數字電路設計知識范文

導語：如何才能寫好一篇數字電路設計知識，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞:項目教學;數字電路;課程設置;教學實例

項目教學是將某門專業課程按類別分為若干知識和技能單元,每個知識和技能單元作為一個教學項目,每個教學項目都以應用該項知識和技能完成一個具體的項目任務作為目標,所以,項目教學是將理論與實踐融于一體的教學模式。把理論知識和實踐知識較好的融于到具體項目是搞好項目教學的關鍵,所以,數字電路課程結構必須按照項目教學模式來重新設置,本文結合作者項目教學實踐經驗和研究工作對基于項目教學模式的數字電路課程設置進行淺顯探討。

一、課程的性質與作用

《數字電路》是高等職業院校電子信息專業、通信專業等電類專業的一門核心職業技術基礎課,是實踐性較強的課程。

本課程主要針對企業生產第一線產品裝配、調試、檢驗、維修、生產管理等崗位。通過基于工作任務的項目式教學,培養學生的邏輯電路分析能力、邏輯電路設計能力(即用中小規模集成電路設計具有一定功能的邏輯電路,而不是設計一個編碼器、譯碼器、計數器等)、常用儀器儀表使用能力(如雙蹤示波器、穩壓電源、信號源、計數器、頻率計、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、自學能力、設計報告編寫能力及職業素質養成,本課程培養的核心能力是邏輯電路分析能力、邏輯電路設計能力。

二、課程結構整體設計

課程教學設計的理念:以項目教學開展課程教學;實現理論實踐一體化教學;以職業能力培養為主線,以應用為目的。依據此理念設計出的課程教學內容體系如圖1所示。

項目實驗包括單元實驗、仿真實驗、設計實驗3個方面。“單元實驗”訓練常用電子儀器的使用方法和數字電路的基本測試方法,它所涉及的內容與課堂教學內容緊密相關,充分體現課程的實踐性。“仿真實驗”主要利用EWB平臺進行實驗,使學生掌握仿真工具的使用方法,并能利用仿真工具對一些設計實驗、項目實訓內容進行仿真。“設計實驗”是通過常用的數字集成電路實現簡單功能的邏輯電路。

項目實訓采用EWB仿真設計+實物制作相結合的手段,項目實訓內容主要利用中小規模集成電路實現具有一定功能的數字系統。在項目實訓中鼓勵學生將課外科技活動、數字電路制作大賽納入教學活動中來,課內外學習相互結合,使學生視野開闊、能力增強。

理論教學與實踐教學時間比例為1∶1;并安排2周課程設計進行綜合實踐訓練。

(一)項目設計的思路

項目設計的思路:設計的項目應覆蓋整個工作領域和承載這個工作領域所需要的知識和技能;項目結構劃分應體現工作體系的特征;在以項目劃分為線索進行工作分析的基礎上,合理設計項目結構。

項目內容設計具體原則:項目應覆蓋知識點和技能要求;知識點的內容應最大限度地融于項目教學之中;項目大小要根據學習內容進度和要求來確定;項目內容設計要考慮教學組織的可行性和合理性。

(二)課程教學實施思路

課程教學實施思路:理論教學主要結合在項目實驗、項目實訓中進行教學。

課程的教學以項目作為核心實例帶動知識點講授,以工作任務完成過程為主線選擇和組織課程內容,以完成工作任務為主要學習方式,每一個項目分解為若干個工作任務,通過每一個工作任務使學生掌握必要的理論知識和技能。大部分內容教學實施在實驗室中進行理論實踐一體化教學,可先分析再實踐,或先實踐再分析理論知識,或隨講隨練,講練結合,工學交替,理論教學與實踐教學同步進行。教學實施過程中突出“以職業能力培養為主線,以應用為目的”原則,重點加強對學生實踐能力的培養,通過對項目設計制作訓練,培養學生綜合應用知識的能力。

(三)實踐教學的4個層面

本課程教學模式是基于工作過程的項目式教學,借助這種教學模式和項目實驗、項目實訓、課程設計3個實踐平臺,構建了由基礎訓練、應用訓練、創新訓練和綜合訓練組成的“四個層面”的實踐教學體系,為學生實踐能力培養提供強有力保障,能使學習者在實踐活動中主動學習和有效應用知識,極大提高教學效果和學生職業能力培養的效率。

三、教學內容的選取與規劃

(一)教學內容選取依據

教學內容要集中體現課程教學目標,內容的選取應該以企業對崗位知識能力要求和學生適應崗位變化的可持續發展能力要求為依據。這就要求數字電路課程組的教師經常到企業進行知識和能力要求的調研,對企業所要求的知識點和能力進行分析,根據調研結果及時調整教學內容,使數字電路的內容符合行業企業發展的需要。另外,教學內容的選取還要考慮能較好地解決“基礎知識、技能與學生適應崗位變化的可持續發展能力”的關系,“基礎知識與應用能力”的關系,“理論與實踐”的融合關系、比例關系等關系,使《數字電路》課程內容體系具有高等職業教育的針對性,適應電子信息職業崗位能力的培養。

(二)教學內容具體規劃

1、理論教學內容。必修模塊:數字電路基礎,邏輯門電路,組合邏輯電路,觸發器,時序邏輯電路,脈沖電路;選修模塊:半導體存儲器與可編程器件,數/模轉換與模/數轉換;拓展模塊:MAX+PLUSII軟件操作訓練,用VHDL語言設計功能模塊(拓展模塊不納入正常教學,利用課余時間結合數字電路設計制作競賽開展教學,滿足部分學生需求)。

2、項目實訓內容。項目實訓內容體系如圖2所示,具體實訓內容:加法計算器的設計與制作包括邏輯門電路功能的測試和加法計算器的設計兩個項目。涉及相關知識:與、或、非邏輯運算,復合邏輯運算,TTL門電路,OC門,三態門,TTL門電路、CMOS門電路的分類及其比較,TTL與CMOS數字集成電路的使用規則,邏輯代數的基本定律及規則,組合邏輯電路的描述,組合邏輯電路的分析,最小項與最大項,常用數制與BCD碼;邏輯函數的化簡,組合電路設計方法,數字信號與模擬信號,組合邏輯電路中的競爭-冒險現象。搶答器的設計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計等4個項目。涉及相關知識:LED顯示器,顯示譯碼器,譯碼器,使用變量譯碼器實現組合邏輯函數;編碼器,二進制優先編碼器功能擴展;D 鎖存器;搶答器的組成框圖(包括編碼器、譯碼器、鎖存器)。計數器的設計與制作包括觸發器邏輯功能測試、簡單計數器邏輯功能測試、集成計數器功能測試和計數器的設計與調試等4個項目。涉及相關知識:基本RS觸發器,同步觸發器,邊沿D觸發器,邊沿JK觸發器;時序邏輯電路的組成,計數器的類型,計數器的分頻功能,同步時序電路分析;集成四位二進制加法計數器 74LS161,集成四位二進制同步加法計數器 74LS163,集成異步十進制計數器74LS290,可逆計數器74193;計數器模數的變化,振蕩器。數字鐘的設計與制作完成有一定功能數字鐘(能顯示小時分鐘基本功能)設計制作,這一個項目是對前面所有相關知識的綜合運用和檢驗。

四、教學組織與實施

教學組織與實施的思路:教學內容結構以項目和案例作為單元展開教學內容,教學組織形式采取實際操作與講解相結合,單元學習時間為4課時;教學過程中正確處理知識學習與工作任務的關系,做到知識學習為完成任務服務,知識學習為技能形成服務;最后,學生通過學習獲得報告、圖紙、工藝文件、作品等學習成果。

項目的具體組織實施過程中,重點考慮如何通過設計恰當的工作任務引入相關理論知識。例如通過“三人表決電路設計”、“簡單加法計算電路設計”兩項工作任務,引入組合電路設計方法、邏輯函數化簡方法等知識點;通過這兩個任務,學生容易理解化簡后結果盡可能用相同芯片去實現它,因此“與或式”結果不如“與非與非式”,“與或式”就意味著要用與門和或門,再簡單的邏輯函數至少要兩個芯片,“與非與非式”只用與非門,如果邏輯函數不復雜,一個芯片可解決問題。又如通過“用74160及簡單門電路構成八進制計數器(0-7)”和“數字鐘中分鐘指示電路設計與調試”兩個工作任務,引入N進制計數器的構成方法:串接法(即級聯法)、復 位法、置數法。

五、教材編寫與選擇

項目式教學教材選用應該是以主、輔兩本教材結合使用的選用原則。為了保證項目教學的順利實施,應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劃教材為輔助教材。校本教材在章節順序上,以項目和工作任務為主線來編排內容順序,兼顧學生的認知規律,并將知識和能力有機地融入到完成工作任務的具體過程中;在內容編排上,按先基本邏輯電路后邏輯部件、先單元電路后系統電路、先數字電路后脈沖電路的原則編排,實踐與理論在內容上相互充實、相互補充,邊學邊做。

采用兩本教材的目的是滿足部分自學能力較強學生擴展知識的需要,對一些內部電路的分析、原理的分析,自學能力較強學生可通過自學獲得知識,培養學生的自學能力。

六、項目教學實例

以“智力競賽搶答器的設計”這一項目為例說明項目教學的具體實施過程。這個項目的實施過程包括4個階段:

第一階段:任務布置。第一步是教師布置工作任務,講解必要的相關知識,如原理框圖;第二步是分小組討論,按強弱搭配原則分小組討論,教師參與學生的討論,提出要解決的關鍵問題,即如何實現數碼管顯示與按鍵數字相對應的數碼,如何實現閉鎖功能,學生展開對這兩個問題的討論,教師逐步啟發學生,得到解決問題的基本方法。

第二階段:仿真設計。第一步是利用仿真平臺在仿真實驗室中進行仿真設計,搭接電路并激活仿真軟件,查看所設計的電路能否實現工作任務所要求的技術指標;第二步是教師對學生仿真設計結果進行考核。

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

第四階段:教師總結。可挑選1-2個電路進行演示,并講解工作原理。

通過本項目的學習,學生不僅掌握了鎖存器、編碼器、顯示譯碼器的原理,動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。整個項目教學體現了課程整體設計的理念,應用了計算機仿真、實驗室制作教學手段,采用了項目教學式、小組討論式、啟發式等教學方法。

隨著數字技術的不斷發展,數字電路的教學內容和模式應不斷的改革,這就要求數字電路課程組老師在總結經驗的基礎上大膽創新,做到與時俱進,并在今后的教學過程中還要不斷深入研究和探索。

參考文獻:

1、李珈.數字電路課程教學改革的實踐[J].職業教育研究,2008(6).

