計算機硬件電路設(shè)計的軟件比較教學(xué)研究

沈春山+喬焰

摘要：計算機專業(yè)的教學(xué)過程中，學(xué)生對電子技術(shù)等硬件知識原理及設(shè)計方法的掌握困難較大。而學(xué)生較好的程序設(shè)計能力能夠幫助其加深對電路原理和設(shè)計思路的理解。因此，提出了一種稱為計算機硬件電路設(shè)計的軟件比較教學(xué)方法。該方法以逐次漸近型ADC（Analog Digital Converter的縮寫）電路原理教學(xué)為例，在程序算法表達設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字電路的基本知識，引導(dǎo)學(xué)生理解電路的設(shè)計原理、掌握設(shè)計思路。從實際教學(xué)來看，效果較好。

關(guān)鍵詞：電路設(shè)計；逐次漸近；ADC；比較教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）22-0127-03

Abstract：Students have some difficulties in learning electronic technology and other hardware principle and design method while teaching computer science. And also the ability of program design could help students understand circuit theory and design ideas. Therefore， a kind of comparative teaching of computer hardware circuit design by software was presented. It guided students to understand the ADC circuit principle and design ideas through program algorithm and basic knowledge of digital circuits in teaching of successive approximation ADC circuit theory. It has been shown that the method could help students more effectively understand circuit knowledge.

Key words： circuit design； successive approximation； ADC； comparative teaching

1 引言

計算機專業(yè)的硬件知識課程通常包括電路原理、模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)等課程。從實際教學(xué)過程看，由于實驗條件、物理知識等多方面的因素，學(xué)生普遍反映電子技術(shù)的學(xué)習(xí)較為困難。甚至嚴重情況下，會影響學(xué)生對硬件電路設(shè)計的興趣，這不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[1-2]。另一方面，軟件設(shè)計由于對動手操作條件要求不高，編程鍛煉的機會多，不少同學(xué)掌握程度較好，從而培養(yǎng)了興趣。

學(xué)習(xí)通常都是利用已有知識去理解新知識的過程，如果新知識和已有知識在很大程度上具有相似性，或者通過合理的比較，建立新知識與已有知識之間某種緊密的聯(lián)系，學(xué)生在理解上就相對容易。自信心也可能會從已掌握知識遷移到新知識上。比較是根據(jù)一定的標準，把有某些聯(lián)系的兩種或兩種以上的事物加以對照，確定事物同異關(guān)系的思維過程和方法[3]。本文所談?wù)摰谋容^教學(xué)方法就是在此概念框架下定義的，在相關(guān)教學(xué)中已經(jīng)被成功采用[4-5]。

因此，本文以數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的重點知識“逐次漸近型ADC”為例，在對原理概念做簡要介紹后，引導(dǎo)學(xué)生用算法、程序語言的形式將設(shè)計的思想表達出來，再利用基本組合和時序電路將軟件形式表達的設(shè)計思想“翻譯”成初步的硬件電路。通過對軟件和硬件初始化、運行方式等的比較，對初步的ADC電路進行優(yōu)化調(diào)整，最終形成經(jīng)典的逐次漸近型ADC電路設(shè)計。

2 逐次漸近型ADC簡介

ADC是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，以方便計算機等數(shù)字系統(tǒng)進行信號處理，是計算機系統(tǒng)與外部物理世界交互的重要部件，也是數(shù)字電子技術(shù)課程中的重要知識內(nèi)容。根據(jù)構(gòu)造原理的不同，ADC的種類很多，例如并聯(lián)比較型ADC、反饋比較型ADC、雙積分型ADC、V-F變換型ADC，以及∑-ΔADC等。其中逐次漸近型ADC是一種反饋比較型ADC，它具有轉(zhuǎn)換速度較快、體型小、構(gòu)造成本低等優(yōu)點，因此是目前ADC產(chǎn)品中用得較多的一種。圖1和圖2分別是逐次漸近型ADC的原理框圖和電路原理圖[6]。

逐次漸近型ADC的基本設(shè)計思想是：它是對計數(shù)型ADC在轉(zhuǎn)換速度上的改進，對于外界模擬輸入信號，逐漸計數(shù)累加，通過DAC產(chǎn)生輸出一個與模擬信號相等的電壓信號，此時輸入給DAC的數(shù)值就是ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，計數(shù)累加不是每次加1個單位，而是采用類似“二分查找”的原理，由高位到低位逐漸取1比較，如果DAC的輸出大于外界模擬信號，相應(yīng)的位置0，否則保留置1，直至到最低位比較結(jié)束。

