基于EDA技術的數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學探究

中圖分類號：G434文獻標識碼：A論文編號：1674—2117（2025）12-0097—05

引言

數(shù)字電路與數(shù)字邏輯是高等院校計算機類、電子電氣類、自動化類等專業(yè)的必修課程，涉及開關代數(shù)與邏輯、組合電路分析與設計、時序電路分析與設計等內容，理論性和實踐性都非常強，對培養(yǎng)學生的工程能力、動手操作和解決實際電子電路問題的能力有很好的支撐作用，是一門重要的工程基礎類課程。2然而，筆者在實際的教學中發(fā)現(xiàn)，該課程目前的教學模式存在著理論與實踐脫節(jié)、實踐平臺功能受限等問題，影響了學生的學習效果和課程目標的達成。而EDA（Electronic DesignAutomation）技術的應用可以改變傳統(tǒng)數(shù)字電路與數(shù)字邏輯的教學模式，使得大部分實驗通過虛擬仿真軟件的方式來完成4，從而大大提升實驗效率和學習效率。

當前，數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程的教學普遍存在以下問題[一是，理論教學與實驗教學脫節(jié)嚴重，不利于知識的吸收與內化。目前，該課程的教學理論部分在教室里授課，實踐環(huán)節(jié)在實驗室里開展，二者處于兩種物理隔離的環(huán)境，但該課程理論知識抽象，僅靠PPT或板書很難詳細描述電路的工作原理和動態(tài)變化，需要適時地搭配實驗操作或展示。然而，一般情況下教室與實驗室相距甚遠，不能滿足“邊理論邊實踐”的教學需要，甚至還會因為實驗室排課沖突問題，導致一個理論知識模塊講完數(shù)周后才能排到實驗課程。這些因素都導致理論和實踐環(huán)節(jié)脫離嚴重，不利于學生知識的掌握與及時運用。

二是，固定實驗箱的教學模式實驗內容單一，功能簡單，不利于培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力。大多數(shù)實驗都是驗證性實驗，難度和綜合性均不足，且內容固定，常年不更新迭代，學生幾乎沒有選擇余地和發(fā)揮空間。這種實驗模式很難激發(fā)學生的興趣與挑戰(zhàn)欲，同時，固化的實驗內容也嚴重限制了學生的創(chuàng)造力。

三是，硬件實驗箱資金投入大，更新周期長，資源受限且易損壞。學校前期投入大量資金購置的實驗箱設備，隨著元器件的自然老化，以及多個平行班學生高頻次的使用，芯片和連線損壞嚴重，常需要返廠維修，影響正常教學的開展。此外，學生也常擔心損壞硬件設備，在實驗室畏手畏腳不敢大膽嘗試，這不利于培養(yǎng)其探索精神。

四是，在實驗箱與實驗室綁定的教學模式下，資源利用率低下，無法滿足學生課外自主學習以及開展高階開放性實驗的要求。由于實驗室房間資源有限，而實驗箱存放在固定實驗室，有時還會出現(xiàn)一個實驗室放置多種實驗設備以支撐多門課程分時段使用的情況，這些因素都使得學生只能在指定的時間段內開展實驗，而其他時間無法便捷地使用和探索，造成實驗設備資源的利用率非常低下。

基于EDA技術的虛擬仿真實驗教學模式

如上所述，基于實體硬件實驗箱的教學模式存在諸多限制與弊端，無法滿足新工科人才培養(yǎng)的需求。而將EDA技術引入課堂，對教學質量的提升具有非常重要的促進作用。

1.EDA工具的篩選

EDA在現(xiàn)代電子技術系統(tǒng)設計方面有著重要作用，它可以從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，從行為描述、寄存器傳輸和邏輯綜合三個層次，將設計內容逐步細化，最后完成整體設計。同時，EDA技術提供了種類齊全、功能強大、界面真實的虛擬儀器和虛擬電子元器件，如萬用表、示波器、頻率計、LED/LCD模塊、多種FPGA/CPLD、MCU和MSI部件等，使用方便，操作靈活，這使得它在虛擬實驗教學方面體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

EDA工具豐富多樣，每種工具都有自己的特色和優(yōu)勢，需要教師根據(jù)具體知識模塊進行甄選。本課程選用的主要EDA工具如97頁表1所示。

此外，還可以選用一些集成型虛擬實驗臺軟件，如北斗一號數(shù)字電路虛擬仿真實驗軟件、春軟數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)等。