2、侯國相.項目教學法在數字電路課程教學中的實踐[J].遼寧教育行政學院學報,2008(8).

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關鍵詞：計算機；高速數字電路；設計技術

對于高速數字電路來說，其主要指的就是高速變化的信號在傳播過程中產生的電熔、電感等具備著一定模擬特性的電路，實現計算機高速數字電路的建設，不單單需要對先進的電子技術進行應用，還需要結合現代化的計算機軟件技術進行完善，進而實現對計算機高速數字電路每一部分的參數的優化和調整，進而保證計算機高速數字電路系統能夠正常穩定的運行，達到一定的運行標準。在對計算機高速數字電路進行設計時，需要做的是在設計過程中對各部分的元器件進行合理的搭配，不然將會對電路元器件、電路信號等正常運行與傳輸產生不良的影響。

1計算機高速數字電路設計技術的影響因素

對于高速數字電路的設計來說，其是否能夠成功主要“決定權”在于信號的質量,也就是高速數字電路信號完整程度的保持,假如對高速數字電路信號完整程度無法保持,在信號的傳輸過程當中，就會發生信號缺失，進而產生信號失真的現象，一旦這種現象發生，對于數據信息、地址等方面都會產生十分不良的影響，令整體的高速數字電路系統無法保持正常運行,甚至會造成整體系統的崩潰。而影響信號質量的因素并不單一,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行分析時，可以發現，其主要能分為以下幾點:第一點，在整體的計算機高速數字電路系統中，在信號傳輸線位置的阻抗存在著差異，無法進行正常的匹配,進而能夠出現“反射噪聲”的現象,對于的信號完整性而言，能夠對其產生一定的影響作用[1]。第二點，在整體的計算機高速數字電路系統中，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行增大，信號線之間的距離將會越來越狹小,這就致使信號與信號之間的電磁藕合參數呈現出上升的趨勢,如果不進行及時的處理,就會導致信號間出現“串擾現象”，進而影響到信號的質量[2]。第三點，在整體的計算機高速數字電路系統中，在芯片內存在著大量的電路，這些電路在同時輸出的過程中,會受到在電源平面間存在著的電阻以及電阻的作用,進而產生較大的“瞬態電流”,這種“瞬態電流”產生后，會對地線、電源線上的存在著的電壓造成一定程度的不良影響,因此導致信號的發生一些波動和變化。總的來說,對計算機高速數字電路進行科學合理的設計,降低或者是排除以上三方面因素對信號質量的不良影響,進而達到促進計算機高速數字電路信號完整性的提高,在現代化的計算機高速數字電路的設計過程當中，是首先需要解決的問題,只有這樣才能夠保證計算機高速數字電路設計的成功性。

2計算機高速數字電路設計技術問題的解決對策

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生，首先需要對先進的計算機高速數字電路設計技術理念進行學習和研究，在正常情況下，計算機高速數字電路設計過程中，很難令電路中存在著的臨街阻抗相互之間契合，因此，可以采用對計算機高速數字電路設計技術進行創新和完善的辦法，令電路系統一直都保持過阻抗的狀態，只有這樣才能夠在一定程度上保證計算機高速數字電路的信號傳播過程中，信號的完整性不會受到阻抗差異的影響，進而獲得更好的計算機高速數字電路信息傳輸效率[3]。

2.2串擾現象的解決策略

在對計算機高速數字電路進行設計時，對于“串擾現象”需要進行合理地解決。參照信號傳播的基本理論,可以發現，在電路中，電流的流動趨勢屬于循環流動,對于這一現象而言，數字電路設計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，電流環路中存在著的電流也會根據電磁場的變化產生一定程度的改變。在對這樣的電流環路展開“減小處理”,能夠降低“串擾現象”帶來的影響[4]。

2.3瞬態電流的解決策略

在對計算機高速數字電路進行設計的過程中,要對電源的電阻因素以及電感因素進行充分的考慮,實現對電阻因素以及電感因素的預先處理。在現階段的電路系統中，通常情況下電路材料都是銅質材料,這種銅質材料遠遠對高速數字電路設計的要求和標準無法進行滿足,所以，在高速數字電路進行設計的過程當中，還要對電路材料方面影響因素進行解決,使用更為合理的電路材料對去藕電容進行引導，將其引導進入整個高速數字電路中，能夠在一定程度上降低“瞬態電流”的發生頻率。

3結語

綜上所述，在社會不斷的發展的過當中，對于電子技術來說，也帶來了一定的發展契機，令其發展速度也得以提升，計算機高速數字電路設計技術就是在這樣的發展前提下得到了不斷地完善及進步，是對先進的電子技術概念理論進行應用，進而達到的設計標準，為一些行業的整體發展能夠起到一定的促進作用。通過對計算機高速數字電路設計技術進行研究和分析，結合相關的文獻資料以及專業性知識，對計算機高速數字電路技術進行進一步研究，能夠在一定程度上加快計算機高速數字電路技術的發展進程，進而在更多的行業當中得到更好的應用。

作者:黃一曦 單位:廣西理工職業技術學校

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關鍵詞：數字電路設計 常見問題 注意事項

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

隨著科學技術的飛速發展，新的電子產品和器件層出不窮，21世紀顯然已經成為了信息化和數字化的時代。數字地球、數字商場、數字化生存、數字服務等概念早就成為人們生活中屢見不鮮的名詞，當前人們日常交往中的很多方面都與數字聯系得越來越緊密，比如每一個人的QQ號、身份證號、手機號、IP地址等等都在廣泛的數字化。數字已經不再是傳統意義上的1、2、3、5…，它們已經成為了區分標示和進行社會管理的重要載體。現在和今后，我們的生活都在進一步進行數字符號化，我們需要的資料和存儲的信息都會用這些簡單的數字傳遞復雜的內容，這一系列看似簡單的數字承載了我們學習、工作和生活中的很多方面。這些任務的承擔都必須以數字電路為根本進行數據信息的采集、分析、區分和處理，從而轉化成影響著我們現實社會的數字電路信息符號。現在，數字電路已經十分廣泛的深入到社會中的各個領域。近年來，科學技術的突飛猛進引發了很多行業深刻的變革和翻天覆地的變化，數字信息行業在很多方面都處在科學技術發展的前端，其中顯而易見的是數字電子科學技術，在科學大發展大繁榮的浪潮中，數字電子科學技術得到狂飆式的發展，當前毫無疑問已經成為了發展最快和影響力最大的學科之一。數字邏輯器件從20世紀60年代以小規模集成電路為主發展到當前的中、大規模集成電路，甚至是超大規模的集成電路。數字邏輯器件的不斷發展和應用更新，勢必會推動著整個數字電路的繼續前進。

1 數字電路的噪訊干擾處理

在數字電路中我們會經常采用布爾代數的數學方法，用來描述事件之間相互的邏輯關系。和一般普通代數層面中的變量不一樣，邏輯變量則是用來描述邏輯關系中的二值變量，即用1和0這兩個值來表示對立的邏輯狀態。數字電路依照0和1的穩定情況來作為運算基礎，所以這其中就會存在噪訊界限。相對于模擬電路而言，數字電路有著非常強大的噪訊。數字電路中，數字信號因為與電流變化中磁數變化的誘導電壓的影響，電流變化就會在某個地方形成了噪訊的產生地，這又與電路長度、回路的面積息息相關。數字信號轉變時會帶來過渡性的電路，進而帶動導體產生噪訊電壓，再加上噪訊電流的流動會容易造成數字電路的誤動作。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，還應該加大結合阻抗，同時減少輸入阻抗。數字IC中如果空端子表現出open的狀態就會使阻抗變高，這進而又會導致數字電路極容易受到噪訊的誤動作干擾。所以，數字IC的空端子需要連接電阻與電源。多層板信號線的阻抗，因為導線系設在背景的表面上，所以也可以減低阻抗的效果。

2 數字技術與模擬技術的融合

因為LSI和IC本身的高速化，為了能夠使機器能夠同時達到正常運行的目標，所以這就難免會使得技術的競爭越來越激烈。盡管系統構成的電路不一定有clock的設計，但是毋庸置疑的是系統是否可靠必須要考量到選用電子組件、電路設計和成本、封裝技術、防止噪訊產生、防止噪訊外漏等綜合因素上。數字或模擬電路的極其小型化、多功能化、高速化會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在同一個密封密度的電路板中出現，設計人員置身于這樣的環境就將面對如此高難度和富有設計思維的挑戰。比如，十分穩定的電路和吵雜的電路相依時，一旦沒有把噪訊侵入到十分穩定的電路對策看做成設計的重點，那么事后盡管進行很多次設計也將難免會陷入無解的局面。又如，假設將小型的模擬信號增幅后，利用10bitA/D的數字轉換器轉換成數字信號，但是就因為分割輻寬是4.9 mV，但是要把該電壓的level正確的讀取出來就不會是一件容易的事情，很多事情就會使得超過10bit的A/D轉換器陷入了不能正常順利運行的困境。

3 數字集成電路的選擇

基本門電路是由簡單的分離元件構成，雖然設計起來比較容易簡單，但是運行和反映的速度很多時候相對較慢，負載承受的能力也較差，電氣的性能也有待進一步提高。目前使用得最為廣泛則是數字集成電路。其優點是：體積較分立元件設備小幾百倍；抗干擾能力強；故障率和功耗率都很低，輸出電阻低；輸出特性好；穩定性強。數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的電路輸入端進行了保護電路的設置，但是因為限流電阻的尺寸有限和保護二極管，這就會難免使得其承受的脈沖功率和靜電電壓受到限制。CMOS電路在運輸、組裝和調試中因為不可避免的會接觸到靜電和高壓的物件，所以要保護好輸入的靜電。此外，CMOS還會產生電路鎖定效應，為了安全和方便的使用，人們一直在致力于從設計和制造上排除鎖定效應的研究。因為，集成電路的要求都比較高，需要先進行芯片的設計和程序的編制，但是更多的時候在使用現成數字電路中進行了簡單的分析，這是非常不夠的。專用的集成電路是一種新型的邏輯器件，因為其具有靈活性和通用性的特點，所以成為了對數字系統進行設計和研制的首選器件。總的來說，數字電路在今后的發展中還有廣闊的空間，但是其基礎知識不會發生改變，如何進行進一步的改進，這就迫切需要新型的數字人才去發現并改進當中不大完善的地方，完善和彌補電路中的每一個缺點和不足，使得當中各個部分和環節都能發揮最大的作用。

