踐活動(dòng)中主動(dòng)學(xué)習(xí)和有效應(yīng)用知識,極大提高教學(xué)效果和學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)的效率。

三、教學(xué)內(nèi)容的選取與規(guī)劃

(一)教學(xué)內(nèi)容選取依據(jù)

教學(xué)內(nèi)容要集中體現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo),內(nèi)容的選取應(yīng)該以企業(yè)對崗位知識能力要求和學(xué)生適應(yīng)崗位變化的可持續(xù)發(fā)展能力要求為依據(jù)。這就要求數(shù)字電路課程組的教師經(jīng)常到企業(yè)進(jìn)行知識和能力要求的調(diào)研,對企業(yè)所要求的知識點(diǎn)和能力進(jìn)行分析,根據(jù)調(diào)研結(jié)果及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,使數(shù)字電路的內(nèi)容符合行業(yè)企業(yè)發(fā)展的需要。另外,教學(xué)內(nèi)容的選取還要考慮能較好地解決“基礎(chǔ)知識、技能與學(xué)生適應(yīng)崗位變化的可持續(xù)發(fā)展能力”的關(guān)系,“基礎(chǔ)知識與應(yīng)用能力”的關(guān)系,“理論與實(shí)踐”的融合關(guān)系、比例關(guān)系等關(guān)系,使《數(shù)字電路》課程內(nèi)容體系具有高等職業(yè)教育的針對性,適應(yīng)電子信息職業(yè)崗位能力的培養(yǎng)。

(二)教學(xué)內(nèi)容具體規(guī)劃

1、理論教學(xué)內(nèi)容。必修模塊:數(shù)字電路基礎(chǔ),邏輯門電路,組合邏輯電路,觸發(fā)器,時(shí)序邏輯電路,脈沖電路;選修模塊:半導(dǎo)體存儲器與可編程器件,數(shù)/模轉(zhuǎn)換與模/數(shù)轉(zhuǎn)換;拓展模塊:MAX+PLUSII軟件操作訓(xùn)練,用VHDL語言設(shè)計(jì)功能模塊(拓展模塊不納入正常教學(xué),利用課余時(shí)間結(jié)合數(shù)字電路設(shè)計(jì)制作競賽開展教學(xué),滿足部分學(xué)生需求)。

2、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)內(nèi)容體系如圖2所示,具體實(shí)訓(xùn)內(nèi)容:加法計(jì)算器的設(shè)計(jì)與制作包括邏輯門電路功能的測試和加法計(jì)算器的設(shè)計(jì)兩個(gè)項(xiàng)目。涉及相關(guān)知識:與、或、非邏輯運(yùn)算,復(fù)合邏輯運(yùn)算,TTL門電路,OC門,三態(tài)門,TTL門電路、CMOS門電路的分類及其比較,TTL與CMOS數(shù)字集成電路的使用規(guī)則,邏輯代數(shù)的基本定律及規(guī)則,組合邏輯電路的描述,組合邏輯電路的分析,最小項(xiàng)與最大項(xiàng),常用數(shù)制與BCD碼;邏輯函數(shù)的化簡,組合電路設(shè)計(jì)方法,數(shù)字信號與模擬信號,組合邏輯電路中的競爭-冒險(xiǎn)現(xiàn)象。搶答器的設(shè)計(jì)與制作包括譯碼器功能的測試、編碼器功能的測試、鎖存器功能的測試和搶答器電路設(shè)計(jì)等4個(gè)項(xiàng)目。涉及相關(guān)知識:LED顯示器,顯示譯碼器,譯碼器,使用變量譯碼器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù);編碼器,二進(jìn)制優(yōu)先編碼器功能擴(kuò)展;D 鎖存器;搶答器的組成框圖(包括編碼器、譯碼器、鎖存器)。計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與制作包括觸發(fā)器邏輯功能測試、簡單計(jì)數(shù)器邏輯功能測試、集成計(jì)數(shù)器功能測試和計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與調(diào)試等4個(gè)項(xiàng)目。涉及相關(guān)知識:基本RS觸發(fā)器,同步觸發(fā)器,邊沿D觸發(fā)器,邊沿JK觸發(fā)器;時(shí)序邏輯電路的組成,計(jì)數(shù)器的類型,計(jì)數(shù)器的分頻功能,同步時(shí)序電路分析;集成四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器 74LS161,集成四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器 74LS163,集成異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS290,可逆計(jì)數(shù)器74193;計(jì)數(shù)器模數(shù)的變化,振蕩器。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作完成有一定功能數(shù)字鐘(能顯示小時(shí)分鐘基本功能)設(shè)計(jì)制作,這一個(gè)項(xiàng)目是對前面所有相關(guān)知識的綜合運(yùn)用和檢驗(yàn)。

四、教學(xué)組織與實(shí)施

教學(xué)組織與實(shí)施的思路:教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)以項(xiàng)目和案例作為單元展開教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)組織形式采取實(shí)際操作與講解相結(jié)合,單元學(xué)習(xí)時(shí)間為4課時(shí);教學(xué)過程中正確處理知識學(xué)習(xí)與工作任務(wù)的關(guān)系,做到知識學(xué)習(xí)為完成任務(wù)服務(wù),知識學(xué)習(xí)為技能形成服務(wù);最后,學(xué)生通過學(xué)習(xí)獲得報(bào)告、圖紙、工藝文件、作品等學(xué)習(xí)成果。

項(xiàng)目的具體組織實(shí)施過程中,重點(diǎn)考慮如何通過設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)墓ぷ魅蝿?wù)引入相關(guān)理論知識。例如通過“三人表決電路設(shè)計(jì)”、“簡單加法計(jì)算電路設(shè)計(jì)”兩項(xiàng)工作任務(wù),引入組合電路設(shè)計(jì)方法、邏輯函數(shù)化簡方法等知識點(diǎn);通過這兩個(gè)任務(wù),學(xué)生容易理解化簡后結(jié)果盡可能用相同芯片去實(shí)現(xiàn)它,因此“與或式”結(jié)果不如“與非與非式”,“與或式”就意味著要用與門和或門,再簡單的邏輯函數(shù)至少要兩個(gè)芯片,“與非與非式”只用與非門,如果邏輯函數(shù)不復(fù)雜,一個(gè)芯片可解決問題。又如通過“用74160及簡單門電路構(gòu)成八進(jìn)制計(jì)數(shù)器(0-7)”和“數(shù)字鐘中分鐘指示電路設(shè)計(jì)與調(diào)試”兩個(gè)工作任務(wù),引入N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成方法:串接法(即級聯(lián)法)、復(fù) 位法、置數(shù)法。

五、教材編寫與選擇

項(xiàng)目式教學(xué)教材選用應(yīng)該是以主、輔兩本教材結(jié)合使用的選用原則。為了保證項(xiàng)目教學(xué)的順利實(shí)施,應(yīng)該以自編校本教材為主教材,選擇理論知識順序與校本教材基本一致的規(guī)劃教材為輔助教材。校本教材在章節(jié)順序上,以項(xiàng)目和工作任務(wù)為主線來編排內(nèi)容順序,兼顧學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,并將知識和能力有機(jī)地融入到完成工作任務(wù)的具體過程中;在內(nèi)容編排上,按先基本邏輯電路后邏輯部件、先單元電路后系統(tǒng)電路、先數(shù)字電路后脈沖電路的原則編排,實(shí)踐與理論在內(nèi)容上相互充實(shí)、相互補(bǔ)充,邊學(xué)邊做。

采用兩本教材的目的是滿足部分自學(xué)能力較強(qiáng)學(xué)生擴(kuò)展知識的需要,對一些內(nèi)部電路的分析、原理的分析,自學(xué)能力較強(qiáng)學(xué)生可通過自學(xué)獲得知識,培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。

六、項(xiàng)目教學(xué)實(shí)例

以“智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)”這一項(xiàng)目為例說明項(xiàng)目教學(xué)的具體實(shí)施過程。這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程包括4個(gè)階段:

第一階段:任務(wù)布置。第一步是教師布置工作任務(wù),講解必要的相關(guān)知識,如原理框圖;第二步是分小組討論,按強(qiáng)弱搭配原則分小組討論,教師參與學(xué)生的討論,提出要解決的關(guān)鍵問題,即如何實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示與按鍵數(shù)字相對應(yīng)的數(shù)碼,如何實(shí)現(xiàn)閉鎖功能,學(xué)生展開對這兩個(gè)問題的討論,教師逐步啟發(fā)學(xué)生,得到解決問題的基本方法。

第二階段:仿真設(shè)計(jì)。第一步是利用仿真平臺在仿真實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),搭接電路并激活仿真軟件,查看所設(shè)計(jì)的電路能否實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)所要求的技術(shù)指標(biāo);第二步是教師對學(xué)生仿真設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行考核。

第三階段:電路制作。第一步是學(xué)生在面包板上搭接電路,自行排除故障;第二步是分小組進(jìn)行答辯并考核。

第四階段:教師總結(jié)?？商暨x1-2個(gè)電路進(jìn)行演示,并講解工作原理。

通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí),學(xué)生不僅掌握了鎖存器、編碼器、顯示譯碼器的原理,動(dòng)手能力得到了很大提高,電路制作的速度、排除故障能力明顯提高。整個(gè)項(xiàng)目教學(xué)體現(xiàn)了課程整體設(shè)計(jì)的理念,應(yīng)用了計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)室制作教學(xué)手段,采用了項(xiàng)目教學(xué)式、小組討論式、啟發(fā)式等教學(xué)方法。

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字電路的教學(xué)內(nèi)容和模式應(yīng)不斷的改革,這就要求數(shù)字電路課程組老師在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新,做到與時(shí)俱進(jìn),并在今后的教學(xué)過程中還要不斷深入研究和探索。

參考文獻(xiàn):

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2、侯國相.項(xiàng)目教學(xué)法在數(shù)字電路課程教學(xué)中的實(shí)踐[J].遼寧教育行政學(xué)院學(xué)報(bào),2008(8).

篇2

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；高速數(shù)字電路；設(shè)計(jì)技術(shù)

對于高速數(shù)字電路來說，其主要指的就是高速變化的信號在傳播過程中產(chǎn)生的電熔、電感等具備著一定模擬特性的電路，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路的建設(shè)，不單單需要對先進(jìn)的電子技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，還需要結(jié)合現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)進(jìn)行完善，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路每一部分的參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，進(jìn)而保證計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行，達(dá)到一定的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。在對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要做的是在設(shè)計(jì)過程中對各部分的元器件進(jìn)行合理的搭配，不然將會(huì)對電路元器件、電路信號等正常運(yùn)行與傳輸產(chǎn)生不良的影響。

1計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)的影響因素

對于高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)來說，其是否能夠成功主要“決定權(quán)”在于信號的質(zhì)量,也就是高速數(shù)字電路信號完整程度的保持,假如對高速數(shù)字電路信號完整程度無法保持,在信號的傳輸過程當(dāng)中，就會(huì)發(fā)生信號缺失，進(jìn)而產(chǎn)生信號失真的現(xiàn)象，一旦這種現(xiàn)象發(fā)生，對于數(shù)據(jù)信息、地址等方面都會(huì)產(chǎn)生十分不良的影響，令整體的高速數(shù)字電路系統(tǒng)無法保持正常運(yùn)行,甚至?xí)斐烧w系統(tǒng)的崩潰。而影響信號質(zhì)量的因素并不單一,其是由多種因素所共同影響，然而,在對信號的完整性影響因素進(jìn)行分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，其主要能分為以下幾點(diǎn):第一點(diǎn)，在整體的計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，在信號傳輸線位置的阻抗存在著差異，無法進(jìn)行正常的匹配,進(jìn)而能夠出現(xiàn)“反射噪聲”的現(xiàn)象,對于的信號完整性而言，能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生一定的影響作用[1]。第二點(diǎn)，在整體的計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，信號線與信號線之間的距離受到電路密集度的影響，一旦電路密集度不斷的進(jìn)行增大，信號線之間的距離將會(huì)越來越狹小,這就致使信號與信號之間的電磁藕合參數(shù)呈現(xiàn)出上升的趨勢,如果不進(jìn)行及時(shí)的處理,就會(huì)導(dǎo)致信號間出現(xiàn)“串?dāng)_現(xiàn)象”，進(jìn)而影響到信號的質(zhì)量[2]。第三點(diǎn)，在整體的計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，在芯片內(nèi)存在著大量的電路，這些電路在同時(shí)輸出的過程中,會(huì)受到在電源平面間存在著的電阻以及電阻的作用,進(jìn)而產(chǎn)生較大的“瞬態(tài)電流”,這種“瞬態(tài)電流”產(chǎn)生后，會(huì)對地線、電源線上的存在著的電壓造成一定程度的不良影響,因此導(dǎo)致信號的發(fā)生一些波動(dòng)和變化。總的來說,對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì),降低或者是排除以上三方面因素對信號質(zhì)量的不良影響,進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路信號完整性的提高,在現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，是首先需要解決的問題,只有這樣才能夠保證計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的成功性。

