數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革

李兆光

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原 030051)

我校的電子信息工程專業(yè)是全國高等學(xué)校的特色專業(yè)。該專業(yè)主要培養(yǎng)掌握電子與信息技術(shù)，具有較強(qiáng)的電子設(shè)計(jì)與研制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、信息采集與傳輸?shù)饶芰Φ母呒?jí)工程技術(shù)人才。為了更好地建設(shè)高等學(xué)校特色專業(yè)，該專業(yè)制定了新的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)大綱。為了適應(yīng)電子信息工程特色專業(yè)的建設(shè)，更好地配合電子信息工程專業(yè)新的教學(xué)大綱，使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)課程的過程中，既學(xué)習(xí)到了理論基礎(chǔ)又掌握了這些理論知識(shí)如何在實(shí)際中應(yīng)用，必須進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革。

筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從增加硬件描述語言的講授、增加基于項(xiàng)目的課外作業(yè)和依托電子設(shè)計(jì)大賽推動(dòng)新技術(shù)、新器件的使用三個(gè)方面對該課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索。

1 數(shù)字電子技術(shù)課程中增加硬件描述語言的講授

硬件描述語言(HDL)作為現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)的主要方法之一，在實(shí)際應(yīng)用場合得到了廣泛的重視和應(yīng)用。但是在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)過程中，尤其在邏輯電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)往往忽略硬件描述語言的重要性［1］。因此，本次的數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革中，應(yīng)有機(jī)地融入硬件描述語言的內(nèi)容，使學(xué)生建立起現(xiàn)代數(shù)字電路的設(shè)計(jì)思想，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力為出發(fā)點(diǎn)。具體實(shí)施的辦法是:通過一些簡單、完整而典型的硬件描述語言的設(shè)計(jì)示例，使學(xué)生初步了解用硬件描述語言表達(dá)和設(shè)計(jì)電路的方法，并對由此而引出的硬件描述語言現(xiàn)象和語句規(guī)則加以有針對性的說明。力圖使學(xué)生能迅速地從整體上把握硬件描述語言程序的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，達(dá)到快速入門的目的。然后，通過典型實(shí)例講解硬件描述語言，通過由淺入深、層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。經(jīng)過討論，決定利用4個(gè)學(xué)時(shí)講解語言概述和程序結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)，采用將硬件描述語言的教學(xué)內(nèi)容的講授圍繞組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路展開。尤其需要注意的是，在介紹時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對狀態(tài)機(jī)的認(rèn)識(shí)。狀態(tài)機(jī)作為一種很重要的時(shí)序邏輯電路，一般用來描述數(shù)字系統(tǒng)的控制單元，是很多數(shù)字電路的核心部件，比如以A/D轉(zhuǎn)換器或交通燈控制電路為例來說明如何利用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制電路的設(shè)計(jì)。

2 增加基于項(xiàng)目的課外作業(yè)

數(shù)字電子技術(shù)課程既有豐富的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性，屬于具有較強(qiáng)實(shí)踐性的專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，不僅應(yīng)熟悉各種電子元器件的性能、結(jié)構(gòu)、作用和選用，培養(yǎng)典型電子線路制作與檢測能力，也應(yīng)為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。目前數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)，以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，未能有效形成師生共同參與、學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建、理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程教學(xué)模式。在這種教學(xué)模式下培養(yǎng)出來的學(xué)生，理論有余而實(shí)踐不足，很難適應(yīng)實(shí)際工作的需要，極大地妨礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)和實(shí)際工作能力［3］。為適應(yīng)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)的技術(shù)應(yīng)用型人才，有必要實(shí)施基于項(xiàng)目的課外作業(yè)的改革［3］。

具體的實(shí)施辦法是教師給出基于項(xiàng)目的課外作業(yè)題目。比如說課堂上，講授完時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)后，可以布置一些綜合性的課外作業(yè)。如設(shè)計(jì)一個(gè)順序開關(guān)控制電路，該開關(guān)控制電路在按鈕K 第一次按下時(shí)，三盞燈X、Y、Z 同時(shí)點(diǎn)亮，當(dāng)再次按下K 時(shí)，X 燈立刻熄滅;Y 燈15 s 后熄滅，在Y燈熄滅18 s 后，Z 燈熄滅［2］。該開關(guān)控制電路的原理框圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)控制電路的原理框圖

根據(jù)題意，該順序開關(guān)控制電路的狀態(tài)表如表1所示。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中，SS0 表示初始狀態(tài)，在該狀態(tài)下，所有燈不亮;當(dāng)按鈕按下K=0 時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)SS1，這時(shí)三盞燈都亮;當(dāng)按鈕抬起K=1，進(jìn)入狀態(tài)SS2;當(dāng)按鈕再次按下K=0 時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)SS3，此時(shí)X 燈滅，啟動(dòng)15 秒定時(shí)器;當(dāng)15 秒定時(shí)器時(shí)間到，進(jìn)入狀態(tài)SS4，Y 燈滅，同時(shí)啟動(dòng)18 秒定時(shí)器;當(dāng)18秒定時(shí)器時(shí)間到時(shí)，回到初始狀態(tài)SS0。