4 數字電路系統設計

數字電路設計是從原理方案出發，把整個系統按照一定的標準和要求劃分成若干個單元電路，將各個單元電路間的連接方式和時序關系確定下來，在這個前提下進行數字電路系統的實驗，最終完成總體電路。數字系統結構由時基電路、控制電路、子系統、輸出電路、輸入電路五部分構成，當中數字系統的核心是控制系統。數字電路系統的設計有分析系統要求、設計子系統、系統組裝和系統安裝調試等步驟組成。數字電路系統的設計也不是一次兩次就能完成，需要設計人員進行反復的調試和探究，通過自上而下的設計方法和自下而上的設計方法進行數字系統的設計，依托RTL傳輸語言等常用工具完成。數字電路系統設計包含了很多問題，比如，電路的簡化可能會使得電路性能降低，但是電路性能指標提升難免會以犧牲電路簡化為條件。所以，數字電路系統的設計過程有很多因素需要考慮和兼顧。

5 數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行設計時，還需要注意到下面幾個問題。

5.1 多余端的處理

數字集成邏輯門電路在正常的使用時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字電路中。所以，在數字電路的設計中，針對多余端的處理，我們則是按照不改變數字電路的正常工作狀態以及確保其性能穩定和可靠為基本原則。

5.2 去耦合濾波器

數字電路一般都是由多數片邏輯門電路組成，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，很多時候是依靠整流穩壓的電路進行供電，所以也會存在一定程度的內阻抗。數字電路正在處于運行時，就會產生很大的尖峰電流或者是脈沖電流，這些電流流經到電路的公共內阻抗時，必然相互間會產生一定的影響，情況嚴重時會使得數字電路的邏輯功能發生混亂，甚至是陷入崩潰狀態。所以數字電路在設計中針對這一情況的處理辦法一般都會使用耦合濾波器去應對，常常會使用10～100 μF范圍之內的大電容器和直流電源再聯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0.1 μF的電容器，用來濾除掉開關帶來的噪聲干擾。

5.3 接地和安裝防范

科學的接地和安裝工藝是數字電路設計中比較有效的措施。在實際操作中，可以把信號地和電源地分開出來，將信號地集中到一點，再把這兩者用最短的導線相互連接起來，用來避免大電流流向其他器件的輸入端，進而導致系統的邏輯功能失效。如果電路設計中同時有數字和模擬這兩種器件，也需要將它們分開，再選擇一個符合條件的共同點接地，皆宜消除相互之間的影響。當然也可以設計出數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。在電路板的設計和安裝中，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 結語

數字處理技術和集成電路技術正在飛速的發展，數字電路也得到了越來越廣泛的運用，像當前的數字電視、數字照相機等產品已經走進了廣大人們生活當中，數字化已經成為了當前科學技術和社會發展的不可逆轉的潮流。數字電路設計組成了諸如數字測量系統、數字通訊系統、數字控制系統等等。隨著科學技術的不斷進步，數字電路的設計帶來的成果和發揮的影響力將會越來越受到重視。

參考文獻

[1] 王華奎.電子電路設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

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針對硬件課程實踐環節在提高學生解決實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，結合“try”教學方法，基于數字電路設計課程的實踐環節，提出一種新的教學模式。

關鍵詞：

CDIO；教學模式；實踐環節；課程銜接

由麻省理工學院等4所大學創立的CDIO工程教育理念，是繼承和發展歐美工程教育改革的一種新的教育理念。該理念包括12條標準，涵蓋了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評。它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式來學習工程的理論、技術與經驗[1-2]。數字電路設計是計算機組成原理、接口與通信以及嵌入式類課程的先修課程。如果在數字電路設計的教學中沒有考慮好與后續課程在理論教學與實踐教學內容上的銜接，則容易導致學生在后繼課程的學習中遇到困難[3]。

1數字電路設計課程實踐環節的教學條件和教學現狀

（1）社會對軟件人才的需求量遠大于對硬件人才的需求量，學生出于就業考慮，容易形成重軟件輕硬件的觀念。（2）硬件課程入門較難，實踐環節大都是驗證性的，缺乏探索性，不利于培養學生解決實際問題的能力，從而打擊了學生學習硬件課程的積極性，導致學生形成“好軟怕硬”的思想。（3）傳統教學模式是教師課堂講授，適當結合驗證性實驗，不能激發學生的學習積極性。學生學完理論、做完實驗后，仍然缺乏解決實際問題的綜合能力、工程實踐能力及創新能力[4]。傳統教學模式的弊端導致在與計算機組成原理等后繼課程的銜接中，學生不能從系統的高度認識數字邏輯[3-5]。（4）計算機學院開設的數字電路設計和計算機組成原理等課程，采用同一套實驗設備，在一定程度上能讓學生的學習具有連續性。（5）自創的“try”教學方法可適用于數字電路設計課程及實踐環節的教學[6-8]，但由于算機組成原理和數字電路設計兩門課程的內容和要求不同，“try”教學方法在應用于后者時，應有所調整。

2數字電路設計課程實踐環節改革方案

2.1實踐環節的層次設計為了獲得更好的教學效果，教師探索了各種方法，其中有案例法、項目驅動法、任務驅動法等[9-12]。從實驗室建設、實驗手法、課程整合等不同角度來提高實踐環節質量[13-14]也能夠有效提高教學效果。比較上述方法后，考慮與后續課程的銜接等因素，根據CDIO標準3、5、7的要求，結合自創的“try”教學方法，我們將數字電路設計課程的實踐環節分成兩個層次，從最簡單的門級電路編程開始，難度由低到高、循序漸進，最終讓學生完成源于實際案例的綜合實驗，初步具備實際工程能力。表1從實驗項目設計、教學方法等7方面對基本實驗和綜合實驗進行了對比。在教學中，學生學習的主要障礙不是掌握理論方法，而是缺乏理論知識和實踐問題認知的溝通[11]。因此，我們在理論教材中選擇15個知識點，設計成相關的任務和實驗內容，如全加器、表決器等，采用“try”教學方法并結合任務驅動法，鼓勵學生多動手多嘗試，通過任務、查資料、仿真、實物驗證、教師驗收、撰寫實驗報告和總結這7個步驟完成對15個理論知識點的學習。為了進一步提高學生的實際工程能力，基于科研項目，貼近實際生活，我們編寫了自動售貨機、出租車計費器、電梯控制器等6個綜合實驗。實驗采用分組方式，每組學生自行選擇一個題目，在規定時間內完成該綜合實驗。綜合實驗的教學過程一般包括：教師項目及要求、學生分組并認領項目、組內分工、查資料、設計方案、論證可行性、學生在宿舍仿真、學生在實驗室的硬件開發板上實物驗證、教師驗收、提交實驗報告、實驗答辯、成績評定等13個環節。教師在項目要求的時候，只給出最基本的要求，學生在設計的過程中可以自行擴充，也就是說，同一個綜合實驗題目，其設計可繁可簡，不同學生設計的電路可能會不一樣。

2.2實踐環節評價體系的構建根據CDIO標準11，構建了實踐環節的評價體系。

2.2.1基本實驗評價方法基本實驗評價指標是：①時限；②工作量；③完成質量；④驗收程序；⑤實驗報告。其中①、②、④、⑤考核了學生的個人能力和表達能力，指標③、④、⑤考核了學生的專業知識、建造產品和系統的能力。對這5項指標加權平均得到該基本實驗項目分數，如式1所示，其中Sj表示某個基本實驗的得分，Ki表示某個考查指標的系數，Mi表示在某個考查指標上的得分。由15個基本實驗的得分累加后除以15，得到基本實驗項目的總得分，如式2所示，其中BS表示基本實驗的總得分，Sj表示某一個基本實驗的得分。

2.2.2綜合實驗評價方法綜合實驗評價指標是：①時限；②查資料的能力；③實驗方案；④創新性；⑤設計說明書；⑥完成質量；⑦團隊合作能力；⑧工作量；⑨驗收；⑩實驗報告；實驗答辯。其中①、②、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、項考核了學生的個人自身能力、探究能力、團隊合作能力和表達能力，指標③、④、⑤、⑥、⑨、⑩、考核了學生的專業知識、建造產品和系統的能力。修改式1可對這11項指標的得分加權平均，從而得到綜合實驗的分數。

2.2.3實踐環節最終成績評定辦法及選優措施實踐環節總評成績由基本實驗成績和綜合實驗成績兩部分加權平均得到,從工作量及投入時間方面考慮，一般建議兩者各占50%。綜合實驗結束后，根據學生在實踐環節的學習情況和成績，特別是綜合實驗中的表現，向各相關學科實驗室推薦優秀本科生，使他們有機會加入科研項目組，參與教師的科研工作。