2計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)問題的解決對策

2.1阻抗問題的解決策略

為了避免信號傳輸線位置的阻抗存在著差異造成的信號受到影響的情況發(fā)生，首先需要對先進(jìn)的計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)理念進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，在正常情況下，計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)過程中，很難令電路中存在著的臨街阻抗相互之間契合，因此，可以采用對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和完善的辦法，令電路系統(tǒng)一直都保持過阻抗的狀態(tài)，只有這樣才能夠在一定程度上保證計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路的信號傳播過程中，信號的完整性不會(huì)受到阻抗差異的影響，進(jìn)而獲得更好的計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路信息傳輸效率[3]。

2.2串?dāng)_現(xiàn)象的解決策略

在對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對于“串?dāng)_現(xiàn)象”需要進(jìn)行合理地解決。參照信號傳播的基本理論,可以發(fā)現(xiàn)，在電路中，電流的流動(dòng)趨勢屬于循環(huán)流動(dòng),對于這一現(xiàn)象而言，數(shù)字電路設(shè)計(jì)工作人員往往并不在意。在傳播信號的路徑和回路形成了電流環(huán)路,電感在這樣中的回路隨著路徑的逐漸增大，電感也逐漸變大,同時(shí)，電流環(huán)路中存在著的電流也會(huì)根據(jù)電磁場的變化產(chǎn)生一定程度的改變。在對這樣的電流環(huán)路展開“減小處理”,能夠降低“串?dāng)_現(xiàn)象”帶來的影響[4]。

2.3瞬態(tài)電流的解決策略

在對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,要對電源的電阻因素以及電感因素進(jìn)行充分的考慮,實(shí)現(xiàn)對電阻因素以及電感因素的預(yù)先處理。在現(xiàn)階段的電路系統(tǒng)中，通常情況下電路材料都是銅質(zhì)材料,這種銅質(zhì)材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)對高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的要求和標(biāo)準(zhǔn)無法進(jìn)行滿足,所以，在高速數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，還要對電路材料方面影響因素進(jìn)行解決,使用更為合理的電路材料對去藕電容進(jìn)行引導(dǎo)，將其引導(dǎo)進(jìn)入整個(gè)高速數(shù)字電路中，能夠在一定程度上降低“瞬態(tài)電流”的發(fā)生頻率。

3結(jié)語

綜上所述，在社會(huì)不斷的發(fā)展的過當(dāng)中，對于電子技術(shù)來說，也帶來了一定的發(fā)展契機(jī)，令其發(fā)展速度也得以提升，計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)就是在這樣的發(fā)展前提下得到了不斷地完善及進(jìn)步，是對先進(jìn)的電子技術(shù)概念理論進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為一些行業(yè)的整體發(fā)展能夠起到一定的促進(jìn)作用。通過對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究和分析，結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)資料以及專業(yè)性知識，對計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，能夠在一定程度上加快計(jì)算機(jī)高速數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)而在更多的行業(yè)當(dāng)中得到更好的應(yīng)用。

作者:黃一曦 單位:廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校

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關(guān)鍵詞：數(shù)字電路設(shè)計(jì) 常見問題 注意事項(xiàng)

中圖分類號：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的電子產(chǎn)品和器件層出不窮，21世紀(jì)顯然已經(jīng)成為了信息化和數(shù)字化的時(shí)代。數(shù)字地球、數(shù)字商場、數(shù)字化生存、數(shù)字服務(wù)等概念早就成為人們生活中屢見不鮮的名詞，當(dāng)前人們?nèi)粘＝煌械暮芏喾矫娑寂c數(shù)字聯(lián)系得越來越緊密，比如每一個(gè)人的QQ號、身份證號、手機(jī)號、IP地址等等都在廣泛的數(shù)字化。數(shù)字已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上的1、2、3、5…，它們已經(jīng)成為了區(qū)分標(biāo)示和進(jìn)行社會(huì)管理的重要載體?，F(xiàn)在和今后，我們的生活都在進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字符號化，我們需要的資料和存儲的信息都會(huì)用這些簡單的數(shù)字傳遞復(fù)雜的內(nèi)容，這一系列看似簡單的數(shù)字承載了我們學(xué)習(xí)、工作和生活中的很多方面。這些任務(wù)的承擔(dān)都必須以數(shù)字電路為根本進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集、分析、區(qū)分和處理，從而轉(zhuǎn)化成影響著我們現(xiàn)實(shí)社會(huì)的數(shù)字電路信息符號?，F(xiàn)在，數(shù)字電路已經(jīng)十分廣泛的深入到社會(huì)中的各個(gè)領(lǐng)域。近年來，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)引發(fā)了很多行業(yè)深刻的變革和翻天覆地的變化，數(shù)字信息行業(yè)在很多方面都處在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前端，其中顯而易見的是數(shù)字電子科學(xué)技術(shù)，在科學(xué)大發(fā)展大繁榮的浪潮中，數(shù)字電子科學(xué)技術(shù)得到狂飆式的發(fā)展，當(dāng)前毫無疑問已經(jīng)成為了發(fā)展最快和影響力最大的學(xué)科之一。數(shù)字邏輯器件從20世紀(jì)60年代以小規(guī)模集成電路為主發(fā)展到當(dāng)前的中、大規(guī)模集成電路，甚至是超大規(guī)模的集成電路。數(shù)字邏輯器件的不斷發(fā)展和應(yīng)用更新，勢必會(huì)推動(dòng)著整個(gè)數(shù)字電路的繼續(xù)前進(jìn)。

1 數(shù)字電路的噪訊干擾處理

在數(shù)字電路中我們會(huì)經(jīng)常采用布爾代數(shù)的數(shù)學(xué)方法，用來描述事件之間相互的邏輯關(guān)系。和一般普通代數(shù)層面中的變量不一樣，邏輯變量則是用來描述邏輯關(guān)系中的二值變量，即用1和0這兩個(gè)值來表示對立的邏輯狀態(tài)。數(shù)字電路依照0和1的穩(wěn)定情況來作為運(yùn)算基礎(chǔ)，所以這其中就會(huì)存在噪訊界限。相對于模擬電路而言，數(shù)字電路有著非常強(qiáng)大的噪訊。數(shù)字電路中，數(shù)字信號因?yàn)榕c電流變化中磁數(shù)變化的誘導(dǎo)電壓的影響，電流變化就會(huì)在某個(gè)地方形成了噪訊的產(chǎn)生地，這又與電路長度、回路的面積息息相關(guān)。數(shù)字信號轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)帶來過渡性的電路，進(jìn)而帶動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生噪訊電壓，再加上噪訊電流的流動(dòng)會(huì)容易造成數(shù)字電路的誤動(dòng)作。電路的阻抗越高受到外部噪訊干擾就越容易，對抗噪訊的干擾除了控制噪訊電壓以外，還應(yīng)該加大結(jié)合阻抗，同時(shí)減少輸入阻抗。數(shù)字IC中如果空端子表現(xiàn)出open的狀態(tài)就會(huì)使阻抗變高，這進(jìn)而又會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電路極容易受到噪訊的誤動(dòng)作干擾。所以，數(shù)字IC的空端子需要連接電阻與電源。多層板信號線的阻抗，因?yàn)閷?dǎo)線系設(shè)在背景的表面上，所以也可以減低阻抗的效果。

2 數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)的融合

因?yàn)長SI和IC本身的高速化，為了能夠使機(jī)器能夠同時(shí)達(dá)到正常運(yùn)行的目標(biāo)，所以這就難免會(huì)使得技術(shù)的競爭越來越激烈。盡管系統(tǒng)構(gòu)成的電路不一定有clock的設(shè)計(jì)，但是毋庸置疑的是系統(tǒng)是否可靠必須要考量到選用電子組件、電路設(shè)計(jì)和成本、封裝技術(shù)、防止噪訊產(chǎn)生、防止噪訊外漏等綜合因素上。數(shù)字或模擬電路的極其小型化、多功能化、高速化會(huì)使得小功率信號與大功率信號、低輸出阻抗與高輸出阻抗、小電流與大電流等問題常常會(huì)在同一個(gè)密封密度的電路板中出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員置身于這樣的環(huán)境就將面對如此高難度和富有設(shè)計(jì)思維的挑戰(zhàn)。比如，十分穩(wěn)定的電路和吵雜的電路相依時(shí)，一旦沒有把噪訊侵入到十分穩(wěn)定的電路對策看做成設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，那么事后盡管進(jìn)行很多次設(shè)計(jì)也將難免會(huì)陷入無解的局面。又如，假設(shè)將小型的模擬信號增幅后，利用10bitA/D的數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，但是就因?yàn)榉指钶棇捠?.9 mV，但是要把該電壓的level正確的讀取出來就不會(huì)是一件容易的事情，很多事情就會(huì)使得超過10bit的A/D轉(zhuǎn)換器陷入了不能正常順利運(yùn)行的困境。

3 數(shù)字集成電路的選擇

基本門電路是由簡單的分離元件構(gòu)成，雖然設(shè)計(jì)起來比較容易簡單，但是運(yùn)行和反映的速度很多時(shí)候相對較慢，負(fù)載承受的能力也較差，電氣的性能也有待進(jìn)一步提高。目前使用得最為廣泛則是數(shù)字集成電路。其優(yōu)點(diǎn)是：體積較分立元件設(shè)備小幾百倍；抗干擾能力強(qiáng)；故障率和功耗率都很低，輸出電阻低；輸出特性好；穩(wěn)定性強(qiáng)。數(shù)字集成電路中又以是CMOS和TTL系列電路這兩種為主。CMOS系列器件的工作電壓在3～18 V之間，TTL系列的工作電壓是5 V，所以CMOS電路的工作范圍相對較廣，其噪聲的容限也較大，所需要消耗的功率相對較低。盡管CMOS的電路輸入端進(jìn)行了保護(hù)電路的設(shè)置，但是因?yàn)橄蘖麟娮璧某叽缬邢藓捅Ｗo(hù)二極管，這就會(huì)難免使得其承受的脈沖功率和靜電電壓受到限制。CMOS電路在運(yùn)輸、組裝和調(diào)試中因?yàn)椴豢杀苊獾臅?huì)接觸到靜電和高壓的物件，所以要保護(hù)好輸入的靜電。此外，CMOS還會(huì)產(chǎn)生電路鎖定效應(yīng)，為了安全和方便的使用，人們一直在致力于從設(shè)計(jì)和制造上排除鎖定效應(yīng)的研究。因?yàn)?，集成電路的要求都比較高，需要先進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)和程序的編制，但是更多的時(shí)候在使用現(xiàn)成數(shù)字電路中進(jìn)行了簡單的分析，這是非常不夠的。專用的集成電路是一種新型的邏輯器件，因?yàn)槠渚哂徐`活性和通用性的特點(diǎn)，所以成為了對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制的首選器件?？偟膩碚f，數(shù)字電路在今后的發(fā)展中還有廣闊的空間，但是其基礎(chǔ)知識不會(huì)發(fā)生改變，如何進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，這就迫切需要新型的數(shù)字人才去發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)當(dāng)中不大完善的地方，完善和彌補(bǔ)電路中的每一個(gè)缺點(diǎn)和不足，使得當(dāng)中各個(gè)部分和環(huán)節(jié)都能發(fā)揮最大的作用。

4 數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字電路設(shè)計(jì)是從原理方案出發(fā)，把整個(gè)系統(tǒng)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和要求劃分成若干個(gè)單元電路，將各個(gè)單元電路間的連接方式和時(shí)序關(guān)系確定下來，在這個(gè)前提下進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，最終完成總體電路。數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由時(shí)基電路、控制電路、子系統(tǒng)、輸出電路、輸入電路五部分構(gòu)成，當(dāng)中數(shù)字系統(tǒng)的核心是控制系統(tǒng)。數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有分析系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、系統(tǒng)組裝和系統(tǒng)安裝調(diào)試等步驟組成。數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也不是一次兩次就能完成，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試和探究，通過自上而下的設(shè)計(jì)方法和自下而上的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依托RTL傳輸語言等常用工具完成。數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了很多問題，比如，電路的簡化可能會(huì)使得電路性能降低，但是電路性能指標(biāo)提升難免會(huì)以犧牲電路簡化為條件。所以，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程有很多因素需要考慮和兼顧。

5 數(shù)字電路的抗干擾措施

在利用TTL或CMOS這兩種邏輯門電路作為具體的對象進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還需要注意到下面幾個(gè)問題。

5.1 多余端的處理

數(shù)字集成邏輯門電路在正常的使用時(shí)是不允許多余端懸空的，不然就極有可能十分容易的把干擾信號引入到數(shù)字電路中。所以，在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，針對多余端的處理，我們則是按照不改變數(shù)字電路的正常工作狀態(tài)以及確保其性能穩(wěn)定和可靠為基本原則。

