導語：如何才能寫好一篇數字電路的設計方法，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞： 數字電路設計； 現代數字邏輯設計方法； 數字電路教學改革； 轉換真值表

中圖分類號： TN710?34； TP302.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0139?04

Research on the necessity of change in digital circuit design method

based on CPLD/FPGA

SHUANG Kai， CAI Hong?ming

（College of Geophysics and Information Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China）

Abstract： Application of large?scale programmable logic device has brought great flexibility to digital system design. The introduction of standard logic design language has greatly changed the design method， design process and design concepts of traditional digital system. As a technical foundation teaching link in the university， it should be adjusted accordingly. The problems of the traditional design approach and advantages of modern logic design methods are compared through the combinational logic and sequential logic design examples. By contrast， the modern logic design techniques has replaced the traditional method of digital system design and become the mainstream of the digital circuit design， which is the inevitable trend of development of electronic technology.

Keyword： digital circuit design； modern digital logic design method； digital circuit teaching reform； conversion truth table

0 引 言

20世紀90年代，國際上電子和計算機技術較為先進的國家，一直在積極探索新的電子電路設計方法，并在設計方法、工具等方面進行了徹底的變革，取得了巨大成功。在電子技術設計領域，可編程邏輯器件（如CPLD、FPGA）的應用，已得到廣泛的普及，這些器件為數字系統的設計帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過類似軟件編程的方式對其硬件結構和工作方式進行重構，從而使硬件設計像軟件設計那樣方便快捷。這就極大地改變了傳統的數字系統設計方法、設計過程和設計觀念，促進了數字邏輯電路設計技術的迅速發展。本文通過幾個設計實例的對比闡述一個道理，隨著數字電路中先進設計方法的引入，高等學校中數字電子技術的教學內容必須隨之得到改善，使之與技術進步相互適應[1?3]。

數字電路根據邏輯功能的特點，分成兩類，一類叫組合邏輯電路（簡稱組合電路），另一類是時序邏輯電路（簡稱時序電路）。組合邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出僅取決于該時刻的輸入，與電路初態無關。而時序邏輯電路任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入信號，還取決于電路原來的狀態。本文從這兩方面就傳統手工設計存在的問題進行討論。

1 組合邏輯設計中傳統設計方法與可編程邏輯

設計方法的對比

列真值表，邏輯關系式，邏輯化簡是組合邏輯設計的幾個重要步驟。但這一經典的組合邏輯設計步驟并不總是必須的。實現特定邏輯功能的邏輯電路也是多種多樣的。為了使邏輯電路的設計更簡潔，通過各種方法對邏輯表達式進行化簡是必要的。組合電路設計就是用最簡單的邏輯電路實現給定邏輯表達式。在滿足邏輯功能和技術要求基礎上，力求電路簡單、可靠。實現組合邏輯函數可采用基本門電路，也可采用中、大規模集成電路。

例1：三個人表決一件事情，結果按“少數服從多數”的原則決定這一邏輯問題[4?5]。在“三人表決”問題中，將三個人的意見分別設置為邏輯變量A、B、C，只能有同意或不同意兩種意見。將表決結果設置為邏輯函數F，結果也只有“通過”與“不通過”兩種情況。

傳統的邏輯設計需要由下面的4個步驟完成：

（1） 列真值表

對于邏輯變量A、B、C，設同意為邏輯1，不同意為邏輯0。對于邏輯函數F，設表決通過為邏輯1，不通過為邏輯0。

根據“少數服從多數”的原則，將輸入變量不同取值組合與函數值間的對應關系列成表，得到函數的真值表如表1所示。

表1 例1的真值表（共有23=8行）

[A＼&B＼&C＼&F＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&]

（2） 列邏輯函數表達式

三人表決器的邏輯表達式為：

[F=ABC+ABC+ABC+ABC] （1）

設N為上式中的邏輯項數，這時，共有邏輯項[N=C23+C33=4]項。

（3） 邏輯化簡

三人表決器的邏輯表達式可化簡為：

[F=BC+AC+AB]

（4） 畫出邏輯電路圖如圖1所示。

盡管上面的分析看上去沒有錯誤，但上例中的“三人表決器”設計給學生一個誤導，好像按照上述的設計步驟就可以進行組合邏輯設計了。可以推導，若表決人數用[p]來表示，邏輯表達式的項數為[Np=k=p2+1pCkp，]其中[Ckp]為邏輯項的組合數。以[p=7]為例，這時表1中的表項為27=128項，式（1）中的邏輯項數N變為[N7=C47+C57+C67+C77=64]。

圖1 例1的邏輯圖

顯然，隨著表決者數量的增加，邏輯項數急劇增加，真值表不易繪制，邏輯公式無法手工書寫，邏輯化簡也非常困難。

多數表決器的邏輯公式由于過多的項數不易采用公式法化簡。如果采用卡諾圖化簡法也會因輸入變量過多而導致傳統化簡方法失效。

標準邏輯設計語言的出現給大規模邏輯設計帶來了新的希望。硬件描述語言（HDL）的采用可以使設計者的精力集中于所設計的邏輯本身，不必過多的考慮如何實現這個邏輯以及需要用哪些定型的邏輯模塊。這在以往中小規模集成電路邏輯設計與大規模可編程邏輯設計方法上產生了本質的差別。Verilog是一種以文本形式來描述數字系統硬件結構和行為的語言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數字邏輯系統所完成的邏輯功能。在此，用Verilog設計一個“七人表決”邏輯，以考察采用現代邏輯設計方法較傳統設計方法的優勢。

在表決器的設計中，關鍵是對輸入變量中為1的表決結果進行計數，如果把全部的邏輯狀態列表分析，勢必存在冗余的設計資源。根據多數表決的性質，考慮采用加法邏輯來統計表決結果，之后再判決加法器輸出中1的個數即可實現該邏輯。Verilog設計如圖2所示。

