新技術(shù)條件下數字電路教學(xué)改革新策略

　　摘要：在數字電路課程的教學(xué)中，應該對傳統手工設計方法、門(mén)電路內部結構、脈沖波形產(chǎn)生和整形等傳統過(guò)時(shí)的舊技術(shù)與方法進(jìn)行適當刪減，同時(shí)融入EDA等現代電子新技術(shù)和新方法，增強數字電路課程的時(shí)代感和實(shí)用性，提高學(xué)生的創(chuàng )新意識和應用能力。

　　關(guān)鍵詞：數字電路 教學(xué)改革 電子設計 EDA技術(shù)

　　緒論

　　隨著(zhù)現代電子技術(shù)的高速發(fā)展，以大規�？删幊碳夹g(shù)、嵌入式系統等為核心的最新科技學(xué)科已經(jīng)普遍出現在了高等教育的課程設置中，這些學(xué)科技術(shù)引領(lǐng)著(zhù)未來(lái)電子技術(shù)的發(fā)展方向。電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)的重要基礎課――“數字電路”的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同時(shí)也對這一課程的教學(xué)內容提出了極大的挑戰。然而，目前國內多數高校該課程的教學(xué)內容幾乎仍停留在上個(gè)世紀八九十年代，并仍以那個(gè)年代的手工數字設計技術(shù)為核心教學(xué)內容與考核內容。這就導致了學(xué)生的設計能力較低，缺乏自主創(chuàng )新能力與意識，無(wú)法適應現代企業(yè)和社會(huì )的需要。當然也有好些教材也將VHDL等EDA內容加到課程內容中，但目前的數字電路教學(xué)體系還是呈現一種拼接的模式，整體內容缺少因果鏈接。①因此改革數字電路中過(guò)時(shí)的內容、將先進(jìn)的電子設計自動(dòng)化(EDA)技術(shù)系統地融入到數字電路課程中，是數字電子技術(shù)發(fā)展的必然選擇。

　　1、傳統舊技術(shù)與方法的取舍

　　數字電路中有一些傳統的技術(shù)與方法，在現代企業(yè)的電子設計中已經(jīng)沒(méi)有用武之地。學(xué)生花大量時(shí)間學(xué)習這些落后和被淘汰的知識和方法，是得不償失的，不僅耗費學(xué)生的精力和時(shí)間，妨礙新技術(shù)的學(xué)習，更是對國家和社會(huì )資源的浪費。對這些過(guò)時(shí)的內容，我們要對其進(jìn)行適當的刪減，使教學(xué)內容適應時(shí)代的發(fā)展需要。

　　1.1 傳統手工設計方法

　　傳統手工設計方法的內容包括以卡諾圖為工具的邏輯函數化簡(jiǎn)、小規模門(mén)電路組成的組合邏輯電路分析與設計以及由觸發(fā)器及門(mén)電路構成的時(shí)序邏輯電路的分析與設計等。這部分內容在數字電路課程中占據了主要的內容與篇幅，這在上個(gè)世紀八九十年代自動(dòng)化設計還不流行的時(shí)候是合適的，因為那時(shí)候的電氣產(chǎn)品及自動(dòng)化控制電路很多都是采用中小規模的數字集成電路完成設計的，而現在的電子產(chǎn)品及控制電路，已經(jīng)幾乎見(jiàn)不到中小規模數字集成電路的影子，取而代之的是微處理器(含嵌入式處理器)以及大規�？删幊唐骷�、DSP等，只是在接口及驅動(dòng)電路上還能偶爾見(jiàn)到中小規模數字電路。比如現代的家電產(chǎn)品洗衣機、空調、電視等都用到了微處理器控制，手機、導航儀等電子產(chǎn)品則用到了嵌入式處理器，語(yǔ)音、圖像識別等產(chǎn)品則用到了DSP(數字信號處理器)，而在機頂盒、調制解調器等產(chǎn)品中則用到了FPGA等大規�？删幊唐骷�。采用中小規模數字電路設計的電子產(chǎn)品，還沒(méi)上市就已經(jīng)是落后的。

