“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)的研究與實(shí)施

摘要：本文介紹了我院在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)中的新措施。教學(xué)效果表明，軟硬兼施的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有力地支撐了理論教學(xué)，有效地將抽象的理論知識與數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)現(xiàn)融會(huì)貫通，開拓了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；邏輯電路；實(shí)踐教學(xué)；軟件仿真

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

“數(shù)字電子技術(shù)”是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的主要目的是使學(xué)生掌握數(shù)字系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本知識與原理，熟悉各種不同規(guī)模的邏輯器件，掌握各類邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基本方法，為數(shù)字計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字系統(tǒng)的硬件分析與設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了使學(xué)生能夠真正將課本上的理論知識與實(shí)際的數(shù)字電子技術(shù)電路融會(huì)貫通，我?！皵?shù)字電子技術(shù)”課程組授課教師在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，精心組織、設(shè)計(jì)該課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)成為理論教學(xué)的有力支撐，使學(xué)生更好地將理論與實(shí)際結(jié)合，高效率地吸取本學(xué)科的前沿知識。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)字電子技術(shù)主要包括小、中和大規(guī)模數(shù)字電路的分析與設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程門陣列器件、數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。其教學(xué)側(cè)重整個(gè)電路的邏輯功能及其應(yīng)用。在以往相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，由于不具備支持大規(guī)模實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，數(shù)字系統(tǒng)仿真軟件也不成熟，因此國內(nèi)大多高校只基于“SD—2型數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備”開設(shè)了傳統(tǒng)的中、小規(guī)模電路的實(shí)驗(yàn)，均未開設(shè)體現(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)的中、大規(guī)模電路的實(shí)驗(yàn)。這導(dǎo)致本課程的理論不能全面與實(shí)驗(yàn)交融，更不能體現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的核心，顯然不利于學(xué)生接受該門課的知識，也與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展格格不入。

近年來，多功能專用硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投產(chǎn)給“數(shù)字電子技術(shù)”課程提供了全方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺，使“數(shù)字電子技術(shù)”大規(guī)模硬件實(shí)驗(yàn)的開設(shè)具備了基本條件。另外，為了讓學(xué)生掌握EDA核心技術(shù)，一種可行的方式是在PC機(jī)上利用VHDL實(shí)現(xiàn)硬件功能，仿真其工作過程，根據(jù)時(shí)間波形圖分析、改進(jìn)和完善邏輯電路。這種軟件仿真模式為學(xué)生掌握現(xiàn)代技術(shù)，適應(yīng)社會(huì)需求提供了極大的幫助。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

對邏輯變量、邏輯運(yùn)算、邏輯函數(shù)、邏輯電路的感性和理性認(rèn)知，能描述各種邏輯問題，并基于邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的層次給予實(shí)現(xiàn)，這是學(xué)生在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中必須達(dá)到的水平。為此，授課教師在給學(xué)生提供理性認(rèn)知幫助的基礎(chǔ)上，必須精心設(shè)計(jì)配套的實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生通過實(shí)踐環(huán)節(jié)透徹感性地掌握教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而掌握數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，以及性能分析、評價(jià)的手段。

“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和開放性課程設(shè)計(jì)并存、“軟硬兼施”的模式下實(shí)施的，目標(biāo)是使學(xué)生感性地認(rèn)識、理解數(shù)字邏輯的基本概念、并能靈活運(yùn)用，還能掌握先進(jìn)的數(shù)字電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)。

4實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

為了使學(xué)生全面地了解和掌握數(shù)字電子技術(shù)，在具體實(shí)踐中加深對所學(xué)理論知識的理解，針對“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，我們安排了兩類實(shí)驗(yàn)：基于硬件的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和基于軟件仿真的實(shí)驗(yàn)。

4.1硬件實(shí)驗(yàn)

