數字電路課程教學中仿真技術的層次化應用

韓芳

【摘 要】分析了數字電路課程教學存在的問題，提出了立足于仿真設計工具的層次化教學模式，從基礎層、綜合層、創新層，解決數字系統的分析、設計問題。仿真技術在課程中的合理應用，能夠優化教學手段，填補教學內容和實際應用之間的鴻溝，為學生廣泛參與設計實踐以及創新研究提供了平臺。

【關鍵詞】數字電路；教學；仿真；層次化

仿真技術使用計算機來完成使電路設計過程中的大部分繁瑣的底層工作，為電子工程師提供了理想的設計工具[1]，也為課程教學提供了資源豐富的仿真平臺。立足于仿真工具的應用，根據教學內容的深度以及學生的能力水平，構建“多層次”的立體化教學平臺，有助于數字電路課程教學和學生實踐能力發展。

1 數字電路的教學

講授法和例舉法是數字電路課程中兩種常用的教學方法，教師對基本定理、方法進行系統的解釋和詳細分析論證或以典型例題說明元器件和芯片的功能和應用。這兩種方法對于學生理解和掌握知識要點是必要的，但目前單純依賴多媒體課件的教學手段，很難使學生提起興趣。

數字電路是一門應用型課程，但是課程內容的安排上，側重于功能相對單一的、孤立的基本邏輯單元的分析和設計，而沒有建立系統的觀念，大多數學生感覺不能學以實用，在利用具體芯片設計實際電路時束手無策，影響了學習積極性。

傳統數字技術中的許多觀念、方法和思路已經跟不上日新月異的電子技術的發展步伐，有些甚至是不恰當、低效的，學生把過多的精力投入到這些落伍的知識、失當的理念，在后續課程又要重新糾正，造成效率低下。

在當前 “數字系統設計”方法不斷變革的背景下，有必要將新的設計理念融入到教學中[3]，將教學內容用更生動的形式展現出來，從而調動學習興趣，增強實踐能力，提高學習效率，以更高的起點、開闊的視野去學習十分重要的后續課程。

2 仿真技術的層次化應用

2.1 基礎層

基礎層次，主要在數字電路理論課上展開，基于Multisim仿真平臺完成驗證性實驗以及一些中小規模集成電路的分析與設計。Multisim提供了豐富的、標準化的元器件庫以及種類齊全的仿真儀器儀表，可以實現門電路、編譯碼、顯示驅動、觸發器、計數器、555定時等典型數字電路的設計和仿真[2]。下面是講解TTL 與非門工作原理的課堂實例，如圖1。

1）Vi=0.296V，即輸入接低電平，那么 Q1 導通，Q2、Q4 截止，Q3、D2 導通。Vo=3.954V，輸出高電平。

2）通過按鍵C，不斷增加輸入電壓，可以發現輸出緩慢下降但仍為高電平，閥值電壓出現在Vi=1.279V時，輸出發生跳變至0.849V，輸出低電平。

3）當輸入大于閥值vth，輸出迅速下降，直到0.123V不再變化，輸出低電平。

此例中，通過仿真可以驗證反相器的輸入輸出邏輯關系，并進一步測試反相器的傳輸特性曲線。在Multisim仿真平臺上動態演示所學的芯片、電路，能夠使知識形象化，學生在課堂上觀察電路行為，加深了對教學內容的理解，進而體會應用方法，初步掌握分析設計電路的能力，為后續課程打下堅實基礎。

2.2 綜合層

在學生掌握課程基本教學內容的基礎上，進一步綜合培養。在綜合性實驗、設計性實驗、課程設計以及畢業設計等教學活動中，基于EDA開發工具QuartusII仿真設計平臺，設計和實現數字系統。

QuartusII是Altera公司在 windows環境下開發的可編程邏輯器件（PLD）綜合設計平臺，能夠提供從設計輸入到器件編程的全部功能，以硬件描述語言（HDL）為主要輸入工具，實現系統邏輯仿真和時序分析，同時下載到可編程邏輯器件上進行實際的硬件測試和驗證，從而完成數字系統的設計[3]。