　　1.2 邏輯門(mén)內部電路結構原理

　　門(mén)電路一章的教學(xué)應以集成門(mén)的外部特性教學(xué)為主，讓學(xué)生看到門(mén)電路的真值表就能夠應用該電路，而不管該電路的內部結構如何。傳統教學(xué)內容通常是以反相器為例，分析電路的內部結構和工作原理，進(jìn)而得到其邏輯功能，而對其外部特性及接口參數則認為是死記硬背、枯燥的東西就一筆帶過(guò)。而實(shí)際上我們應用數字電路設計實(shí)際的數字系統考慮得最多的除了器件的邏輯功能就是外部特性和接口參數，而內部電路結構怎樣、如何工作基本上無(wú)需考慮。而且內部電路的分析對于學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大、理解困難，完全沒(méi)有必要讓學(xué)生把時(shí)間和精力浪費在這種沒(méi)有實(shí)際意義的知識的學(xué)習上。因此在內容安排上，應著(zhù)重介紹各種門(mén)電路的外部特性和接口參數，讓學(xué)生學(xué)會(huì )在實(shí)踐中正確選擇和使用合適的集成電路，設計出能適應實(shí)際環(huán)境和應用的優(yōu)秀電路。

　　1.3 脈沖波形的產(chǎn)生和整形

　　“脈沖波形的產(chǎn)生和整形”這部分內容其實(shí)和“數字邏輯”沒(méi)有直接關(guān)系，實(shí)際上是屬于模擬電路的內容。只不過(guò)在模擬電路中，波形的產(chǎn)生完全是用模擬的電路來(lái)實(shí)現，而在目前多本數字電路教材中，則是采用門(mén)電路加模擬的阻容元件來(lái)實(shí)現的，實(shí)質(zhì)上是把門(mén)電路當集成放大器來(lái)應用。而這種應用是和“數字”的概念相背離的，不利于學(xué)生對“數字邏輯”的學(xué)習。這部分內容的另一個(gè)重點(diǎn)是對“555”時(shí)基電路的介紹。其實(shí)這個(gè)555時(shí)基電路是上個(gè)世紀70年代的產(chǎn)物，距今已有40多年的歷史，在集成芯片技術(shù)飛速發(fā)展的今天，它已經(jīng)完全沒(méi)有了用武之地。對于學(xué)生來(lái)說(shuō)，那么多新知識新技術(shù)要學(xué)，再花時(shí)間精力學(xué)習“555”時(shí)基電路，那就是舍本逐末了。

　　2、新技術(shù)與新方法的應用

　　2.1 新技術(shù)的優(yōu)勢

　　當前的電子新技術(shù)主要包括EDA技術(shù)、實(shí)時(shí)軟件仿真技術(shù)、先進(jìn)自動(dòng)化繪圖與制板技術(shù)等。EDA即電子設計自動(dòng)化技術(shù)，是一種基于軟硬件平臺，通過(guò)軟件的方法來(lái)高效地完成硬件設計的計算機技術(shù)。EDA技術(shù)已成為電子系統設計的重要手段，它采用“自頂向下”的設計方法，利用功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，以硬件描述語(yǔ)言(HDL)為主要設計手段，以大規�？删幊唐骷�(CPLD或FPGA)為載體，完成電子系統的功能設計。這種硬件電路的軟件化設計，已經(jīng)完全改變了數字設計的整個(gè)面貌。

