EDA技術與數字電子技術課程的教學改革

榮雪琴

摘 要：該文主要分析了數字電子技術與EDA技術課程進行改革的原因，提出了課程改革的方法，并且對課程改革前后的效果進行了分析。對兩門課程進行整合，能夠將理論與實踐緊密結合，激發學生學習數字系統設計的興趣和愛好，統籌安排教學內容，教學資源可以得到合理的整合和優化，充分體現了以能力、素質為目標的課程培養目標。使用QuartusII軟件豐富的邏輯功能庫、設計修改方便快捷，仿真結果直觀真實等特點，有利于培養學生動手能力與創造性思維，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：數字電子 EDA課程改革 QuartusII軟件

中圖分類號：G715 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0185-02

數字電子技術是高職院校電子信息類專業的一門專業基礎課，主要研究的是基于卡諾圖的傳統的數字系統的設計，課程的教學以理論為主。隨著電子設計自動化的出現，以可編程邏輯器件為載體、硬件描述語言為編程語言、QuartusII為設計工具的自頂向下的設計方法已成為數字系統設計方面的主流。通過多方了解大多數學校還是將數字電子技術和EDA技術兩門課程單獨開設，學生在學習EDA課程時早已忘了相關的數電知識，在上EDA課程時還要重復講解數電知識，學生覺得EDA技術的設計方法比較容易掌握，但是經常被一些理論知識困擾。為了滿足企業對學生在工程應用能力和工程素養方面的需求，應該將原先的《數字電子技術》課程和《EDA技術》課程進行了整合，統籌安排教學內容，合理整合教學資源，對于加快提高學生的專業應用能力有著重要的意義。

1 課程改革實踐

1.1 編寫《數字電子與EDA技術》教材

在編寫教材的時候以數字電子技術的基本理論和基本技能為引導，以EDA平臺和硬件描述語言為主要設計手段，以工程能力培養為宗旨。在編寫教材的時候原來《EDA技術》教材中的QuartusII軟件的使用和VHDL硬件描述語言仍然單獨設為兩章，而其余一些設計性的內容就融合到《數字電子技術》教材的各部分內容中，在理論講解完后就進行EDA技術的相關設計與仿真。比如，在介紹完集成計數器設計的一些理論內容后，就可以讓學生用QuartusII軟件以原理圖方式輸入的方法進行設計、仿真和下載。原先在數字電子技術的教學中一般是在課堂上進行講解、畫波形分析，然后學生模仿著進行設計，這種學習方法學生學完就容易忘記，而在EDA平臺中進行設計，可以利用仿真器仿真計數器的波形圖，對于計數器的每一個狀態都能清楚的顯示出來，然后可以將設計下載到開發板，能夠直觀地觀察計數器的各計數狀態，這樣的設計既節省了時間，又比較直觀，不僅培養了學生的設計能力，還能激發學生學習數字系統設計的興趣。

1.2 設計《數字電子與EDA技術》的實訓項目

設計符合新的教學體系下的實訓項目，包含一些基本的設計和綜合設計的項目，設計的基本項目有表決器、加法器、編碼器、譯碼器、計數器、寄存器等，綜合的項目有搶答器、數字鐘、電子密碼鎖、信號發生器等，綜合項目可以用于該課程的課程設計，也可以用于學生作為課后的拓展項目。在數字電子技術的實踐課程的教學過程中以QuartusII為設計的工具軟件，實踐內容進行深度改革，使學生能夠形象、直觀地理解電路的工作原理和工作過程，還可以通過修改電路或者程序來討論一些錯誤情況，找出解決問題的方法。這樣可以活躍課堂氣氛，提高學生的學習興趣，同時理論和實踐緊密的結合，可以發揮學生的積極性和創造性。因此，在設計實踐項目時內容要豐富，可操作性和擴展能力要強。

1.3 課程改革實例

以3-8譯碼器為例介紹課程的整合，如圖1將3-8譯碼器的設計項目安排在理論內容之后，這樣學生學習完3-8譯碼器的理論內容，就可以進行設計，一般我們對于譯碼器采用VHDL程序設計，對于3-8譯碼器的理論內容比較熟悉，也便于設計程序的理解，尤其在波形分析的時候就是對照真值表來檢測波形是否正確，從而判定設計的程序是否正確，然后下載到開發板中觀察現象，有些學生對于實驗的現象都不會分析，這些原因都是因為學生的理論知識掌握不好。比如原來沒有整合之前，要介紹3-8譯碼器，首先要講譯碼器的概念，什么是3-8譯碼器，以及3-8譯碼器是如何工作的，下面是3-8譯碼器的VHDL程序：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY decoder3_8 IS