以“交通燈控制系統”為例，說明教學過程。首先采用經典的設計方法，即通用的集成芯片搭建系統，這是一個集分頻器、BCD譯碼器、計數器、動態掃描電路、多路選擇器等常用中小規模集成器件的綜合性運用，學生可以熟悉集成器件在系統中的應用，掌握算法狀態機設計控制單元電路并且轉換系統狀態的方法。然后基于可編程邏輯器件分別進行結構級和寄存器級設計。結構級的設計首先將系統根據不同功能劃分出多個單元模塊，用硬件描述語言描述每一個單元模塊，組合起來構成頂層模塊，見圖2，這種設計方法風格接近實際的硬件結構，是相對抽象的行為級描述的一個合理的銜接，寄存器傳輸級HDL描述屬于行為級描述，根據操作順序描述系統，由于不涉及具體硬件結構，更加體現了現代數字系統設計的優越性[4]。

在系統的HDL描述中，只在設計的關鍵點引入有用的硬件描述語言語法構造，采用規范的語言，清晰易懂的設計流程，力圖達到舉一反三的教學效果。教學效果表明，這種綜合性設計課題，使學生能夠了解大規模集成器件，通過比較各種設計方法，體會到隨著數字系統復雜性的增加EDA軟件表現出的強大的電路綜合能力，進而探索先進的電路設計構思手段，激發學生實踐興趣。

2.3 創新層

創新層面向有創新思維的學生，依托開放性實驗課程、學科競賽的賽前訓練、學生創新基金立項、參與教師科研項目以及校級、國家級電子競賽等各類課外學術科技活動，以團隊協作的形式展開，屬于電子類課程體系的提高內容。在學習了模擬電路、單片機、C語言、傳感器技術等多門電子技術專業課程的基礎上，結合多種仿真設計工具的綜合應用，進行有特定工程背景的課題設計。

以全國大學生電子設計大賽賽題“正弦信號發生器”為例，一種方案的系統框圖如圖3所示。該設計方案，在單片機開發平臺上實現主控制部分的設計；在QuartusII平臺上實現直接數字頻率合成技術（DDS），并且在數字域設計AM、FM、ASK、PSK四類調制信號；濾波及放大電路的設計中為了達到設計目的，先在multisim平臺上通過波特儀仿真出電路在截止頻率附近的衰減情況，反復調整參數直到符合設計要求，再搭建硬件電路[5]。各種電子電路仿真設計工具的綜合使用，縮短了系統設計周期，硬件電路設計的軟件化，也便于電路的升級。

實踐表明，研究這些開拓性課題，能夠使學生學會用系統的眼光、創新的思路去解決復雜問題，這一過程獲得的項目開發經驗是在課堂上無法學習到的。

3 結論

數字電路課程不能局限于有限時間內的理論、實驗教學，一方面，要在課堂時間內擴展內容，一方面，把學習延伸到課堂外，面向不同層次的學生提供自學和創新的空間。電子設計仿真平臺在數字電路課程中的應用，將課內教學、課外自學進行有機結合，使之相互補充，形成相互銜接、靈活配置的教學體系，在堅實基礎的同時，注重實踐能力和創新意識的培養，適應了當前電子技術的飛速發展對電類課程教學提出的新要求。

【參考文獻】

[1]朱娜，張金保，王志強，等.EDA技術實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2]李娜.虛擬仿真技術在數字電路課程改革實踐中的應用研究[J].現代教育技術，2010，20（7）：147-150.

[3]趙艷華，曹丙霞，張睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]康華光.電3子技術基礎﹒數字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

張新，王立偉.基于專業需求的數字電路與邏輯設計課程教改實踐[J].西安郵電學院學報，2011，16（11）：25-27.

[5]Stephen Brown，Zvonko Vranesic.數字邏輯基礎與Verilog設計[M].夏宇聞，等，譯.北京：機械工業出版社，2007.

[責任編輯：田吉捷]