3實施效果及分析

為檢驗課改成果，我們設計了一套課程評價系統，包括一套具有反向題的學生調查問卷、學評教的數據、學生的理論課成績單、實踐環節成績單、一套后繼課程教師評價學生掌握先修課程知識的調查問卷、一套學生所在學科實驗室評價該生的調查問卷等。評價系統還包括對這些數據的統計和分析。統計數據顯示，在CDIO模式基本實驗和綜合實驗實驗項目設計上，學生滿意度達到81.6%，在教學內容、教學方法、實驗環節考核方法等方面，學生滿意度達到97.4%，比傳統模式提高了20幾個百分點。這些數據表明，新教學模式比傳統模式更能激發學生的實驗興趣，促進他們較大幅度地提高項目設計能力、動手編程能力、團隊合作能力。我們將2013級計算機科學與技術專業的學生分成兩組，采用相同的教學資源和不同的教學方式分別授課，一組采用新模式教學，另一組采用傳統模式教學。經過一個學期的學習，2015年1月數字電路設計課程理論考試中，在試卷相同的情況下，新模式組成績優良率達到52.9%，比傳統模式組高24個百分點；新模式組不及格率為15.7%，比傳統模式組低15個百分點；新模式組平均卷面成績為78分，比傳統模式組高6.1分。由此可知，基于新標準并結合“try”方法的新教學模式能夠提高實踐環節的教學質量，切實促進學生深入理解理論課的相關知識點，有助于學生更好地完成課程銜接，為學生后繼課程的學習打下堅實的基礎。追蹤這些學生后繼課程的學習情況，統計2015年6月計算機組成原理課程設計期末考試成績后發現：原新模式組優良率達到80.3%，比傳統模式組高25個百分點；原新模式組不及格率為0，比傳統模式組低21個百分點。計算機組成原理課程理論考試中，原新模式組平均卷面成績為68分，比傳統模式組高5分；原新模式組不及格率為17.4%，比傳統模式組低5個百分點。此數據表明，數字電路設計課程實踐環節采用新教學模式教學有助于學生對后繼課程的學習，特別是實踐環節成績有了大幅提升，不及格率也明顯下降。

4結語

新教學模式基于CDIO理論，結合“try”教學理念，將數字電路設計課程實踐環節分為基礎實驗和綜合實驗兩個層次,并包含了配套的成績評定方法和課程評價系統。實踐證明，新教學模式能夠更好地促進課程銜接，有利于培養學生自主學習、主動探索的精神和能力，培養學生的工程實踐能力、溝通交流能力及團隊協作能力。改革的下一步，是根據每一門課的特點，把基于CDIO理念的教學模式推廣到課程群其他課程的教學中去，以期從課程層次化、課程間網絡化等多角度、多層面地把學生培養成為優秀的工程技術人才。

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篇5

關鍵詞：數字電路；教學方法；Multisim；仿真

中圖分類號：G642文獻標識碼：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

從事計算機硬件教學的老師都知道，對于計算機專業的學生而言，數字電路是計算機專業學生硬件的專業基礎課，這門課程的學習不僅為后續的計算機組成原理，單片機等硬件類課程打下基礎，而且更為重要的是通過這門課程的學習，使學生建立對硬件類課程的學習興趣。如果學生從這門課程開始就對計算機硬件類課程產生了畏難情緒，以后課程的展開是相當困難的。所以這門課程的教學工作承擔了雙重責任：一是讓學生掌握數字電路的基礎知識以及分析設計方法，具備查閱和使用集成電路和讀圖的能力；二是使學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，采用何種教學手段，如何提高學生興趣，如何使理論和實踐更好的結合是每一個教師思索的問題，也是本文所討論的重點。

1 教學方法和手段

1.1 知識點結構框圖化

在每一章每一節內容開始講授和小結的時候，將知識點以結構圖的形式展示給學生，使學生有一目了然的感覺，對自己要學的和學過的知識點有清晰的脈絡。例如在講述邏輯函數的描述方法時，給出下列的結構框圖（如圖1所示）。

在講述這個框圖時，學生對真值表，卡諾圖還沒有感性認識，可在黑板上畫一個真值表和卡諾圖，使學生初步認識它們的形式，也了解了邏輯函數的幾種描述方法。

1.2 教學內容的加減法

數字電路發展很快，對數字電路的講授應符合數字電路的發展趨勢，使學生能學有所用，而不是滿腹經綸無用之地，這也就是說，要讓學生了解數字邏輯電路的最新發展。但俗話說萬丈高樓平地起，我們并不能忽視數字電路的基礎理論與基礎知識。這就要求我們要在有限的時間之內，讓學生具備扎實的數字電路基礎知識，了解現代數字電路的設計方法和相關工具軟件的使用。因此在教學內容安排上做了這樣一些調整，重視邏輯代數和邏輯函數基礎理論的教學，在組合邏輯電路教學中適當減少中小規模集成電路內部分析和設計，適當增加使用vhdl語言設計組合邏輯電路和時序邏輯電路，學會Multisim11仿真軟件的使用方法，讓學生有一個較高的起點和平臺來應用所學的知識。[1]例如我們在講到組合電路分析時，常常會將一位全加器給學生作為例題講解，并且給學生建立全加器的概念：能實現三個一位二進制數相加（被加數、加數和低位進位），得到一位和及一位向高位進位的加法器。在接下來的組合設計內容中我們就適時的增加了用vhdl語言設計一位加法器的內容。

1.3 貼近生活的教學舉例

數字電路由于其系統性強，邏輯性強，從始至終教學中穿插著卡諾圖，邏輯公式，真值表，特性方程，狀態圖，狀態轉移表等內容，很容易讓學生產生內容相似的疲勞感，因此在課堂教學中采用貼近生活的舉例可以使學生覺得這門課有趣，實用，很容易產生親切感，讓枯燥的課堂學習變得輕松愉快，學習效率也隨之提高。例如在組合電路分析教學中給出密碼鎖電路圖，讓學生分析開鎖的密碼是什么。組合電路設計中舉例交通燈故障的判別電路，利用優先編碼器74LS148和門電路設計醫院優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，還通過布置作業的方式讓學生查閱數字邏輯電路在現實生活中的用處，并設置課堂討論時間讓學生交流自己所了解的知識。這樣不僅激發了學生濃厚的學習興趣，使其體會到學習的樂趣,變被動學習為主動，同時也活躍了課堂氣氛。

2 仿真軟件在數字電路教學中的應用

Multisim是一款主要用于數字電路，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，虛擬儀器強大等諸多優點。數字電路是一門實踐性很強的課程，而傳統的教學模式在課堂上理論與實踐聯系的很少，將Multisim引入數字電路的教學，可有效解決傳統教學的不足，在課堂教學演示，課下作業輔導，實驗環節都有其獨特的優勢。其作用主要表現在三個方面。其一，在課堂上，教師和學生可在互動的環境中進行教和學，用事實說話，通過課堂演示可以讓學生觀察到電路的直觀現象，對于學生感覺新鮮好奇，有說服力，對于教師也覺得教的輕松了。其二，將Multisim作為一個課后學習輔助工具，在課后作業的輔導方面發揮著很大作用，一方面學生可以通過軟件來驗證自己作業的正確性，另一方面可以使有興趣學生在課外進行更深入的學習，從而達到培養學生學習興趣及動手能力的目的。其三，在實驗環節上，我們現在通常采用傳統的硬件實驗箱，傳統的實驗具有現象直觀，易于接受的特點，但是實驗多是驗證性的，并且由于學生操作不當和實驗箱老化，容易出現一定損耗；而以Multisim為平臺展開的實驗，設計，布線，仿真都很簡單，也符合現在電路設計的發展方向，可以作為傳統實驗的有益補充。[2]

2.1 Multisim在課堂教學中的演示

Multisim具有直觀的圖形界面，它的整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，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，用鼠標拖拽導線就可將它們連接起來，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。Multisim包含的豐富測試儀器使得它在課堂上演示生動，直觀，易于被學生接受。例如，在進行集成計數器74160這一小節的教學時，首先讓學生了解74160是一個可預置數的十進制同步加法計數器，LOAD'是置數端，低電平有效，置數是同步的，當置數端為低電平時，在 CP 上升沿作用下，輸出端 QAQBQCQD與數據輸入端 ABCD 一致；CLR'是清零端，清零端是異步的，當清除端CLR'為低電平時，不管時鐘端CP狀態如何，即可完成清除功能；74160的計數是同步的，當 ENP、ENT 均為高電平時，在CP上升沿作用下計數器加法計數；74160具有超前進位的功能，計數溢出時，RCO端輸出一個高電平。接著給出74160的功能表，如表1所示。

對于集成電路芯片，我們不要求學生了解芯片的內部結構，但是學生必須要會查閱使用芯片的數據手冊。在了解了74160的芯片引腳和功能后，就可以應用multisim11來學習這個芯片。為了使學生能夠一步一步地深入了解和學習這個芯片，我們采用搭積木的方式來展開內容，首先在multisim的工作電路區上放置電源，信號發生器，74160，七段數碼管和邏輯分析儀[3]，然后以導線或總線使各個部件連在一起，再將信號發生器和邏輯分析儀的頻率設置成相同的，建立如圖2的電路圖，啟動仿真，就可以直觀的看到，電路工作在計數狀態，數碼管從0～9不斷變化，打開邏輯分析儀，可以看到，當計數到9時，RCO產生一個超前的高電平進位。

為了進一步講解置數端和清零端的用法，我們要求用此芯片分別以置數法和清零法實現模6計數器。對于74160，一定要對學生強調它是異步清零和同步置數的。

使用置數法時，模6計數器，也就是要計6個狀態，在這里采用0100、0101、0110、0111、1000和1001這6個狀態，也就是說，當計數到1001時，要產生置數信號，使下個時種信號到來的時候， QDQCQBQA被置成0100，從而跳過0000到0011。

采用置數法電路圖如圖3所示，在這里將QDQA輸出接個與非門，當QDQCQBQA=1001時，與非門輸出為0，置數端得到有效電平，在CP上升沿到來時，QDQCQBQA=DBCA被置成0100。通過仿真，可以看到計數器在4到9之間的6個狀態計數。

使用清零法時，采用的是0000、0001、0010、0011、0100、0101這6個狀態，也就是說，當計數到0101時，要產生清零信號，在QCQA接與非門，理論上QDQCQBQA=0101時，產生清零信號，可將QDQCQBQA清零，仿真后看到的結果是，計數在0到4變化，沒有計到0101這個狀態。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，計數器立即清零，所以計數器根本沒有計到0101這個狀態，要想計數到0101的穩態，必須在0110時產生清零信號。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數到0101狀態后，下個計數狀態是0000。

接著我們又給學生布置了這樣的課后思考題，如何應用74160實現百進制計數器和24進制計數器，并請仿真驗證自己的想法。通過這個完整例子的透徹分析，學生不僅掌握了74160這個芯片，對于其他同步計數器芯片也能夠做到輕松應用，起到舉一反三的效果。

