數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

馬學(xué)條, 程知群, 陳 龍

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

數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制等信息技術(shù)蓬勃發(fā)展,為高校電子信息人才的培養(yǎng)帶來(lái)了強(qiáng)大的推動(dòng)力,但是也為高層次電子信息人才的培養(yǎng)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):

(1) 芯片設(shè)計(jì)與流片費(fèi)用高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出高校所能承受范圍；

(2) 在規(guī)模達(dá)數(shù)十萬(wàn)邏輯門的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,已不可能采用分立元器件搭建完成；

(3) 受地域環(huán)境、儀器設(shè)備和安全性等因素的限制,學(xué)生不能深入生產(chǎn)一線進(jìn)行實(shí)踐鍛煉。

因此,統(tǒng)籌虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室硬件資源,全面改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與教學(xué)手段,構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容。我校數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì),從學(xué)生的需求出發(fā),通過(guò)在線教學(xué)管理平臺(tái),遠(yuǎn)程調(diào)用云端服務(wù)器上的工程仿真軟件,完成數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1-2]。

1 數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

如表1所示,數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次，并且包含軟件共享、儀器共享和遠(yuǎn)程控制3大類共12個(gè)實(shí)驗(yàn)案例組成。

表1 數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例

基礎(chǔ)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)注重軟件參數(shù)的設(shè)置和電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),注重基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)、方法和技能的教學(xué)與訓(xùn)練,注重工程、分析和實(shí)踐等基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)。

設(shè)計(jì)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)介紹典型實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法,給出實(shí)驗(yàn)要求,讓學(xué)生去探索設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的方法。

綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)大量有創(chuàng)意的項(xiàng)目訓(xùn)練,激勵(lì)學(xué)生參加較為復(fù)雜的數(shù)字電子技術(shù)課題,通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力[4]。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先易后難、由淺入深,逐步提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的廣度和深度。通過(guò)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)—綜合性實(shí)驗(yàn)3階段遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力[3]。

2 任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器是提供各種頻率、波形和輸出各類電測(cè)試信號(hào)的設(shè)備。在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)和采用傳統(tǒng)的分立元件,很難完成信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),即使勉強(qiáng)完成,其精度和穩(wěn)定性也難以保證。使用DDS(direct digital synthesizer)技術(shù)和FPGA(field-programmable gate array)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),可以比較容易地設(shè)計(jì)出任意波形的信號(hào)發(fā)生器,且頻率穩(wěn)定、精度高,解決了將復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中所面臨的難題[5]。

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

(1) 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器,輸出頻率為時(shí)鐘頻率的1/256；

(2) 設(shè)計(jì)一個(gè)包含正弦波、三角波、方波等任意波形信號(hào)發(fā)生器,輸出頻率可調(diào)；

(3) 設(shè)計(jì)一個(gè)李薩如圖信號(hào)發(fā)生器,并觀察不同頻率和相位成簡(jiǎn)單整數(shù)比的李薩如圖形。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

DDS信號(hào)發(fā)生器由加法器、寄存器、正弦波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和DAC轉(zhuǎn)換器4個(gè)模塊構(gòu)成。在電路仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用多種不同的方法實(shí)現(xiàn),其原理如圖1所示。

圖1 DDS信號(hào)發(fā)生器原理圖

對(duì)于加法器,既可以調(diào)用門電路設(shè)計(jì),也可以采用宏模塊設(shè)計(jì)。寄存器模塊主要用來(lái)存放數(shù)據(jù),既可以使用宏模塊LPM_FF,也可以使用D觸發(fā)器相連而成。寄存器模塊與加法器組成一個(gè)相位累加器。波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可由LPM的ROM:1-PORT構(gòu)成[6]。

完成DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì),設(shè)置其為頂層電路,并進(jìn)行全局編譯；結(jié)合FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行波形觀察。如圖2所示,通過(guò)嵌入式邏輯分析儀文件,對(duì)DDS輸出波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和監(jiān)控。

采樣控制狀態(tài)機(jī)電路由狀態(tài)譯碼器、控制譯碼器、狀態(tài)寄存器和鎖存器構(gòu)成。狀態(tài)譯碼器根據(jù)現(xiàn)態(tài)編碼和來(lái)自ADC的轉(zhuǎn)換狀態(tài)信息決定狀態(tài)的走向；控制譯碼器負(fù)責(zé)向ADC輸出控制信號(hào)；狀態(tài)寄存器由D觸發(fā)器組成[7]。如圖3所示,基于DDS信號(hào)發(fā)生器、采樣控制模塊和鎖相環(huán)模塊進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)李薩如圖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。

