基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

馬學(xué)條, 陳　龍

(杭州電子科技大學(xué) 國(guó)家級(jí)電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心, 浙江 杭州　310018)

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基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

馬學(xué)條, 陳龍

(杭州電子科技大學(xué) 國(guó)家級(jí)電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心, 浙江 杭州310018)

針對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題,以“李薩如圖信號(hào)發(fā)生器”項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例,探討了基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程改革。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室借助國(guó)家級(jí)電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心教學(xué)平臺(tái),在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié),在培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力等方面取得良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真； 數(shù)字電路； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 課程改革

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程在電子信息類課程體系中占有重要的地位。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展,TTL器件的5 V工作電壓發(fā)展為0.6 V的芯核電壓,靠手工設(shè)計(jì)的基于74系列器件的“板上系統(tǒng)”發(fā)展為基于EDA技術(shù)的“片上系統(tǒng)”[1]。然而,在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,一些高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和模式仍以手工數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)為主要內(nèi)容。針對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性,杭州電子科技大學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了基于虛擬仿真技術(shù)的現(xiàn)代數(shù)字電路自動(dòng)設(shè)計(jì)內(nèi)容,采用軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力等方面取得了良好的教學(xué)效果。

1　教學(xué)模式探索

經(jīng)過(guò)實(shí)踐和優(yōu)化,杭州電子科技大學(xué)現(xiàn)在開出的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)課程安排為“3+4+1”模式。“3”是指在實(shí)驗(yàn)箱上完成3次硬件電路搭建實(shí)驗(yàn),側(cè)重學(xué)生動(dòng)手能力的鍛煉；“4”是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)室在線教學(xué)與虛擬仿真平臺(tái)完成4次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),逐步加深實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難度；“1”是指以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向,完成1次大作業(yè),提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。具體安排如表1所示。

表1　“3+4+1”模式安排

表1(續(xù))

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容緊跟時(shí)代步伐,對(duì)以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以開展的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn),借助虛擬仿真技術(shù)得以實(shí)現(xiàn),改變了單一的教學(xué)模式,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新欲望[2]。

2　實(shí)驗(yàn)室在線教學(xué)及虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)

為了更好地支持各學(xué)科開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,給師生預(yù)約實(shí)驗(yàn)室資源提供方便,我校國(guó)家級(jí)電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室在線教學(xué)與虛擬仿真平臺(tái)，用以輔助開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。實(shí)驗(yàn)室在線教學(xué)與虛擬仿真平臺(tái)主要分為實(shí)驗(yàn)安排、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和教務(wù)管理3個(gè)模塊。

2.1實(shí)驗(yàn)安排模塊

實(shí)驗(yàn)安排模塊是平臺(tái)中最主要的功能模塊。該模塊主要依據(jù)教師的實(shí)際開課情況,在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)庫(kù)中添加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在實(shí)驗(yàn)室開放的時(shí)間選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)。該模塊主要有以下功能[3]:

(1) 預(yù)約實(shí)驗(yàn)室。教師通過(guò)該功能,查看本學(xué)期實(shí)驗(yàn)室的所有預(yù)約情況,其中包括已預(yù)約的時(shí)間段、節(jié)假日預(yù)約情況、可預(yù)約時(shí)間段、實(shí)驗(yàn)室最多能容納的人數(shù)等信息。教師根據(jù)自己的開課情況選擇一個(gè)或多個(gè)時(shí)間段進(jìn)行預(yù)約,進(jìn)行預(yù)約時(shí)需填寫預(yù)約課程名稱、學(xué)生人數(shù)等信息[4]。

(2) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫(kù)管理。利用該功能,教師能方便地查看各門實(shí)驗(yàn)課程下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排情況。教師可根據(jù)實(shí)際需要向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目庫(kù)中添加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,也可引用原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(3) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改。通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改功能,教師可在線查看學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行批改,還能實(shí)現(xiàn)報(bào)告導(dǎo)出、成績(jī)發(fā)布和成績(jī)導(dǎo)出。

2.2遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要對(duì)學(xué)生用戶開放。學(xué)生通過(guò)該模塊可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選課和遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)操作,其主要功能包括:

(1) 學(xué)生選課。學(xué)生通過(guò)選課功能,可以方便地查看本學(xué)期可選的實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)開放的時(shí)間段、可預(yù)約的實(shí)驗(yàn)配額數(shù)等信息。

(2) 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生用戶無(wú)需在本地計(jì)算機(jī)安裝教學(xué)軟件,而是通過(guò)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果在線提交給實(shí)驗(yàn)課教師。