圖2 七人表決的Verilog邏輯

在“七人表決”邏輯中，不再專注于每個邏輯變量狀態的變化，只抓住關鍵問題多數表決有效，并用條件操作符“？”設計出所需的Verilog行為邏輯，剩下的實現問題交由計算機綜合（synthesis）。可以看到，采用標準化的硬件描述語言，能有效地避開以往組合邏輯設計中逐一考察每個輸入邏輯狀態所帶來的邏輯狀態分析的爆炸，從而可以用較短的設計時間得到正確的邏輯輸出。眾所周知，加法器、比較器都是傳統的組合邏輯教學內容，但以往的教學中由于采用手工分析方法，很難把這些不同的邏輯設計內容綜合考慮進來。筆者認為，現代邏輯設計方法的引入將逐漸轉化人們對傳統邏輯設計中的關注點，勢必引起邏輯設計教學方法的更新。有必要加大邏輯功能綜合設計的內容，減少元器件級邏輯單元選型在教學中的比例。

2 時序邏輯設計中傳統設計方法與現代可編程

邏輯設計方法的對比

數字電路的另一類設計內容是時序邏輯設計。時序邏輯設計分為同步與異步時序邏輯設計。一般地，同步時序邏輯設計的難度要高于異步時序邏輯。因此，也在時序邏輯電路設計上占有較多的學時。如果在教學改革中僅把可編程邏輯設計作為傳統時序邏輯設計內容的補充，不但不能使學生體會到先進的計算機輔助邏輯設計所帶來的便捷，還可能使學生按照傳統的手工時序邏輯設計步驟去理解可編程時序邏輯，導致時序邏輯設計的復雜化，增加邏輯驗證的成本。因此，有必要探討傳統設計方法與現代邏輯設計方法之間的差別。下面根據一個典型的時序邏輯設計來說明。

例2：試設計一個序列編碼檢測器[6?7]，當檢測到輸入信號出現110序列時，電路輸出1，否則輸出0。

這個序列編碼檢測器如果按照傳統的時序設計步驟，將會異常繁瑣：

（1） 由給定的邏輯功能建立原始狀態圖和原始狀態表

從給定的邏輯功能可知，電路有一個輸入信號A和一個輸出信號Y，電路功能是對輸入信號A的編碼序列進行檢測，一旦檢測到信號A出現連續編碼為110的序列時，輸出為1，檢測到其他編碼序列時，輸出為0。

設電路的初始狀態為a，如圖3中箭頭所指。在此狀態下，電路輸出[Y=0，]這時可能的輸入有[A=0]和[A=1]兩種情況。當CP脈沖相應邊沿到來時，若[A=0，]則是收到0，應保持在狀態a不變；若[A=1，]則轉向狀態[b，]表示電路收到一個1。當在狀態[b]時，若輸入[A=0，]則表明連續輸入編碼為10，不是110，則應回到初始狀態[a，]重新開始檢測；若[A=1，]則進入狀態[c，]表示已連續收到兩個1。在狀態[c]時，若A=0，表明已收到序列編碼110，則輸出[Y=1，]并進入狀態d；若[A=1，]則收到的編碼為111，應保持在狀態[c]不變，看下一個編碼輸入是否為[A=0；]由于尚未收到最后的0，故輸出仍為0。在狀態[d，]若輸入[A=0，]則應回到狀態[a，]重新開始檢測；若[A=1，]電路應轉向狀態[b，]表示在收到110之后又重新收到一個1，已進入下一輪檢測；在[d]狀態下，無論[A]為何值，輸出[Y]均為0。根據上述分析，可以得出如圖3所示的原始狀態圖和表2所示的原始狀態表。

圖3 例2的原始狀態圖

表2 例2的原始狀態表

[現態

[（Sn）]＼&次態/輸出[Sn+1Y]＼&現態

[（Sn）]＼&次態/輸出[Sn+1Y]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[a]

[b]＼&[a/0]

[a/0]＼&[b/0]

[c/0]＼&[c]

[d]＼&[d1]

[a/0]＼&[c/0]

[b/0]＼&]

（2） 狀態化簡

觀察表2現態欄中[a]和[d]兩行可以看出，當[A=0]和[A=1]時，分別具有相同的次態[a、][b]及相同的輸出0，因此，[a]和[d]是等價狀態，可以合并。最后得到化簡后的狀態表，見表3。

表3 例2經化簡的狀態表

[現態

[（Sn）]＼&次態/輸出[Sn+1Y]＼&現態

[（Sn）]＼&次態/輸出[Sn+1Y]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[a]

[b]＼&[a/0]

[a/0]＼&[b/0]

[c/0]＼&[c]

＼&[a1]

＼&[c/0]

＼&]

（3） 狀態分配

化簡后的狀態有三個，可以用2位二進制代碼組合（00，01，10，11）中的任意三個代碼表示，用兩個觸發器組成電路。觀察表3，當輸入信號A=1時，有abc的變化順序，當A=0時，又存在ca的變化。綜合兩方面考慮，這里采取00011100的變化順序，會使其中的組合電路相對簡單。于是，令a=00，b=01，c=11，得到狀態分配后的狀態圖，如圖4所示。

圖4 例2狀態分配后的狀態圖

（4） 選擇觸發器類型

這里選用邏輯功能較強的JK觸發器可以得到較簡化的組合電路。

（5） 確定激勵方程組和輸出方程組

用JK觸發器設計時序電路時，電路的激勵方程需要間接導出。表4所示的JK觸發器特性表提供了在不同現態和輸入條件下所對應的次態。而在時序電路設計時，狀態表已列出現態到次態的轉換關系，希望推導出觸發器的激勵條件。所以需將特性表做適當變換，以給定的狀態轉換為條件，列出所需求的輸入信號，稱為激勵表。根據表4建立的JK觸發器激勵表如表5所示。表中的[x]表示其邏輯值與該行的狀態轉換無關。

表4 JK觸發器特性表

[[Qn]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn+1]＼&[Qn]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn+1]＼&0＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&]

表5 JK觸發器的激勵表

[[Qn]＼&[Qn+1]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn]＼&[Qn+1]＼&[J]＼&[K]＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&1＼&0＼&[x]＼&1＼&0＼&1＼&1＼&[x]＼&1＼&1＼&[x]＼&0＼&]