2.2 Multisim作為作業伴侶

Multisim因其方便的界面，豐富的原件庫和逼真的虛擬儀器。在學生的課后作業中扮演著重要的角色，大大減輕了教師的負擔。例如在學習邏輯代數基礎和組合電路中，我們教會學生使用邏輯轉換儀，這個儀器可以將電路圖、真值表和邏輯表達式進行方便的轉換，可以進行邏輯函數的化簡。在學完函數化簡后給學生布置這樣的習題Y=(A'+B')C+BCD'+AD，不管學生是用卡諾圖還是公式進行化簡，最后結果是否正確，學生自己可以用邏輯轉換儀來驗證。學生在Multisim工作區放置邏輯轉換儀后，雙擊打開它，在最下方的顯示區輸入邏輯表達式，點擊表達式到真值表按鈕，出現這個函數的真值表，再進一步點擊真值表到最簡與或式按鈕，在顯示區出現AD+C，也即函數化簡的最簡結果。從簡單的邏輯代數基礎知識，到復雜的組合、時序電路分析設計，學生都可以用Multisim驗證自己的作業，并且給學生更大的學習和思考空間。

3 結束語

改進現有的教學方法和手段，將EDA技術應用于數字電路的教學，是對此課程的教學改革。通過近幾年的教學探索，取得了較好的教學效果，學生對數字電路課程的興趣大大提高，理論聯系實際能力增強，動手能力增強。學生不僅掌握了數字電路的基礎知識，而且掌握了現在數字電路的設計方法和新技術，為以后從事電子設計工作打下良好的基礎。

參考文獻：

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篇6

關鍵詞：FPGA教學；FPGA教材；Verilog HDL；數字系統設計；電子設計自動化

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

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，一種半定制的集成電路，主要用在航空航天等高端領域中。隨著技術的進步和成本的降低，FPGA性價比越來越高、集成度越來越大，可編程性能方面呈現出快速構建系統（System-In-Weeks）的優勢，逐步滲透至計算機、通信、控制、消費電子和汽車電子等民用領域中。尤其是在數據通信、無線通信、先進消費電子領域，FPGA更是已經取代了一些處理器，成為新一代的系統級的硬件開發平臺，各高校也紛紛開設了FPGA課程。FPGA教學是電子信息類專業設置的必修課程之一，引導學生迅速掌握這門技術的方法和入門手段是高等學校需要研究的課題。FPGA的陣列式硬件特性和語言并行特性與傳統的微機原理以及高級語言的思想是完全不同的，因此，需要科學的引導方式使學生進入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現良好教學效果的基礎。

一、現有教材的內容安排對比

從應用過程來看，市場上FPGA教材一般具有以下共性問題：

第一，冗余度高，有用知識點少。多數教材在講述FPGA開發時，均從基本的Verilog HDL（或者是VHDL）語法講起，當語法結束后再講述相關的設計。實際上，語法內容在先修課程中已經完全（或者大部分）修讀過，不用再學一遍類似或完全相同的內容。

第二，教材內容按照固定的順序寫，先語法，后基本組合電路設計，再基本時序設計等，不符合學生學習的規律，應該按照硬件描述語言所能表達的電路形式去講解，而不局限于數字電路的知識點。

第三，部分教材動手實驗的內容過于簡單，且不具有實際應用價值。如一些自動售票器之類的實驗。

第四，很多教材一開始給出了EDA領域中的很多新名詞、新概念，讓初學者陷入抽象的名詞堆中，不能理解其內涵，不利于學習入門等。

由于這些原因限制了教師教學的主觀能動性和學生學習的引導性，提出了一套新的教材教學內容的規劃方法。

二、新教材的內容規劃

教材內容應根據現有的培養方案結構和先修課程的關系有效地進行內容的選擇，去冗留精，根據學生所能掌握知識的自然過程循序漸進并有機地結合工程應用等方面，才能達到學生學習上的“水到渠成”及學以致用的效果。

第一，合理規劃培養方案中的教學內容大綱，去除已經學習過或者不需要講述的內容。以教材中的HDL為例，現在很多高校電子信息類專業均以Verilog HDL為語言部分教學內容，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花很多時間去講授，只有部分語句和語法需要單獨補充。例如塊語句“begin end”、拼接符“{}”和縮位運算符等。條件語句和c語言中的語法也不盡相同，只需要指出不同點即可。在很多計算機類的專業中，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，語法內容較多，如果去除和PACAL語言相同的部分，可以省略很多課時用來講解其他更為重要的知識點，有利于提高教學效果。

第二，遵循學習規律，教材內容應循序漸進給出新知識點。以學生為主體，強調“學習者取向”。[1]教學內容的安排應從最簡單的數字電路設計和已經掌握的基本的語言語法開始，讓初學者不知不覺中掌握了一種新技術，利用所學過的數字電路知識和C語言類似的基本Verilog語句就能實現。然后在此基礎之上安排一些新的電路設計點和介入Verilog HDL語法。例如，在講述半加器電路設計時可以采用數字電路中的設計方式，使用兩個門（與門和或門）就可以實現半加器的設計。然后分析電路的行為，完全可以使用拼接符去實現，并重點從功能角度講述。即：兩個一位數相加，結果最多為兩位，結果中高位即為進位位，低位則為和輸出位。語法實現為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，避開了數字電路中的化簡過程，且符合學生思考解決問題的思路，課堂教學效果很好。

第三，教學內容應盡可能結合應用或者結合應用的構成部分。FPGA是一項實用技術，在小的電路設計系統中經常作為外設的譯碼電路，可以結合多路譯碼器電路進行設計應用，在實驗過程中盡可能采用此類內容作為實驗；在較大型的設計中可能會涉及到DSP算法或者復雜的通信協議，結合學生已經掌握的知識點設計一些內容進行講授。如：奇偶校驗，在串行口的通信中校驗是基本的功能之一，在Verilog HDL中使用一條簡單的語句“assign P= ^D；”就可以實現。一方面實現了使用邏輯門電路很難實現的算法，另一方面也增加了新語法（“^”為縮位異或運算）的應用。再如：并串轉換和串并轉換，是現在串行通信中幾乎不可缺少的組成部分，大多數教材講述的方法不具有實用價值，應該結合應用時的通信握手，增加部分控制信號，使講述的內容能夠直接應用到系統中。

第四，入門知識點要盡可能簡單，最好使用所學知識引導進入新的知識點，然后擴展至知識面，最后達到全面掌握本課程全部知識點的范疇。現有教學內容的入門教學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。現有的教材內容一般在第一章介紹EDA技術領域的一些新概念，發展過程和擴展至系統級中的一些內容，例如IP的概念、固核硬核軟核等。這些內容在基礎類教學中往往不會涉及，有些即使涉及了，學生也不明白和前面的概念之間的聯系，不利于教學的開展。按照常規的思維方式，教學的入門可以從一個熟悉的知識點入手，進而輻射至其他的新知識點、新概念。在教學內容安排上，可以從與門電路設計開始，然后引入兩個門電路同時實現，并給出HDL并行執行的概念，有利于重點突出HDL的特點，激發學生學習FPGA的積極性。

第五，簡化邏輯產生過程，注重輸入輸出之間的行為關系。部分FPGA教學內容安排在數字電路設計之后。受數字電路設計思想的影響，很多學生認為HDL僅僅是用于描述門級電路的，而實際上HDL能夠從更高的系統級角度描述電路行為。以N位全加器為例，不需要知道內部電路構成的細節，從行為級角度就可以直接描述出電路。再如：在教學內容的后期設計一個簡單的CPU。CPU是復雜數字電路的代表，通過CPU的設計一方面可以使學生掌握CPU的基本原理和設計方法，另一方面可以讓學生們了解，即使再復雜的電路都可以使用HDL描述，讓學生們有系統級的概念，為今后進行更加復雜的系統設計打下思想基礎。

6.語言方面要推陳出新，更新語言標準，注重實際綜合效果

硬件描述語言是FPGA硬件電路設計的重要組成部分。以Verilog為例，市面上早期的教材均是以IEEE1364-1995為標準編寫，而現在最新的Verilog標準為IEEE1364-2002。大多數教材仍然沿用IEEE1364-1995語法，這是不利于學習的。以存儲器設計為例，舊標準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現，過程繁瑣，不符合系統及描述的特點。而在新標準中，語法上可以直接實現對存儲器空間的某個位進行操作，簡化了設計過程和設計理念。再如：在向量的部分選擇問題上，舊標準不能采用正向偏移或者反向偏移的方式實現部分向量的操作，不利于電路行為設計；而在新標準中，不僅能實現偏移，還可以動態更改索引表達式，使代碼的編寫更為靈活，更符合學習者的編寫代碼思維方式。

7.仿真要與物理綜合結果相結合

從物理意義上講解，注重設計綜合細節的說明。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。專業的仿真工具，如modelsim，嚴格遵守Verilog HDL仿真語法要求；而廠家的仿真一般會結合綜合效果，不完全符合HDL語言本身的要求。例如，若有always@（a）c=a&b；在modelsim中進行仿真結果和QuartusII中的仿真結果不同。在modelsim中，若b信號發生了變化，仿真結果不會出現變化，而在QuartusII中若b變化了，c輸出也會跟著變化的（規律是與門的規律）。從語法角度上講，若b信號變化，但它不在敏感信號列表里，所以不會觸發always塊，因此modelsim仿真結果不變；而QuartuII認為，這個代碼就是用來描述一組合電路-與門的，它會按照與門的輸入輸出關系變化仿真結果，實際教學中應注意兩者仿真的不同，并對學生進行科學的解釋。當然，教學過程中應盡可能引導學生把這類代碼寫成完整的形式：always@（a ，b）c=a&b，避免出現不必要的錯誤結果。

8.注意與其他相關課程的銜接

FPGA是硬件教學內容，與其他如單片機、ARM、微機原理與接口技術等課程會有一定的交叉和連接。

9.注重編程風格和編程思想

教材內容的附錄部分增加了代碼編寫的常用習慣和可綜合風格的書寫，有利于培養學生良好的書寫習慣，為語法檢查和功能檢查提供方便，為進一步編寫大規模的代碼奠定良好基礎。

三、教學效果

通過優化教材內容、改革教學方法與教學手段，FPGA課程教學改革取得了較大的成效。具體表現為：第一，教材注重學生基礎，以往基礎差的學生也能入門，學生自主學習的興趣濃厚。第二，教學內容的安排更加合理，結構更加完整，教師和學生使用更加方面，無需輔助參考書。第三，課程的教材注重實驗環節，實驗內容與理論知識結合緊密，學生的實驗能力得到了進一步的提高，大部分學生能夠獨立完成基本實驗，部分學生能自主完成部分創新實驗項目。第四，教材從學生基礎出發，符合學生實際，教學效果良好，學生的期末成績取得了大幅度提高。第五，學生充分肯定了教師的教學水平，教學評估成績優秀。