PORT（a，b，c：IN STD_LOGIC；

g1，g2a，g2b：IN STD_LOGIC；

Y：OUT STD_LOGIC_VECTOR（7 DOWNTO 0））；

END decoder3_8；

ARCHITECTURE behv1 OF decoder3_8 IS

SIGNAL indata：STD_LOGIC_VECTOR（2 DOWNTO 0）；

BEGIN

indata<=c&b&a；

PROCESS（indata，g1，g2a，g2b）

BEGIN

IF （g1='1'AND g2a='0'AND g2b='0'）THEN

CASE indata IS

WHEN "000"=>Y<="11111110"；

WHEN "001"=>Y<="11111101"；

WHEN "010"=>Y<="11111011"；

WHEN "011"=>Y<="11110111"；

WHEN "100"=>Y<="11101111"；

WHEN "101"=>Y<="11011111"；endprint

WHEN "110"=>Y<="10111111"；

WHEN "111"=>Y<="01111111"；

WHEN OTHERS=>Y<="XXXXXXXX"；

END CASE；

ELSE

y<="11111111"；

END IF；

END PROCESS；

END behv1；

上面的程序主要介紹了3-8譯碼器有3個輸入，8個輸出，三個使能端，當使能信號g1g2ag2b=100時對輸入信號實現譯碼，否則輸出y=11111111，如果直接講這個程序，學生不能理解為何各種輸入情況下是這樣的輸出，所以要花費和設計過程差不多的時間介紹3-8譯碼器的理論知識，講完程序，我們進行設計，利用QuartusII可以仿真出下面的波形圖：

在理解了譯碼規律后學生能夠自行分析上面的波形圖，再進行下載后也能很好地理解實驗現象。以往沒有進行整合的時候，學生不理解為何大部分時間的使能信號要設置成100，然后再設置一點其他的情況，其實我們主要是要把每一種輸入下的譯碼情況仿真出來，還會出現譯碼情況下的輸入信號abc的設置不全，仿真出來的波形不知道是否正確，整個設計過程中只掌握了QuartusII軟件的操作，這樣的設計是毫無意義的。經過了課程的整合，學生能夠更好地用理論知識來指導實踐操作，能夠獨立分析仿真波形的正確性，從而對QuartusII設計數字系統更加感興趣，而且設計的時候不需要考慮硬件設備，可以設計一些復雜的項目。

2 課程改革效果

課程改革后經過幾輪的教學實踐，總體感覺學生的學習積極性和實踐能力提高了，效果也非常好，主要體現在以下幾個方面：一是可以使學生提前參加實踐創新項目和學科競賽。傳統的教學，由于EDA技術和單片機技術一般都安排在二年級下學期，因此只能等學生二年級后再參加一些實踐創新項目和競賽，這時學生已完成在校的學習，即使能夠通過這些實踐項目激發學生在專業上的學習興趣，學生也離開了學校的學習環境。在校學習期間只停留在一些基礎電路的學習與應用，不能形成主動學習和應用的興趣。改革后，學生在一年級后就能參加實踐項目與競賽，增加了在校期間的鍛煉機會，不斷鍛煉了學生應具備的工程應用能力。二是可以激發學生學習數字電子技術的興趣，提高教學效果。改革前，數字電子技術的一些分析都是紙上談兵，而且還要花很多時間畫電路和波形圖，都是以教師為主進行分析，學生缺乏主動性，僅有的幾個實驗也是驗證性的。改革后，增加了實踐項目，一些電路都可以讓學生自己設計和分析，提高學生的主動性，在實踐中來學習數字電子技術的一些基本知識和基本原理，便于學生理解和掌握。三是可以提高數字電子技術課程設計的水平。過去數字電子技術的課程設計都是緊隨課程之后，一般都是用一些中小規模集成電路在面包板上實現，考慮到實際數字電路的復雜和綜合性差，往往選用一些單元電路進行設計。改革后，在EDA平臺上進行課程設計，不需要考慮硬件，設計的速度快，而且采用層次化的設計，對于設計的各模塊都能單獨進行仿真和驗證，不至于一個項目設計完出現問題都無從解決。這種設計方法同時也教會了學生用軟件和硬件相結合的設計方法來設計現代的電子系統。

3 結語

要想對數字電子技術和EDA技術課程進行教學改革，關鍵在于統籌安排教學內容，合理整合教學資源。采用以學生為主、自頂向下的電子設計方法可以激發學生的學習興趣，提高學生的實踐能力，提升課程的教學效果。

參考文獻

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