硬件實(shí)驗(yàn)采用了浙江大學(xué)方圓科技有限公司開發(fā)生產(chǎn)的“SD-2型數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)平臺，用來達(dá)到驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的。本課程選擇開設(shè)如下硬件實(shí)驗(yàn)。

① 集成邏輯門的測試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誘TL集成與非門邏輯功能的測試方法；了解TTL與非門主要參數(shù)的意義及其測試方法；學(xué)習(xí)用與非門實(shí)現(xiàn)其他邏輯門的邏輯功能。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生74LS00芯片完成TTL與非門的邏輯功能，高低電壓等測試，以及實(shí)現(xiàn)與、或、非、異或等邏輯關(guān)系，達(dá)到感性理解邏輯變量、邏輯運(yùn)算的目的。

② 利用SSI設(shè)計(jì)組合邏輯電路

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆沼肧SI器件設(shè)計(jì)組合邏輯電路的基本方法；學(xué)習(xí)用給定的SSI器件設(shè)計(jì)組合邏輯電路。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生利用74LS10等小規(guī)模芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)保密電子鎖、產(chǎn)品質(zhì)檢器和一個(gè)燈控電路，達(dá)到掌握小規(guī)模組合邏輯設(shè)計(jì)的能力。

③ 利用MSI設(shè)計(jì)組合邏輯電路

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆沼肕SI器件設(shè)計(jì)組合邏輯電路的基本方法；學(xué)習(xí)用給定的MSI器件設(shè)計(jì)組合邏輯電路。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生利用74LS138、74LS151和74LS283等中規(guī)模芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字判斷電路、多功能組合邏輯電路和一個(gè)代碼轉(zhuǎn)換器，達(dá)到掌握中規(guī)模邏輯設(shè)計(jì)的能力。

4.2軟件仿真實(shí)驗(yàn)

如前所述，數(shù)字電子技術(shù)的硬件實(shí)驗(yàn)只能提供中、小規(guī)模電路的設(shè)計(jì)，而且實(shí)用數(shù)字邏輯器件的電路一般較復(fù)雜，連線繁多，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中極易出錯(cuò)，且難以及時(shí)查錯(cuò)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率不高，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路的設(shè)計(jì)，也不能為學(xué)生提供掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的條件。為此，我們在硬件實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用MAX+PLUSⅡ在PC上進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)各種規(guī)模的數(shù)字電路和簡易系統(tǒng)。這既能開拓學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，又方便可行。具體開設(shè)的實(shí)驗(yàn)分別在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的后階段和開放性課程設(shè)計(jì)階段完成，具體來說以下實(shí)驗(yàn)①②為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，③④⑤為課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。

① 移位寄存器

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆哲浖﨧AX+PLUSⅡ的安裝方法；掌握軟件的初步使用方法；掌握原理圖輸入方法；熟悉FPGA設(shè)計(jì)流程和相關(guān)步驟的主要命令；掌握移位寄存器的邏輯功能及其測試方法；學(xué)習(xí)移位寄存器的應(yīng)用。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生在PC機(jī)上用MAX+PLUSⅡ驗(yàn)證74LS194芯片的功能，并用來實(shí)現(xiàn)環(huán)行脈沖分配器、分頻器，達(dá)到熟練運(yùn)用MAX+PLUSⅡ的水平。

② 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模哼M(jìn)一步熟悉軟件的使用和原理圖輸入法FPGA設(shè)計(jì)流程；掌握層次設(shè)計(jì)方法；掌握中規(guī)模TTL集成計(jì)數(shù)器74LS161的邏輯功能及其應(yīng)用；學(xué)習(xí)使用74LS48BCD—7段譯碼／驅(qū)動(dòng)器和共陰極七段顯示器；學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)譯碼顯示電路，并了解其計(jì)數(shù)、譯碼顯示過程。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生用層次設(shè)計(jì)方法，先用74LS00、74LS161和74LS48等芯片實(shí)現(xiàn)模10的計(jì)數(shù)器，再級聯(lián)擴(kuò)展成模100的計(jì)數(shù)器，并用十進(jìn)制顯示，達(dá)到能設(shè)計(jì)中規(guī)模時(shí)序電路的能力。