根據圖4和表5可以列出狀態轉換真值表及兩個觸發器所要求的激勵信號，見表6。

表6 例2的狀態轉換真值表及激勵信號

[[Qn1]＼&[Qn0]＼&[A]＼&[Qn+11]＼&[Qn+10]＼&[Y]＼& 激勵信號＼&[J1]＼&[K1]＼&[J0]＼&[K0]＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&0＼&[x]＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&0＼&[x]＼&1＼&[x]＼&0＼&1＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&[x]＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&[x]＼&[x]＼&0＼&1＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&[x]＼&1＼&[x]＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&[x]＼&0＼&[x]＼&0＼&]

據此，分別畫出兩個觸發器的輸入J、K和電路輸出Y的卡諾圖，如圖5所示。圖中，不使用的狀態均以無關項x填入。

圖5 激勵信號及輸出信號的卡諾圖

化簡后得到激勵方程組和輸出方程。

[J1=Q0AK1=AJ0=AK0=AY=Q1A]

（6） 畫出邏輯圖，并檢查自啟動能力

根據激勵方程組和輸出方程畫出邏輯圖，如圖6所示。

圖6 例2的邏輯圖

如果發現所設計的電路不能自啟動，還應修改設計，直到能自啟動為止。

由上面所列舉的設計方法可以想見，繼續增加檢測位數會使邏輯設計更加復雜。

從上例可以看到，傳統的時序邏輯設計方法盡管可以用來實現時序邏輯的設計，但設計步驟不僅復雜且需要設計者大費周折。可以預見，使用傳統的時序邏輯設計方法設計復雜時序電路的難度很大。那么，采用什么方法才能使教學與現代邏輯設計技術接軌呢？

時序電路也被稱為有限狀態機（FSM）[6，8]，因為它們的功能行為可以用有限的狀態個數來表示。在與可編程邏輯設計的對比分析中，這里采用FSM設計這個序列檢測器。

根據圖3的狀態轉換圖（采用圖4中化簡的狀態轉換圖亦可），給邏輯狀態[a，b，c，d]分別分配以Gray編碼（00，01，11，10）。之所以采用Gray編碼方法，是可以省掉序列檢測中的計數檢測。序列檢測器的FSM邏輯如圖7所示。經仿真驗證，符合設計要求。

圖7 例2的FSM實現

從上面的對比可以看出，傳統時序邏輯設計以人工邏輯分析為基礎，現有邏輯器件為基礎構件，歷經基本邏輯方程轉換及最后的狀態驗證等多個環節，設計周期長，僅適合設計小規模、時序簡單的邏輯單元[9]；現代標準邏輯設計語言的設計方法以邏輯狀態轉換本身為要點，從邏輯門與觸發器級邏輯設計上升的行為邏輯設計，更易于用來設計復雜的現代大規模時序邏輯。

3 結 論

現代邏輯設計方法的引入將逐漸轉化人們對傳統邏輯設計的關注點，大學基礎教學中邏輯電路的設計方法也應隨著這一技術的引入更新它的內容，改變傳統邏輯設計占主導地位的現狀。可以預見，大規模可編程邏輯器件的引入將會從根本上改變數字電子技術的教學模式。現代邏輯設計概念的引入，減少手工邏輯設計方法的比重、增加現代數字電路設計方法，注重基本概念的靈活運用都是數字電路教學改革的選題。廣泛開展現代邏輯設計方法的研究，勢必帶來邏輯設計方法教學的變革。對于高等學校的教師來說，做好改革的思想準備已經是刻不容緩的了。

參考文獻

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[7] 鄧水先.《數字邏輯電路》課程的教改探索[J].職業教育研究，2008（8）：68?69.

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【關鍵詞】數字電路課程；實踐平臺；工程設計；實驗

1概述

在教學過程中，具備數字系統設計實踐工程能力，涉及相關數字系統課程體系教學與實踐，在各高校的電氣、電子信息類專業中，數字電路是一門專業基礎課程，隨著數字技術應用領域的不斷擴大，在后續專業課程中，顯而易見，隨著電子產品數字化部分比重增大，它在數字系統設計中基礎性地位越來越突出。

因此，培養適合現代電氣、電子、信息技術發展的卓越人才，創新數字電路的課程幾次理論與工程實踐教學迫在眉睫。

根據我校近幾年電氣、電子課堂教學的實踐情況，數字電路課程應該以面向應用的數字電路設計為核心，在熟練掌握基本電路教學內容的基礎上引入先進的數字系統設計方法的課程教學和實踐內容。

工程實踐過程中，逐步從自底向上的設計方法逐步轉變到自頂向下的設計方法中來，以教師科研應用來拓展，以全面培養優秀數字設計卓越技術人才[1]。

2探索構建數字電路教學中的多層次的創新實踐平臺

2.1多層次的數字電路創新實驗平臺構思。

面向卓越人才培養的數字電路課程創新實踐教學，可以分層次進行在各個教學階段逐步推進，包括：面向基礎的數字設計的基本原理與工程創新實驗教學模塊、面向應用的數字電路課程設計教學和結合科研項目的創新實踐平臺[2][6]。

多層次的數字電路創新實驗平臺架構如圖1所示。

2.2數字設計的基礎原理與實驗教學。

數字電路基礎原理和實驗教學是數字系統設計的課程體系的基礎入門階段，是培養數字邏輯代數與邏輯電路的重要過程，大類可分為時序邏輯電路和組合邏輯電路，其中時序邏輯電路主要包括：鎖存器、觸發器和計數器，組合邏輯電路包括，編譯碼器、多路復用器、比較器、加（減）法器、數值比較器和算術邏輯單元等。教學的目的是訓練學生掌握組合和時序邏輯電路堅實理論基礎，使學生掌握數字電路的基本概念、基本電路、基本分析方法和基本實驗技能，不但要注重基本數字電路與系統設計理論的理解，同時讓學生在學習中逐步了解面向應用和現代科技進步數字電路新的設計理念[2][3]。

