數字電路課程建設的新觀點

摘要：本文通過對數字電路課程研究內容與方法的發展過程的研究，提出了數字電路課程建設的新體系，論述了新的課程構建和教學改革方案的思路。對順應電子技術發展的現代數字電路設計理論的應用提出了新觀點。

中圖分類號：G64文獻標識碼：A

關鍵詞：數字電路；課程建設；EDA；新體系

文章編號：1672-5913(2007)16-0035-03

1引言

電子技術的發展使與之對應的基礎課程的教學內容也不斷地發生變化。教學應領先于應用，而不能落后于應用，這是我們教育研究的動力。數字電路的教學內容的改革，也同樣伴隨著當今的電子科學和電子工業發展而發展。課程的內容體系，研究的范圍與方法，學科的內在理論體系與應用型人才培養的大眾化教育要求等，都大大促進了課程的體系和內容的改革。但就目前的數字電路這樣一門專業基礎課課程內容的設置問題，如何構建出適合我國國情和與當今科學技術對應的數字電路課程體系，仍要不斷探索。本文通過對這門專業基礎課的發展過程的回顧，分析近年來眾多的教學改革的現狀，就合理設置數字電路課程內容進行了一些探討。

2發展與現狀

數字電路的發展是從開關邏輯電路開始的，人們在廠家控制電路中的繼電器和開關構成的電路與信號，創建了開關電路理論與脈沖技術。在20世紀60年代這一門技術由于電子元件替代了機械開關元件，使之逐漸成為電子技術的基本內容，得到研究和發展。隨著半導體元件的快速發展，電子技術把研究信號的連續性和離散性的研究理論體系和研究方法進行了分類，形成了以數字邏輯代數和離散數學為基本理論的數字電路。最早期以晶體管脈沖技術為核心的數字電路課程，研究的方法與模擬電路的晶體管電路研究方法基本相同。

隨著數字技術主要研究邏輯和算術運算、時間控制和計時等方面的應用，集成電路技術在數字邏輯電路的應用，出現了中小規模的數字邏輯電路標準器件。這時的數字電路研究的基本理論并沒有新的發展，但研究的方法則是以標準邏輯電路的選用為基礎的數字電路的分析與設計方法。

由于計算機應用于電子線路的輔助設計，超大規模的數字集成元件的分析與設計方法，成為新的數字電路的研究方向。EDA的工具軟件與PLD元件的結合，使得數字電路的研究方法發生了新的變化。那種以中規模標準邏輯電路為基本單元的，自下而上的數字電路系統的研究與分析設計方法，已不適應當前的數字系統的集成電路設計要求。利用HDL語言為基礎的自上而下的數字電路系統設計方法得到各種EDA軟件的支持，使得數字電路研究方法出現了新的飛躍。

大量的學者與教育工作者認識到，以HDL為描述語言的數字電路設計方法將成為現代數字電路研究的發展方向。與之對應的研究成果把數字電路分為二層進行教學，數字電路基礎和數字電路系統設計自動化。作為基礎課，是為了深入學習后續課程來準備基本的理論知識和基本的研究與設計方法等技術基礎。原有的自下而上的數字電路的課程中，增加了HDL語言的電路描述部分內容，保持原有的課程體系不變。隨著EDA技術在數字電路的研究、分析和設計上的應用，數字電路系統設計自動化成為第二層面的教學內容。之所以稱之為第二層面，對于數字電路而言，研究內容大致一樣，研究方法上不在同一層面之上。一個是以邏輯單元為基本研究對象，對數字電路系統設計是自下而上的，另一個是直接以系統為對象，用HDL語言描述，在EDA軟件平臺上，自上而下的逐步綜合實現的。

3新體系的設想

把EDA作為數字電路的主體分析設計工具。在教學內容上確立其中心位置。以單元電路學習形成的基本概念為基礎，以自上而下的電路系統設計方案為思路，以HDL語言為描述方法，構建的教學內容新體系。

改革原有的以邏輯代數為基礎的思路，把邏輯代數與HDL語言并行為基礎。改革由單元電路開始自下而上的知識構建思路，變為引入EDA軟件的工具學習為開始的自上而下的知識構建思路。

4新體系建立的基本思路

數字電子技術在數字集成電路集成度越來越高的情況下，開發數字系統的實用方法和用來實現這些方法的工具已經發生了變化。特別是可編程邏輯器件的大量應用，使原來中小規模的標準器件在應用系統的設計中應用減少。

盡管傳統的基本單元電路對于理解數字系統基本構成模塊的工作原理具有重要意義，但是必須認識到電子技術的新進展使系統和數字邏輯電路的工作過程出現了新的描述方法。未來的數字系統設計，對描述方法的理解可能比具體的硬件結構更加重要。

從數字電路課程的性質，專業基礎課看。如果這個基礎工業的應用范圍變了，中規模的標準邏輯器件相對應的研究方法，占實際應用的比例少到一定程度，而取而代之的現代電子技術的研究方法應該定位成課程的基礎。