2.數(shù)字電路與數(shù)字邏輯虛擬實驗項目設計

根據(jù)數(shù)字電路與數(shù)字邏輯的教學內容和主要知識模塊，結合篩選的EDA工具，本課程設計的虛擬實驗項目如98頁表2所示。

以“數(shù)字邏輯與布爾代數(shù)”這個知識模塊為例，若采用北斗一號實驗系統(tǒng)軟件，可以開展上頁圖1所示的實驗。圖中可以選擇對應的門電路，通過面包板虛擬連線來驗證各類邏輯門電路的功能。

以“比較器”為例，若采用Quartus II+ModelSim的EDA工具，可以首先選擇相應系列的FPGA器件，對應Verilog或VHDL編程，然后寫TestBench文件，進行測試和仿真，其主要步驟如上頁圖2、圖3及圖4、圖5所示

以“LED數(shù)碼管綜合應用”這個知識模塊為例，采用Proteus可以設計諸如數(shù)字電子鐘、交通燈控制系統(tǒng)等數(shù)字系統(tǒng)（分別如圖6和下頁圖7所示），將前面所學的知識融會貫通到一個綜合性實例中，進一步加強知識的理解與運用。

當然，教師還可以以這些項目為例，啟發(fā)學生通過觀察生活發(fā)現(xiàn)問題，自擬題目，設計各類趣味性強、具有一定綜合性和實用價值的高階創(chuàng)新型實驗項目，并且從元器件選擇、電路圖設計、軟件編程與調試，到最后的結果驗證，以任務驅動的模式逐步完成，循序漸進地培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識。

3.虛擬實驗項目的考核方式

無論是課內相對比較簡單的虛擬實驗項目，還是以課程設計呈現(xiàn)的高階創(chuàng)新性自主虛擬實驗項目，都需要制訂詳細的考核標準。對于課內單個知識模塊的虛擬項目，重在考核對對應電路模塊的原理的理解和簡單運用，重在實驗步驟操作、代碼設計、仿真結果、波形分析與結論凝練，教師可以根據(jù)需要設定各項的權重比例。

但對于課程配套的課程設計，一般都需要學生根據(jù)實際生活場景進行實驗項目構思，以小組協(xié)作的形式設計高階創(chuàng)新性自主虛擬實驗項目（有時還可以根據(jù)學生的學習程度將虛擬實驗項目轉換為實物項目，讓學生開發(fā)具體實物作品），這時更加強調實驗項目的創(chuàng)意與構思、硬件電路設計、軟件編碼與調試。這類實驗項目需要學生提交作品、進行項目答辯并撰寫完整的實驗報告，以全過程、全方位地考核學生的實際水平。

教學效果

筆者以浙江工業(yè)大學計算機專業(yè)2020級和2021級2個年級共4個教學班為試點展開教學，在授課過程中將虛擬實驗項目穿插到理論講解中，適時演示實驗結果，明顯提高了學生的興趣。課程設計部分，可以讓學生以3～4人為一組開展具有創(chuàng)意的數(shù)字系統(tǒng)設計，采用Proteus原理圖設計與功能仿真，還可以讓學有余力的學生采用AltiumDesigner進行電路原理圖設計與PCB繪制，加工電路板，焊接電子元器件，形成實物作品。這種方式使學生學習熱情高漲，成就感十足，很好地鍛煉了其動手能力和解決實際問題的能力。

結語

基于EDA技術的虛擬仿真實驗項目是彌補當前數(shù)字電路實驗箱授課模式局限性的有效手段。同時，這種模式在課程設計方面為學生提供了更加廣闊的選擇余地和發(fā)揮空間，使其有機會根據(jù)自己的興趣設計具有實際應用價值的數(shù)字系統(tǒng)，并將其轉換為看得見摸得著的實物作品，使得課程所學的理論知識能夠有效“變現(xiàn)”。

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第一作者簡介：雷艷靜（1979—），女，碩士生導師，研究方向為智能感知與控制。

項目資助：浙江省高等教育“十四五”教學改革項目（基于華為“智能基座”的產(chǎn)教聯(lián)育型創(chuàng)新實踐模式探究）；浙江工業(yè)大學校級教學改革項目（JG2023027，JG2023028，JG2023029）；浙江工業(yè)大學一流專業(yè)核心課程建設項目（專業(yè)創(chuàng)新實踐，匯編語言與微機接口）。