2.3面向應用的數字電路課程設計實踐教學。

隨著電子設計自動化技術（EDA）和可編程器件（CPLD）的不斷發展和應用，以EDA技術為主導的數字系統理念已經成為企業工程技術的核心。數字電路課程設計主要培養學生利用中小規模數字集成電路器件和大規模可編程器件進行數字電路設計和開發能力。在卓越工程師培養背景下，結合前階段數字電路課程理論教學和實驗教學的實際情況及EDA技術的發展狀況，適時進行數字電路課程設計和EDA技術課程的綜合銜接，以及課程深度融合[4]。主要內容包括：

2.3.1基于Multisim等相關軟件的數字系統仿真實驗。可以構建虛擬數字實驗系統，不但較好地模擬實物外觀外，還可以利用系統提供的實驗平臺開展實驗的設計、仿真，進行實驗內容的邏輯驗證。

2.3.2基于通用和專用數字芯片的數字系統設計。其主要特點是有很好的直觀性和具體性。

2.3.3基于硬件描述語言（HDL）的數學系統硬件描述。采用硬件描述語言實現數字邏輯設計，基于EDA環境仿真和驗證。可以結合上述（1）和（2）的優點，采用硬件設計軟件化技術應用于數字電路課程設計的實驗教學中，通過綜合性實驗的自行設計和實驗，對實驗內容、實驗規模、實驗方法進行了綜合創新設計[5]。

2.4結合科研項目的數字設計實驗創新平臺。

在高等院校，教師即承擔教學任務，同時有各自的科學研究方向，同學們可以根據自己的研究興趣，加入教師的科研團隊，形成教學與科研互利的良性循環。面向卓越工程師培養的數字系統設計，可以借助橫向或縱向科研項目形成綜合教學體系。比如：搭建在線可編程門陣列（FPGA）創新實驗平臺，形成數字電路、電路線路課程設計、可編程邏輯器件以及集成芯片系統設計，形成面向數字系統設計的課程體系[3]。同時，應用高校與知名企業建立的校企合作平臺，把企業界的研究信息和研發需求引入到教學平臺，開拓了學生的研究思路和視野，提升了學生設計復雜數字系統的能力；目前，我校正在與國際知名的半導體公司Xilinx、Altera和Cypress陸續建立卓越人才大學培養計劃，利用大學設置小學期，在FPGA和PSoC開發平臺上進行了面向實際應用的數字系統設計，在實踐平臺上不僅有學校的任課教師，還有知名企業派來的一線工程師指導同學們的實踐，相比改革前，取得很好的實踐效果，同學們的數字系統設計水平得到了提高，同時在編程、接口、通信協議等方面也有了深刻的認識。

對于優秀的學生，借助全國各種形式的大學生電子（信息）設計競賽這個創新平臺，組織他們積極參與，激發他們的學習研究興趣和創新意識，綜合所應用的數字系統設計知識，發揮競賽團隊的協作精神。每年，我們都有部分優秀學生通過努力，創新設計的作品獲得專業認可，并取得了良好的參賽成績，也使得數字設計課程體系的建設上了一個新的臺階。

3基于創新平臺的課程體系優化與實踐

卓越工程師培養要求的數字電路系統設計課程體系協調好相關電氣、電子類專業上下游相關理論課程、實驗綜合性設計同時得到協調發展。如何實踐論文所提到的創新實驗平臺，應該引進現代數字設計理念，重點把EDA軟件、設計工具、開發平臺與傳統的數字電路基礎理論教學相銜接。我們在這幾年對數字系統設計課程體系、創新實踐教學內容等方面的進行了改革與探索，取得了一定的成效。經過這幾年的實踐，我們逐步構建了面向應用的數字系統設計課程優化體系[5]，如圖2所示。

4不斷探索數字電路理論教學內容的改革與實踐

4.1以數字電路設計為目的強化基本邏輯電路理論教學。

在進行復雜數字系統設計之前應該熟練掌握這些常用基本組合和時序邏輯電路，包括電路的功能、電路的描述以及電路的應用場合等。

樹立電路設計思想首先需要熟練掌握一些基本的邏輯功能電路。其次，樹立電路設計思想需要理論講解與實踐相結合，逐步熟悉硬件描述語言的描述方式。數字系統設計強調采用硬件描述語言來對電路與系統進行描述、建模、仿真等[2][3]。

4.2掌握面向應用的數字系統工程設計方法。

學生在掌握數字電路基本概念和一般電路的基礎上，進一步掌握數字系統設計的方法、途徑和手段。其主要內容包括：數字系統與EDA的相關概念、可編程邏輯器件、硬件描述語言、電路元件的描述、數字系統的設計方法、開發環境與實驗開發平臺以及應用實例的介紹等。這些課程內容涉及面較廣，為了提高教與學的效果，探索總結了以下的教學重點內容，并作為教學實踐中的教學切入點[1]。

隨著電子技術不斷發展與進步，現代數字系統設計在方法、對象、規模等方面已經完全不同于傳統的基于固定功能的集成電路設計[1][2]。現代數字系統設計采用硬件描述語言（HDL）描述電路，用可編程邏輯器件（PLD）來實現高達千萬門的目標系統。這一過程需要也應該有先進的設計方法。根據硬件描述語言的特性和可編程邏輯器件的結構特點以及應用的需要，在教學過程中闡述了先進設計方法。例如：采用基于狀態機的設計方法設計復雜的控制器（時序電路），應用或設計鎖相環或延時鎖相環來處理時鐘信號，應用自行設計（IPcore）軟核來提高數據吞吐量[1][2][3]。

4.3深化數字電路實驗教學改革。

實驗實踐教學過程中，注重基礎訓練與實踐創新相結合的實驗教學改革思路，加強學生工程思維訓練、新平臺工具的使用、遇到邏輯問題的綜合分析能力，理論與實踐相結合的分析能力。在實踐過程中的提高創新性和綜合性能力，面向應用的數字電路創新平臺建設，需要不斷提高課程試驗、實驗和實踐過程在教學中的比例，在符合認知規律的同時，逐步加強來源與實際需要的綜合性數字設計實驗。

5結語

數字電路是電氣、電子信息類專業的一門重要的專業基礎課程，論文針對當今卓越工程師培養的要求，以及在教學過程中遇到的主要問題，探討了面向應用的數字電路課程創新實踐平臺。提出了多層次的數字電路創新實驗平臺結構和面向應用的數字系統設計課程優化體系。目的在于，通過課程及相關課程體系改革與創新，使得學生更快、更好的適應現代數字技術發展的需求。

參考文獻

[1]孔德明.《數字系統設計》課程教學重點的探討，科技創新導報，2012.1，173-174.