③ 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜な褂肰HDL文本輸入法設(shè)計(jì)PLD芯片的流程；學(xué)習(xí)數(shù)字電子鐘的秒信號源及秒、分、時(shí)、星期計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)；學(xué)習(xí)秒、分、時(shí)、及星期譯碼，顯示電路的設(shè)計(jì)；掌握對波形圖的量化分析方法以及調(diào)試技術(shù)，提高設(shè)計(jì)能力。

在這個(gè)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，開拓創(chuàng)新，在老師的指導(dǎo)下掌握方便的VHDL文本設(shè)計(jì)方法。

④ 控制器的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆湛刂破鞯腁SM圖描述方法；熟練掌握控制器VHDL文件的建立。

在這個(gè)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，學(xué)生可以利用各種資料學(xué)習(xí)現(xiàn)成的程序代碼，并加以改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)自己確定的控制功能，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生收集資料和合理運(yùn)用資料的能力。

⑤ 十字路口交通管理器

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模哼M(jìn)一步掌握ASM圖的應(yīng)用；編寫十字路口交通管理器的VHDL文件；深入理解層次化描述的基本要領(lǐng)；進(jìn)一步掌握對時(shí)間波形圖的量化分析方法。

以上課程設(shè)計(jì)內(nèi)容只是學(xué)生在選題時(shí)的一個(gè)啟發(fā)，拋磚引玉，學(xué)生還可以自由發(fā)揮，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和自己的興趣確定很多實(shí)用有效的選題，并完成相應(yīng)的任務(wù)。

5實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施表明，“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程很受學(xué)生歡迎。以上硬軟兩部分實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)簡單的數(shù)字電子方法和現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)字電子技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，讓學(xué)生既深入理解了成熟的理論，又掌握了現(xiàn)代化數(shù)字電路的開發(fā)技術(shù)。特別是基于軟件仿真的課程設(shè)計(jì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主創(chuàng)新激情，學(xué)生將抽象的理論與實(shí)際相結(jié)合，對書本的理論知識有了更深入、更具體的認(rèn)識，并掌握了量化分析方法，最后達(dá)到從數(shù)字邏輯部件整體功能的角度來研究、評價(jià)數(shù)字系統(tǒng)的目的，這使得學(xué)生在學(xué)好“數(shù)字電子技術(shù)”專業(yè)基礎(chǔ)課后，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

#61548;本門課程的實(shí)踐教學(xué)從06級學(xué)生開始改革實(shí)施。06級學(xué)生在“數(shù)字電子技術(shù)”的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣和積極性，他們按照要求很好地完成了每一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在調(diào)查問卷中，學(xué)生們對于“數(shù)字電子技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)給予了高度認(rèn)可。

調(diào)查問卷中也體現(xiàn)出學(xué)生對軟件仿真實(shí)驗(yàn)的興趣和收獲大于硬件實(shí)驗(yàn)。經(jīng)分析，原因在于硬件實(shí)驗(yàn)平臺對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一定的局限，沒有軟件仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)敲闯浞值脑O(shè)計(jì)和創(chuàng)新空間，也不如仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)敲挫`活方便。

6結(jié)束語

我?！皵?shù)字電子技術(shù)”課程組在教學(xué)中，本著理論結(jié)合實(shí)踐的宗旨，突破傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺的局限，

開設(shè)各類規(guī)模電路的設(shè)計(jì)，軟硬兼施，提供可行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)可操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)施效果表明它很好地支撐了理論教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，開拓了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

下一步我們將著重研究和設(shè)計(jì)如何把模擬仿真正確的代碼、文檔下載到CPLD，使其更有設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，為“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)構(gòu)建更有利的實(shí)驗(yàn)平臺。

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