結(jié)合FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),將數(shù)據(jù)下載燒錄到FPGA芯片。通過(guò)示波器,觀察分析不同頻率和相位成簡(jiǎn)單整數(shù)比的李薩如圖形,體會(huì)和理解李薩如信號(hào)的意義和應(yīng)用。

圖2 嵌入式邏輯分析儀測(cè)試波形截屏圖

圖3 李薩如圖信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為10課時(shí),分為12個(gè)操作步驟,實(shí)驗(yàn)操作流程如圖4所示。

圖4 任意波形信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)操作流程圖

實(shí)驗(yàn)采用工程仿真軟件Quartus Ⅱ,首先完成簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)；再完成包含正弦波、三角波、方波、鋸齒波等任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)；最后完成一個(gè)各種頻率和相位成簡(jiǎn)單整數(shù)比的李薩如圖形設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由淺到深,在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)內(nèi)完成復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[8]。在電路功能設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)方法具有多樣性,可用原理圖、硬件描述語(yǔ)言、宏模塊等多種方法完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)興趣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)功能拓展:擴(kuò)展設(shè)計(jì)輸出的信號(hào)波形具有調(diào)幅功能,用VGA顯示觀察輸出的各類信號(hào)波形,用液晶顯示輸出頻率的大小等。

2.4 實(shí)驗(yàn)要求

數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)教師的啟迪,要求學(xué)生自尋實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)及其創(chuàng)新的途徑[9],并按照實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),完成實(shí)驗(yàn)后在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容包含摘要、引言、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、電路原理設(shè)計(jì)及分析、時(shí)序仿真波形、電路優(yōu)化方案、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及考核要求

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程借助國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在線教學(xué)平臺(tái),只需使用具有上網(wǎng)功能的電腦,即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程共享實(shí)驗(yàn)資源,進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和在線提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在提高實(shí)驗(yàn)的靈活性的同時(shí),大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)流程如圖5所示。

圖5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)流程圖

教學(xué)方法的改革旨在調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)習(xí)慣,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分利用既有的“互聯(lián)網(wǎng)+”和教育信息技術(shù),采用線上線下、課內(nèi)課外、理論與實(shí)驗(yàn)融合的混合教學(xué)方式。線上線下相結(jié)合,突破實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制,增加師生、生生互動(dòng)[10]；理論與實(shí)驗(yàn)相融合,將有針對(duì)性地提高學(xué)生學(xué)以致用的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核注重實(shí)驗(yàn)的過(guò)程,不但注重學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量,也注重學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的積極性、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和工程創(chuàng)新能力。在過(guò)程性考核方面,基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)考核方式不同?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)課前預(yù)習(xí)、課堂操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面進(jìn)行考核；綜合性實(shí)驗(yàn)需要經(jīng)過(guò)開題審核、階段性檢查、項(xiàng)目驗(yàn)收答辯等環(huán)節(jié),根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)、團(tuán)隊(duì)配合以及學(xué)生提交的仿真結(jié)果、實(shí)物、報(bào)告及答辯的情況進(jìn)行考核。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,引導(dǎo)學(xué)生充分關(guān)注實(shí)驗(yàn)成本、制作工藝、操作行為規(guī)范、實(shí)驗(yàn)安全和環(huán)境、職業(yè)倫理等問(wèn)題。如果學(xué)生在某方面表現(xiàn)突出,可以獲得額外加分；而如有不合理、不規(guī)范的操作,則會(huì)被及時(shí)警示、誡勉談話或單獨(dú)扣分。

數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)分比例如下:

(1) 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績(jī)占30%,綜合性實(shí)驗(yàn)成績(jī)占70%；

(2) 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)=20%視頻觀看+20%預(yù)習(xí)測(cè)試+40%課堂操作+20%實(shí)驗(yàn)報(bào)告；

(3) 綜合性實(shí)驗(yàn)成績(jī)=40%驗(yàn)收+15%提問(wèn)+30%報(bào)告+10%創(chuàng)新性得分+5%實(shí)驗(yàn)行為規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已成功應(yīng)用于我校數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),并表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 借助虛擬仿真中心在線教學(xué)平臺(tái),突破了時(shí)間和空間的限制,達(dá)到“處處能學(xué),時(shí)時(shí)可學(xué)”的泛在學(xué)習(xí),切實(shí)提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[11]；

(2) 通過(guò)數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng),培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐的綜合能力；采用工程通用仿真軟件進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì),無(wú)縫對(duì)接行業(yè)需求；

(3) 發(fā)揮科研的支撐與引領(lǐng)作用,將教師和研究生的科研成果、教研課題、學(xué)生科技創(chuàng)新成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從科研項(xiàng)目和解決工程問(wèn)題出發(fā),豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,拓展了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的深度和廣度[12]。