馬學條, 陳　龍

(杭州電子科技大學 國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗中心, 浙江 杭州　310018)

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基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實驗教學探索

馬學條, 陳龍

(杭州電子科技大學 國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗中心, 浙江 杭州310018)

針對數(shù)字電路實驗教學中存在的問題,以“李薩如圖信號發(fā)生器”項目設(shè)計為例,探討了基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實驗課程改革。數(shù)字電路實驗室借助國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗中心教學平臺,在數(shù)字電路實驗中引入虛擬仿真教學環(huán)節(jié),在培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力等方面取得良好的教學效果。

虛擬仿真； 數(shù)字電路； 實驗教學； 課程改革

數(shù)字電路實驗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)字電路實驗教學中,一些高校的實驗教學內(nèi)容和模式仍以手工數(shù)字設(shè)計技術(shù)為主要內(nèi)容。針對數(shù)字電路實驗教學的局限性,杭州電子科技大學在實驗教學中引入了基于虛擬仿真技術(shù)的現(xiàn)代數(shù)字電路自動設(shè)計內(nèi)容,采用軟硬件結(jié)合的方式進行實驗教學,在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、提高學生的工程創(chuàng)新能力等方面取得了良好的教學效果。

1　教學模式探索

經(jīng)過實踐和優(yōu)化,杭州電子科技大學現(xiàn)在開出的數(shù)字電路實驗課程包含驗證性實驗、設(shè)計性實驗和探索性實驗,實驗總學時數(shù)為32學時。實驗課程安排為“3+4+1”模式?！?”是指在實驗箱上完成3次硬件電路搭建實驗,側(cè)重學生動手能力的鍛煉；“4”是指通過實驗室在線教學與虛擬仿真平臺完成4次虛擬仿真實驗設(shè)計,逐步加深實驗設(shè)計的難度；“1”是指以項目設(shè)計為導(dǎo)向,完成1次大作業(yè),提高學生的工程創(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)字電路實驗課程的內(nèi)容緊跟時代步伐,對以往實驗教學中難以開展的設(shè)計性實驗和探索性實驗,借助虛擬仿真技術(shù)得以實現(xiàn),改變了單一的教學模式,激發(fā)了學生的學習興趣和創(chuàng)新欲望[2]。

2　實驗室在線教學及虛擬仿真平臺建設(shè)

為了更好地支持各學科開展虛擬仿真實驗教學工作,給師生預(yù)約實驗室資源提供方便,我校國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗中心開發(fā)了實驗室在線教學與虛擬仿真平臺，用以輔助開展實驗教學工作。實驗室在線教學與虛擬仿真平臺主要分為實驗安排、遠程實驗和教務(wù)管理3個模塊。

2.1實驗安排模塊

實驗安排模塊是平臺中最主要的功能模塊。該模塊主要依據(jù)教師的實際開課情況,在虛擬仿真實驗庫中添加實驗項目,在實驗室開放的時間選擇實驗項目、進行虛擬仿真教學。該模塊主要有以下功能[3]:

(1) 預(yù)約實驗室。教師通過該功能,查看本學期實驗室的所有預(yù)約情況,其中包括已預(yù)約的時間段、節(jié)假日預(yù)約情況、可預(yù)約時間段、實驗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或多個時間段進行預(yù)約,進行預(yù)約時需填寫預(yù)約課程名稱、學生人數(shù)等信息[4]。

(2) 實驗項目庫管理。利用該功能,教師能方便地查看各門實驗課程下的實驗項目安排情況。教師可根據(jù)實際需要向?qū)嶒烅椖繋熘刑砑有碌膶嶒烅椖?也可引用原有的實驗項目開展實驗教學。

(3) 實驗報告批改。通過實驗報告批改功能,教師可在線查看學生提交的實驗報告并進行批改,還能實現(xiàn)報告導(dǎo)出、成績發(fā)布和成績導(dǎo)出。

2.2遠程實驗?zāi)K

遠程實驗?zāi)K主要對學生用戶開放。學生通過該模塊可進行實驗選課和遠程虛擬實驗操作,其主要功能包括:

(1) 學生選課。學生通過選課功能,可以方便地查看本學期可選的實驗課程、實驗開放的時間段、可預(yù)約的實驗配額數(shù)等信息。

(2) 遠程虛擬實驗。學生用戶無需在本地計算機安裝教學軟件,而是通過遠程虛擬實驗功能進行實驗課程的網(wǎng)絡(luò)化學習。學生按照實驗項目的具體要求進行實驗操作,并將實驗結(jié)果在線提交給實驗課教師。

3　虛擬仿真實驗項目設(shè)計的實現(xiàn)

實驗項目設(shè)計是虛擬仿真教學活動的關(guān)鍵環(huán)節(jié),項目的設(shè)計需綜合考慮各知識點的聯(lián)系和層次遞進,給學生留有創(chuàng)新發(fā)揮的空間[5]。所設(shè)計的實驗項目可以源于實際項目的內(nèi)容,也可依據(jù)教學大綱設(shè)立虛擬的實驗項目。實驗項目的選取要遵循循序漸進的原則,盡可能涵蓋組合邏輯電路和時序邏輯電路的相關(guān)知識點；實驗項目的設(shè)立還應(yīng)充分考慮學生已掌握的知識和接受能力[6]。

以“李薩如圖信號發(fā)生器”實驗為例,介紹采用Quartus Ⅱ軟件進行虛擬仿真實驗的全過程。

3.1實驗任務(wù)

設(shè)計李薩如圖信號發(fā)生器,給出時序仿真波形,進行下載測試[7]。李薩如圖信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　李薩如圖信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

李薩如圖是兩個沿著互相垂直方向的正弦振動合成的軌跡,其核心結(jié)構(gòu)是DDS信號發(fā)生器。DDS信號發(fā)生器的地址端與A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)端相連,通過調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值,實現(xiàn)輸出頻率的可控,從而形成穩(wěn)定的李薩如圖。該實驗內(nèi)容涉及的知識點包括組合邏輯電路、時序邏輯電路、D/A與A/D轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)代數(shù)字電路自動設(shè)計技術(shù)等[8-9]。

3.2設(shè)計實現(xiàn)

(1) 利用32位加法器、32位寄存器和正弦波形數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成DDS信號發(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) 對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定,設(shè)置編程器,對載入FPGA的數(shù)字電路進行硬件測試。

根據(jù)實驗要求,在頂層設(shè)計中調(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)成李薩如圖信號發(fā)生器,其頂層設(shè)計電路如圖2所示。

3.3仿真和硬件調(diào)試

對設(shè)計模塊進行編譯,設(shè)置仿真時間區(qū)域為75 μs,得到時序仿真波形圖。

選擇工程文件,對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定,對編程器進行選擇操作,完成對目標器件FPGA的配置下載操作。通過滑阻改變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　李薩如圖信號發(fā)生器頂層設(shè)計電路

4　教學成效

不同于傳統(tǒng)的實驗教學,基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實驗教學在內(nèi)容安排、教學模式、成績考核等方面進行了調(diào)整和完善。表2是傳統(tǒng)實驗教學和基于虛擬仿真技術(shù)實驗教學在驗證性實驗、設(shè)計性實驗和探索性實驗內(nèi)容方面的比較[11-12]。

表2　傳統(tǒng)實驗教學和基于虛擬仿真技術(shù)實驗教學內(nèi)容比較

基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路實驗教學在設(shè)計實驗時更具多樣性,且實驗選題難度有較大幅度的提升,一年級的學生就能完成數(shù)千邏輯門規(guī)模的實驗項目設(shè)計。隨著實驗教學改革的逐步推進,數(shù)字電路實驗室實行了一人一組的小班化實驗教學,并實現(xiàn)了實驗室全開放。該實驗教學模式提高了學生的工程創(chuàng)新能力和參與各類學科競賽的積極性。經(jīng)數(shù)字電路實驗室直接培養(yǎng)的學生,在2015年全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽和2015年全國大學生電子設(shè)計競賽中獲得了國家一等獎2組和國家二等獎4組。

References)

[1] 潘松,陳龍,黃繼業(yè).實用數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

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

馬學條(1984—),男,浙江溫州,碩士,助理實驗師,主要研究方向為電路與系統(tǒng)、實驗教學.E-mail：mxt@hdu.edu.cn

G462

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1002-4956(2016)10-0127-03