數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 藝，王懷登，陳 娟

（南京大學(xué)金陵學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210089）

隨著科技的不斷進(jìn)步，社會(huì)發(fā)展日新月異，迎來了數(shù)字化時(shí)代。為了更好地培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的人才，教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。而數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)這門課程作為電子信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課，其作用不言而喻，因此如何開展該課程、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力成為一個(gè)難點(diǎn)[1]。現(xiàn)有教學(xué)的實(shí)施結(jié)合了傳統(tǒng)教學(xué)與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)[2,3]，每個(gè)實(shí)驗(yàn)要求在面包板上搭建電路的同時(shí)還需在CPLD開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，但是仍存在以下幾點(diǎn)問題：一是器件老舊，面包板老化，CPLD芯片已停產(chǎn)；二是器件繁雜，實(shí)驗(yàn)需要CPLD開發(fā)板、面包板以及各種元器件，增加管理難度；三是實(shí)驗(yàn)大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容比較單一。綜合實(shí)驗(yàn)室與學(xué)生的實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)整合了面包板與EDA的資源，保留了基本的按鍵、撥碼開關(guān)、發(fā)光二極管、數(shù)碼管等實(shí)驗(yàn)，覆蓋了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)增添了AD/DA、程控放大器等實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的積極主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過該平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該課程在教學(xué)模式與教學(xué)方法上的研究與改革[4]。

1 新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成

新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該教學(xué)平臺(tái)主要分為兩部分：一是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，基于面包板用分立元件搭建電路，直觀地向?qū)W生展現(xiàn)硬件電路；另一部分則是采用EDA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，選取FPGA為實(shí)驗(yàn)載體，用HDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)功能。EDA技術(shù)的加入彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，使得學(xué)生能夠更全面地了解數(shù)字電路。

圖1 新教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法

傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱一般由IC插座、發(fā)光LED、電平開關(guān)、數(shù)碼管等器件組成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多是基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，側(cè)重點(diǎn)在于儀器的使用、電平的認(rèn)識(shí)以及芯片的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于單一。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受限于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這樣的教學(xué)同樣也限制了學(xué)生的思維，學(xué)生無(wú)法進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在一定程度上制約了學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。因此新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用分立元件在排母上搭建電路完成傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容。在平臺(tái)固有外設(shè)的基礎(chǔ)上，連接FPGA的可用接口，可完成課外實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也增加了FPGA的靈活性。

1.2 EDA設(shè)計(jì)

該部分包含了基本的按鍵、LED燈、數(shù)碼管模塊，在此基礎(chǔ)上，增加了雙積分A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、程控放大器，且巧妙地利用了復(fù)用的概念，將D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器及程控放大器集中在了同一個(gè)模塊中。這樣的設(shè)計(jì)使得該課程更全面地契合了理論課程的知識(shí)點(diǎn)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

2 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

該部分主要介紹新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的原理設(shè)計(jì)，著重介紹FPGA設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法中增添了數(shù)碼管譯碼模塊，該模塊由74LS47譯碼器及共陽(yáng)極數(shù)碼管組成。學(xué)生只需將顯示的值接入該模塊，即可完成數(shù)碼管顯示，方便學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。顯示部分由共陽(yáng)極數(shù)碼管、三極管以及限流電阻組成，其中三極管起開關(guān)作用。在課堂講解時(shí)，學(xué)生既鞏固了數(shù)字電路知識(shí)，又回顧了模擬電路知識(shí)，一舉兩得。

2.1 雙積分型A/D設(shè)計(jì)

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖如圖2所示，該電路由雙通道4選1的選擇器74HC4052、積分器以及比較器組成。相較于教材上的電路，該模塊選用模擬開關(guān)來代替手動(dòng)開關(guān)的切換，使得整個(gè)過程更加智能化；同時(shí)充放電回路選擇不同RC電路，使得放電更加充分快速。通過FPGA控制模擬開關(guān)的選通通道，OP端與Y3相連，X0接待轉(zhuǎn)換電壓，X1接參考電壓。

圖2 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理圖

在轉(zhuǎn)換開始前，電容通過電阻R33構(gòu)成放電回路，為了讓放電時(shí)間短，該電阻選擇比較小的值。放電完成后，模擬開關(guān)接通X0通過R31進(jìn)行第一次積分。當(dāng)比較器輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，模擬開關(guān)將接通X1進(jìn)行第二次積分。通過FPGA對(duì)兩次積分時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出待轉(zhuǎn)換電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