[2]任愛鋒，孫萬蓉，石光明.EDA實驗與數字電路相結合的教學模式的實踐，實驗技術與管理，2009.4，200-202.

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[4]秦進平，劉海成，張凌志等.電類專業數字系統綜合實驗平臺研制，實驗技術與管理，2012.6，75-78.

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關鍵詞：計算機專業 課程進度 數字電路與設計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.15.132

“數字電路與邏輯設計”是電氣信息類專業一門重要的專業基礎課。該課程是后續專業基礎課和專業課的先修課程和基礎，是學生開展課外科技創新活動的必備知識，是解決工程實際問題的重要理論和方法，結合目前的實際情況，對數字電路與邏輯設計教學進行改革。

1 數字電路與邏輯設計的本質

數字電路與邏輯設計是計算機科學與技術必修的一門重要課程。該課程中介紹了與數字系統相關的知識，體系等。設置這門課程的重要性在于讓學生能夠更好地了解數字計算機和其他系統的基本邏輯電路，能夠熟練運用課程中所學到的知識并在實際操作中對案例進行分析，客觀地提出要求。

通過這門課程的系統學習，可以加強同學的邏輯思維能力，落實到具體工作中，可以解決具體問題，可以對系統硬件進行檢測，并有一定的創新能力。數字電路課程教學之所以進行改革是為了提高學生對計算機硬件設施的了解，為日后的學習做鋪墊。我們從計算機科學的角度劃分，可以把其課程分為：分析電路，數字電路與邏輯設計，微機原理等。從這些課程不難看出，數字電路與邏輯設計起的是承上啟下的作用。

2 電子技術的廣泛應用加快了數字電路的發展

現階段，是科技的時代，電子技術已經應用廣泛，電子元素是計算機和電路不可缺少的構成元素。國民經濟和國防各領域的逐漸滲透，使得數字電子技術在相關專業的地位越來越重要。通過探討，認為要對以前的教程進行革新，減少理論性過強的內容，著重掌握數字集成電路器的特性與實際運用，將重點放在學生的實際操作上面。

此外要加強創新能力的培養，引導學生們多進行課外實踐活動，讓學生們把課堂上所學的知識用于實踐，這樣讓學生們在實踐中總結理論知識，有利于學生們知識的全面掌握。多媒體技術可以形象并明了地展示復雜的圖表，便于老師課堂上的教學，還方便了學生們觀看和理解。更重要的一點是，它節約了課堂信息量，增加了課堂上的教學內容。以培養學生創新精神和實踐能力為主線，堅持“三個結合”，實現“二個轉變”，達到“一個提高”。堅持實踐內容與理論知識相結合，創新實驗與科學研究相結合，課堂教學與課外實驗相結合；實現由基礎驗證性實驗向綜合設計性實驗轉變，由傳統型實驗向創新型實驗轉變；達到學生實踐能力和創新精神的提高。提高教學的工作環境，利于開展實踐教學，從而有利于人才的培養和教學質量的提高。圍繞實踐這個中心，增加新的教學內容，根據電子信息技術的專業特點，制定科學的實驗課程，在內容中多以實驗為主，增加教學模板，提高教學方法，總結出一套科學性、系統性的教學體系。

3 數字電路教學的改革方向

由于數字電路與邏輯設計的實踐性很強，所以，在實際的教學改革中要做到周全考慮，針對各項內容都要做出調整。還需要注意的是，做到書本上所學的知識配套進行實踐。理論結合實際，多結合實際情況進行訓練。其內容包括：工具運用能力，繪制電路，電路分析能力，項目綜合能力等。

3.1 課程體系的調整

為了更好地適應電子科學技術的發展，要優化課程結構的總體要求出發，進行模塊化的設計，使數字電路與邏輯課程內容體系具有系統性，科學性，先進性等。

數字電路與邏輯設計基礎從課程內容上被分為兩大塊。數字電路介紹了數字系統的組成，數字信號的特點等；在內容上先邏輯電路，邏輯部件，先單元電路后系統電路等等。數字電路多以理論為重點，在講解中多涉及外部邏輯功能。數字電路部分多以運用為主。這樣的課程組合可以讓學生對數字電路更加了解。

3.2 教學內容的調整

數字電路與邏輯設計的課程很多，為了讓學生在有限的實踐內把課程學好，要求教師掌握基本理論的同時有效地組織課程教學。在介紹運用時，要根據其不同的側重點進行分析。實驗教學從隨堂實驗到改革教學后進行獨立實驗，這其中包括驗證性實驗等。

通過有效的組織，可以增加學生們的實踐操作，調動學生們的積極性，從而有助于知識能力的提高。

3.3 加大實踐的內容與次數

數字電路與邏輯設計在教學中需要增加實踐內容，這有利于課程的安排，更提高了學生們的動手能力。在實踐中發揮良好的教學效果，要合理地拆分實踐內容：①基本實驗；②設計實驗。我們來了解一下這兩種實驗的概念：基本實驗室使用電子儀器的能力；而設計實驗則是為了實現邏輯功能，而采用的是數字系統。在設計實驗中鼓勵學生自擬實驗的項目，并將課外活動結合進來，使學生的思維更加廣闊。