5.2 去耦合濾波器

數(shù)字電路一般都是由多數(shù)片邏輯門電路組成，他們供電則來自于公共的直流電源。所以，這種電源并不是很理想的，很多時(shí)候是依靠整流穩(wěn)壓的電路進(jìn)行供電，所以也會(huì)存在一定程度的內(nèi)阻抗。數(shù)字電路正在處于運(yùn)行時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電流或者是脈沖電流，這些電流流經(jīng)到電路的公共內(nèi)阻抗時(shí)，必然相互間會(huì)產(chǎn)生一定的影響，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得數(shù)字電路的邏輯功能發(fā)生混亂，甚至是陷入崩潰狀態(tài)。所以數(shù)字電路在設(shè)計(jì)中針對這一情況的處理辦法一般都會(huì)使用耦合濾波器去應(yīng)對，常常會(huì)使用10～100 μF范圍之內(nèi)的大電容器和直流電源再聯(lián)合去濾除多余的頻率成分。值得注意的是，還需要將每一集成芯片的電源與地之間接一個(gè)0.1 μF的電容器，用來濾除掉開關(guān)帶來的噪聲干擾。

5.3 接地和安裝防范

科學(xué)的接地和安裝工藝是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中比較有效的措施。在實(shí)際操作中，可以把信號地和電源地分開出來，將信號地集中到一點(diǎn)，再把這兩者用最短的導(dǎo)線相互連接起來，用來避免大電流流向其他器件的輸入端，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的邏輯功能失效。如果電路設(shè)計(jì)中同時(shí)有數(shù)字和模擬這兩種器件，也需要將它們分開，再選擇一個(gè)符合條件的共同點(diǎn)接地，皆宜消除相互之間的影響。當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)出數(shù)字和模擬兩塊電路板，分別給他們配上直流電源，再把兩者合適的連接起來。在電路板的設(shè)計(jì)和安裝中，也必須要注意盡量將連線縮短，這就能很大程度的減少接線電容帶來的寄生振蕩。

6 結(jié)語

數(shù)字處理技術(shù)和集成電路技術(shù)正在飛速的發(fā)展，數(shù)字電路也得到了越來越廣泛的運(yùn)用，像當(dāng)前的數(shù)字電視、數(shù)字照相機(jī)等產(chǎn)品已經(jīng)走進(jìn)了廣大人們生活當(dāng)中，數(shù)字化已經(jīng)成為了當(dāng)前科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)的潮流。數(shù)字電路設(shè)計(jì)組成了諸如數(shù)字測量系統(tǒng)、數(shù)字通訊系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)等等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)帶來的成果和發(fā)揮的影響力將會(huì)越來越受到重視。

參考文獻(xiàn)

[1] 王華奎.電子電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

篇4

針對硬件課程實(shí)踐環(huán)節(jié)在提高學(xué)生解決實(shí)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(jié)合“try”教學(xué)方法，基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，提出一種新的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：

CDIO；教學(xué)模式；實(shí)踐環(huán)節(jié)；課程銜接

由麻省理工學(xué)院等4所大學(xué)創(chuàng)立的CDIO工程教育理念，是繼承和發(fā)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(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測評。它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式來學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)[1-2]。數(shù)字電路設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)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(shù)字電路設(shè)計(jì)的教學(xué)中沒有考慮好與后續(xù)課程在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容上的銜接，則容易導(dǎo)致學(xué)生在后繼課程的學(xué)習(xí)中遇到困難[3]。

1數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)條件和教學(xué)現(xiàn)狀

（1）社會(huì)對軟件人才的需求量遠(yuǎn)大于對硬件人才的需求量，學(xué)生出于就業(yè)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(shí)踐環(huán)節(jié)大都是驗(yàn)證性的，缺乏探索性，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，從而打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)硬件課程的積極性，導(dǎo)致學(xué)生形成“好軟怕硬”的思想。（3）傳統(tǒng)教學(xué)模式是教師課堂講授，適當(dāng)結(jié)合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生學(xué)完理論、做完實(shí)驗(yàn)后，仍然缺乏解決實(shí)際問題的綜合能力、工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力[4]。傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端導(dǎo)致在與計(jì)算機(jī)組成原理等后繼課程的銜接中，學(xué)生不能從系統(tǒng)的高度認(rèn)識數(shù)字邏輯[3-5]。（4）計(jì)算機(jī)學(xué)院開設(shè)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)組成原理等課程，采用同一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在一定程度上能讓學(xué)生的學(xué)習(xí)具有連續(xù)性。（5）自創(chuàng)的“try”教學(xué)方法可適用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程及實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)[6-8]，但由于算機(jī)組成原理和數(shù)字電路設(shè)計(jì)兩門課程的內(nèi)容和要求不同，“try”教學(xué)方法在應(yīng)用于后者時(shí)，應(yīng)有所調(diào)整。

2數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)改革方案

2.1實(shí)踐環(huán)節(jié)的層次設(shè)計(jì)為了獲得更好的教學(xué)效果，教師探索了各種方法，其中有案例法、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法等[9-12]。從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)手法、課程整合等不同角度來提高實(shí)踐環(huán)節(jié)質(zhì)量[13-14]也能夠有效提高教學(xué)效果。比較上述方法后，考慮與后續(xù)課程的銜接等因素，根據(jù)CDIO標(biāo)準(zhǔn)3、5、7的要求，結(jié)合自創(chuàng)的“try”教學(xué)方法，我們將數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)分成兩個(gè)層次，從最簡單的門級電路編程開始，難度由低到高、循序漸進(jìn)，最終讓學(xué)生完成源于實(shí)際案例的綜合實(shí)驗(yàn)，初步具備實(shí)際工程能力。表1從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、教學(xué)方法等7方面對基本實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比。在教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主要障礙不是掌握理論方法，而是缺乏理論知識和實(shí)踐問題認(rèn)知的溝通[11]。因此，我們在理論教材中選擇15個(gè)知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)成相關(guān)的任務(wù)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如全加器、表決器等，采用“try”教學(xué)方法并結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手多嘗試，通過任務(wù)、查資料、仿真、實(shí)物驗(yàn)證、教師驗(yàn)收、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和總結(jié)這7個(gè)步驟完成對15個(gè)理論知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。為了進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)際工程能力，基于科研項(xiàng)目，貼近實(shí)際生活，我們編寫了自動(dòng)售貨機(jī)、出租車計(jì)費(fèi)器、電梯控制器等6個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用分組方式，每組學(xué)生自行選擇一個(gè)題目，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成該綜合實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程一般包括：教師項(xiàng)目及要求、學(xué)生分組并認(rèn)領(lǐng)項(xiàng)目、組內(nèi)分工、查資料、設(shè)計(jì)方案、論證可行性、學(xué)生在宿舍仿真、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的硬件開發(fā)板上實(shí)物驗(yàn)證、教師驗(yàn)收、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)答辯、成績評定等13個(gè)環(huán)節(jié)。教師在項(xiàng)目要求的時(shí)候，只給出最基本的要求，學(xué)生在設(shè)計(jì)的過程中可以自行擴(kuò)充，也就是說，同一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)題目，其設(shè)計(jì)可繁可簡，不同學(xué)生設(shè)計(jì)的電路可能會(huì)不一樣。

2.2實(shí)踐環(huán)節(jié)評價(jià)體系的構(gòu)建根據(jù)CDIO標(biāo)準(zhǔn)11，構(gòu)建了實(shí)踐環(huán)節(jié)的評價(jià)體系。

2.2.1基本實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法基本實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)是：①時(shí)限；②工作量；③完成質(zhì)量；④驗(yàn)收程序；⑤實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中①、②、④、⑤考核了學(xué)生的個(gè)人能力和表達(dá)能力，指標(biāo)③、④、⑤考核了學(xué)生的專業(yè)知識、建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。對這5項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)平均得到該基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分?jǐn)?shù)，如式1所示，其中Sj表示某個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的得分，Ki表示某個(gè)考查指標(biāo)的系數(shù)，Mi表示在某個(gè)考查指標(biāo)上的得分。由15個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的得分累加后除以15，得到基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總得分，如式2所示，其中BS表示基本實(shí)驗(yàn)的總得分，Sj表示某一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的得分。

2.2.2綜合實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法綜合實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)是：①時(shí)限；②查資料的能力；③實(shí)驗(yàn)方案；④創(chuàng)新性；⑤設(shè)計(jì)說明書；⑥完成質(zhì)量；⑦團(tuán)隊(duì)合作能力；⑧工作量；⑨驗(yàn)收；⑩實(shí)驗(yàn)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)答辯。其中①、②、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、項(xiàng)考核了學(xué)生的個(gè)人自身能力、探究能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和表達(dá)能力，指標(biāo)③、④、⑤、⑥、⑨、⑩、考核了學(xué)生的專業(yè)知識、建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。修改式1可對這11項(xiàng)指標(biāo)的得分加權(quán)平均，從而得到綜合實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)。

2.2.3實(shí)踐環(huán)節(jié)最終成績評定辦法及選優(yōu)措施實(shí)踐環(huán)節(jié)總評成績由基本實(shí)驗(yàn)成績和綜合實(shí)驗(yàn)成績兩部分加權(quán)平均得到,從工作量及投入時(shí)間方面考慮，一般建議兩者各占50%。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況和成績，特別是綜合實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，向各相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室推薦優(yōu)秀本科生，使他們有機(jī)會(huì)加入科研項(xiàng)目組，參與教師的科研工作。

3實(shí)施效果及分析

為檢驗(yàn)課改成果，我們設(shè)計(jì)了一套課程評價(jià)系統(tǒng)，包括一套具有反向題的學(xué)生調(diào)查問卷、學(xué)評教的數(shù)據(jù)、學(xué)生的理論課成績單、實(shí)踐環(huán)節(jié)成績單、一套后繼課程教師評價(jià)學(xué)生掌握先修課程知識的調(diào)查問卷、一套學(xué)生所在學(xué)科實(shí)驗(yàn)室評價(jià)該生的調(diào)查問卷等。評價(jià)系統(tǒng)還包括對這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在CDIO模式基本實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)上，學(xué)生滿意度達(dá)到81.6%，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核方法等方面，學(xué)生滿意度達(dá)到97.4%，比傳統(tǒng)模式提高了20幾個(gè)百分點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)表明，新教學(xué)模式比傳統(tǒng)模式更能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，促進(jìn)他們較大幅度地提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手編程能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。我們將2013級計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生分成兩組，采用相同的教學(xué)資源和不同的教學(xué)方式分別授課，一組采用新模式教學(xué)，另一組采用傳統(tǒng)模式教學(xué)。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，2015年1月數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程理論考試中，在試卷相同的情況下，新模式組成績優(yōu)良率達(dá)到52.9%，比傳統(tǒng)模式組高24個(gè)百分點(diǎn)；新模式組不及格率為15.7%，比傳統(tǒng)模式組低15個(gè)百分點(diǎn)；新模式組平均卷面成績?yōu)?8分，比傳統(tǒng)模式組高6.1分。由此可知，基于新標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合“try”方法的新教學(xué)模式能夠提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)促進(jìn)學(xué)生深入理解理論課的相關(guān)知識點(diǎn)，有助于學(xué)生更好地完成課程銜接，為學(xué)生后繼課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。追蹤這些學(xué)生后繼課程的學(xué)習(xí)情況，統(tǒng)計(jì)2015年6月計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)期末考試成績后發(fā)現(xiàn)：原新模式組優(yōu)良率達(dá)到80.3%，比傳統(tǒng)模式組高25個(gè)百分點(diǎn)；原新模式組不及格率為0，比傳統(tǒng)模式組低21個(gè)百分點(diǎn)。計(jì)算機(jī)組成原理課程理論考試中，原新模式組平均卷面成績?yōu)?8分，比傳統(tǒng)模式組高5分；原新模式組不及格率為17.4%，比傳統(tǒng)模式組低5個(gè)百分點(diǎn)。此數(shù)據(jù)表明，數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)采用新教學(xué)模式教學(xué)有助于學(xué)生對后繼課程的學(xué)習(xí)，特別是實(shí)踐環(huán)節(jié)成績有了大幅提升，不及格率也明顯下降。

4結(jié)語

新教學(xué)模式基于CDIO理論，結(jié)合“try”教學(xué)理念，將數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層次,并包含了配套的成績評定方法和課程評價(jià)系統(tǒng)。實(shí)踐證明，新教學(xué)模式能夠更好地促進(jìn)課程銜接，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索的精神和能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、溝通交流能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。改革的下一步，是根據(jù)每一門課的特點(diǎn)，把基于CDIO理念的教學(xué)模式推廣到課程群其他課程的教學(xué)中去，以期從課程層次化、課程間網(wǎng)絡(luò)化等多角度、多層面地把學(xué)生培養(yǎng)成為優(yōu)秀的工程技術(shù)人才。

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篇5

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；教學(xué)方法；Multisim；仿真

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2011)28-7058-03

The Exploration of Digital Circuit Teaching and the Useage of Simulation Software

ZONG Xin-Xin

(Institute of Computer Science and Technology, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

Abstract: From the current situation of teaching Digital Circuit, exploring and improving the existing teaching method and means are presented in this paper. Using Multisim in Digital Circuit teaching has greatly stimulated students' interests and has enhanced the students' ability of practice.It has made a better teaching effect.