用硬件描述語言描述該順序開關(guān)的控制電路，并用QUARTUSⅡ仿真，得到該順序開關(guān)控制電路的仿真時(shí)序圖如圖2所示。圖2 中，clk1是一個(gè)周期為1s的脈沖信號(hào)，而q15和q18 分別為15 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和18 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)輸出，而td15和td18是15 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和18 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端，K、X、Y、Z的含義具體見圖1。從仿真波形圖可以看到，第一次按下按鈕后，X、Y、Z 三盞燈都為高電平;第二次按下按鈕后，燈X 立即為低電平，燈Y 在延時(shí)15s 后也為低電平，燈Z 在延時(shí)18s 后才為低電平;滿足設(shè)計(jì)要求，至此完成了順序開關(guān)裝置控制電路的設(shè)計(jì)。

表1 順序開關(guān)裝置的狀態(tài)表

圖2 順序開關(guān)裝置控制電路的時(shí)序圖

通過以上設(shè)計(jì)過程可以得出:用可編程邏輯器件(PLD)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)可以極大地豐富教學(xué)內(nèi)容，改善和提高教學(xué)手段、方法和效果。另外，學(xué)生在完成該課外作業(yè)的過程中，可在理解和把握該課程的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)和鍛煉分析問題、解決問題、組織實(shí)施等專業(yè)能力、方法能力和社會(huì)能力，掌握解決問題的方法思路，充分開發(fā)創(chuàng)造潛能［3］。

3 依托電子設(shè)計(jì)大賽推動(dòng)新技術(shù)、新器件的使用

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部和信息產(chǎn)業(yè)部主辦的大學(xué)生學(xué)科競賽之一，是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革，有助于高等學(xué)校實(shí)施素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)與基本能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神和理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件［4］。為了更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，在數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐中，應(yīng)依托大學(xué)生電子競賽，除保留必要的基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)，應(yīng)加強(qiáng)新技術(shù)、新器件的使用。

比如2011 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題(E 題)要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡易數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸性能測試;同時(shí)，設(shè)計(jì)三個(gè)低通濾波器和一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器(需產(chǎn)生最高數(shù)據(jù)率為10Mbps的偽隨機(jī)信號(hào))用來模擬傳輸信道。

根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)采用FPGA 產(chǎn)生不同頻率的M 序列偽隨機(jī)信號(hào)。而后將該信號(hào)送入二階低通濾波電路進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)通過FPGA 實(shí)現(xiàn)的加法器與信道噪聲(由FPGA 生成的偽隨機(jī)信號(hào)模擬)疊加，作為信號(hào)分析部分的最終輸入信號(hào)。經(jīng)過初步的電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，最終完成了整個(gè)題目的設(shè)計(jì)。由于FPGA是完全封裝的可靠性高的芯片，減少了組裝、焊接、調(diào)試的環(huán)節(jié)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性也只需要測量芯片，有效地節(jié)約了設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)間。對于上述的設(shè)計(jì)題目，如果采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生，必然會(huì)存在產(chǎn)生的頻率不高且設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽這項(xiàng)賽事目前在我校得到了高度的重視，通過每一屆指導(dǎo)電子設(shè)計(jì)競賽，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心全體教師也在不斷地積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷把新的技術(shù)和新的器件引入到平時(shí)的教學(xué)中，旨在提高學(xué)生電子電路設(shè)計(jì)能力。

4 結(jié)束語

筆者通過對2011 學(xué)年電子信息工程專業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)進(jìn)行了改革實(shí)踐，教學(xué)質(zhì)量得到提高，而且在全國電子設(shè)計(jì)大賽中取得了優(yōu)異的成績，僅2011 年全國電子設(shè)計(jì)大賽我校就獲得了8個(gè)國家獎(jiǎng)和20個(gè)省級(jí)獎(jiǎng)的好成績。這些都表明，通過對該課程的改革與探索，學(xué)生自身能力與素質(zhì)全面提高，更好地引導(dǎo)了學(xué)生掌握數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，增強(qiáng)了課程的教學(xué)效果，將理論教學(xué)與工程應(yīng)用緊密地聯(lián)系起來，提高了學(xué)生學(xué)以致用的能力。

［1］黃震，韓佩富，常丹華，等.硬件描述語言—數(shù)字電路教學(xué)的必要補(bǔ)充［D］.全國高等學(xué)校電子技術(shù)研究會(huì)論文集，2009，19(sup):13－14.

［2］夏路易.基于EDA的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］湛年遠(yuǎn)，周思思.基于項(xiàng)目教學(xué)的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)［J］.廣西社會(huì)科學(xué)，2009(1):79－81.

［4］王亞飛，楊曙輝，李學(xué)華，等.電子設(shè)計(jì)競賽促進(jìn)通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010(5):130－131.