目前的電子大賽就是為高校的改革服務，它是結合了電子信息的專業內容，這種比賽在教學改革中起到了引導的作用。這十多年來，在全國開展了很多電子計算機的競賽，這些競賽對高校體系改革幫助十分明顯，它有助于有才能的年輕人展示自己的能力與專業水平。在電子竟賽出題中增大數字電路EDA的內容可以引導高校建設EDA的實驗室，例如：SOPC（系統集成芯片）是我國“十一五”制定的重大專項，目前全國已在12個高校中成立了集成電路人才培養基地。

4 結語

現階段是電子化的時代，科學的進步帶動了電子技術的廣泛應用。大量的可編程器件被采用，這使得傳統的數字邏輯方法明顯變化。計算機的應用范圍越來越高，使得人們對計算機的認識逐漸深刻，計算機的設計理念開始突破原有的范圍。數字電路與邏輯設計在各種現代技術的合力推動之下，得到了明顯的提升，可以做到使學生緊跟在市場的前沿。所以，數字電路和邏輯設計的改革加快了這門科學的發展，提高了學生們解決實際問題的能力，給學生們的就業和發展打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]李曉輝.數字電路與邏輯設計[J].

[2]曹魏，徐東風.計算機教育[J].

篇4

關鍵詞：卡諾圖 標準與或表達式 數字電路

卡諾圖簡介

卡諾圖是1953　年美國貝爾實驗室的電信工程師　Maurice　Karnaugh　在維奇圖的基礎上提出的一種用于化簡邏輯函數的方法。這種方法簡單、直觀、方便的特點使其在數字電路的分析和設計中得到了廣泛的應用。由于在大多數的數字電子技術或數字電路課程的參考教材中，主要講解卡諾圖在邏輯函數化簡中的應用，從而導致初學者往往以為卡諾圖只是數字電路分析和設計中用以化簡邏輯函數的一種工具，其實不然，靈活地運用卡諾圖，可以使邏輯電路的分析和設計過程大大地簡化，讓一些難題迎刃而解。

1.卡諾圖在邏輯函數化簡中的應用

（a）每個乘積項都有三個因子。

（b）每一個變量都以原變量或者反變量的形式，作為一個因子在乘積項中出現且僅出現一次。

文獻[2]中也介紹了用卡諾圖完成兩邏輯函數的邏輯運算以及組合邏輯電路競爭冒險中的卡諾圖的應用方法，總之，卡諾圖在數字電路的分析和設計中有著重要的作用。

2.卡諾圖求解邏輯函數的標準與或表達式

事實上，卡諾圖還有一個重要的應用，然而這一應用，在數字電子技術或數字電路課程的參考教材中一直沒有介紹，至今也沒有文獻提及，那就是利用卡諾圖求解邏輯函數的標準與或表達式。這種方法方便，簡單，準確。這也正是本文提出的卡諾圖的另一種新的應用。

（1）求解標準與或表達式的常用方法

3.總結

卡諾圖在數字電路的分析中有著廣泛的應用。　它的優點是簡單、　直觀、　使用方便，而且有一定的步驟和方法可循。在數字電路的教學中，除了使用卡諾圖化簡邏輯函數以外，還可以使用卡諾圖求解邏輯函數的標準與或表達式，這種方法要比使用公式和定理推導的方法方便、簡單、準確。

參考文獻：

篇5

關鍵詞：數字電路；抗干擾技術；主要因素；主要方法

數字電路的開發過程中必定會接觸到各式各樣的干擾因素，其中主要是受到硬件干擾。因此，在解決方法上主要采用的是抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑并提高敏感器件的抗干擾能力，使用軟件降低對數字電路的干擾，對數字電路進行一定的補救，從而使得數字電路能夠正常運行，推動數字電路設計技術的進步。

1數字電路設計中形成干擾的主要因素分析

在數字電路設計中，形成干擾的主要因素有3個：干擾源、傳播路徑和敏感器件。干擾源是指在電路中確定會產生一定干擾的元件、設備或者是信號。在實際操作過程中，雷電、電機和繼電器等都可能成為干擾源，對電路形成巨大的干擾，并且在某些數字電路中是無法被去掉的。傳播路徑干擾是指在干擾源傳播到敏感器件的通路或者是媒介遭到一定的干擾。傳播路徑的干擾通常難以控制，干擾性會隨著傳播路徑的增加而有所增加。在實際操作過程中，空間的輻射、信號線等都會干擾傳播路徑。敏感器件是指某些容易擾的對象，包括單個設備或者分系統等，為了功能的需要，某些敏感器件的干擾是不可去除的。在實際操作過程中，主要指信號放大器、數字IC等。

2數字電路設計中抗干擾的主要方法分析

在數字電路設計中使用的抗干擾技術主要是抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑并提高敏感器件的抗干擾能力等方法。同時，在某些硬件設施難以達到的時候采用軟件方法進行數字電路防干擾，最大化地減少干擾項目對數字電路的干擾，保證數字電路在使用過程中的安全，確保數字電路的正常運行。

2.1對干擾源進行主動抑制

抑制干擾源是抗干擾技術的主要方針，通過盡可能地減小干擾源受到的干擾，實現抑制干擾的作用。對干擾源進行主動抑制，主要是通過在干擾源兩端并聯電容和在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管。首先，為繼電器線圈增加續流二極管，通過增加續流二極管實現對干擾的消除作用。其次，為續電器接點兩端進行火花抑制電路的連接，以減小電火花對電路的影響。第三，為電機增加濾波電路，盡量使用減小引線的長度，增加電機的防干擾能力。第四，為電路板上的IC均接上一個高頻電容，減小IC對電源的影響。同時，在布線過程中，同樣要遵從使用較短引線的原則，以改善使用情況。第五，在實際布線過程中，應盡量采用直線布線，避免使用接近90度的折線。第六，為可控硅接上抑制電路，在防護可控硅的同時減小噪音干擾，對干擾源進行控制。

