李建霞

摘要順應實驗教學示范中心教學模式的改革，針對綜合設(shè)計型實驗，將傳統(tǒng)的設(shè)計－硬件實驗兩步教學模式，優(yōu)化為設(shè)計－軟件仿真－硬件實驗三步教學模式，這種教學方法可以改善現(xiàn)有實驗教學中的很多不足，使學生在較短時間內(nèi)直觀、透徹的掌握所學內(nèi)容。經(jīng)過三年的教學實踐，收到了很好的效果。

關(guān)鍵詞數(shù)字實驗，EDA，綜合設(shè)計型，實驗教學示范中心。

中圖分類號X52

文獻標識碼A

文章編號1005-4634(2009)03-0062-03

0引言

科學技術(shù)的快速發(fā)展，開拓了許多新的領(lǐng)域，計算機的普及以及計算機技術(shù)的不斷進步更新，極大發(fā)展了現(xiàn)代教育技術(shù)。目前，借助于計算機技術(shù)的EDA技術(shù)已經(jīng)成為21世紀教育教學改革的一個重要的突破口，在改變教學模式、教學內(nèi)容、教學手段、教學方法方面克服了傳統(tǒng)教學中存在的許多缺陷和不足，憑著自身的優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用，突顯出的教學作用也越來越大。

實驗教學示范中心是高等院校培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、獨立工作能力和工程實踐能力的重要基地。而學生能力的形成是一個循序漸進的過程，是通過有意識、有計劃的培養(yǎng)過程中逐步形成的。筆者在不斷的摸索和實踐中，逐步形成了基礎(chǔ)實驗、提高型實驗、研究創(chuàng)新型實驗等三個層次的實驗教學體系，而后兩個層次的實驗教學又以設(shè)計綜合型實驗為主，如何引導學生在綜合設(shè)計型實驗中獨立思考問題、解決問題，并從中提升自己綜合實驗能力，就顯得尤為重要。

《數(shù)字電路》課程是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。同時又是一門實踐性很強的課程。課堂教學的內(nèi)容需要學生親自動手實驗，在動手的過程中對所學知識加深理解，提高對知識的運用能力。這就決定了數(shù)字電路教學必須重視實驗教學。實驗教學不再是課堂教學的補充，而是真正提高教學質(zhì)量、提高學生素質(zhì)的至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。針對數(shù)字實驗教學的特點，將EDA技術(shù)引入到數(shù)字電路實驗教學中，將傳統(tǒng)的“設(shè)計一硬件實驗”兩步實驗教學模式優(yōu)化為“設(shè)計一軟件仿真一硬件實驗”三步實驗教學模式，使學生能夠在使用EDA軟件進行實驗電路仿真，驗證設(shè)計正確后，再采用分立的集成芯片搭建硬件電路。這種將EDA技術(shù)中的軟件仿真功能引入到實驗教學中來，采用“軟硬兼施”的方法，全面升級了數(shù)字電路課程的實驗教學，培養(yǎng)了學生的學習興趣，提高了學生的動手能力。

1數(shù)字實驗教學的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1EDA技術(shù)的發(fā)展

EDA(Electronic Design Automation)即電子設(shè)計自動化技術(shù)，誕生于20世紀六、七十年代，是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具的一門新技術(shù)。它通過有關(guān)的開發(fā)軟件，自動完成由軟件方式設(shè)計的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真等功能。直至完成對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒?。隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膯柺?，世界上一些大型EDA軟件公司已開發(fā)了一些著名的軟件，如AutoCAD、Cadence、PSPICE等。每種軟件都有其優(yōu)點和適用的場合，其中，Maxplus2是Altera公司推出的第三代PLD開發(fā)系統(tǒng)，被公認為是最易使用、人機界面最友善的PLD開發(fā)軟件，特別適合初學者使用。Maxplus2設(shè)計輸入有多種方式，目前比較常用的為原理圖輸入和文本輸入方式。在學生接觸數(shù)字電路初期，建議采用原理圖輸入方式。原理圖輸入方式直觀簡單便于理解，可以使學生很容易的和集成芯片硬件電路聯(lián)系起來。文本輸入方式就是采用硬件描述語言對所要實現(xiàn)的功能進行結(jié)構(gòu)或者行為描述，常見的硬件描述語言有VHDL語言和Verilog等。采用VerilogHDL進行電路設(shè)計與工藝性無關(guān)，這使得設(shè)計者在進行電路設(shè)計時可以不必過多考慮工藝實現(xiàn)的具體細節(jié)，設(shè)計者只需要利用計算機的強大功能，在EDA工具的支持下，通過VerilogHDL的描述，完成數(shù)字電路和系統(tǒng)的設(shè)計即可，從而提高了設(shè)計效率，降低了設(shè)計者的勞動強度。采用硬件描述語言進行設(shè)計，是未來發(fā)展的必然。