從舊體系中的課程目的是針對從晶體管電路發展而來的研究方法與學習內容，在中規模電路中進行了改革與發展。引進HDL語言的描述，使研究的層面從單元電路發展為系統級的層次。

舊的數字系統是在手工設計流程，一般都是先按電子系統的具體功能要求進行功能劃分，然后對每個電路模塊畫出真值表，用卡諾圖進行手工邏輯化簡，寫出邏輯表達式，得到相應的邏輯線路圖。再進行單元器件的選擇，設計電路板，最后進行實測與調試。而復雜電路的設計、調試十分困難，無法仿真在設計中存在問題，查找和修改十分不便，只有在設計出樣機后才能進行實測，設計周期長。

新的數字系統是在EDA中使用HDL對數字系統進行抽象的行為與功能描述，到具體的內部線路結構描述，從而使設計的各個階段，各個層次在EDA軟件環境中模擬驗證，保證其正確性，周期短。由于邏輯設計仿真測試技術是EDA的突出功能，形成的現代電子設計技術的重要特征。適應了大規模的系統級電子設計的自動化程度。

對于知識構建的認識?？梢詮膶嶋H的需求，即專業人才應具備的素質和能力。在構成這樣的素質和能力的知識體系，確定應具有理論的系統性和完整性去構建課程的內容。

從大眾教育與精英教育關系上看，原有的教材所形成的課程內容，是以理論研究為目的的課程體系。不適應現在的學習群體的實際應用能力培養的需要，所以課程的內容要從研究型的專門人才，向應用型的技術人才相適應。其內容處理的方向是注重民應用為目的的“必須”與“夠用”為度。

因為新的課程內容所提出的結構體系，更加符合大眾教育的特點，和人們認識規律，將大大降低學習難度。

傳統的數字電路教學內容中的課堂與實踐的關系。是以課堂教學內容為主，實驗只是為了驗證課堂教學，而采用EDA為中心的數字電路教學內容的課堂與實踐是同步進行了。因為這種教學與實驗是一個整體的EDA軟件，課堂的演示就可以解決驗證的問題，學生在EDA軟件的環境之下，可能隨時隨地在計算機上進行實驗研究。

長期以來，人們總是按照知識結構來構建課程內容體系，要求學生通過學習掌握知識，而不考慮能力方面的要求。如果說在精英教育階段還能基本適應，那么進入大眾教育階段就必須改變為按能力要求來構建課程內容體系。

我們在構成課程內容體系時，是按照學科的理論體系出發，確定知識結構，組織知識點，形成課程的內容；還是分析社會對應用人才能力要求，然后研究作為支撐的相應知識結構，組織和形成課程的內容。以理論為主線的課程內容與以應用為主線的課程內容的關系。根據應用的特點，遵循應用本身的系統性和完整性，而不是根據理論的系統性和完整性來構建課程內容。

教材是教學的指導思想，培養目標，教學要求和教學內容的具體體現，是一項最基本的建設內容。數字電路的課程發展史集中地表現在教材的建設史上。每當電子技術與電子工業發展的關鍵時刻，課程內容體系都將進行重大的改革，并且及時總結教學改革的經驗，進行教材的更新實現教學內容的更新。

5結束語

本研究所提出的數字電路課程教學內容，是根據多年的數字電路的教學研究和實踐的經驗，參考眾多的學者相關的研究成果，并結合數字電子技術最新的發展成果而形成的內容體系。使學生既能掌握數字電路的基礎理論知識，又能了解技術發展的現狀和趨勢，并能利用現代的設計工具和方法設計數字系統。改變傳統的數字電路的內容體系，使原有的邏輯代數的單元電路自下而上的系統分析設計方法，轉變為在EDA環境下用HDL語言描述的自上而下的系統分析設計方法。雖然課程內容反映了當前電子器件的最新成果和現代電子系統設計工具與方法的內容，但這種教學內容組織面臨的主要問題是與現行的教學大綱存在的差異。這種作法是否合適還有待教學實踐的檢驗。

Some New Points on the Stucture of the Course Digital Circuits

Xu Luxiong

Electronic and Imformation Institute

The Fuqing Branch of Fujian Normal University

Fuqing Fujian 350300

Abstract: this article analysis the development of content and methods about the Digital Circuits， try to provides a new structure system of the course Digital Circuits， and introduces some new thoughts about this untraditional structure and teaching reformation. Then， it gives some new points about how to apppled to modern digital circuits design theory which comform to the electronics development trend.

Key Words: Digital Circuits， course structure， EDA， new system

參考文獻

[1] CFC2006[M]. 北京：清華大學出版社，2006

[2] 潘松，黃繼業 EDA技術與VHDL(第2版)[M]. 北京:清華大學出版社，2007

[3] 林濤 數字電子技術基礎[M]. 北京:清華大學出版社，2006

[4] 顧斌等．數字電路EDA設計[M]．西安：西安電子科技大學出版社．2004

[5] 崔 剛 陳文楷 徐萍萍 江捷. EDA技術課程教學經驗談[J]華北航天工業學院學報，2006(7).

作者簡介

徐魯雄(1958-)，男，山東西霞人，教授，研究方向：計算機軟件。