2.2對干擾傳播路徑進行選擇性切斷

傳播路徑型干擾主要分為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾就是指在數字電路中通過導線傳播到敏感器件時的干擾，主要辨別方式是通過導線。輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件時的干擾，主要辨別方式是通過空間輻射。2種干擾方式不同，但是對數字電路的干擾影響效果都相對較大。對于傳播路徑干擾，主要采用切斷和隔離的方式進行控制。首先，考慮到電源對單片機的影響。一方面，要使用效用比較良好的電源，能夠在很大程度上解決干擾問題。另一方面，可以給電源增加濾波電路，最大限度地減小電源的影響。其次，在單片機的選擇上要選取干擾較小的接口，并注意做好隔離。第三，晶振和單片機之間的距離要盡量減小，通過良好的布線減小傳播路徑的干擾。第四，要注重對電路板進行合理的分區管理。在分區管理時應該盡量將干擾源和敏感器件分隔并達到一定的距離，保證整個電路系統的穩定。第五，將數字區和模擬區相隔離。在實際操作過程中，一定要注意使用地線將2個分區進行隔離，減小干擾。第六，大功率器件要使用獨立地線。對于功率較大的地線通過單獨接地，減小干擾。第七，在關鍵的接口要使用類似磁珠和濾波電路等必要的抗干擾器件。

2.3充分提高敏感器件的抗干擾能力

除了對干擾源進行主動抑制和對干擾傳播路徑進行選擇性切斷，還要充分提高敏感器件的抗干擾能力，從敏感器件方面盡量減小敏感器件對整個數字電路的干擾。第一，在布線的時候要盡量避免大面積進行回路環設計，通過縮短其面積來降低干擾。第二，在實際布線過程中，在電源線和地線的選取上以粗短為優，盡量降低干擾。第三，單片機中閑置的接口要在不改變系統邏輯的前提下做好接地或接電處理，盡可能避免懸空造成的干擾。第四，要使用好監控系統，保證單片機處于良好的工作狀態。第五，盡量選取低速的數字電路，但是要保證速度能夠滿足實際工作中的要求，確保實際工作的可行性。第六，IC器件應該盡量直接進行焊接工作，盡量避免選用某些連接插座，從而減少干擾，保障數字電路的實際可行性。

2.4使用軟件降低干擾

除了在硬件方面采取措施降低干擾，在抗干擾技術的使用上還要注重從軟件方面出發，比如利用數字濾波技術、輸入信號重復檢測技術、輸出端口數據刷新技術、軟件攔截技術以及“看門狗”技術來降低干擾。

數字濾波技術是指在軟件中對采集到的數據進行電磁兼容消除干擾的處理。一般來說，除了在硬件中對信號采取抗干擾措施之外，還要在軟件中進行數字濾波的處理，以進一步消除附加在數據中的各式各樣的干擾，使采集到的數據能夠真實地反映現場的工藝實際情況。數字濾波技術相對來說算法靈活，效果良好。

輸入信號重復檢測技術是指在輸入信號過程中存在著輸入干擾而又難以使用硬件進行抑制時，采用軟件重復檢測技術，從而最大限度地減少干擾。在重復檢測過程中，如果信號一直變化不定，在達到一定程度時，可以給出相應的報警信號。輸出端口數據刷新技術也是采用重復輸出的方式降低數據干擾。通過數據的重復輸出，從而使得正確信息能夠在不斷傳輸中跳過干擾。

軟件攔截技術通過對程序運行過程中的“亂飛”現象進行攔截，使得程序擺脫軟件程序的“死循環”，最終使得運行通過正常程序進行，保證了程序的有效性和穩定性。

“看門狗”技術是數字電路中的重要抗干擾技術。由于軟件攔截技術存在一定的局限性，對某些難以控制的程序“亂飛”現象無法正確地攔截，程序也就難以擺脫“死循環”。而通過“看門狗”，能夠對程序進行良好的監控。當程序受到干擾發生混亂時，由于程序邏輯已經受到了破壞，程序在混亂的情況下無法對“看門狗”進行設置，進而導致看門狗定時溢出，導致系統重新運行，擺脫癱瘓狀態，保持良好的系統運行。

篇6

關鍵詞 數字電路；故障檢測；原因

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0094-02

伴隨著經濟技術的迅猛發展，采用數字電路技術的產品遍布在大家生活的各個角落。正因為如此，電力工程方面的技術員在研發設計、調試安裝、后期維護數字電路時可能會遇到一些問題。于是精通檢測診斷數字電路故障的方法是保證數字電路能夠有效研發生產的重中之重。

1 產生數字電路故障的原因

1.1 電路元器件的老化

電路元器件在使用時由于相互摩擦就會對其造成一定的損壞。電路元器件多數是金屬質地的，如果長時間使用的話，電路元器件就會老化并且其參數性能也會變得很差。甚至一些電路元器件在極冷或極熱的情況下就會導致其參數值的改變。

1.2 電路元器件接觸不良

電路元器件接觸不良是致使數字電路出現故障的最普遍的因素。在平時由于使用不當或沒有妥善保管好，電器外殼遭到破壞，就可能發生電路元器件在潮濕的空氣里或不小心把水濺進電器里這樣的事情，于是就氧化了電器元件內部的焊點，電路板就極可能出現故障。

1.3 設備工作環境

設備能否順利工作是要具備一定條件的，由于空間資源的限制不是全部的設備都能在完全沒有干擾沒有影響的的環境中工作，所以當工作環境如溫濕度、電子磁場改變等不符合電路設備的需求的時候，數字電路便會出現故障，要想設備正常工作就很難了。

1.4 電路元件使用期限

不止是食品，電路元器件也有使用期限。在規定的使用期限內它的參數性能才最優。假如超出了使用的期限，電路元器件就會老化、參數性能降低，設備發生故障的機率就會變大。

2 數字電路故障的特點

2.1 數字電路特點

數字信號不管是在時間上還是在數值上都離散，數字電路是用來處理變換調制和解調這些信號的電路。其工作原理是利用“0”、“1”兩個高低電平來表示離散的信號，看起來很繁瑣，實際上基本電路非常簡單。除三態門以外，輸出狀態不是高電平就是低電平。