Key words: digital circuit; teaching methods; multisim; simulation

從事計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的老師都知道，對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，數(shù)字電路是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生硬件的專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課程的學(xué)習(xí)不僅為后續(xù)的計(jì)算機(jī)組成原理，單片機(jī)等硬件類課程打下基礎(chǔ)，而且更為重要的是通過這門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生建立對硬件類課程的學(xué)習(xí)興趣。如果學(xué)生從這門課程開始就對計(jì)算機(jī)硬件類課程產(chǎn)生了畏難情緒，以后課程的展開是相當(dāng)困難的。所以這門課程的教學(xué)工作承擔(dān)了雙重責(zé)任：一是讓學(xué)生掌握數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識以及分析設(shè)計(jì)方法，具備查閱和使用集成電路和讀圖的能力；二是使學(xué)生喜歡上硬件類課程，建立對硬件類課程的興趣和探索精神。因此，這門課程如何展開教學(xué)，采用何種教學(xué)手段，如何提高學(xué)生興趣，如何使理論和實(shí)踐更好的結(jié)合是每一個(gè)教師思索的問題，也是本文所討論的重點(diǎn)。

1 教學(xué)方法和手段

1.1 知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖化

在每一章每一節(jié)內(nèi)容開始講授和小結(jié)的時(shí)候，將知識點(diǎn)以結(jié)構(gòu)圖的形式展示給學(xué)生，使學(xué)生有一目了然的感覺，對自己要學(xué)的和學(xué)過的知識點(diǎn)有清晰的脈絡(luò)。例如在講述邏輯函數(shù)的描述方法時(shí)，給出下列的結(jié)構(gòu)框圖（如圖1所示）。

在講述這個(gè)框圖時(shí)，學(xué)生對真值表，卡諾圖還沒有感性認(rèn)識，可在黑板上畫一個(gè)真值表和卡諾圖，使學(xué)生初步認(rèn)識它們的形式，也了解了邏輯函數(shù)的幾種描述方法。

1.2 教學(xué)內(nèi)容的加減法

數(shù)字電路發(fā)展很快，對數(shù)字電路的講授應(yīng)符合數(shù)字電路的發(fā)展趨勢，使學(xué)生能學(xué)有所用，而不是滿腹經(jīng)綸無用之地，這也就是說，要讓學(xué)生了解數(shù)字邏輯電路的最新發(fā)展。但俗話說萬丈高樓平地起，我們并不能忽視數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)知識。這就要求我們要在有限的時(shí)間之內(nèi)，讓學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)字電路基礎(chǔ)知識，了解現(xiàn)代數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)工具軟件的使用。因此在教學(xué)內(nèi)容安排上做了這樣一些調(diào)整，重視邏輯代數(shù)和邏輯函數(shù)基礎(chǔ)理論的教學(xué)，在組合邏輯電路教學(xué)中適當(dāng)減少中小規(guī)模集成電路內(nèi)部分析和設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加使用vhdl語言設(shè)計(jì)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，學(xué)會(huì)Multisim11仿真軟件的使用方法，讓學(xué)生有一個(gè)較高的起點(diǎn)和平臺來應(yīng)用所學(xué)的知識。[1]例如我們在講到組合電路分析時(shí)，常常會(huì)將一位全加器給學(xué)生作為例題講解，并且給學(xué)生建立全加器的概念：能實(shí)現(xiàn)三個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)相加（被加數(shù)、加數(shù)和低位進(jìn)位），得到一位和及一位向高位進(jìn)位的加法器。在接下來的組合設(shè)計(jì)內(nèi)容中我們就適時(shí)的增加了用vhdl語言設(shè)計(jì)一位加法器的內(nèi)容。

1.3 貼近生活的教學(xué)舉例

數(shù)字電路由于其系統(tǒng)性強(qiáng)，邏輯性強(qiáng)，從始至終教學(xué)中穿插著卡諾圖，邏輯公式，真值表，特性方程，狀態(tài)圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)移表等內(nèi)容，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生內(nèi)容相似的疲勞感，因此在課堂教學(xué)中采用貼近生活的舉例可以使學(xué)生覺得這門課有趣，實(shí)用，很容易產(chǎn)生親切感，讓枯燥的課堂學(xué)習(xí)變得輕松愉快，學(xué)習(xí)效率也隨之提高。例如在組合電路分析教學(xué)中給出密碼鎖電路圖，讓學(xué)生分析開鎖的密碼是什么。組合電路設(shè)計(jì)中舉例交通燈故障的判別電路，利用優(yōu)先編碼器74LS148和門電路設(shè)計(jì)醫(yī)院優(yōu)先照顧重癥患者呼叫的邏輯電路等等。除了課堂老師的舉例之外，還通過布置作業(yè)的方式讓學(xué)生查閱數(shù)字邏輯電路在現(xiàn)實(shí)生活中的用處，并設(shè)置課堂討論時(shí)間讓學(xué)生交流自己所了解的知識。這樣不僅激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，使其體會(huì)到學(xué)習(xí)的樂趣,變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)，同時(shí)也活躍了課堂氣氛。

2 仿真軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用

Multisim是一款主要用于數(shù)字電路，模擬電路和集成電路仿真分析的軟件。它具有界面簡單直觀，操作方便，電路仿真能力強(qiáng)，虛擬儀器強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電路是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而傳統(tǒng)的教學(xué)模式在課堂上理論與實(shí)踐聯(lián)系的很少，將Multisim引入數(shù)字電路的教學(xué)，可有效解決傳統(tǒng)教學(xué)的不足，在課堂教學(xué)演示，課下作業(yè)輔導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢。其作用主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。其一，在課堂上，教師和學(xué)生可在互動(dòng)的環(huán)境中進(jìn)行教和學(xué)，用事實(shí)說話，通過課堂演示可以讓學(xué)生觀察到電路的直觀現(xiàn)象，對于學(xué)生感覺新鮮好奇，有說服力，對于教師也覺得教的輕松了。其二，將Multisim作為一個(gè)課后學(xué)習(xí)輔助工具，在課后作業(yè)的輔導(dǎo)方面發(fā)揮著很大作用，一方面學(xué)生可以通過軟件來驗(yàn)證自己作業(yè)的正確性，另一方面可以使有興趣學(xué)生在課外進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手能力的目的。其三，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，我們現(xiàn)在通常采用傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)箱，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)象直觀，易于接受的特點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)多是驗(yàn)證性的，并且由于學(xué)生操作不當(dāng)和實(shí)驗(yàn)箱老化，容易出現(xiàn)一定損耗；而以Multisim為平臺展開的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)，布線，仿真都很簡單，也符合現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，可以作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。[2]

2.1 Multisim在課堂教學(xué)中的演示

Multisim具有直觀的圖形界面，它的整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺，教師在課堂上繪制電路圖十分方便，將元器件和仿真測試儀器直接拖放到屏幕上，用鼠標(biāo)拖拽導(dǎo)線就可將它們連接起來，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。Multisim包含的豐富測試儀器使得它在課堂上演示生動(dòng)，直觀，易于被學(xué)生接受。例如，在進(jìn)行集成計(jì)數(shù)器74160這一小節(jié)的教學(xué)時(shí)，首先讓學(xué)生了解74160是一個(gè)可預(yù)置數(shù)的十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，LOAD'是置數(shù)端，低電平有效，置數(shù)是同步的，當(dāng)置數(shù)端為低電平時(shí)，在 CP 上升沿作用下，輸出端 QAQBQCQD與數(shù)據(jù)輸入端 ABCD 一致；CLR'是清零端，清零端是異步的，當(dāng)清除端CLR'為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端CP狀態(tài)如何，即可完成清除功能；74160的計(jì)數(shù)是同步的，當(dāng) ENP、ENT 均為高電平時(shí)，在CP上升沿作用下計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)；74160具有超前進(jìn)位的功能，計(jì)數(shù)溢出時(shí)，RCO端輸出一個(gè)高電平。接著給出74160的功能表，如表1所示。

對于集成電路芯片，我們不要求學(xué)生了解芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是學(xué)生必須要會(huì)查閱使用芯片的數(shù)據(jù)手冊。在了解了74160的芯片引腳和功能后，就可以應(yīng)用multisim11來學(xué)習(xí)這個(gè)芯片。為了使學(xué)生能夠一步一步地深入了解和學(xué)習(xí)這個(gè)芯片，我們采用搭積木的方式來展開內(nèi)容，首先在multisim的工作電路區(qū)上放置電源，信號發(fā)生器，74160，七段數(shù)碼管和邏輯分析儀[3]，然后以導(dǎo)線或總線使各個(gè)部件連在一起，再將信號發(fā)生器和邏輯分析儀的頻率設(shè)置成相同的，建立如圖2的電路圖，啟動(dòng)仿真，就可以直觀的看到，電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)，數(shù)碼管從0～9不斷變化，打開邏輯分析儀，可以看到，當(dāng)計(jì)數(shù)到9時(shí)，RCO產(chǎn)生一個(gè)超前的高電平進(jìn)位。

為了進(jìn)一步講解置數(shù)端和清零端的用法，我們要求用此芯片分別以置數(shù)法和清零法實(shí)現(xiàn)模6計(jì)數(shù)器。對于74160，一定要對學(xué)生強(qiáng)調(diào)它是異步清零和同步置數(shù)的。

使用置數(shù)法時(shí)，模6計(jì)數(shù)器，也就是要計(jì)6個(gè)狀態(tài)，在這里采用0100、0101、0110、0111、1000和1001這6個(gè)狀態(tài)，也就是說，當(dāng)計(jì)數(shù)到1001時(shí)，要產(chǎn)生置數(shù)信號，使下個(gè)時(shí)種信號到來的時(shí)候， QDQCQBQA被置成0100，從而跳過0000到0011。

采用置數(shù)法電路圖如圖3所示，在這里將QDQA輸出接個(gè)與非門，當(dāng)QDQCQBQA=1001時(shí)，與非門輸出為0，置數(shù)端得到有效電平，在CP上升沿到來時(shí)，QDQCQBQA=DBCA被置成0100。通過仿真，可以看到計(jì)數(shù)器在4到9之間的6個(gè)狀態(tài)計(jì)數(shù)。

使用清零法時(shí)，采用的是0000、0001、0010、0011、0100、0101這6個(gè)狀態(tài)，也就是說，當(dāng)計(jì)數(shù)到0101時(shí)，要產(chǎn)生清零信號，在QCQA接與非門，理論上QDQCQBQA=0101時(shí)，產(chǎn)生清零信號，可將QDQCQBQA清零，仿真后看到的結(jié)果是，計(jì)數(shù)在0到4變化，沒有計(jì)到0101這個(gè)狀態(tài)。這究竟是為什么呢，打開邏輯分析儀查看波形，看到只要QDQCQBQA=0101，與非門輸出立刻為0，清零是異步的，只要清零信號到來，不論CP如何，計(jì)數(shù)器立即清零，所以計(jì)數(shù)器根本沒有計(jì)到0101這個(gè)狀態(tài)，要想計(jì)數(shù)到0101的穩(wěn)態(tài)，必須在0110時(shí)產(chǎn)生清零信號。修改電路圖，在QCQB端接與非門，再次仿真，得到如圖4所示的波形圖，從圖上可以清楚的看到計(jì)數(shù)到0101狀態(tài)后，下個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)是0000。

接著我們又給學(xué)生布置了這樣的課后思考題，如何應(yīng)用74160實(shí)現(xiàn)百進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并請仿真驗(yàn)證自己的想法。通過這個(gè)完整例子的透徹分析，學(xué)生不僅掌握了74160這個(gè)芯片，對于其他同步計(jì)數(shù)器芯片也能夠做到輕松應(yīng)用，起到舉一反三的效果。

2.2 Multisim作為作業(yè)伴侶

Multisim因其方便的界面，豐富的原件庫和逼真的虛擬儀器。在學(xué)生的課后作業(yè)中扮演著重要的角色，大大減輕了教師的負(fù)擔(dān)。例如在學(xué)習(xí)邏輯代數(shù)基礎(chǔ)和組合電路中，我們教會(huì)學(xué)生使用邏輯轉(zhuǎn)換儀，這個(gè)儀器可以將電路圖、真值表和邏輯表達(dá)式進(jìn)行方便的轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡。在學(xué)完函數(shù)化簡后給學(xué)生布置這樣的習(xí)題Y=(A'+B')C+BCD'+AD，不管學(xué)生是用卡諾圖還是公式進(jìn)行化簡，最后結(jié)果是否正確，學(xué)生自己可以用邏輯轉(zhuǎn)換儀來驗(yàn)證。學(xué)生在Multisim工作區(qū)放置邏輯轉(zhuǎn)換儀后，雙擊打開它，在最下方的顯示區(qū)輸入邏輯表達(dá)式，點(diǎn)擊表達(dá)式到真值表按鈕，出現(xiàn)這個(gè)函數(shù)的真值表，再進(jìn)一步點(diǎn)擊真值表到最簡與或式按鈕，在顯示區(qū)出現(xiàn)AD+C，也即函數(shù)化簡的最簡結(jié)果。從簡單的邏輯代數(shù)基礎(chǔ)知識，到復(fù)雜的組合、時(shí)序電路分析設(shè)計(jì)，學(xué)生都可以用Multisim驗(yàn)證自己的作業(yè)，并且給學(xué)生更大的學(xué)習(xí)和思考空間。

3 結(jié)束語

改進(jìn)現(xiàn)有的教學(xué)方法和手段，將EDA技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路的教學(xué)，是對此課程的教學(xué)改革。通過近幾年的教學(xué)探索，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生對數(shù)字電路課程的興趣大大提高，理論聯(lián)系實(shí)際能力增強(qiáng)，動(dòng)手能力增強(qiáng)。學(xué)生不僅掌握了數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識，而且掌握了現(xiàn)在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法和新技術(shù)，為以后從事電子設(shè)計(jì)工作打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白凈，張雪英. 《數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)實(shí)踐研究[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007(s1):72-74.