2.2 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器與程控放大器的復(fù)用

逐次逼近型A/D的電路如圖3所示，該電路包含了D/A轉(zhuǎn)換器、比較器以及FPGA編程部分。其原理是由FPGA產(chǎn)生數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量并與待轉(zhuǎn)換值進(jìn)行比較，F(xiàn)PGA根據(jù)比較結(jié)果再修改數(shù)字量，如此循環(huán)，直至找到最接近待轉(zhuǎn)換電壓的數(shù)字量。

圖3 逐次逼近型A/D原理圖

程控放大器的電路如圖4所示，該電路通過FPGA控制D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量的輸入，從而改變信號(hào)的增益。

圖4 程控放大器原理圖

由圖可知，增益計(jì)算如下：

由DAC0830芯片手冊(cè)可知

式中，R為芯片內(nèi)部的標(biāo)稱阻值；D為輸入的數(shù)字量，其范圍為[0，255]。

由式（1）~式（3）可得

對(duì)比逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器與程控放大器電路圖可以發(fā)現(xiàn)，兩者在結(jié)構(gòu)上只差了一個(gè)運(yùn)算放大器，而DAC0830的與端口的區(qū)別僅在于端口有一個(gè)內(nèi)置反饋電阻，此電阻在復(fù)用時(shí)，能作為程控放大器電路中的。基于上述原因，在設(shè)計(jì)時(shí)將兩者復(fù)用，這樣做的目的一是節(jié)約了PCB空間；二是在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生能清楚地了解兩者的原理及差異。

3 教學(xué)平臺(tái)成果展示

將上述原理圖經(jīng)過PCB設(shè)計(jì)，最終得出數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)左側(cè)為FPGA部分，核心板采用Altera公司EP4CE6E22C8N為主芯片，拓展出多個(gè)外設(shè)供教學(xué)使用，其中包括基本LED、撥碼開關(guān)、按鍵以及上述電路；右側(cè)為傳統(tǒng)的電路搭建部分，其內(nèi)部連接與通用面包板類似，設(shè)計(jì)兩個(gè)數(shù)碼管的譯碼電路以供日常實(shí)驗(yàn)使用。

3.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)試結(jié)果

根據(jù)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理，選取參考電壓為-5 V，由比較器輸出控制FPGA的計(jì)數(shù)，最終將結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。在輸入3.2 V的直流電壓情況下，由FPGA計(jì)數(shù)顯示的結(jié)果為3.192 V，其相對(duì)誤差僅為0.25%。

用示波器同時(shí)觀測(cè)積分器反相輸入端及比較器輸出，波形如圖5所示。從圖中可明顯看到雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的兩次積分過程，同時(shí)伴隨著比較器輸出高低電平的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理。這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠充分理解兩次積分的過程以及硬件電路與FPGA之間的關(guān)聯(lián)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 雙積分A/D工作波形

3.2 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器與程控放大器的復(fù)用結(jié)果

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓選用-5 V，通過FPGA控制數(shù)字量輸出不同的電壓并與需要轉(zhuǎn)化的電壓值進(jìn)行比較，再根據(jù)比較結(jié)果來調(diào)整數(shù)字量，從而得到最終結(jié)果。在測(cè)試時(shí)，選用輸入電壓為2 V。此時(shí)FPGA從規(guī)定的數(shù)字量初值1000_0000經(jīng)過8次比較得到最終的數(shù)字量，這個(gè)過程是一直在重復(fù)的，因此用示波器觀測(cè)DAC0830的電壓輸出，可以看到當(dāng)轉(zhuǎn)換的電壓值不變時(shí)輸出波形為周期信號(hào)。

圖6 程控放大器工作波形

經(jīng)過對(duì)電路的測(cè)試，可以看到設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崿F(xiàn)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和程控放大器的復(fù)用，且測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確率高，與理論一致。通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既鞏固了學(xué)生的理論知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)又?jǐn)U寬了學(xué)生的知識(shí)面。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)教學(xué)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)的不同以及社會(huì)對(duì)人才需求的變化，教學(xué)過程需要不斷地更新完善。文中針對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問題及現(xiàn)有平臺(tái)的缺陷設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，保留了傳統(tǒng)方法的電路搭建，融合了FPGA技術(shù)，新添加的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為后續(xù)課程奠定了良好的基礎(chǔ)。從結(jié)果可以看出，新平臺(tái)能滿足設(shè)計(jì)需求，十分適合數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程。■