在數(shù)字實驗教學中，可以運用EDA設(shè)計中的功能仿真環(huán)節(jié)，采用原理圖輸入的方式，使學生在直觀、易懂的基礎(chǔ)上，對自行設(shè)計的電路進行軟件仿真，一步步地完善自己的設(shè)計電路，直至設(shè)計完全正確。確保設(shè)計無誤后，再進行硬件實驗，便于學生更深入的理解和掌握。學生在完成設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，還可以很方便地進行創(chuàng)新性實驗，盡自己最大的努力將自己的構(gòu)思付諸設(shè)計中，使得自己的設(shè)計新穎、完善且多樣化，從而發(fā)揮了學生的智慧，提高了學生綜合實驗的能力。

1.2實驗教學現(xiàn)狀

現(xiàn)行的實驗教學模式已經(jīng)由傳統(tǒng)的驗證型實驗發(fā)展為設(shè)計綜合型實驗主導。這樣既可以激發(fā)學生的學習興趣和主動性，又可以提高他們的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生獨立思考、綜合分析問題和解決問題的能力。

在理論學習的過程中，由于學習時間不夠充分等多方面的原因，學生對知識的掌握往往不夠精確，一知半解。這樣就造成了學生在設(shè)計實驗電路的過程中，會出現(xiàn)很多問題。鑒于這種情況，如果直接讓學生在硬件實驗平臺上進行實驗的話，會造成很多麻煩。比如：燒毀芯片，燒毀設(shè)備等，而且對于一些相對比較復雜的實驗，連線較多，若直接采用分立元件去搭建電路會出現(xiàn)很多諸如連線出錯的問題。而這些錯誤從長遠看往往會大大的增加實驗成本。在這種情況下，學生無從判斷是設(shè)計問題，還是因疏忽大意造成接線錯誤而出現(xiàn)的問題。有一大半的時間花費到了如何正確接線和排除故障的環(huán)節(jié)中，這樣的實驗不但不能激發(fā)學生的學習興趣，還會阻礙學生進一步探索。如何在較短的時間里既完成教學任務又能更好地培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識，是擺在面前的一道難題。針對此類問題，筆者采用將設(shè)計綜合型實驗的教學模式從“設(shè)計-硬件實驗”優(yōu)化為“設(shè)計-軟件仿真-硬件實驗”軟硬件結(jié)合的三步來實現(xiàn)。

利用EDA軟件將抽象的理論知識，用科學、直觀的方式展示出來，深入淺出的分析各種電路的特性，加深學生對于理論知識的理解，激發(fā)學生的學習興趣，開拓思維，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識，實現(xiàn)了事半功倍的教學效果。

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，電子器件已經(jīng)發(fā)展到了大規(guī)模的可編程邏輯器件時代。但是這些可編程邏輯器件造價高、使得初學者不易理解。分立元件造價低、直觀易懂，容易和教科書上的內(nèi)容結(jié)合起來?？梢允钩鯇W學生深入地、基礎(chǔ)性的理解理論知識的內(nèi)涵。所以，在硬件實現(xiàn)的過程中，仍建議從傳統(tǒng)的以分立元件為主的基礎(chǔ)實驗抓起，打好基本功，使學生具備初步的動手能力和實驗技能，逐步過渡到以專用集成電路為主的專業(yè)基礎(chǔ)實驗，熟悉