篇6

關(guān)鍵詞：FPGA教學(xué)；FPGA教材；Verilog HDL；數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)；電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0113-02

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，一種半定制的集成電路，主要用在航空航天等高端領(lǐng)域中。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，F(xiàn)PGA性價(jià)比越來越高、集成度越來越大，可編程性能方面呈現(xiàn)出快速構(gòu)建系統(tǒng)（System-In-Weeks）的優(yōu)勢，逐步滲透至計(jì)算機(jī)、通信、控制、消費(fèi)電子和汽車電子等民用領(lǐng)域中。尤其是在數(shù)據(jù)通信、無線通信、先進(jìn)消費(fèi)電子領(lǐng)域，F(xiàn)PGA更是已經(jīng)取代了一些處理器，成為新一代的系統(tǒng)級的硬件開發(fā)平臺，各高校也紛紛開設(shè)了FPGA課程。FPGA教學(xué)是電子信息類專業(yè)設(shè)置的必修課程之一，引導(dǎo)學(xué)生迅速掌握這門技術(shù)的方法和入門手段是高等學(xué)校需要研究的課題。FPGA的陣列式硬件特性和語言并行特性與傳統(tǒng)的微機(jī)原理以及高級語言的思想是完全不同的，因此，需要科學(xué)的引導(dǎo)方式使學(xué)生進(jìn)入FPGA的世界中。教材就是必備的手段之一，采用合適的教材是實(shí)現(xiàn)良好教學(xué)效果的基礎(chǔ)。

一、現(xiàn)有教材的內(nèi)容安排對比

從應(yīng)用過程來看，市場上FPGA教材一般具有以下共性問題：

第一，冗余度高，有用知識點(diǎn)少。多數(shù)教材在講述FPGA開發(fā)時(shí)，均從基本的Verilog HDL（或者是VHDL）語法講起，當(dāng)語法結(jié)束后再講述相關(guān)的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，語法內(nèi)容在先修課程中已經(jīng)完全（或者大部分）修讀過，不用再學(xué)一遍類似或完全相同的內(nèi)容。

第二，教材內(nèi)容按照固定的順序?qū)?，先語法，后基本組合電路設(shè)計(jì)，再基本時(shí)序設(shè)計(jì)等，不符合學(xué)生學(xué)習(xí)的規(guī)律，應(yīng)該按照硬件描述語言所能表達(dá)的電路形式去講解，而不局限于數(shù)字電路的知識點(diǎn)。

第三，部分教材動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容過于簡單，且不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。如一些自動(dòng)售票器之類的實(shí)驗(yàn)。

第四，很多教材一開始給出了EDA領(lǐng)域中的很多新名詞、新概念，讓初學(xué)者陷入抽象的名詞堆中，不能理解其內(nèi)涵，不利于學(xué)習(xí)入門等。

由于這些原因限制了教師教學(xué)的主觀能動(dòng)性和學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)性，提出了一套新的教材教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃方法。

二、新教材的內(nèi)容規(guī)劃

教材內(nèi)容應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的培養(yǎng)方案結(jié)構(gòu)和先修課程的關(guān)系有效地進(jìn)行內(nèi)容的選擇，去冗留精，根據(jù)學(xué)生所能掌握知識的自然過程循序漸進(jìn)并有機(jī)地結(jié)合工程應(yīng)用等方面，才能達(dá)到學(xué)生學(xué)習(xí)上的“水到渠成”及學(xué)以致用的效果。

第一，合理規(guī)劃培養(yǎng)方案中的教學(xué)內(nèi)容大綱，去除已經(jīng)學(xué)習(xí)過或者不需要講述的內(nèi)容。以教材中的HDL為例，現(xiàn)在很多高校電子信息類專業(yè)均以Verilog HDL為語言部分教學(xué)內(nèi)容，Verilog HDL語言源自于C語言，C語言中的大部分語法和語句可以直接用于Verilog HDL中，這樣語言部分就不需要單獨(dú)花很多時(shí)間去講授，只有部分語句和語法需要單獨(dú)補(bǔ)充。例如塊語句“begin end”、拼接符“{}”和縮位運(yùn)算符等。條件語句和c語言中的語法也不盡相同，只需要指出不同點(diǎn)即可。在很多計(jì)算機(jī)類的專業(yè)中，HDL部分講授的是VHDL語言。VHDL語言源自于PACAL，部分和PACAL語法相同，例如變量的賦值等可以省略。尤其是VHDL語言，語法內(nèi)容較多，如果去除和PACAL語言相同的部分，可以省略很多課時(shí)用來講解其他更為重要的知識點(diǎn)，有利于提高教學(xué)效果。

第二，遵循學(xué)習(xí)規(guī)律，教材內(nèi)容應(yīng)循序漸進(jìn)給出新知識點(diǎn)。以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)者取向”。[1]教學(xué)內(nèi)容的安排應(yīng)從最簡單的數(shù)字電路設(shè)計(jì)和已經(jīng)掌握的基本的語言語法開始，讓初學(xué)者不知不覺中掌握了一種新技術(shù)，利用所學(xué)過的數(shù)字電路知識和C語言類似的基本Verilog語句就能實(shí)現(xiàn)。然后在此基礎(chǔ)之上安排一些新的電路設(shè)計(jì)點(diǎn)和介入Verilog HDL語法。例如，在講述半加器電路設(shè)計(jì)時(shí)可以采用數(shù)字電路中的設(shè)計(jì)方式，使用兩個(gè)門（與門和或門）就可以實(shí)現(xiàn)半加器的設(shè)計(jì)。然后分析電路的行為，完全可以使用拼接符去實(shí)現(xiàn)，并重點(diǎn)從功能角度講述。即：兩個(gè)一位數(shù)相加，結(jié)果最多為兩位，結(jié)果中高位即為進(jìn)位位，低位則為和輸出位。語法實(shí)現(xiàn)為assign {co，s}=a+b，一方面引入了新的語法（拼接符{}），另一方面從“行為”角度講述了半加器的工作，避開了數(shù)字電路中的化簡過程，且符合學(xué)生思考解決問題的思路，課堂教學(xué)效果很好。

第三，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)盡可能結(jié)合應(yīng)用或者結(jié)合應(yīng)用的構(gòu)成部分。FPGA是一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，在小的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中經(jīng)常作為外設(shè)的譯碼電路，可以結(jié)合多路譯碼器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)過程中盡可能采用此類內(nèi)容作為實(shí)驗(yàn)；在較大型的設(shè)計(jì)中可能會(huì)涉及到DSP算法或者復(fù)雜的通信協(xié)議，結(jié)合學(xué)生已經(jīng)掌握的知識點(diǎn)設(shè)計(jì)一些內(nèi)容進(jìn)行講授。如：奇偶校驗(yàn)，在串行口的通信中校驗(yàn)是基本的功能之一，在Verilog HDL中使用一條簡單的語句“assign P= ^D；”就可以實(shí)現(xiàn)。一方面實(shí)現(xiàn)了使用邏輯門電路很難實(shí)現(xiàn)的算法，另一方面也增加了新語法（“^”為縮位異或運(yùn)算）的應(yīng)用。再如：并串轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換，是現(xiàn)在串行通信中幾乎不可缺少的組成部分，大多數(shù)教材講述的方法不具有實(shí)用價(jià)值，應(yīng)該結(jié)合應(yīng)用時(shí)的通信握手，增加部分控制信號，使講述的內(nèi)容能夠直接應(yīng)用到系統(tǒng)中。

第四，入門知識點(diǎn)要盡可能簡單，最好使用所學(xué)知識引導(dǎo)進(jìn)入新的知識點(diǎn)，然后擴(kuò)展至知識面，最后達(dá)到全面掌握本課程全部知識點(diǎn)的范疇?，F(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的入門教學(xué)方式不符合思維方式，它采用的方法為從抽象化到具體化的安排過程。現(xiàn)有的教材內(nèi)容一般在第一章介紹EDA技術(shù)領(lǐng)域的一些新概念，發(fā)展過程和擴(kuò)展至系統(tǒng)級中的一些內(nèi)容，例如IP的概念、固核硬核軟核等。這些內(nèi)容在基礎(chǔ)類教學(xué)中往往不會(huì)涉及，有些即使涉及了，學(xué)生也不明白和前面的概念之間的聯(lián)系，不利于教學(xué)的開展。按照常規(guī)的思維方式，教學(xué)的入門可以從一個(gè)熟悉的知識點(diǎn)入手，進(jìn)而輻射至其他的新知識點(diǎn)、新概念。在教學(xué)內(nèi)容安排上，可以從與門電路設(shè)計(jì)開始，然后引入兩個(gè)門電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)，并給出HDL并行執(zhí)行的概念，有利于重點(diǎn)突出HDL的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)FPGA的積極性。

第五，簡化邏輯產(chǎn)生過程，注重輸入輸出之間的行為關(guān)系。部分FPGA教學(xué)內(nèi)容安排在數(shù)字電路設(shè)計(jì)之后。受數(shù)字電路設(shè)計(jì)思想的影響，很多學(xué)生認(rèn)為HDL僅僅是用于描述門級電路的，而實(shí)際上HDL能夠從更高的系統(tǒng)級角度描述電路行為。以N位全加器為例，不需要知道內(nèi)部電路構(gòu)成的細(xì)節(jié)，從行為級角度就可以直接描述出電路。再如：在教學(xué)內(nèi)容的后期設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的CPU。CPU是復(fù)雜數(shù)字電路的代表，通過CPU的設(shè)計(jì)一方面可以使學(xué)生掌握CPU的基本原理和設(shè)計(jì)方法，另一方面可以讓學(xué)生們了解，即使再復(fù)雜的電路都可以使用HDL描述，讓學(xué)生們有系統(tǒng)級的概念，為今后進(jìn)行更加復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下思想基礎(chǔ)。

6.語言方面要推陳出新，更新語言標(biāo)準(zhǔn)，注重實(shí)際綜合效果

硬件描述語言是FPGA硬件電路設(shè)計(jì)的重要組成部分。以Verilog為例，市面上早期的教材均是以IEEE1364-1995為標(biāo)準(zhǔn)編寫，而現(xiàn)在最新的Verilog標(biāo)準(zhǔn)為IEEE1364-2002。大多數(shù)教材仍然沿用IEEE1364-1995語法，這是不利于學(xué)習(xí)的。以存儲器設(shè)計(jì)為例，舊標(biāo)準(zhǔn)中存儲器空間的位初值無法直接給出，必須通過向量中間變量來實(shí)現(xiàn)，過程繁瑣，不符合系統(tǒng)及描述的特點(diǎn)。而在新標(biāo)準(zhǔn)中，語法上可以直接實(shí)現(xiàn)對存儲器空間的某個(gè)位進(jìn)行操作，簡化了設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)理念。再如：在向量的部分選擇問題上，舊標(biāo)準(zhǔn)不能采用正向偏移或者反向偏移的方式實(shí)現(xiàn)部分向量的操作，不利于電路行為設(shè)計(jì)；而在新標(biāo)準(zhǔn)中，不僅能實(shí)現(xiàn)偏移，還可以動(dòng)態(tài)更改索引表達(dá)式，使代碼的編寫更為靈活，更符合學(xué)習(xí)者的編寫代碼思維方式。

7.仿真要與物理綜合結(jié)果相結(jié)合

從物理意義上講解，注重設(shè)計(jì)綜合細(xì)節(jié)的說明。EDA仿真工具一般有專用仿真工具和廠家軟件自帶的仿真工具兩類。專業(yè)的仿真工具，如modelsim，嚴(yán)格遵守Verilog HDL仿真語法要求；而廠家的仿真一般會(huì)結(jié)合綜合效果，不完全符合HDL語言本身的要求。例如，若有always@（a）c=a&b；在modelsim中進(jìn)行仿真結(jié)果和QuartusII中的仿真結(jié)果不同。在modelsim中，若b信號發(fā)生了變化，仿真結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)變化，而在QuartusII中若b變化了，c輸出也會(huì)跟著變化的（規(guī)律是與門的規(guī)律）。從語法角度上講，若b信號變化，但它不在敏感信號列表里，所以不會(huì)觸發(fā)always塊，因此modelsim仿真結(jié)果不變；而QuartuII認(rèn)為，這個(gè)代碼就是用來描述一組合電路-與門的，它會(huì)按照與門的輸入輸出關(guān)系變化仿真結(jié)果，實(shí)際教學(xué)中應(yīng)注意兩者仿真的不同，并對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的解釋。當(dāng)然，教學(xué)過程中應(yīng)盡可能引導(dǎo)學(xué)生把這類代碼寫成完整的形式：always@（a ，b）c=a&b，避免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤結(jié)果。

8.注意與其他相關(guān)課程的銜接

FPGA是硬件教學(xué)內(nèi)容，與其他如單片機(jī)、ARM、微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程會(huì)有一定的交叉和連接。

