数字电路教学范文

摘要：借助“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”，结合“LED点阵显示汉字”设计案例，用FPGA实现数字电路综合设计教学改革。在目标任务的达成过程中，学生会渐渐意识到不同设计方法的优劣，从而迫切想要改变自己的设计方法，提高自己的设计水平。为更高效率地完成设计，学生能够自觉主动地探索新的知识领域，如饥似渴地学习新的设计方法，从而不断激发学习兴趣，拓宽和延伸设计思路，加强实践动手能力，提升成长型学习思维能力，提高应用型人才的培养质量。

关键字：教学改革；数字电路设计；教学平台；设计方法；应用型人才培养

引言

FPGA(FieldProgrammableGatesArray)，既能够实现74系列芯片的功能，也能够实现大规模集成电路CPU系列的功能，即它的功能是可以通过编程实现的。目前，很多学校把使用FPGA实现数字电路功能的设计思路引入到数字电路的教学中[1-8]，使得数字电路设计风格更灵活、设计效率更高。我校为实现《数字逻辑及应用》和EDA技术两门课程融合，尝试了很多方法，比如搭建共同的实验平台“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”，使用共同的设计软件QuartusII，《数字逻辑设计及应用》立足于原理图输入法设计数字电路，EDA技术立足于硬件描述语言设计数字电路，这些措施提高了学生对于数字电路设计的历史和发展的认知，但对两种方法彼此之间的借鉴和融合还比较陌生。论文借助“LED点阵显示”案例，探索用原理图输入法设计数字电路的某些弊端，而这些弊端促使学生学习新的设计方法，比如借助HDL描述数字电路，从而更好地促进两门课程的融合。

1实验平台

2015年我校组织研发了“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”，如图1所示。该平台以FPGA（FieldProgrammableGatesArray，现场可编程门阵列）为核心，以综合性、创新性实验为导向，具有丰富的外设接口、丰富的设计资源，借助该平台，学生可以使用EDA（ElectronicDesignAutomatic）技术实现复杂的数字电路设计，不仅能强化实践应用能力[1]，且能使设计风格更灵活、设计效率更高。借助该平台，我们开发了一系列的数字电路综合实验设计，提高学生的设计创新和实践应用能力。借助该平台，用原理图实现数字电路设计和用硬件描述语言实现数字电路设计的融合程度越来越高。

2“LED点阵显示”显示字的原理图实现方法

图2为平台中各外设片选信号控制电路，由图2可知，要让LED点阵显示正常工作，需MATRIX-PWR_CS=0，即CS_74HC138=1，ADDR_SEL2～ADDR_SEL0=110。图3为外设“LED点阵显示”电路。由图3可知，在LED点阵显示中，要使LED点阵中LED灯亮，需使其阳极接高电平，阴极接低电平。LED阳极由MATRIX_CS0～MATRIX_CS15控制，若MATRIX_CS*=0，则相应的PNP管导通，3.3V电压加在LED阳极；MATRIX_CS*由U2674154控制，当DISP_CS=1时，NPN管导通，G1=0，74154正常工作；此时控制DISP_SEL0～DISP_SEL3，则可控制相应的MATRIX_CS*=0。LED阴极由A0～A15控制，若A*=0，则低电平加在LED阴极。图4为LED点阵显示“亮”“宇”二字的电路图，其中令buzz=1的目的是让蜂鸣器不响。用两个8count对49.152MHz的晶振进行4096分频，同时disp_sel[3:0]得到0000～1111，意味着MATRIX_CS0～MATRIX_CS15控制的LED点阵显示中32～17行阳极依次为1。用PCtoLCD2002分别生成“亮”“宇”的字模，共32个16位二进制数，其中点阵格式为“阳码”，取模走向为“顺向”，取模方式为“逐行式”。其中“亮”的字模为：“宇”的字模为：将“亮”的字模逆序放在rom_word_word的前16个存储单元，将“宇”的字模逆序放在rom_word_word的后16个存储单元，rom_word_word的地址由74163来实现。由key1控制显示哪个字，当key1=1时，显示“亮”字，当key1=0时，显示“宇”字。

摘要：

针对硬件课程实践环节在提高学生解决实际问题能力上效果不理想、课程之间衔接不好等问题，基于CDIO工程教育理念，结合“try”教学方法，基于数字电路设计课程的实践环节，提出一种新的教学模式。