四、教材后續內容的完善和調整

本課程在大三上學期開設，側重入門和基礎教學。若學生在學習完本教材后需要繼續在FPGA方向上深入學習，教師應結合學生所學和嵌入式方向的需要，講授一些關于qsys和sopc的相關內容；若數字信號處理的內容已修，還可以結合dspbuilder等進行高層次的講解教學；可以結合altium designer等對8051類的單片機軟核進行完善修改，達到全面培養學生的FPGA系統設計和應用能力的目的。

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論文關鍵詞：EDA，實驗系統，模塊

 

1 引言

隨著電子技術的發展及電子系統設計周期縮短的要求，EDA技術得到迅猛發展。

EDA是ElectronicDesign Automation(電子設計自動化)的縮寫。EDA技術，就是以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計開發工具，通過使用有關的開發軟件，自動完成電子系統設計的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統或專用集成芯片的一門新技術[1]。

目前，幾乎所有高校的電類專業都開設了EDA課程，為加強教學效果，通常都使用專門的EDA實驗箱來輔助教學，但是實驗箱采用了一體化結構，所有的電路和器件都在一塊電路板上，在功能上難以根據需要進行擴展，不利于學生的創新設計，復雜系統難以實現；實驗箱體積較大，不便攜帶；EDA 實驗箱、單片機實驗箱、DSP實驗箱、ARM實驗箱中很多功能模塊的硬件電路是相同的，但不同實驗箱上相同模塊不能共享，存在資源浪費。由于實驗箱的上述缺點，很多高校都紛紛開始設計開發自己的實驗系統模塊，提高實驗箱的利用率，提高學生的工程創新能力[2][3]。

2 EDA實驗系統開發的特點

EDA實驗系統的開發具有以下特點：

（1）實驗內容由單一性向綜合性發展

早期開發的EDA實驗系統主要是學生用來學習EDA課程、下載程序、進行仿真的工具；使用實驗系統是老師用來培養學生設計數字電路的能力、幫助學生學習和掌握開發語言的手段。因此EDA實驗系統僅在電子類專業的EDA課程中使用，系統所提供的實驗內容僅限于簡單的數字電路設計，包括計數器、編碼譯碼器的設計、數碼管的顯示等。隨著EDA技術的發展，電信、通信等專業紛紛引入EDA實驗系統，在“通信原理”等課程的實驗教學中被廣泛應用于實踐[4]，實驗內容也從單一的基本數字電路的設計發展到集EDA技術實驗、單片機實驗、DSP實驗等為一體的綜合性的實驗平臺[5]。因此，EDA實驗平臺逐漸面向電子信息類相關專業的學生進行課程的學習，課外競技活動，電子類設計比賽，并逐漸用于教師進行科研。

（2）系統結構從一體化向模塊化發展

早起開發的EDA實驗系統在結構上采用一體化的實驗箱設計，所有的電路和器件都在一塊電路板上[6]。這樣，系統的使用雖然可以幫助學生掌握軟件的應用，但也使學生對硬件電路不了解；另外，系統在功能上難以根據需要進行擴展，不利于學生進行創新設計，復雜的系統則難以實現。因此在后來的EDA實驗系統的開發上，大都都采用了模塊化的結構[7][8]，即FPGA、單片機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做在不同的電路板上，比如數碼管顯示模塊、按鍵模塊、LED顯示模塊等；根據不同的實驗摘要的模塊搭建自己設計的電路，從而提高學習興趣，增強實驗教學的效果；此外，模塊化的設計還方便老師對學生設計的重復實現，有利于教學水平的提高雜志鋪。

（3）核心芯片由單一化向豐富化發展

早期開發的EDA實驗系統由于僅用于EDA課程的學習，其核心芯片大都為Altera公司的FPGA等可編程邏輯器件，開發語言環境主要為界面友好、操作簡便的Maxplus Ⅱ和Quartus Ⅱ。隨著EDA技術向不同學科不同專業的滲透，核心芯片逐漸發展為FPGA、單片機和DSP器件的綜合使用，開發語言也逐漸開始使用C語言或匯編語言等。這樣，實驗系統能提供的實驗內容和規模均有所增加，除了基本的數字電路設計實驗模塊以外，還可以增設調制解調模塊、幀同步模塊、信號波形產生模塊等，擴大了實驗系統的使用率，使實驗設備向大型化、先進化發展。

（4）使學生的學習由被動向主動發展

電子技術的發展日新月異，早期的實驗平臺由于其電路設計的封閉性，實驗內容只停留在驗證實驗上，很難加入自己設計的外圍電路。而模塊化數字電路開放實驗平臺由于其接口電路的開放性，有能力的學生可以自行設計外圍電路達到提高的目的，對于成功的設計還可以加到以后的實驗教學中，成為具有自主知識產權的模塊。

另外，由于整合了單片機、DSP等芯片的功能模塊，實驗內容得到很大擴展，學生在實驗過程中可以拓寬知識面，主動去學習了解實驗所需要的知識，學習的主動性得到很大的提高，并且，由于實驗由簡單的驗證實驗向綜合的大型設計過渡，學生在實驗過程中更容易理解數字電路設計中硬件的概念以及工程的概念。

學生在設計實驗時，可能會用到一些實驗系統沒有開發出的模塊，這時，學生需要自己設計該電路模塊的電路圖以及制作PCB板，直至實際制作出該功能模塊。這樣，學生除了掌握編程、還需要去學習怎樣設計并制作電路板、學習該模塊與核心板的接口電路設計等相關知識，因此，在實驗過程中，學生的積極性和主動性得到提高。同時，由于實驗的規模逐漸增加，同學之間需要團結合作才能共同完成一個實驗，因此也鍛煉了同學之間的團結合作精神。

3 結論

一個好的EDA實驗平臺，能培養學生開拓創新精神和團結協作精神、很強的實踐操作能力、工程設計能力、綜合應用能力、科學研究能力以及獨立分析問題和解決問題的能力。我國高校現階段所研制開發的EDA綜合實驗平臺，能有效整合和優化多個電子類實驗課程的功能，為單片機和 EDA技術等課程提供了綜合實驗平臺，為高校培養創新性人才提供良好的實驗條件和氛圍。隨著電子技術的發展以及EDA技術的不斷深入發展，EDA實驗平臺的開發也將會日益完善：大規模可編程器件將被使用；實驗系統將向體積小、功耗小的便攜式嵌入式系統發展。

參考文獻：

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[2]劉延飛,等著.開發EDA綜合實驗平臺，提高學生工程創新能力[J]. 實驗室研究與探索, 2009,26(8):63-64.

[3]范勝利.一種基于模塊的EDA教學實驗系統[J]. 讀與寫雜志, 2009,6(11):102

[4]韓偉忠著.EDA,DSP技術與通信實驗裝置的總體設計[J]. 金陵職業大學學報, 2002,17(1),52-54

[5]孫旭,等著.單片機、DSP、EDA的綜合實驗系統的設計[J]. 實驗科學與技術, 2008, 6(6): 55-57

[6]雷雪梅,等著.EDA教學實驗箱的設計[J]. 內蒙古大學學報(自然科學版), 2004, 35(3): 344-347

[6]劉建成,等著.EDA實驗系統的設計與實現[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(1): 86-88

[6]史曉東,等著.數字系統EDA實驗平臺的應用及發展[J]. 實驗室研究與探索, 2005, 24: 78-81

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關鍵詞：數字電路;實驗教學;實踐能力

一、引言

《數字電路》課是計算機類專業的專業技術基礎課，是所有硬件課程的基礎課、入門課，是實踐性較強的課程。內容涉及數字技術的基本理論、分析方法和設計方法，是一門工程實踐性較強的課程，對于計算機專業的學生而言，在其所學知識體系中占有相當重要的地位。它能培養學生的綜合應用能力、創新實踐能力，可使學生建立工程的觀念、科技進步的觀念、創新意識，形成正確的認識論，為將來成為應用型人才打好基礎。

二、實驗教學現狀分析

1.實驗課學時數壓縮。我院有網絡工程及軟件工程兩個本科專業，相應的數字電路課程總學時數為64個學時（包括理論課、實驗課以及課程設計）。由于學時數有限，真正安排在實驗教學的時間不足12個學時，無法安排更多的設計性和綜合性實驗，大部分是芯片的驗證性實驗，學生無法真正得到電路設計的系統訓練。2.實驗課程內容相對固化。在實驗內容的安排上，基礎性實驗涉及較多，設計類和綜合性實驗相對較少。因為總課時有限，理論課時僅能安排36個左右的課時。且計算機類專業受專業特點和學時限制，沒有開設相應的電路課程和EDA設計課程，導致理論和實踐環節出現嚴重脫節，上課內容偏重于組合邏輯電路的設計以及時序邏輯電路的部分設計，大部分側重在基礎性、驗證性實驗，留給后面的綜合性設計實驗的課時較少，影響了學生設計電路的主動性和創新性。一些學生被動完成實驗內容，缺乏學習的興趣和主動性，使“數字電路”課程的教學效果較低。3.實驗報告內容老化，撰寫流于形式。目前，一些高校的數字電路實驗報告內容過于老化，實驗手段過于單一。一些實驗僅僅是將理論的教學內容進行簡單驗證或是進行一些基本實驗技能的訓練。這樣的實驗方式所培養的學生無法達到當代社會所提出的科學素質要求、實驗技能要求和創新能力要求，學校必須對當前的數字電路實驗教學模式進行優化和改革。同時，學生撰寫實驗報告流于形式。由于對實驗報告重視不夠，往往是抄實驗指導書，或相互抄襲，嚴重影響實驗教學的效果。