9.注重編程風(fēng)格和編程思想

教材內(nèi)容的附錄部分增加了代碼編寫的常用習(xí)慣和可綜合風(fēng)格的書寫，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的書寫習(xí)慣，為語法檢查和功能檢查提供方便，為進(jìn)一步編寫大規(guī)模的代碼奠定良好基礎(chǔ)。

三、教學(xué)效果

通過優(yōu)化教材內(nèi)容、改革教學(xué)方法與教學(xué)手段，F(xiàn)PGA課程教學(xué)改革取得了較大的成效。具體表現(xiàn)為：第一，教材注重學(xué)生基礎(chǔ)，以往基礎(chǔ)差的學(xué)生也能入門，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣濃厚。第二，教學(xué)內(nèi)容的安排更加合理，結(jié)構(gòu)更加完整，教師和學(xué)生使用更加方面，無需輔助參考書。第三，課程的教材注重實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論知識結(jié)合緊密，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅诉M(jìn)一步的提高，大部分學(xué)生能夠獨(dú)立完成基本實(shí)驗(yàn)，部分學(xué)生能自主完成部分創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。第四，教材從學(xué)生基礎(chǔ)出發(fā)，符合學(xué)生實(shí)際，教學(xué)效果良好，學(xué)生的期末成績?nèi)〉昧舜蠓忍岣摺５谖?，學(xué)生充分肯定了教師的教學(xué)水平，教學(xué)評估成績優(yōu)秀。

四、教材后續(xù)內(nèi)容的完善和調(diào)整

本課程在大三上學(xué)期開設(shè)，側(cè)重入門和基礎(chǔ)教學(xué)。若學(xué)生在學(xué)習(xí)完本教材后需要繼續(xù)在FPGA方向上深入學(xué)習(xí)，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生所學(xué)和嵌入式方向的需要，講授一些關(guān)于qsys和sopc的相關(guān)內(nèi)容；若數(shù)字信號處理的內(nèi)容已修，還可以結(jié)合dspbuilder等進(jìn)行高層次的講解教學(xué)；可以結(jié)合altium designer等對8051類的單片機(jī)軟核進(jìn)行完善修改，達(dá)到全面培養(yǎng)學(xué)生的FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力的目的。

篇7

論文關(guān)鍵詞：EDA，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模塊

 

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期縮短的要求，EDA技術(shù)得到迅猛發(fā)展。

EDA是ElectronicDesign Automation(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)的縮寫。EDA技術(shù)，就是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)開發(fā)工具，通過使用有關(guān)的開發(fā)軟件，自動(dòng)完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒囊婚T新技術(shù)[1]。

目前，幾乎所有高校的電類專業(yè)都開設(shè)了EDA課程，為加強(qiáng)教學(xué)效果，通常都使用專門的EDA實(shí)驗(yàn)箱來輔助教學(xué)，但是實(shí)驗(yàn)箱采用了一體化結(jié)構(gòu)，所有的電路和器件都在一塊電路板上，在功能上難以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，不利于學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，復(fù)雜系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)箱體積較大，不便攜帶；EDA 實(shí)驗(yàn)箱、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱、DSP實(shí)驗(yàn)箱、ARM實(shí)驗(yàn)箱中很多功能模塊的硬件電路是相同的，但不同實(shí)驗(yàn)箱上相同模塊不能共享，存在資源浪費(fèi)。由于實(shí)驗(yàn)箱的上述缺點(diǎn)，很多高校都紛紛開始設(shè)計(jì)開發(fā)自己的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊，提高實(shí)驗(yàn)箱的利用率，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力[2][3]。

2 EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的特點(diǎn)

EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由單一性向綜合性發(fā)展

早期開發(fā)的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是學(xué)生用來學(xué)習(xí)EDA課程、下載程序、進(jìn)行仿真的工具；使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是老師用來培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)數(shù)字電路的能力、幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握開發(fā)語言的手段。因此EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅在電子類專業(yè)的EDA課程中使用，系統(tǒng)所提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅限于簡單的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，包括計(jì)數(shù)器、編碼譯碼器的設(shè)計(jì)、數(shù)碼管的顯示等。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，電信、通信等專業(yè)紛紛引入EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在“通信原理”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐[4]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也從單一的基本數(shù)字電路的設(shè)計(jì)發(fā)展到集EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、DSP實(shí)驗(yàn)等為一體的綜合性的實(shí)驗(yàn)平臺[5]。因此，EDA實(shí)驗(yàn)平臺逐漸面向電子信息類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)，課外競技活動(dòng)，電子類設(shè)計(jì)比賽，并逐漸用于教師進(jìn)行科研。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從一體化向模塊化發(fā)展

早起開發(fā)的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用一體化的實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)，所有的電路和器件都在一塊電路板上[6]。這樣，系統(tǒng)的使用雖然可以幫助學(xué)生掌握軟件的應(yīng)用，但也使學(xué)生對硬件電路不了解；另外，系統(tǒng)在功能上難以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，復(fù)雜的系統(tǒng)則難以實(shí)現(xiàn)。因此在后來的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)上，大都都采用了模塊化的結(jié)構(gòu)[7][8]，即FPGA、單片機(jī)等做在一塊核心板上，其IO口以插針形式引出，以方便和外圍電路的連接；外圍電路則以模塊的形式單獨(dú)做在不同的電路板上，比如數(shù)碼管顯示模塊、按鍵模塊、LED顯示模塊等；根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)摘要的模塊搭建自己設(shè)計(jì)的電路，從而提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果；此外，模塊化的設(shè)計(jì)還方便老師對學(xué)生設(shè)計(jì)的重復(fù)實(shí)現(xiàn)，有利于教學(xué)水平的提高雜志鋪。

（3）核心芯片由單一化向豐富化發(fā)展

早期開發(fā)的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于僅用于EDA課程的學(xué)習(xí)，其核心芯片大都為Altera公司的FPGA等可編程邏輯器件，開發(fā)語言環(huán)境主要為界面友好、操作簡便的Maxplus Ⅱ和Quartus Ⅱ。隨著EDA技術(shù)向不同學(xué)科不同專業(yè)的滲透，核心芯片逐漸發(fā)展為FPGA、單片機(jī)和DSP器件的綜合使用，開發(fā)語言也逐漸開始使用C語言或匯編語言等。這樣，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和規(guī)模均有所增加，除了基本的數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以外，還可以增設(shè)調(diào)制解調(diào)模塊、幀同步模塊、信號波形產(chǎn)生模塊等，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用率，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備向大型化、先進(jìn)化發(fā)展。

（4）使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動(dòng)向主動(dòng)發(fā)展

電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，早期的實(shí)驗(yàn)平臺由于其電路設(shè)計(jì)的封閉性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只停留在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)上，很難加入自己設(shè)計(jì)的外圍電路。而模塊化數(shù)字電路開放實(shí)驗(yàn)平臺由于其接口電路的開放性，有能力的學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)外圍電路達(dá)到提高的目的，對于成功的設(shè)計(jì)還可以加到以后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，成為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模塊。

另外，由于整合了單片機(jī)、DSP等芯片的功能模塊，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到很大擴(kuò)展，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以拓寬知識面，主動(dòng)去學(xué)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)所需要的知識，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性得到很大的提高，并且，由于實(shí)驗(yàn)由簡單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)向綜合的大型設(shè)計(jì)過渡，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中更容易理解數(shù)字電路設(shè)計(jì)中硬件的概念以及工程的概念。

學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)用到一些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沒有開發(fā)出的模塊，這時(shí)，學(xué)生需要自己設(shè)計(jì)該電路模塊的電路圖以及制作PCB板，直至實(shí)際制作出該功能模塊。這樣，學(xué)生除了掌握編程、還需要去學(xué)習(xí)怎樣設(shè)計(jì)并制作電路板、學(xué)習(xí)該模塊與核心板的接口電路設(shè)計(jì)等相關(guān)知識，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得到提高。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)的規(guī)模逐漸增加，同學(xué)之間需要團(tuán)結(jié)合作才能共同完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此也鍛煉了同學(xué)之間的團(tuán)結(jié)合作精神。

3 結(jié)論

一個(gè)好的EDA實(shí)驗(yàn)平臺，能培養(yǎng)學(xué)生開拓創(chuàng)新精神和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、很強(qiáng)的實(shí)踐操作能力、工程設(shè)計(jì)能力、綜合應(yīng)用能力、科學(xué)研究能力以及獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。我國高?，F(xiàn)階段所研制開發(fā)的EDA綜合實(shí)驗(yàn)平臺，能有效整合和優(yōu)化多個(gè)電子類實(shí)驗(yàn)課程的功能，為單片機(jī)和 EDA技術(shù)等課程提供了綜合實(shí)驗(yàn)平臺，為高校培養(yǎng)創(chuàng)新性人才提供良好的實(shí)驗(yàn)條件和氛圍。隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及EDA技術(shù)的不斷深入發(fā)展，EDA實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)也將會(huì)日益完善：大規(guī)?？删幊唐骷⒈皇褂?；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將向體積小、功耗小的便攜式嵌入式系統(tǒng)發(fā)展。

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篇8

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)踐能力

一、引言

《數(shù)字電路》課是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是所有硬件課程的基礎(chǔ)課、入門課，是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。內(nèi)容涉及數(shù)字技術(shù)的基本理論、分析方法和設(shè)計(jì)方法，是一門工程實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，在其所學(xué)知識體系中占有相當(dāng)重要的地位。它能培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力，可使學(xué)生建立工程的觀念、科技進(jìn)步的觀念、創(chuàng)新意識，形成正確的認(rèn)識論，為將來成為應(yīng)用型人才打好基礎(chǔ)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)數(shù)壓縮。我院有網(wǎng)絡(luò)工程及軟件工程兩個(gè)本科專業(yè)，相應(yīng)的數(shù)字電路課程總學(xué)時(shí)數(shù)為64個(gè)學(xué)時(shí)（包括理論課、實(shí)驗(yàn)課以及課程設(shè)計(jì)）。由于學(xué)時(shí)數(shù)有限，真正安排在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間不足12個(gè)學(xué)時(shí)，無法安排更多的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，大部分是芯片的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法真正得到電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)訓(xùn)練。2.實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相對固化。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)涉及較多，設(shè)計(jì)類和綜合性實(shí)驗(yàn)相對較少。因?yàn)榭傉n時(shí)有限，理論課時(shí)僅能安排36個(gè)左右的課時(shí)。且計(jì)算機(jī)類專業(yè)受專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)時(shí)限制，沒有開設(shè)相應(yīng)的電路課程和EDA設(shè)計(jì)課程，導(dǎo)致理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)出現(xiàn)嚴(yán)重脫節(jié)，上課內(nèi)容偏重于組合邏輯電路的設(shè)計(jì)以及時(shí)序邏輯電路的部分設(shè)計(jì)，大部分側(cè)重在基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，留給后面的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)較少，影響了學(xué)生設(shè)計(jì)電路的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。一些學(xué)生被動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，缺乏學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，使“數(shù)字電路”課程的教學(xué)效果較低。3.實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容老化，撰寫流于形式。目前，一些高校的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容過于老化，實(shí)驗(yàn)手段過于單一。一些實(shí)驗(yàn)僅僅是將理論的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡單驗(yàn)證或是進(jìn)行一些基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。這樣的實(shí)驗(yàn)方式所培養(yǎng)的學(xué)生無法達(dá)到當(dāng)代社會(huì)所提出的科學(xué)素質(zhì)要求、實(shí)驗(yàn)技能要求和創(chuàng)新能力要求，學(xué)校必須對當(dāng)前的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行優(yōu)化和改革。同時(shí)，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告流于形式。由于對實(shí)驗(yàn)報(bào)告重視不夠，往往是抄實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，或相互抄襲，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