关键词：

CDIO；教学模式；实践环节；课程衔接

由麻省理工学院等4所大学创立的CDIO工程教育理念，是继承和发展欧美工程教育改革的一种新的教育理念。该理念包括12条标准，涵盖了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评。它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式来学习工程的理论、技术与经验[1-2]。数字电路设计是计算机组成原理、接口与通信以及嵌入式类课程的先修课程。如果在数字电路设计的教学中没有考虑好与后续课程在理论教学与实践教学内容上的衔接，则容易导致学生在后继课程的学习中遇到困难[3]。

1数字电路设计课程实践环节的教学条件和教学现状

（1）社会对软件人才的需求量远大于对硬件人才的需求量，学生出于就业考虑，容易形成重软件轻硬件的观念。（2）硬件课程入门较难，实践环节大都是验证性的，缺乏探索性，不利于培养学生解决实际问题的能力，从而打击了学生学习硬件课程的积极性，导致学生形成“好软怕硬”的思想。（3）传统教学模式是教师课堂讲授，适当结合验证性实验，不能激发学生的学习积极性。学生学完理论、做完实验后，仍然缺乏解决实际问题的综合能力、工程实践能力及创新能力[4]。传统教学模式的弊端导致在与计算机组成原理等后继课程的衔接中，学生不能从系统的高度认识数字逻辑[3-5]。（4）计算机学院开设的数字电路设计和计算机组成原理等课程，采用同一套实验设备，在一定程度上能让学生的学习具有连续性。（5）自创的“try”教学方法可适用于数字电路设计课程及实践环节的教学[6-8]，但由于算机组成原理和数字电路设计两门课程的内容和要求不同，“try”教学方法在应用于后者时，应有所调整。

2数字电路设计课程实践环节改革方案

摘要：介绍了数字电路实验教学的情况，分析了EDA技术的分类及在实验教学中的特点。

关键词：数字电路；实验教学；EDA

1引言

数字电子技术是电工电子及计算机相关专业的专业基础课程。其目的是为培养应用型电子及计算机相关专业人员提供必要的理论基础和实践技能。学习本课程将使学生掌握电子技术的相关基础理论知识，掌握基本工作原理和分析方法，为相关课程的后续学习奠定基础。在传统的课程安排中，理论课和实验课通常分为两个单独的课程。通过多年的教学实践，我们发现这种教学方式存在许多不足之处。从数字电路实验课的基本要求来看，实验课后，学生应学会用实验方法验证所学的理论。掌握各种测量仪器和集成电路的功能和用途，开发综合分析和设计能力。传统的教学方式不能将理论知识与实践紧密结合，不能把学生的学习兴趣完全激发出来，难以达到最佳的教学目的和要求。另一方面，在实验教学之前，实验实践教学资源没有得到充分及有效利用。经过多年的扩招，许多学校实验设备陈旧，数量不足，资金不足，严重影响了实验教学质量和实验室的发展。如何优化课程的实践教学，提高课程质量变得更加至关重要。EDA（EletronicsDesignAutomation）技术是一种以计算机为工作平台的电子系统设计自动化技术。EDA通过计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学和人工智能学等多种先进的计算机应用技术，开发出了一套电子系统设计的综合工具，为电子系统设计提供了重大的帮助。

2EDA技术概述

“数字电路”实验教学改革的基本思路是将EDA（电子设计自动化）技术的最新成果应用于实验教学，建立先进的实验教学平台和现代化的实验教学环境。在现代实验教学平台上，提高了学生的设计水平和实验效率，使学生的综合素质得到了提高。EDA技术利用计算机作为工作平台。大规模可编程逻辑器件（FPGM/CPLD）用作实验载体，把ASIC和SOC芯片作为目标器件。