各種集成器件，學會用集成器件設(shè)計電路，最后達到以可編程技術(shù)為主的專業(yè)性實驗。

1.3設(shè)計實例

本文結(jié)合一個數(shù)字實驗中常用的教學實例，來介紹這種教學方法在實驗教學中的運用。要求設(shè)計一個滿足如下條件的三位數(shù)字顯示可控制計時器：①計時范圍為0～9分59秒，精確到秒；②能實現(xiàn)開機自動清零和手動清零；③用三位數(shù)碼管顯示計時時間：④可隨時啟動和停止計時，顯示當時的計時值。

1.3.1設(shè)計原理

1)采用三個十進制計數(shù)器74160，前兩個74160構(gòu)成60進制計數(shù)器，做秒計數(shù)。然后運用秒計數(shù)的進位輸出送給最后一個74160作分鐘計數(shù)。

2)采用撥碼開關(guān)SW2控制74160的置數(shù)端，計數(shù)器的預置數(shù)設(shè)計為零，在SW2輸入低電平的時候，輸出變零，實現(xiàn)手動清零功能。

3)采用撥碼開關(guān)SW1控制秒計數(shù)器的使能端，可以實現(xiàn)計時器暫停。

4)數(shù)碼管及BCD譯碼器實驗箱上自帶，所以直接將輸出的三個四位二進制數(shù)接在實驗箱的插孔上就可以了。

設(shè)計原理圖如圖1所示。

1.3.2軟件模擬仿真

本實驗中，有幾個學生容易出錯的地方：①74160的特點是異步清零，同步置數(shù)。很多初學的學生在設(shè)計時會忽略這個問題，造成秒計數(shù)和分鐘計數(shù)之間進位的錯誤。而且在實驗過程中只看到輸出狀態(tài)很亂，找出問題所在比較麻煩；②設(shè)計要求清零端設(shè)計和暫停功能的設(shè)計，使得設(shè)計起來相對比較復雜，學生難以保證設(shè)計的正確性。

所以，需要在maxplus2中，對所設(shè)計的原理圖進行功能仿真，從仿真結(jié)果，可以很簡單的看出，設(shè)計滿足需要。

仿真結(jié)果如圖2所示。(a)為清零控制功能仿真結(jié)果圖，從圖中可以看出，在清零開關(guān)SW1變低電平時，計數(shù)器清零。(b)為暫停控制功能仿真結(jié)果圖，暫停開關(guān)SW2變低電平時，輸出不變。(c)中可以很明顯的看出六十進制計數(shù)器各個狀態(tài)的正確性。從(d)中可以看出由秒向分鐘進位時，設(shè)計狀態(tài)的正確性。

1.3.3硬件實驗驗證

經(jīng)過軟件功能仿真驗證設(shè)計正確后，將設(shè)計的電路圖在實驗箱上用硬件連接起來觀察實驗現(xiàn)象。

1.4課堂教學實現(xiàn)

教學示范中心針對這種教學模式，提供兩個多媒體教室，60臺PC機，可以同時給兩個班級上課。在第一節(jié)實驗課上，筆者給學生講述Maxplus2軟件的仿真功能的簡單運用，以及硬件實驗應注意的問題。后面的實驗中，采用開放式實驗教學，在規(guī)定的時間內(nèi)，學生可以隨時到多媒體教室進行軟件仿真設(shè)計電路或到硬件實驗室進行硬件實驗驗證。在完成實驗要求的項目后，學生可以自行設(shè)計感興趣的電路，不斷拓展思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

2結(jié)束語

筆者自2005年開始，面向電類學生的數(shù)字電子實驗課程實行“設(shè)計-軟件仿真-硬件實驗”軟硬件結(jié)合的三步實驗教學模式。實踐證明：這種直觀、形象化的教學方法大大提高了教學質(zhì)量和效果，調(diào)動了學生學習的主觀能動性，幫助學生快速深刻地理解和消化課堂上所學的理論知識。有利于創(chuàng)新型、綜合設(shè)計型實驗的開展，提高了學生對電子線路的認知能力和分析問題的能力，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。對進一步培養(yǎng)學生的應用能力、綜合分析能力、創(chuàng)新設(shè)計能力及綜合素質(zhì)等有重要意義。這種教學模式有望進一步拓展到電類學科實驗教學中。