三、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革探究

面對“數(shù)字邏輯電路”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，只有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，才能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字邏輯電路的綜合分析與設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。在教學(xué)過程中，嘗試從重新安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)、合理分配實(shí)驗(yàn)資源、豐富考核方式等幾個(gè)方面調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使學(xué)生深入了解本實(shí)驗(yàn)課程。數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為主要目標(biāo)，是我院進(jìn)行教學(xué)改革的重要內(nèi)容。如何更好地解決基礎(chǔ)與發(fā)展、基礎(chǔ)知識與實(shí)際應(yīng)用、理論與實(shí)踐等矛盾，處理好“寬”“新”“深”的關(guān)系，建立先進(jìn)和科學(xué)的教學(xué)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不斷更新的課程內(nèi)容體系始終是課程改革的重點(diǎn)。1.理論實(shí)驗(yàn)合一，優(yōu)化學(xué)時(shí)配比。為了合理安排實(shí)驗(yàn)課與理論課時(shí)的比例，采用同一老師兼任理論課和實(shí)驗(yàn)課的方式，改變實(shí)驗(yàn)課一直處于一種輔助的地位，此改革在于很好地把理論課和實(shí)踐課有機(jī)地統(tǒng)一起來，靈活調(diào)整兩者的學(xué)時(shí)配比。2.打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂灌輸方式，變傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的探索，我們改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，自主編纂實(shí)驗(yàn)報(bào)告書，把傳統(tǒng)型驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。每次課安排有相應(yīng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。例如，在做邏輯門電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了按照要求完成芯片的74LS00的功能驗(yàn)證外，設(shè)計(jì)了用與非門芯片實(shí)現(xiàn)與門電路，用與非門芯片實(shí)現(xiàn)或門電路，用與非門芯片實(shí)現(xiàn)非門電路的實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)了用與非門電路實(shí)現(xiàn)三人表決電路的設(shè)計(jì)，讓同學(xué)在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的前提下，用芯片進(jìn)行具體功能電路的設(shè)計(jì)，以此充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，讓學(xué)生擁有更多的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間和思考空間，成為課堂主角，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析思考能力和解決問題的能力。3.優(yōu)化課程設(shè)計(jì)教學(xué)體系，加入硬件作品制作環(huán)節(jié)，提高學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力。在課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，我們結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，將實(shí)驗(yàn)設(shè)置為2個(gè)不同的階梯式層次。第一，綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：綜合已學(xué)知識和原理，學(xué)生自主進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和測試（如優(yōu)先排隊(duì)電路、火災(zāi)報(bào)警電路、交通燈控制電路、多人表決電路等），要求采用兩種或兩種以上實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)驗(yàn)箱上完成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。第二，硬件作品制作：為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成后，教師提出一些具有很強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義的選題，例如數(shù)字密碼鎖、電子鬧鐘、交通燈控制系統(tǒng)電路、八路搶答器等，要求學(xué)生在課余時(shí)間，利用開放實(shí)驗(yàn)室，完成數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、仿真、制作、功能測試以及改進(jìn)等一系列工作，最后提交規(guī)范性的課程設(shè)計(jì)報(bào)告和電子實(shí)物產(chǎn)品，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際。4.與大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)科研能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。以課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的硬件作品設(shè)計(jì)為契機(jī)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參加競賽的積極性和主動(dòng)性。鼓勵(lì)學(xué)生自發(fā)組成興趣小組或團(tuán)隊(duì)，積極申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者參加電子競賽活動(dòng)，充分地激發(fā)學(xué)生內(nèi)在潛能和創(chuàng)造力。通過課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建，學(xué)生激發(fā)創(chuàng)造性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和團(tuán)體協(xié)作能力，提高學(xué)科技意識，培養(yǎng)項(xiàng)目管理能力。去年我院推薦3組同學(xué)參加了廣西TI電子設(shè)計(jì)大賽，并獲得三等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績，這在我們計(jì)算機(jī)類專業(yè)的大一新生中實(shí)屬不易。5.改善考核制度。成績的評定是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，是判斷學(xué)生能力和發(fā)展的重要依據(jù)。良好的考核方式能對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況給予準(zhǔn)確客觀的評價(jià)，有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。經(jīng)過探討，我們把考核分為兩個(gè)部分，第一部分為一般實(shí)驗(yàn)與理論課相結(jié)合，各占50%的比重得到總評成績；第二部分為課程設(shè)計(jì)，綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與硬件作品制作相結(jié)合，各占50%的比重得到課程設(shè)計(jì)的總評成績。教學(xué)改革項(xiàng)目小組根據(jù)目前“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程所存在的問題，通過實(shí)驗(yàn)課時(shí)重新配比、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多元化分配、提高動(dòng)手創(chuàng)新能力、以賽促學(xué)，以及豐富考核方式等手段開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。實(shí)踐表明，教學(xué)改革激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰@著提高。通過以上舉措，我們構(gòu)建了以教師指導(dǎo)為輔、學(xué)生自主探究為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，形成課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)交叉融合的教學(xué)結(jié)構(gòu)，各教學(xué)環(huán)節(jié)相輔相成，互相交融，實(shí)現(xiàn)了“加強(qiáng)基礎(chǔ)，注重實(shí)踐，因材施教，促進(jìn)創(chuàng)新”的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑寧寧.關(guān)于優(yōu)化數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011

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篇9

關(guān)鍵詞 數(shù)字電路 EDA技術(shù) 教學(xué)改革 電子設(shè)計(jì)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.057

New Strategy of Digital Circuit Teaching Reform

Under the Condition of New Technology

LIAO Guicheng[1]， QIN Zetao[2]

（[1] College of Vocational and Technical Education，

Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou， Guangxi 545006;

[2] Engineering Training Center， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou， Guangxi 545006）

Abstract In the teaching of digital circuit course， it should be suitably deleted to the traditional manual design method， internal structure of door circuit， pulse waveform generating and shaping， and also the other traditional outdated technology and methods. At the same time EDA and other modern electronic new technology and new method should be integrated into the digital circuit course， so as to enhance the feeling of contemparaneity and practicality， to improve the students' innovation consciousness and application ability.

Key words digital Circuit; EDA Technology; teaching reform; electronic design

0 緒論

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，以大規(guī)?？删幊碳夹g(shù)、嵌入式系統(tǒng)等為核心的最新科技學(xué)科已經(jīng)普遍出現(xiàn)在了高等教育的課程設(shè)置中，這些學(xué)科技術(shù)引領(lǐng)著未來電子技術(shù)的發(fā)展方向。電子技術(shù)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課――“數(shù)字電路”的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同時(shí)也對這一課程的教學(xué)內(nèi)容提出了極大的挑戰(zhàn)。然而，目前國內(nèi)多數(shù)高校該課程的教學(xué)內(nèi)容幾乎仍停留在上個(gè)世紀(jì)八九十年代，并仍以那個(gè)年代的手工數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)為核心教學(xué)內(nèi)容與考核內(nèi)容。這就導(dǎo)致了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力較低，缺乏自主創(chuàng)新能力與意識，無法適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)和社會(huì)的需要。當(dāng)然也有好些教材也將VHDL等EDA內(nèi)容加到課程內(nèi)容中，但目前的數(shù)字電路教學(xué)體系還是呈現(xiàn)一種拼接的模式，整體內(nèi)容缺少因果鏈接。①因此改革數(shù)字電路中過時(shí)的內(nèi)容、將先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)系統(tǒng)地融入到數(shù)字電路課程中，是數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展的必然選擇。

1 傳統(tǒng)舊技術(shù)與方法的取舍

數(shù)字電路中有一些傳統(tǒng)的技術(shù)與方法，在現(xiàn)代企業(yè)的電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)沒有用武之地。學(xué)生花大量時(shí)間學(xué)習(xí)這些落后和被淘汰的知識和方法，是得不償失的，不僅耗費(fèi)學(xué)生的精力和時(shí)間，妨礙新技術(shù)的學(xué)習(xí)，更是對國家和社會(huì)資源的浪費(fèi)。對這些過時(shí)的內(nèi)容，我們要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減，使教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需要。

1.1 傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容包括以卡諾圖為工具的邏輯函數(shù)化簡、小規(guī)模門電路組成的組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)以及由觸發(fā)器及門電路構(gòu)成的時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)等。這部分內(nèi)容在數(shù)字電路課程中占據(jù)了主要的內(nèi)容與篇幅，這在上個(gè)世紀(jì)八九十年代自動(dòng)化設(shè)計(jì)還不流行的時(shí)候是合適的，因?yàn)槟菚r(shí)候的電氣產(chǎn)品及自動(dòng)化控制電路很多都是采用中小規(guī)模的數(shù)字集成電路完成設(shè)計(jì)的，而現(xiàn)在的電子產(chǎn)品及控制電路，已經(jīng)幾乎見不到中小規(guī)模數(shù)字集成電路的影子，取而代之的是微處理器（含嵌入式處理器）以及大規(guī)模可編程器件、DSP等，只是在接口及驅(qū)動(dòng)電路上還能偶爾見到中小規(guī)模數(shù)字電路。比如現(xiàn)代的家電產(chǎn)品洗衣機(jī)、空調(diào)、電視等都用到了微處理器控制，手機(jī)、導(dǎo)航儀等電子產(chǎn)品則用到了嵌入式處理器，語音、圖像識別等產(chǎn)品則用到了DSP（數(shù)字信號處理器），而在機(jī)頂盒、調(diào)制解調(diào)器等產(chǎn)品中則用到了FPGA等大規(guī)?？删幊唐骷?。采用中小規(guī)模數(shù)字電路設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品，還沒上市就已經(jīng)是落后的。

1.2 邏輯門內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)原理

門電路一章的教學(xué)應(yīng)以集成門的外部特性教學(xué)為主，讓學(xué)生看到門電路的真值表就能夠應(yīng)用該電路，而不管該電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容通常是以反相器為例，分析電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而得到其邏輯功能，而對其外部特性及接口參數(shù)則認(rèn)為是死記硬背、枯燥的東西就一筆帶過。而實(shí)際上我們應(yīng)用數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)考慮得最多的除了器件的邏輯功能就是外部特性和接口參數(shù)，而內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)怎樣、如何工作基本上無需考慮。而且內(nèi)部電路的分析對于學(xué)生來說難度較大、理解困難，完全沒有必要讓學(xué)生把時(shí)間和精力浪費(fèi)在這種沒有實(shí)際意義的知識的學(xué)習(xí)上。因此在內(nèi)容安排上，應(yīng)著重介紹各種門電路的外部特性和接口參數(shù)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)在實(shí)踐中正確選擇和使用合適的集成電路，設(shè)計(jì)出能適應(yīng)實(shí)際環(huán)境和應(yīng)用的優(yōu)秀電路。

1.3 脈沖波形的產(chǎn)生和整形

“脈沖波形的產(chǎn)生和整形”這部分內(nèi)容其實(shí)和“數(shù)字邏輯”沒有直接關(guān)系，實(shí)際上是屬于模擬電路的內(nèi)容。只不過在模擬電路中，波形的產(chǎn)生完全是用模擬的電路來實(shí)現(xiàn)，而在目前多本數(shù)字電路教材中，則是采用門電路加模擬的阻容元件來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)質(zhì)上是把門電路當(dāng)集成放大器來應(yīng)用。而這種應(yīng)用是和“數(shù)字”的概念相背離的，不利于學(xué)生對“數(shù)字邏輯”的學(xué)習(xí)。這部分內(nèi)容的另一個(gè)重點(diǎn)是對“555”時(shí)基電路的介紹。其實(shí)這個(gè)555時(shí)基電路是上個(gè)世紀(jì)70年代的產(chǎn)物，距今已有40多年的歷史，在集成芯片技術(shù)飛速發(fā)展的今天，它已經(jīng)完全沒有了用武之地。對于學(xué)生來說，那么多新知識新技術(shù)要學(xué)，再花時(shí)間精力學(xué)習(xí)“555”時(shí)基電路，那就是舍本逐末了。

2 新技術(shù)與新方法的應(yīng)用

2.1 新技術(shù)的優(yōu)勢

當(dāng)前的電子新技術(shù)主要包括EDA技術(shù)、實(shí)時(shí)軟件仿真技術(shù)、先進(jìn)自動(dòng)化繪圖與制板技術(shù)等。EDA即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是一種基于軟硬件平臺，通過軟件的方法來高效地完成硬件設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。EDA技術(shù)已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要手段，它采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，利用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺上，以硬件描述語言（HDL）為主要設(shè)計(jì)手段，以大規(guī)?？删幊唐骷–PLD或FPGA）為載體，完成電子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。這種硬件電路的軟件化設(shè)計(jì)，已經(jīng)完全改變了數(shù)字設(shè)計(jì)的整個(gè)面貌。

2.2 融入EDA等新技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容安排

傳統(tǒng)的數(shù)字電路內(nèi)容主要包括邏輯代數(shù)、門電路、組合邏輯設(shè)計(jì)、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)、存儲器與可編程器件等，實(shí)踐過程中，我們削減了一些陳舊過時(shí)的內(nèi)容，增加了VHDL硬件描述語言、QuartusII電子開發(fā)平臺、FPGA/CPLD大規(guī)?？删幊唐骷菶DA技術(shù)內(nèi)容。我們強(qiáng)調(diào)VHDL硬件描述語言是設(shè)計(jì)數(shù)字電路的語言工具，與邏輯代數(shù)這一分析設(shè)計(jì)數(shù)字電路的數(shù)學(xué)工具同等重要，并放在同一章節(jié)進(jìn)行講解。而基于VHDL的相關(guān)電路描述與設(shè)計(jì)則結(jié)合相關(guān)的內(nèi)容，穿插到各個(gè)章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)講述。QuartusII則是將VHDL設(shè)計(jì)變成電路實(shí)現(xiàn)的中間平臺與工具，將這部分內(nèi)容放到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中講解。FPGA/CPLD大規(guī)?？删幊唐骷菍?shí)現(xiàn)VHDL設(shè)計(jì)的載體，與存儲器放在同一章中講解。

我們立足于數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的基本原理，將EDA技術(shù)融入到數(shù)字電路課程中，將這些原理與現(xiàn)代的工具與實(shí)踐技術(shù)相結(jié)合，提高了畢業(yè)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)技術(shù)水準(zhǔn)，也極大地豐富了數(shù)字電路課程的教學(xué)內(nèi)容。