3　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是虛擬仿真教學(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需綜合考慮各知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系和層次遞進(jìn),給學(xué)生留有創(chuàng)新發(fā)揮的空間[5]。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以源于實(shí)際項(xiàng)目的內(nèi)容,也可依據(jù)教學(xué)大綱設(shè)立虛擬的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選取要遵循循序漸進(jìn)的原則,盡可能涵蓋組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)立還應(yīng)充分考慮學(xué)生已掌握的知識(shí)和接受能力[6]。

以“李薩如圖信號(hào)發(fā)生器”實(shí)驗(yàn)為例,介紹采用Quartus Ⅱ軟件進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。

3.1實(shí)驗(yàn)任務(wù)

設(shè)計(jì)李薩如圖信號(hào)發(fā)生器,給出時(shí)序仿真波形,進(jìn)行下載測(cè)試[7]。李薩如圖信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　李薩如圖信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

李薩如圖是兩個(gè)沿著互相垂直方向的正弦振動(dòng)合成的軌跡,其核心結(jié)構(gòu)是DDS信號(hào)發(fā)生器。DDS信號(hào)發(fā)生器的地址端與A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)端相連,通過(guò)調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值,實(shí)現(xiàn)輸出頻率的可控,從而形成穩(wěn)定的李薩如圖。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及的知識(shí)點(diǎn)包括組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、D/A與A/D轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)代數(shù)字電路自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)等[8-9]。

3.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

(1) 利用32位加法器、32位寄存器和正弦波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成DDS信號(hào)發(fā)生器,并將其轉(zhuǎn)化為DDS元件模塊。

(2) 根據(jù)ADC0809的接口特性和控制狀態(tài)機(jī)要求,利用狀態(tài)譯碼器、控制譯碼器、狀態(tài)寄存器構(gòu)成ADC采樣控制電路,并將其轉(zhuǎn)化為ADC采樣控制電路元件模塊[10]。

(3) 調(diào)用內(nèi)部鎖相環(huán)、DDS元件模塊和ADC采樣控制模塊,構(gòu)成李薩如圖信號(hào)發(fā)生器。

(4) 新建仿真波形文件,觀察并分析仿真結(jié)果。

(5) 對(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)進(jìn)行引腳鎖定,設(shè)置編程器,對(duì)載入FPGA的數(shù)字電路進(jìn)行硬件測(cè)試。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,在頂層設(shè)計(jì)中調(diào)用DDS元件模塊、ADC采樣控制元件模塊和內(nèi)部鎖相環(huán)構(gòu)成李薩如圖信號(hào)發(fā)生器,其頂層設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

3.3仿真和硬件調(diào)試

對(duì)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行編譯,設(shè)置仿真時(shí)間區(qū)域?yàn)?5 μs,得到時(shí)序仿真波形圖。

選擇工程文件,對(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)進(jìn)行引腳鎖定,對(duì)編程器進(jìn)行選擇操作,完成對(duì)目標(biāo)器件FPGA的配置下載操作。通過(guò)滑阻改變A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值,從示波器界面觀察各類穩(wěn)定的李薩如圖。

圖2　李薩如圖信號(hào)發(fā)生器頂層設(shè)計(jì)電路

4　教學(xué)成效

不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容安排、教學(xué)模式、成績(jī)考核等方面進(jìn)行了調(diào)整和完善。表2是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面的比較[11-12]。

表2　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容比較

基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)更具多樣性,且實(shí)驗(yàn)選題難度有較大幅度的提升,一年級(jí)的學(xué)生就能完成數(shù)千邏輯門規(guī)模的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的逐步推進(jìn),數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室實(shí)行了一人一組的小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué),并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室全開放。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提高了學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和參與各類學(xué)科競(jìng)賽的積極性。經(jīng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室直接培養(yǎng)的學(xué)生,在2015年全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽和2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得了國(guó)家一等獎(jiǎng)2組和國(guó)家二等獎(jiǎng)4組。

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Exploration on digital circuit experimental teaching based on virtual simulation technology

Ma Xuetiao, Chen Long

(National Virtual Simulation Experiment of Electronic Information Technology Center,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

The problems in the current teaching of the course of digital circuit experiment are analysized. Taking the design of the Lissajous pattern signal generator as an example, this article illustrates the course reform of digital circuit experiment based on virtual simulation technology. With the help of the teaching platform of national virtual simulation experiment of electronic information technology center, a virtual simulation experiment is introduced into the teaching links of digital circuit courses. Practices show that the reform achieves better results in training students’ innovative capability.

virtual simulation； digital circuit； experimental teaching； course reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.032

2016-04-13

浙江省2015年高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(jg2015060)；浙江省2013年高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(kg2013125)；杭州電子科技大學(xué)高教研究課題(YB201524)

馬學(xué)條(1984—),男,浙江溫州,碩士,助理實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué).E-mail：mxt@hdu.edu.cn

G462

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1002-4956(2016)10-0127-03