3EDA分类

（1）ElectronicsWorkbench（简称EWB）。EWB是IIT推出的用于电路仿真和设计的EDA软件。该软件系统集成度较高，软件使用界面友好，操作方便;具有数字、模拟和数字—模拟结合电路等多种仿真功能；多种电路分析方法；多种输入、输出接口。（2）Multisim。Multisim是一种基于EWB的大规模变化开发的仿真设计软件，对于模拟和数字电路设计均适用。Multisim在保留EWB图像可视化优势的基础上，对其功能和操作进行了许多改变：增加了射频电路仿真功能；扩充了元件数据库；允许用户自定义元器件的属性；扩充电路的测试功能；改善组件之间的连接，允许连接到任何地方；专业版的Multisim还支持VHDL、VerilogHDL的电路仿真与设计；提高了数字电路仿真的速度。大大增强了软件的仿真测试和分析功能，扩展了组件库中的组件数量，特别是增加了与实际组件对应的大量组件模型。使仿真设计的实验结果更加直观准确，更具有实际应用性。（3）MAX+plusⅡ。MAX+plusⅡ是Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境。1）MAX+plusII友好且易于使用，是被业界认为最简单易用的EDA软件。2）MAX+plusⅡ编译器支持的硬件描述语言有VHDL、VerilogHDL及AHDL。3）MAX+plusII与来自第三方的EDIF文件兼容，可以与其他相关的EDA操作软件相连接。4）MAX+plusII可以进行分层设计，可用于在新的编辑界面中调用由不同设计方法完成的工程模块（组件）。使原理图和HDL混合输入设计的问题得到了很好解决。

本文主要分析数字电路与系统课程设计教学中存在的问题，从课设内容、课设项目设计的方法、强化实践技能等方面改进数电课设的教学，强化过程考核。培养学生理论联系实践的能力，强化数字系统的设计与分析，提高学生编程和自主解决问题的能力。数字电路与系统课程设计是电子信息、通信工程等专业在学习了数字电路与系统课程后所进行的综合应用课程实习，是电子、自动化专业重要的实践教学环节，数电课设在培养学生实践能力方面具有极其重要的意义。通过改进课程的教学与过程考核，培养学生理论与实践相结合，强化数字电路的设计与分析能力，提高实践能力。

1数电课设教学的意义及现状分析

数电课设的教学中，共12学时，0.5学分，共6次课。很多学生重视理论的学习，而忽视实验的重要性。数电课设是一门理论与实践相结合的综合应用课程，通过不同的实验才能深入理解数字逻辑电路的设计与分析和VHDL语言程序控制流程。数电课设可以提高学生解决问题的能力，增加学生的就业机会。但是在数电课设的教学过程中，存在一些问题需要改进。

1.1编程和调试能力需提高

数电课设使用quartusII集成开发环境进行VHDL语言编程，教学过程中发现学生对VHDL语言的语法掌握不牢，程序流程图设计有待提高，独立编写代码比较困难。对quartusII软件的使用不熟练，如创建元器件符号、绘制原理图、功能仿真等。学生遇到问题，首先想到的是找老师解决，而不是独立思考寻找解决办法。

1.2自主设计和创新能力欠缺

对于数电课设的实验内容，按照实验指导书进行验证，不需要从头到尾独立思考设计软硬件。尤其是当学生面对大四相关的毕业设计课题时，往往不知道如何设计系统和搭建硬件电路等。实验过程中有很多地方可以优化创新，学生完成基本教学任务而缺乏主动寻找创新点，优化系统设计，提高测量精度等。

1.3重视结果忽略过程

1EDA技术在电子技术类课程体系中的改革

1.1应用EDA的必要性

EDA技术是现代电子信息工程领域中的一门新技术，它能够利用软件的方式对系统进行硬件设计，具有高层综合和优化的功能，能在系统级对设计系统进行优化。这样当电路较为复杂时，采用EDA技术能简化设计过程，同时能设计出一些特定的芯片。由于采用的硬件描述语言进行开发设计，利用EDA工具设计相关硬件的版图文件，最终在FPGA/CPLD或半单体晶片上制作成具体的硬件电路，这样学生能接触平时很少接触到硬件设计相关知识，并加强数字电路的理解。

1.2EDA在电子技术类课程中的应用

针对信息类专业相关专业课程原来各自有比较完整的但相对封闭的知识体系且都有实验教学环节的特点，将这些课程的理论教学与实验环节有机组合，将较独立的《EDA技术与应用》、《电子电路CAD》、《单片机原理与应用》、《电力电子技术》课程以及相关课程设计等环节衔接起来，构成一个基于EDA技术应用的设计性、综合性实验教学体系。在《EDA技术与应用》课程中，将EDA工具（虚拟电子工作台EWB）引入到数字电子技术教学和数字电子技术课程设计中。利用计算机仿真的方法对电子电路的原理、性能进行仿真和测试，掌握电子电路的调试方法和排除故障的途径；进一步熟悉各种测试仪器的使用方法；提高对所学知识的综合应用能力，使学生在较短的时间内掌握设计和分析电子电路的先进手段，提高了数字电子技术课程的总体水平。