2.3 新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法的融合

在數(shù)字電路課程的教學(xué)中，我們除了在教學(xué)內(nèi)容上增加EDA等電子新技術(shù)內(nèi)容外，在教學(xué)方法上，我們更注重新技術(shù)、新方法的與傳統(tǒng)知識的融合與因果鏈接。以加法器的學(xué)習(xí)為例，我們把加法器劃分為難易不同的功能模塊：半加器、全加器、4位加法器、8位乘法器，然后把不同功能模塊的描述方式（包括真值表、邏輯表達(dá)式、波形圖、卡諾圖等傳統(tǒng)的描述方式以及現(xiàn)代先進(jìn)的VHDL描述等）和實(shí)現(xiàn)方式（包括傳統(tǒng)的集成門電路實(shí)現(xiàn)以及現(xiàn)代的大規(guī)?？删幊唐骷?、微處理器實(shí)現(xiàn)等）及各種方式的特點(diǎn)一一列舉并對比講解，也讓學(xué)生的發(fā)揮和補(bǔ)充，期間充分運(yùn)用各種仿真軟件和開發(fā)工具進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生對各模塊的描述方法、實(shí)現(xiàn)方式及特點(diǎn)深刻理解。如對加法器的一種擴(kuò)展――8位乘法器，學(xué)生很容易就明白，用傳統(tǒng)描述方式無法去描述，而用VHDL描述卻只用一句“y<=a*b”就能完成;在實(shí)現(xiàn)方式上，用傳統(tǒng)集成門電路實(shí)現(xiàn)8位乘法器雖然理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是卻需用到幾百個(gè)集成門，電路復(fù)雜，成本高，速度慢，可靠性低。而用大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)時(shí)卻只需用一塊最簡的CPLD芯片就能實(shí)現(xiàn)，成本低、速度快、可靠性也高。在數(shù)字電路教學(xué)中引入EDA技術(shù)，其強(qiáng)大的仿真功能很容易把實(shí)踐帶入課堂、帶入教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，使得理論與實(shí)踐能夠緊密結(jié)合。

3 結(jié)束語

通過刪減過時(shí)內(nèi)容并引入EDA等現(xiàn)代數(shù)字電子新技術(shù)和新方法，提前至大二開設(shè)數(shù)字電路課程，保持學(xué)生從大一開始的一貫學(xué)習(xí)熱情和積極性，保證專業(yè)課學(xué)習(xí)的效果。同時(shí)也使學(xué)生有能力提早進(jìn)入大學(xué)生課外科技活動(dòng)，并在數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神等方面都有進(jìn)步，提高了學(xué)生現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用水平和工程實(shí)踐能力。通過對課程的改革，也完善和發(fā)展了數(shù)字電路課程的建設(shè)，使之適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展的要求和社會(huì)的實(shí)際需要。

基金項(xiàng)目：新世紀(jì)廣西高等教育教改工程項(xiàng)目“新技術(shù)條件下數(shù)字電子技術(shù)課程綜合教學(xué)改革研究”（編號：2010JGB 061）

篇10

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件；集成電路設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

信息系統(tǒng)工程教育論壇我院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)始建于1987年，歷經(jīng)20年的發(fā)展，為油田及相關(guān)企事業(yè)單位培養(yǎng)了大量的計(jì)算機(jī)應(yīng)用人才?！熬哂辛己玫目茖W(xué)素養(yǎng)，系統(tǒng)地、較好地掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件與應(yīng)用的基本理論、基本知識和基本技能與方法，能在科研部門、教育單位、企業(yè)、事業(yè)、技術(shù)和行政管理部門等單位從事計(jì)算機(jī)教學(xué)、科學(xué)研究和應(yīng)用”是本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)。基于這個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)最新發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，提出本硬件系列課改方案。

一、硬件系列課改的目的及意義

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)在信息社會(huì)中充當(dāng)了重要角色，也是發(fā)展最為迅速的一門學(xué)科。隨著這門學(xué)科的不斷發(fā)展，目前，計(jì)算機(jī)核心技術(shù)愈來愈集中在集成電路芯片設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)這兩項(xiàng)技術(shù)中，其中CPU和OS設(shè)計(jì)技術(shù)是最核心的兩項(xiàng)技術(shù)，特別是高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)一直是衡量國家實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。在硬件系列課程里，培養(yǎng)學(xué)生CPU及相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新并能夠設(shè)計(jì)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)部件的能力，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件課程重要的改革方向，也是目前社會(huì)迫切需要的計(jì)算機(jī)硬件人才[1]。因此，適應(yīng)當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展及社會(huì)對計(jì)算機(jī)硬件人才的需求，及時(shí)調(diào)整硬件系列課程的培養(yǎng)方向，既有利于學(xué)生及時(shí)掌握最新的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，又有利于學(xué)生及時(shí)把所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力，對擴(kuò)大我院學(xué)生就業(yè)，樹立我院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生良好的社會(huì)形象意義深遠(yuǎn)。

二、硬件系列教學(xué)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

由于我國的制造業(yè)比較落后，一直以來，計(jì)算機(jī)硬件的核心技術(shù)未能被國內(nèi)掌握。相應(yīng)地，在計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)中，像計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等重要硬件課程，傳統(tǒng)上僅僅以講授、分析原理為主，且內(nèi)容不能適應(yīng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展[2]。國外一些知名大學(xué)非常重視計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)，美國的許多高校本科計(jì)算機(jī)專業(yè)中都無一不是安排了CPU設(shè)計(jì)方面的課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門相關(guān)課程是《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至實(shí)現(xiàn)流水線32位MIPS CPU和Cache等的設(shè)計(jì)。Stanford大學(xué)計(jì)算機(jī)系的本科生也有相似的課程和實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)開展硬件設(shè)計(jì)技術(shù)的條件已逐漸成熟，這主要得益于計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展中的兩個(gè)重要技術(shù)，一是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA的成熟，可以在一個(gè)芯片中通過編寫硬件描述語言設(shè)計(jì)CPU和全部的相關(guān)硬件電路，減輕了硬件芯片間連接的復(fù)雜性，同時(shí)消除了硬件制造的限制。二是硬件描述語言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL語言為代表的硬件描述語言，可以通過編寫程序的方式來描述極其復(fù)雜的硬件電路邏輯，大大降低了以前采用手工方式設(shè)計(jì)硬件電路的復(fù)雜性。國內(nèi)的一些知名大學(xué)，在最近幾年里，也相應(yīng)地增加了硬件電路設(shè)計(jì)在教學(xué)中的比重，據(jù)我們了解，清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈工大、哈理工等一些學(xué)校，已經(jīng)修改了計(jì)算機(jī)組成原理及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的課程教學(xué)內(nèi)容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述語言設(shè)計(jì)CPU及其相關(guān)硬件電路作為重要內(nèi)容加入到課程體系里，取得了良好的教學(xué)效果，大大加強(qiáng)了學(xué)生對計(jì)算機(jī)工作原理的理解及計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)能力，逐步實(shí)現(xiàn)了與發(fā)達(dá)國家高校計(jì)算機(jī)本科教育的接軌。

三、目前我院硬件系列教學(xué)現(xiàn)狀及不足

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)硬件系列主要課程設(shè)置始于20年前，期間雖經(jīng)過部分調(diào)整，但基本教學(xué)內(nèi)容依然延續(xù)20年前的知識體系。按授課先后次序排列，這些課程包括：《數(shù)字邏輯與數(shù)字電路》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化》、《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)》、《硬件課程設(shè)計(jì)》等7門。基于當(dāng)前硬件課程系列教學(xué)現(xiàn)狀，我們認(rèn)為存在以下的不足：1.從整體上看，硬件系列教學(xué)內(nèi)容過于強(qiáng)調(diào)基本原理和基本方法，缺少能夠驗(yàn)證原理、實(shí)際實(shí)現(xiàn)這些原理及方法的手段，導(dǎo)致學(xué)生缺少動(dòng)手能力，對原理和方法認(rèn)識模糊，會(huì)說不會(huì)做的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，創(chuàng)新能力較弱。2.《數(shù)字邏輯與數(shù)字電路》和《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化》，這兩門課之間存在較大的聯(lián)系，在內(nèi)容上存在承上啟下的關(guān)系，前者是講述數(shù)字電路的基本概念、組合及時(shí)序電路的傳統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法，后者則介紹組合及時(shí)序電路的現(xiàn)代分析設(shè)計(jì)方法，基于目前的教學(xué)實(shí)際情況，可以合并成一門課講述。3.《計(jì)算機(jī)組成原理》和《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)非常重要的兩門課，通過這兩門課的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)簡單的CPU及相關(guān)的硬件電路，從而加深對基本原理、基本方法的理解，增強(qiáng)實(shí)際動(dòng)手能力?；诂F(xiàn)在的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段還無法達(dá)到上述目的。4.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》和《嵌入式系統(tǒng)》兩門課存在較大的內(nèi)容交叉。這兩門課都是講述特定計(jì)算機(jī)在控制及嵌入式產(chǎn)品中的應(yīng)用，《單片機(jī)原理及應(yīng)用》這門課介紹的是8位機(jī)MCS-51的原理，《嵌入式系統(tǒng)》這門課介紹的是32位機(jī)ARM的原理，鑒于目前嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，建議取消《單片機(jī)原理及應(yīng)用》這門課，以避免課程內(nèi)容重復(fù)。5.《硬件課程設(shè)計(jì)》作為硬件系列的最后一門硬件設(shè)計(jì)課，學(xué)生已掌握了較豐富的軟硬件知識，因此應(yīng)該具備設(shè)計(jì)較復(fù)雜的硬件電路的能力，目前的設(shè)計(jì)內(nèi)容較簡單并與《數(shù)字邏輯與數(shù)字電路》課程實(shí)驗(yàn)存在一定交叉，建議選擇有一定復(fù)雜度并較實(shí)用的設(shè)計(jì)內(nèi)容。從而培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用硬件知識及硬件設(shè)計(jì)能力。

四、硬件系列教學(xué)新課改方案

針對我院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)際情況，在保證總的硬件教學(xué)學(xué)時(shí)不變的前提下，對硬件系列教學(xué)提出如下建議：1.課程合并：《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化》是計(jì)算機(jī)組成原理等的先修課，為保證能及時(shí)開課，同時(shí)該課和《數(shù)字邏輯與數(shù)字電路》這門課有密切的聯(lián)系，合并為一門課，仍稱為《數(shù)字邏輯與數(shù)字電路》，并適當(dāng)增加學(xué)時(shí)，建議在大二上學(xué)期開課，取消《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化》這門課。2.《計(jì)算機(jī)組成原理》：這門課改為《計(jì)算機(jī)組成及設(shè)計(jì)》，增加CPU及相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容，在講清楚組成原理的基礎(chǔ)上，以設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，建議在大二下學(xué)期開課。 3.《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》：適當(dāng)增加設(shè)計(jì)內(nèi)容，原學(xué)時(shí)保持不變，建議在大三上學(xué)期開課。4.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》：本課程取消，鑒于目前嵌入式系統(tǒng)涉及軟硬件知識較多，難以在一門課程中全面系統(tǒng)學(xué)習(xí)，因此另開設(shè)一門《嵌入式軟件開發(fā)》課程，重點(diǎn)講述如何設(shè)計(jì)編寫嵌入式軟件程序，建議在大三下學(xué)期開課。5.《嵌入式系統(tǒng)》：這門課作為《嵌入式軟件開發(fā)》的先修課，重點(diǎn)講述嵌入式系統(tǒng)的基本概念及方法、ARM處理器的硬件工作原理、接口、匯編語言等，而相關(guān)操作系統(tǒng)及其程序設(shè)計(jì)等知識暫不涉及，建議在大三上學(xué)期開課。6.《硬件課程設(shè)計(jì)》：在設(shè)計(jì)題目中，引入嵌入式系統(tǒng)、FPGA及計(jì)算機(jī)組成等知識，適當(dāng)增加設(shè)計(jì)的綜合性和復(fù)雜性，建議在大四上學(xué)期開課?；谛碌挠布盗姓n程體系，能夠有效理順課程之間的先后關(guān)系，并把硬件課程均勻分散到大學(xué)四年的學(xué)習(xí)中，同時(shí)對重要的課程及相關(guān)的知識進(jìn)行了加強(qiáng)，例如數(shù)字電路設(shè)計(jì)貫穿在整個(gè)硬件系列課程中；舍棄了過時(shí)的技術(shù)，增加了新技術(shù)的份量，例如去掉了單片機(jī)，加強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)。因此，我們認(rèn)為：調(diào)整后的硬件系列課程是較合理的，它吸收了當(dāng)前先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，保證了知識的實(shí)用性，有一定的前瞻性。

五、結(jié)束語

高等教育是為學(xué)生提供專業(yè)技能和生存本領(lǐng)、服務(wù)社會(huì)的最后一站，教學(xué)內(nèi)容及方法直接關(guān)系到學(xué)生的未來發(fā)展。通過不斷教學(xué)改革，保持教學(xué)的先進(jìn)性和實(shí)用性一直是高教課改的目標(biāo)之一。通過這次課改，理順了我院硬件系列課程的教學(xué)關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生未來服務(wù)社會(huì)的競爭力，因此很有實(shí)際意義。

作者:李軍 崔旭 李建平 單位:1.東北石油大學(xué) 2.大慶市薩東第二小學(xué)

參考文獻(xiàn)