三、數字電路實驗教學方法改革探究

面對“數字邏輯電路”實驗課程的教學現狀，只有充分調動學生的學習積極性，發揮學生的主觀能動性，才能達到培養學生的數字邏輯電路的綜合分析與設計能力，增強學生的創新意識。在教學過程中，嘗試從重新安排實驗教學內容的結構、合理分配實驗資源、豐富考核方式等幾個方面調動學生的學習興趣和積極性，使學生深入了解本實驗課程。數字電路的實驗教學以培養學生創新精神和實踐能力為主要目標，是我院進行教學改革的重要內容。如何更好地解決基礎與發展、基礎知識與實際應用、理論與實踐等矛盾，處理好“寬”“新”“深”的關系，建立先進和科學的教學結構，以適應不斷更新的課程內容體系始終是課程改革的重點。1.理論實驗合一，優化學時配比。為了合理安排實驗課與理論課時的比例，采用同一老師兼任理論課和實驗課的方式，改變實驗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踐課有機地統一起來，靈活調整兩者的學時配比。2.打破傳統實驗課堂灌輸方式，變傳統驗證型實驗為設計型實驗。經過一個學期的探索，我們改變了傳統的實驗教學流程，自主編纂實驗報告書，把傳統型驗證型實驗與設計型實驗有機結合。每次課安排有相應的設計實驗環節。例如，在做邏輯門電路實驗時，除了按照要求完成芯片的74LS00的功能驗證外，設計了用與非門芯片實現與門電路，用與非門芯片實現或門電路，用與非門芯片實現非門電路的實驗；設計了用與非門電路實現三人表決電路的設計，讓同學在完成驗證性實驗的前提下，用芯片進行具體功能電路的設計，以此充分調動學生的主觀能動性，培養學生良好的學習習慣，讓學生擁有更多的實驗操作時間和思考空間，成為課堂主角，培養學生獨立分析思考能力和解決問題的能力。3.優化課程設計教學體系，加入硬件作品制作環節，提高學生動手創新能力。在課程設計教學過程中，我們結合應用型人才培養需求，將實驗設置為2個不同的階梯式層次。第一，綜合性設計實驗：綜合已學知識和原理，學生自主進行電路設計和測試（如優先排隊電路、火災報警電路、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驗方法在實驗箱上完成電路設計實驗，并撰寫設計報告。第二，硬件作品制作：為了培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，在綜合設計實驗完成后，教師提出一些具有很強現實意義的選題，例如數字密碼鎖、電子鬧鐘、交通燈控制系統電路、八路搶答器等，要求學生在課余時間，利用開放實驗室，完成數字電路的設計、仿真、制作、功能測試以及改進等一系列工作，最后提交規范性的課程設計報告和電子實物產品，真正做到理論聯系實際。4.與大學生電子設計大賽有機結合，培養科研能力和創新實踐能力。以課程設計實驗教學環節中的硬件作品設計為契機，調動學生參加競賽的積極性和主動性。鼓勵學生自發組成興趣小組或團隊，積極申報大學生創新性實驗項目或者參加電子競賽活動，充分地激發學生內在潛能和創造力。通過課程設計實驗教學體系的構建，學生激發創造性，培養創新能力、動手能力和團體協作能力，提高學科技意識，培養項目管理能力。去年我院推薦3組同學參加了廣西TI電子設計大賽，并獲得三等獎的優異成績，這在我們計算機類專業的大一新生中實屬不易。5.改善考核制度。成績的評定是教學過程中的重要環節，是判斷學生能力和發展的重要依據。良好的考核方式能對學生的實驗情況給予準確客觀的評價，有利于提高學生的實驗熱情，充分調動學生的學習積極性。經過探討，我們把考核分為兩個部分，第一部分為一般實驗與理論課相結合，各占50%的比重得到總評成績；第二部分為課程設計，綜合性設計實驗與硬件作品制作相結合，各占50%的比重得到課程設計的總評成績。教學改革項目小組根據目前“數字電路”實驗課程所存在的問題，通過實驗課時重新配比、實驗項目多元化分配、提高動手創新能力、以賽促學，以及豐富考核方式等手段開展實驗教學，充分調動了學生的積極性和主動性。實踐表明，教學改革激發了學生的主動性和創新性，學生的知識結構、實驗能力均顯著提高。通過以上舉措，我們構建了以教師指導為輔、學生自主探究為主的實驗教學模式，形成課堂教學、實驗教學和實踐教學交叉融合的教學結構，各教學環節相輔相成，互相交融，實現了“加強基礎，注重實踐，因材施教，促進創新”的目標。

參考文獻：

[1]鮑寧寧.關于優化數字電路實驗教學體系對培養學生創新能力的探討[J].實驗室科學，2011

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[3]于建，劉博.《數字邏輯電路》實驗課程教學改革研究[J].河北民族師范學院學報，2015

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關鍵詞 數字電路 EDA技術 教學改革 電子設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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

隨著現代電子技術的高速發展，以大規模可編程技術、嵌入式系統等為核心的最新科技學科已經普遍出現在了高等教育的課程設置中，這些學科技術引領著未來電子技術的發展方向。電子技術專業的重要基礎課――“數字電路”的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同時也對這一課程的教學內容提出了極大的挑戰。然而，目前國內多數高校該課程的教學內容幾乎仍停留在上個世紀八九十年代，并仍以那個年代的手工數字設計技術為核心教學內容與考核內容。這就導致了學生的設計能力較低，缺乏自主創新能力與意識，無法適應現代企業和社會的需要。當然也有好些教材也將VHDL等EDA內容加到課程內容中，但目前的數字電路教學體系還是呈現一種拼接的模式，整體內容缺少因果鏈接。①因此改革數字電路中過時的內容、將先進的電子設計自動化（EDA）技術系統地融入到數字電路課程中，是數字電子技術發展的必然選擇。

1 傳統舊技術與方法的取舍

數字電路中有一些傳統的技術與方法，在現代企業的電子設計中已經沒有用武之地。學生花大量時間學習這些落后和被淘汰的知識和方法，是得不償失的，不僅耗費學生的精力和時間，妨礙新技術的學習，更是對國家和社會資源的浪費。對這些過時的內容，我們要對其進行適當的刪減，使教學內容適應時代的發展需要。

1.1 傳統手工設計方法

傳統手工設計方法的內容包括以卡諾圖為工具的邏輯函數化簡、小規模門電路組成的組合邏輯電路分析與設計以及由觸發器及門電路構成的時序邏輯電路的分析與設計等。這部分內容在數字電路課程中占據了主要的內容與篇幅，這在上個世紀八九十年代自動化設計還不流行的時候是合適的，因為那時候的電氣產品及自動化控制電路很多都是采用中小規模的數字集成電路完成設計的，而現在的電子產品及控制電路，已經幾乎見不到中小規模數字集成電路的影子，取而代之的是微處理器（含嵌入式處理器）以及大規模可編程器件、DSP等，只是在接口及驅動電路上還能偶爾見到中小規模數字電路。比如現代的家電產品洗衣機、空調、電視等都用到了微處理器控制，手機、導航儀等電子產品則用到了嵌入式處理器，語音、圖像識別等產品則用到了DSP（數字信號處理器），而在機頂盒、調制解調器等產品中則用到了FPGA等大規模可編程器件。采用中小規模數字電路設計的電子產品，還沒上市就已經是落后的。

1.2 邏輯門內部電路結構原理

門電路一章的教學應以集成門的外部特性教學為主，讓學生看到門電路的真值表就能夠應用該電路，而不管該電路的內部結構如何。傳統教學內容通常是以反相器為例，分析電路的內部結構和工作原理，進而得到其邏輯功能，而對其外部特性及接口參數則認為是死記硬背、枯燥的東西就一筆帶過。而實際上我們應用數字電路設計實際的數字系統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，而內部電路結構怎樣、如何工作基本上無需考慮。而且內部電路的分析對于學生來說難度較大、理解困難，完全沒有必要讓學生把時間和精力浪費在這種沒有實際意義的知識的學習上。因此在內容安排上，應著重介紹各種門電路的外部特性和接口參數，讓學生學會在實踐中正確選擇和使用合適的集成電路，設計出能適應實際環境和應用的優秀電路。

1.3 脈沖波形的產生和整形

“脈沖波形的產生和整形”這部分內容其實和“數字邏輯”沒有直接關系，實際上是屬于模擬電路的內容。只不過在模擬電路中，波形的產生完全是用模擬的電路來實現，而在目前多本數字電路教材中，則是采用門電路加模擬的阻容元件來實現的，實質上是把門電路當集成放大器來應用。而這種應用是和“數字”的概念相背離的，不利于學生對“數字邏輯”的學習。這部分內容的另一個重點是對“555”時基電路的介紹。其實這個555時基電路是上個世紀70年代的產物，距今已有40多年的歷史，在集成芯片技術飛速發展的今天，它已經完全沒有了用武之地。對于學生來說，那么多新知識新技術要學，再花時間精力學習“555”時基電路，那就是舍本逐末了。

2 新技術與新方法的應用

2.1 新技術的優勢

當前的電子新技術主要包括EDA技術、實時軟件仿真技術、先進自動化繪圖與制板技術等。EDA即電子設計自動化技術，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計的計算機技術。EDA技術已成為電子系統設計的重要手段，它采用“自頂向下”的設計方法，利用功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，以硬件描述語言（HDL）為主要設計手段，以大規模可編程器件（CPLD或FPGA）為載體，完成電子系統的功能設計。這種硬件電路的軟件化設計，已經完全改變了數字設計的整個面貌。

2.2 融入EDA等新技術的教學內容安排

傳統的數字電路內容主要包括邏輯代數、門電路、組合邏輯設計、觸發器、時序邏輯設計、存儲器與可編程器件等，實踐過程中，我們削減了一些陳舊過時的內容，增加了VHDL硬件描述語言、QuartusII電子開發平臺、FPGA/CPLD大規模可編程器件等EDA技術內容。我們強調VHDL硬件描述語言是設計數字電路的語言工具，與邏輯代數這一分析設計數字電路的數學工具同等重要，并放在同一章節進行講解。而基于VHDL的相關電路描述與設計則結合相關的內容，穿插到各個章節中進行詳細講述。QuartusII則是將VHDL設計變成電路實現的中間平臺與工具，將這部分內容放到實驗環節中講解。FPGA/CPLD大規模可編程器件是實現VHDL設計的載體，與存儲器放在同一章中講解。