　　2.2 融入EDA等新技術(shù)的教學(xué)內容安排

　　傳統的數字電路內容主要包括邏輯代數、門(mén)電路、組合邏輯設計、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯設計、存儲器與可編程器件等，實(shí)踐過(guò)程中，我們削減了一些陳舊過(guò)時(shí)的內容，增加了VHDL硬件描述語(yǔ)言、QuartusII電子開(kāi)發(fā)平臺、FPGA/CPLD大規�？删幊唐骷�等EDA技術(shù)內容。我們強調VHDL硬件描述語(yǔ)言是設計數字電路的語(yǔ)言工具，與邏輯代數這一分析設計數字電路的數學(xué)工具同等重要，并放在同一章節進(jìn)行講解。而基于VHDL的相關(guān)電路描述與設計則結合相關(guān)的內容，穿插到各個(gè)章節中進(jìn)行詳細講述。QuartusII則是將VHDL設計變成電路實(shí)現的中間平臺與工具，將這部分內容放到實(shí)驗環(huán)節中講解。FPGA/CPLD大規�？删幊唐骷�是實(shí)現VHDL設計的載體，與存儲器放在同一章中講解。

　　我們立足于數字邏輯設計的基本原理，將EDA技術(shù)融入到數字電路課程中，將這些原理與現代的工具與實(shí)踐技術(shù)相結合，提高了畢業(yè)學(xué)生的電子設計技術(shù)水準，也極大地豐富了數字電路課程的教學(xué)內容。

　　2.3 新技術(shù)與傳統教學(xué)方法的融合

　　在數字電路課程的教學(xué)中，我們除了在教學(xué)內容上增加EDA等電子新技術(shù)內容外，在教學(xué)方法上，我們更注重新技術(shù)、新方法的與傳統知識的融合與因果鏈接。以加法器的學(xué)習為例，我們把加法器劃分為難易不同的功能模塊：半加器、全加器、4位加法器、8位乘法器，然后把不同功能模塊的描述方式(包括真值表、邏輯表達式、波形圖、卡諾圖等傳統的描述方式以及現代先進(jìn)的VHDL描述等)和實(shí)現方式(包括傳統的集成門(mén)電路實(shí)現以及現代的大規�？删幊唐骷�、微處理器實(shí)現等)及各種方式的特點(diǎn)一一列舉并對比講解，也讓學(xué)生的發(fā)揮和補充，期間充分運用各種仿真軟件和開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行仿真和實(shí)驗演示，讓學(xué)生對各模塊的描述方法、實(shí)現方式及特點(diǎn)深刻理解。如對加法器的一種擴展――8位乘法器，學(xué)生很容易就明白，用傳統描述方式無(wú)法去描述，而用VHDL描述卻只用一句“y<=a*b”就能完成;在實(shí)現方式上，用傳統集成門(mén)電路實(shí)現8位乘法器雖然理論上可以實(shí)現，但是卻需用到幾百個(gè)集成門(mén)，電路復雜，成本高，速度慢，可靠性低。而用大規�？删幊唐骷�實(shí)現時(shí)卻只需用一塊最簡(jiǎn)的CPLD芯片就能實(shí)現，成本低、速度快、可靠性也高。在數字電路教學(xué)中引入EDA技術(shù)，其強大的仿真功能很容易把實(shí)踐帶入課堂、帶入教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節，使得理論與實(shí)踐能夠緊密結合。

　　3、結束語(yǔ)

　　通過(guò)刪減過(guò)時(shí)內容并引入EDA等現代數字電子新技術(shù)和新方法，提前至大二開(kāi)設數字電路課程，保持學(xué)生從大一開(kāi)始的一貫學(xué)習熱情和積極性，保證專(zhuān)業(yè)課學(xué)習的效果。同時(shí)也使學(xué)生有能力提早進(jìn)入大學(xué)生課外科技活動(dòng)，并在數字電路的基礎理論、實(shí)踐能力和創(chuàng )新精神等方面都有進(jìn)步，提高了學(xué)生現代數字電子技術(shù)應用水平和工程實(shí)踐能力。通過(guò)對課程的改革，也完善和發(fā)展了數字電路課程的建設，使之適應現代電子技術(shù)高速發(fā)展的要求和社會(huì )的實(shí)際需要。

　　注釋?zhuān)?/strong>