EDA与电子技术课程设计的开设，为传统课程注入了新的活力，提高了学生的学习兴趣，这不仅为本课程的教学奠定了良好的基础，也为后续各门专业课程提供了基础知识的保证。在后续的课程中，运用EDA技术进一步掌握各种电路原理和设计方法，通过PTOTEL软件绘制出原理图并且设计出PCB板，最后安装元件焊接，完成电路板的制作；另外在《单片机原理与应用》中，学生又学会用单片机实现电路的设计，这时可以让学生将原来课程中设计的电路改用另一种方式来完成；在电力电子技术课程中，可以进一步设计基础电路和简单的控制系统。几乎所有的课程都会涉及到基础电路原理分析、控制芯片以及系统架构等内容，都需要外围电路支持，构成一个完整电路系统。这个电路系统从基本电路设计到最后做成PCB板都可以用EDA技术中的电路板制作方式或者PROTEL软件中的方法。

由于EDA基础逻辑电路部分设计加入到数字电路课程中，会占用部分课时。这要求我们对相关课程教学做出部分调整。在数字电路的基础性实验课程部分，采用传统的数字电路设计实验设备与EDA技术分别完成相同的逻辑功能设计，让学生通过对比加强对数字电路的认识。在教学方式方面，除采用多媒体教学方式以加大单位时间内的教学容量外，建议增加学生自学的环节。教师制定相关的自学指导和学习方案，引导学生进一步学习EDA技术，如带有嵌入式IP核的ASIC设计。

2结束语

1电子设计自动化实验系统的设计开发

为了减少教学和实验中实验器材的投入，降低实验成本，提高实验效率，出于这个目的进行电子设计自动化实验系统的开发。

1.1实验系统的内容

该电子设计自动化实验系统，不仅要能够实现基本数字电路功能，而且还要能够实现部分中规模和大规模的数字电路功能。具体设计内容包括以下这些：（1）数字时钟的设计。（2）LED16×16点阵控制器的设计。（3）数字频率计的设计。（4）实现抢答器数字系统。（5）实现电子密码锁数字系统。（6）实现三色交通指挥灯控制器的数字系统。（7）实现简易电子琴的数字系统。（8）实现三层电梯控制器的数字系统。

1.2实验系统的设计方案

该电子设计自动化实验开发系统是基于FPGA/CPLD器件,主要包括四部分，即信号发生模块、输出信息的显示模块、扩展模块、FPGA/CPLD芯片通用适配座及芯片编程下载电路。该实验系统设计，采用了通用适配板与系统功能板分离的结构方式。通用适配板具有完整的下载电路,既可插在系统功能底板上使用,也可单独工作。

1.3实验系统的电路设计

根据电路功能，将其划分为两部分，即通用适配板电路和系统功能板电路。这两部分通过芯片适配接口进行连接。1.3.1系统功能板电路设计系统功能板电路设计如图1，下面是各个模块的介绍：（1）7段数码管模块,用于实现各种数字显示，例如计数器计数结果的显示、频率计等的设计。（7）蜂鸣器模块。一部分是音乐片电路,当有人抢答时该电路可以放一小段音乐来告知有人抢答；第二部分是电子琴电路,由FPGA送出一定的乐谱频率，在扬声器上发出相应的谱音。音乐片和电子琴电路通过一个DIP2的拨动开关来选择。（8）键盘电路模块，该模块用于选择电子琴的数字系统实验、抢答器数字系统实验、电子密码锁数字系统实验等实验项目。（9）DIP开关电路,提供输入端的高、低电平。（10）液晶显示电路。1.3.2通用适配板的电路设计通用适配板由CPLD芯片、下载电路、扩展接口电路等部分组成。通用适配板结构框图见图2。

1电子设计自动化实验系统的设计开发

1.1实验系统的内容

该电子设计自动化实验系统，不仅要能够实现基本数字电路功能，而且还要能够实现部分中规模和大规模的数字电路功能。具体设计内容包括以下这些：（1）数字时钟的设计。（2）LED16×16点阵控制器的设计。（3）数字频率计的设计。（4）实现抢答器数字系统。（5）实现电子密码锁数字系统。（6）实现三色交通指挥灯控制器的数字系统。（7）实现简易电子琴的数字系统。（8）实现三层电梯控制器的数字系统。