我們立足于數字邏輯設計的基本原理，將EDA技術融入到數字電路課程中，將這些原理與現代的工具與實踐技術相結合，提高了畢業學生的電子設計技術水準，也極大地豐富了數字電路課程的教學內容。

2.3 新技術與傳統教學方法的融合

在數字電路課程的教學中，我們除了在教學內容上增加EDA等電子新技術內容外，在教學方法上，我們更注重新技術、新方法的與傳統知識的融合與因果鏈接。以加法器的學習為例，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、邏輯表達式、波形圖、卡諾圖等傳統的描述方式以及現代先進的VHDL描述等）和實現方式（包括傳統的集成門電路實現以及現代的大規模可編程器件、微處理器實現等）及各種方式的特點一一列舉并對比講解，也讓學生的發揮和補充，期間充分運用各種仿真軟件和開發工具進行仿真和實驗演示，讓學生對各模塊的描述方法、實現方式及特點深刻理解。如對加法器的一種擴展――8位乘法器，學生很容易就明白，用傳統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;在實現方式上，用傳統集成門電路實現8位乘法器雖然理論上可以實現，但是卻需用到幾百個集成門，電路復雜，成本高，速度慢，可靠性低。而用大規模可編程器件實現時卻只需用一塊最簡的CPLD芯片就能實現，成本低、速度快、可靠性也高。在數字電路教學中引入EDA技術，其強大的仿真功能很容易把實踐帶入課堂、帶入教學的每一個環節，使得理論與實踐能夠緊密結合。

3 結束語

通過刪減過時內容并引入EDA等現代數字電子新技術和新方法，提前至大二開設數字電路課程，保持學生從大一開始的一貫學習熱情和積極性，保證專業課學習的效果。同時也使學生有能力提早進入大學生課外科技活動，并在數字電路的基礎理論、實踐能力和創新精神等方面都有進步，提高了學生現代數字電子技術應用水平和工程實踐能力。通過對課程的改革，也完善和發展了數字電路課程的建設，使之適應現代電子技術高速發展的要求和社會的實際需要。

基金項目：新世紀廣西高等教育教改工程項目“新技術條件下數字電子技術課程綜合教學改革研究”（編號：2010JGB 061）

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關鍵詞：計算機硬件；集成電路設計；教學改革

信息系統工程教育論壇我院計算機科學與技術本科專業始建于1987年，歷經20年的發展，為油田及相關企事業單位培養了大量的計算機應用人才。“具有良好的科學素養，系統地、較好地掌握計算機科學與技術包括計算機硬件、軟件與應用的基本理論、基本知識和基本技能與方法，能在科研部門、教育單位、企業、事業、技術和行政管理部門等單位從事計算機教學、科學研究和應用”是本專業的培養目標。基于這個培養目標，結合目前計算機硬件技術最新發展現狀及趨勢，提出本硬件系列課改方案。

一、硬件系列課改的目的及意義

當前，計算機在信息社會中充當了重要角色，也是發展最為迅速的一門學科。隨著這門學科的不斷發展，目前，計算機核心技術愈來愈集中在集成電路芯片設計和軟件設計這兩項技術中，其中CPU和OS設計技術是最核心的兩項技術，特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。在硬件系列課程里，培養學生CPU及相關硬件的設計能力，培養學生自主創新并能夠設計出擁有自主知識產權的計算機部件的能力，是當前計算機硬件課程重要的改革方向，也是目前社會迫切需要的計算機硬件人才[1]。因此，適應當前計算機硬件技術的發展及社會對計算機硬件人才的需求，及時調整硬件系列課程的培養方向，既有利于學生及時掌握最新的計算機硬件技術，又有利于學生及時把所學知識轉化為社會生產力，對擴大我院學生就業，樹立我院計算機科學與技術專業學生良好的社會形象意義深遠。

二、硬件系列教學的國內外發展現狀及趨勢

由于我國的制造業比較落后，一直以來，計算機硬件的核心技術未能被國內掌握。相應地，在計算機硬件教學中，像計算機組成和計算機體系結構等重要硬件課程，傳統上僅僅以講授、分析原理為主，且內容不能適應現代計算機技術的發展[2]。國外一些知名大學非常重視計算機硬件的教學，美國的許多高校本科計算機專業中都無一不是安排了CPU設計方面的課程和實驗內容。例如麻省理工學院計算機專業的一門相關課程是《計算機系統設計》，學生在實驗課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache等的設計。Stanford大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗。隨著計算機硬件技術的不斷發展，國內開展硬件設計技術的條件已逐漸成熟，這主要得益于計算機硬件發展中的兩個重要技術，一是大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA的成熟，可以在一個芯片中通過編寫硬件描述語言設計CPU和全部的相關硬件電路，減輕了硬件芯片間連接的復雜性，同時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雜的硬件電路邏輯，大大降低了以前采用手工方式設計硬件電路的復雜性。國內的一些知名大學，在最近幾年里，也相應地增加了硬件電路設計在教學中的比重，據我們了解，清華大學、電子科技大學、哈工大、哈理工等一些學校，已經修改了計算機組成原理及計算機體系結構等方面的課程教學內容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述語言設計CPU及其相關硬件電路作為重要內容加入到課程體系里，取得了良好的教學效果，大大加強了學生對計算機工作原理的理解及計算機硬件的設計能力，逐步實現了與發達國家高校計算機本科教育的接軌。

三、目前我院硬件系列教學現狀及不足

計算機科學與技術本科專業硬件系列主要課程設置始于20年前，期間雖經過部分調整，但基本教學內容依然延續20年前的知識體系。按授課先后次序排列，這些課程包括：《數字邏輯與數字電路》、《計算機組成原理》、《數字系統設計自動化》、《計算機體系結構》、《單片機原理及應用》、《嵌入式系統》、《硬件課程設計》等7門。基于當前硬件課程系列教學現狀，我們認為存在以下的不足：1.從整體上看，硬件系列教學內容過于強調基本原理和基本方法，缺少能夠驗證原理、實際實現這些原理及方法的手段，導致學生缺少動手能力，對原理和方法認識模糊，會說不會做的現象比較嚴重，創新能力較弱。2.《數字邏輯與數字電路》和《數字系統設計自動化》，這兩門課之間存在較大的聯系，在內容上存在承上啟下的關系，前者是講述數字電路的基本概念、組合及時序電路的傳統分析設計方法，后者則介紹組合及時序電路的現代分析設計方法，基于目前的教學實際情況，可以合并成一門課講述。3.《計算機組成原理》和《計算機體系結構》是計算機科學與技術本科專業非常重要的兩門課，通過這兩門課的學習，應使學生能夠設計簡單的CPU及相關的硬件電路，從而加深對基本原理、基本方法的理解，增強實際動手能力。基于現在的教學內容及教學手段還無法達到上述目的。4.《單片機原理及應用》和《嵌入式系統》兩門課存在較大的內容交叉。這兩門課都是講述特定計算機在控制及嵌入式產品中的應用，《單片機原理及應用》這門課介紹的是8位機MCS-51的原理，《嵌入式系統》這門課介紹的是32位機ARM的原理，鑒于目前嵌入式領域的發展現狀及趨勢，建議取消《單片機原理及應用》這門課，以避免課程內容重復。5.《硬件課程設計》作為硬件系列的最后一門硬件設計課，學生已掌握了較豐富的軟硬件知識，因此應該具備設計較復雜的硬件電路的能力，目前的設計內容較簡單并與《數字邏輯與數字電路》課程實驗存在一定交叉，建議選擇有一定復雜度并較實用的設計內容。從而培養學生綜合運用硬件知識及硬件設計能力。

四、硬件系列教學新課改方案

針對我院計算機科學與技術專業的實際情況，在保證總的硬件教學學時不變的前提下，對硬件系列教學提出如下建議：1.課程合并：《數字系統設計自動化》是計算機組成原理等的先修課，為保證能及時開課，同時該課和《數字邏輯與數字電路》這門課有密切的聯系，合并為一門課，仍稱為《數字邏輯與數字電路》，并適當增加學時，建議在大二上學期開課，取消《數字系統設計自動化》這門課。2.《計算機組成原理》：這門課改為《計算機組成及設計》，增加CPU及相關硬件電路設計內容，在講清楚組成原理的基礎上，以設計為重點，建議在大二下學期開課。 3.《計算機體系結構》：適當增加設計內容，原學時保持不變，建議在大三上學期開課。4.《單片機原理及應用》：本課程取消，鑒于目前嵌入式系統涉及軟硬件知識較多，難以在一門課程中全面系統學習，因此另開設一門《嵌入式軟件開發》課程，重點講述如何設計編寫嵌入式軟件程序，建議在大三下學期開課。5.《嵌入式系統》：這門課作為《嵌入式軟件開發》的先修課，重點講述嵌入式系統的基本概念及方法、ARM處理器的硬件工作原理、接口、匯編語言等，而相關操作系統及其程序設計等知識暫不涉及，建議在大三上學期開課。6.《硬件課程設計》：在設計題目中，引入嵌入式系統、FPGA及計算機組成等知識，適當增加設計的綜合性和復雜性，建議在大四上學期開課。基于新的硬件系列課程體系，能夠有效理順課程之間的先后關系，并把硬件課程均勻分散到大學四年的學習中，同時對重要的課程及相關的知識進行了加強，例如數字電路設計貫穿在整個硬件系列課程中；舍棄了過時的技術，增加了新技術的份量，例如去掉了單片機，加強了嵌入式系統。因此，我們認為：調整后的硬件系列課程是較合理的，它吸收了當前先進的硬件設計技術，保證了知識的實用性，有一定的前瞻性。

五、結束語

高等教育是為學生提供專業技能和生存本領、服務社會的最后一站，教學內容及方法直接關系到學生的未來發展。通過不斷教學改革，保持教學的先進性和實用性一直是高教課改的目標之一。通過這次課改，理順了我院硬件系列課程的教學關系，增強學生未來服務社會的競爭力，因此很有實際意義。

作者:李軍 崔旭 李建平 單位:1.東北石油大學 2.大慶市薩東第二小學

參考文獻