傳統(tǒng)的電路教學(xué)方法，會對照著原理圖給學(xué)生講解思想和電路的組成。學(xué)生領(lǐng)會上比較困難，特別是即使搞清楚原理，對電路的設(shè)計過程、來龍去脈也是不清楚的，從而產(chǎn)生對電路設(shè)計的神秘感和恐懼感，不利于進一步學(xué)習(xí)。

3 利用軟件設(shè)計的比較教學(xué)

3.1 程序和電路的運算方式比較

通常的程序設(shè)計，是一種串行的思維方式，設(shè)計者仿照CPU指令的執(zhí)行方式。學(xué)生寫出程序設(shè)計的算法，再轉(zhuǎn)換成具體的程序設(shè)計語言，供計算機編譯執(zhí)行。從實踐教學(xué)過程看，在這一點上，在入門時，較電路設(shè)計更容易為學(xué)生所接受。以下內(nèi)容介紹逐次漸近型ADC電路設(shè)計的軟件比較教學(xué)過程。通過這一過程，讓學(xué)生自己很自然地“設(shè)計”出逐次漸近型ADC。

3.2 逐次漸近型ADC的軟件算法表達

用算法和程序表達計算機系統(tǒng)的處理過程，將有助于加深理解，也更便于未來的工程實現(xiàn)。逐次漸近型ADC可理解為一個將浮點型（表示模擬信號）轉(zhuǎn)換成一定位數(shù)的整形數(shù)（表示數(shù)字信號）的函數(shù)模塊?？梢杂脗未a來表達這一過程，為了便于計算機程序語言實現(xiàn)，我們?nèi)∞D(zhuǎn)換結(jié)果為8位無符號整形。

算法1 BitADC8

輸入：浮點數(shù)input

輸出：8位無符號整形數(shù)iAdcResult

處理：

BEGIN

1，iAdcResult初始化為0，當(dāng)前比較位BitNum初始化為最高位，即BitNum賦值為7（表示取最大值的一半，從中間開始比較）；

2，轉(zhuǎn)換目標值iAdcResult的當(dāng)前位BitNum置為1與輸入浮點數(shù)比較；

3，如果iAdcResult大于input，置iAdcResult的當(dāng)前比較位為0；

4，當(dāng)前位BitNum減一，如果BitNum>=0，去第2步，否則輸出iAdcResult；

END

學(xué)生對上述算法的理解是不太困難的，也可以較方便地用C語言來實現(xiàn)，如下面的函數(shù)BitADC8所述。需要說明的是，在C語言中有標準的函數(shù)可以實現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換，這里是為了說明原理，故不采用現(xiàn)有的標準函數(shù)或者強制類型轉(zhuǎn)換實現(xiàn)[7]。

int BitADC8（float input）

{if （input < 0 ） return -1；

if （input > 255） return 255；

unsigned char iAdcResult=0；

int BitNum=7；

while （BitNum >= 0）

{iAdcResult = iAdcResult | （1<

if （iAdcResult > input）

iAdcResult = iAdcResult & ～（1<

BitNum--；}

return iAdcResult；}

3.3 電路設(shè)計

學(xué)生寫出BitADC8以后，基本對轉(zhuǎn)換的原理有了較為深刻的理解，下面討論如果從BitADC8函數(shù)中引導(dǎo)逐次漸近型ADC的電路設(shè)計。

逐句逐句地用數(shù)字電路中基本的組合和時序電路模塊來理解BitADC8，最后形成逐次漸近型ADC電路與函數(shù)BitADC8的語句對比聯(lián)系，如下圖3所示。圖中一共標注了5處對比模塊，可以清晰地看到，軟件算法能夠幫助我們理清電路設(shè)計的思路，從而有助于我們進行硬件電路的設(shè)計。

當(dāng)然，硬件電路和軟件模塊在表達和執(zhí)行上還是有區(qū)別的，本質(zhì)可能一一對應(yīng)。局部細節(jié)的調(diào)整需要設(shè)計者自己去琢磨、理會。例如，或門G4和G5初始化時清零作用，還有軟件串行執(zhí)行和硬件電路并行執(zhí)行的區(qū)別等。但這不影響兩者的比較理解，設(shè)計的聯(lián)系性還是比較緊密，具有重要意義。

4 結(jié)論

文章以逐次漸近型ADC電路原理教學(xué)為例，介紹了硬件電路設(shè)計的軟件比較教學(xué)方法的應(yīng)用。從實際教學(xué)效果來看，能夠起到幫助學(xué)生掌握電路設(shè)計思路的作用，也有助于將來在EDA等課程中學(xué)習(xí)VHDL等硬件描述語言，更重要的是通過學(xué)習(xí)遷移幫助提高學(xué)生電路設(shè)計的信心，

參考文獻：

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