1.2实验系统的设计方案

该电子设计自动化实验开发系统是基于FPGA/CPLD器件,主要包括四部分，即信号发生模块、输出信息的显示模块、扩展模块、FPGA/CPLD芯片通用适配座及芯片编程下载电路。该实验系统设计，采用了通用适配板与系统功能板分离的结构方式。通用适配板具有完整的下载电路,既可插在系统功能底板上使用,也可单独工作。

1.3实验系统的电路设计

根据电路功能，将其划分为两部分，即通用适配板电路和系统功能板电路。这两部分通过芯片适配接口进行连接。1.3.1系统功能板电路设计系统功能板电路设计如图1，下面是各个模块的介绍：（1）7段数码管模块,用于实现各种数字显示，例如计数器计数结果的显示、频率计的频率显示、数字钟表的时问显示及抢答器的倒计时显示等。（2）红绿灯电路模块,用于红绿灯的电路实验。（3）LED指示电路模块,用来显示组合逻辑电路实验的输出电平的高低。（4）点阵模块,用来显示点阵输出。（5）时钟电路,提供时序逻辑电路的CLK。（6）状态机电路,由FPGA相应的I/O口和状态指示电路组成，用于序列信号发生器、告警器等的设计。（7）蜂鸣器模块。一部分是音乐片电路,当有人抢答时该电路可以放一小段音乐来告知有人抢答；第二部分是电子琴电路,由FPGA送出一定的乐谱频率，在扬声器上发出相应的谱音。音乐片和电子琴电路通过一个DIP2的拨动开关来选择。（8）键盘电路模块，该模块用于选择电子琴的数字系统实验、抢答器数字系统实验、电子密码锁数字系统实验等实验项目。（9）DIP开关电路,提供输入端的高、低电平。（10）液晶显示电路。2.3.2通用适配板的电路设计通用适配板由CPLD芯片、下载电路、扩展接口电路等部分组成。通用适配板结构框图见图2。

2结束语

摘要：

数字电子技术是物联网专业的一门核心专业基础课程，对学生的职业生涯规划和发展有着重要影响。为了获得更好的教学效果，将整个教学过程分为理论教学和实验教学两个部分，在实验教学部分引入了Multisim仿真软件，有效地将理论知识、实验内容和方法以及考核方式进行了改革和实践。通过多种方式进行教学，提高了学生对数字电子技术的兴趣，加强了学生的逻辑思维和创新实践能力。通过合理的课程考核方式，提高了学生学习的积极性。

关键词：

数字电子技术；物联网；Multisim仿真

1引言

近几年，物联网技术快速发展，被公认为是世界信息产业发展的新的重点领域。其发展前景将大大促进全球经济的快速增长，为未来的经济发展和科技创新提供重要保障，同时将会彻底改变人们的生活方式[1]。物联网工程专业的人才需求日益增加，从信息产业发展方向和构建复合型人才知识结构的角度出发，贺州学院计算机系开设了物联网工程专业。物联网工程是电子技术、计算机网络、嵌入式系统、传感器技术、数据库系统等技术的综合体[2]。在物联网工程专业的课程体系中，以上课程是物联网工程专业的必修专业课，其中，电子技术中的《数字电子术》在整个课程体系中扮演着重要角色，是物联网专业的一门核心基础课程。为此，贺州学院计算机系的物联网专业开设了《数字电子技术》这门课。《数字电子技术》具有实践性和应用型均较强的特点，其教学改革模式对类似专业的专业基础课或核心专业课具有一定的参考价值[3]。随着数字化信息技术的普及和物联网技术的快速发展，对《数字电子技术》课程进行一定的改革和实践，有一定的意义。

2《数字电子技术》改革和实践的基本内容

根据教育部面向21世纪教学内容和课程体系改革的要求，遵循高等教育发展的基本规律，本着“打好基础，加强实践和创新能力”的原则，我们针对课程的教学理念、教学内容、教学方法和教学手段等方面进行了改革和实践[4]。改革的目标是在充分运用现代教育技术的基础上，构建更优的教学模式和教学平台，全面提升该课程的教学质量，促进学生专业素质和创新实践能力的提高，从而适应社会对物联网专业高技能、应用型人才的需求。