數字電路根據邏輯功能可分為時序邏輯電路和組合邏輯電路兩種。按照功能說，時序邏輯電路具有記憶和表達功能，這一功能是由有著存儲功能的觸發器構成的電路來實現的。然而存儲電路的輸出狀態必須在輸出端上表現出來，并且要與輸出端邏輯運算后來決定時序電路的輸出電平。而組合邏輯電路是由多種電路構成的，那一時刻輸入的電平來決定組合邏輯電路的輸出電平，且它和之前電路的輸出電平并無直接聯系。

圖示邏輯電路門級描述

2.2 故障特點分析

進行數字電路檢測和診斷時，一定要根據時序邏輯電路和組合邏輯電路各自的順序，仔細地觀察數字電路的電平，判斷是不是正常。然后逐個檢測以發現產生故障的位置。除此之外，數字電路也是有一些物理缺陷的，組成集成電路的門和記憶元器件都封存在一個芯片里，所以對電路輸入輸出波形沒有辦法直接觀察以致于檢測它們的電平高低時困難重重，要想及時地查找到數字電路出現故障的位置，就要研究出方便且可行的檢測電路故障的措施。

3 數字電路故障檢測方法

3.1 直接觀察檢測法

有一些工作經驗的電路維修者經直接觀察來推理出現電路故障的大概位置。經過問詢在發生電路故障時的現象來判斷一下發生電路故障的可能原因，這樣做既省時又省力。比如，電燈突然很亮然后又滅掉了，我們應考慮可能是短路造成的，然后查找出現故障的位置，最后解決問題。

3.2 比較檢測診斷法

進行數字電路故障檢測時，比較法是所有檢測方法中較為常用的方法。一般情況下都需要盡快地檢測出數字電路出現故障的問題，以便及時地解決，這時首先測試電路的關鍵點，記錄下測試的參數值，再找沒有損壞的，能正常工作的器件，對相應的關鍵點的參數值進行測試，比較兩組參數值，數字電路發生故障的位置就在參數值不同的地方。然而大部分電路的故障發生的位置都在很細微的地方。由于在數字電路元器件生產時，廠商會特別注意電路板薄弱的關鍵點上，來保證器件的質量，于是電路故障發生的位置常常不在電路板的這些關鍵點上。于是比較檢查法還有一定的缺陷。

3.3 替代檢測法

電路復雜時，一般方法檢測不出故障時，這時用替代檢測法來檢測電路故障位置。替代檢測法就是用同樣的電路元器件來替換數字電路里的電子元器件，不過代替電路元器件的元器件參數性能要好一些，不然的話仍然沒有辦法檢測出電路故障出現的位置。當質量好一點的電路元器件替換好后，連接上電源，觀察電路板是不是能正常地工作。假如能正常工作就表明原電路元器件出現了故障，反之，就表明原電路元器件沒有故障。不管怎么說，替代檢測法在一定程度上也是費力和麻煩的。

4 結束語

現如今科學技術快速發展，數字電路也顯得尤其重要。只有探究出數字電路檢測診斷的好方法，才能更好地把數字電路運用到現實生活里。要及時預防并解決可能出現的電路故障，防止給大家的生活帶來極大的不便。于是在此基礎上，我們要不斷地尋找出數字電路檢測診斷的方法和措施，及實地解決實際的電路故障，為大家的優質生活服好務盡到責，以滿足社會進步發展的需求。這一切都需要專業人員以及非專業人員的共同努力來完成。

參考文獻

[1]孫春輝.淺談數字電路故障檢測方法與技巧[J].技術開發，2010，05（03）.

[2]呂俊霞.數字電路故障的基本檢測技術[J].檢測與制作，2009，11（09）.

[1]郭希維，蘇群星，谷宏強.數字電路測試中的關鍵技術研究[J].科學技術與工程，2008.

篇7

關鍵詞 數字電路 教學理念 教學方法 創新教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Take Teaching Philosophy and Teaching Methods as the Starting Point to Promote Innovative Teaching of Digital Circuit Courses

BAI Xuemei， LIU Shuchang

（Electronics Experiment Teaching Center， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022）

Abstract Digital circuit course is an important professional basic course of electrical specialty. In recent years， in order to highlight the basic digital circuit courses， engineering and advanced， has been engaged in various attempts of reform and innovation. But the premise of every innovative teaching should be based on teaching philosophy and teaching methods in-depth innovation， under the guidance of the right teaching philosophy， in the practice of appropriate teaching methods， we can promote innovative teaching of digital circuit courses.

Key words digital circuit； teaching philosophy； teaching methods； innovative teaching

0 引言

數字電路課程作為電氣信息類專業重要的專業基礎課之一，圍繞我校的人才培養目標，以突出其基礎性、工程性和先進性的課程目標，進行課程建設和創新教學改革。通過數字電路課程的學習，使學生在掌握數字電路與邏輯設計的基本理論和方法的基礎上，能運用先進的EDA 工具，結合工程應用，進行數字電路和數字邏輯的分析與設計。數字電路課程開設在第四個學期，與先行課程電路分析、電子線路緊密結合展開拓展，并為后續課程微機原理等課程打下了堅實的基礎。其課程培養目標是使學生掌握數字邏輯電路分析和設計的基本原理和基本方法；使學生能靈活運用所學原理和方法，自頂向下和/或自下向上地分析和設計數字邏輯系統；通過科學而系統的實驗訓練，培養學生邏輯思維能力，分析和解決問題的能力，培養學生知識自我更新和不斷創新的能力。圍繞著這一教學目標，課程的設計和教學實現應當以先進的教學理念和科學的教學方法為出發點，才能實現教學的創新性。

1 數字電路課程中先進的教學理念

教學理念是人們對教學和學習活動內在規律的認識的集中體現，同時也是人們對教學活動的看法和持有的基本的態度和觀念，是人們從事教學活動的信念。現代教學理念注重以學生、作業、活動為中心，以學為主，教師在教學過程中起輔助和引導的作用，學生擁有主動權。教師主要工作是設定情境，讓學生產生興趣，發現問題，并在教師引導下，探索研究問題，找出解決方法并進行驗證的一系列過程。①

1.1 教學設計

數字電路課程包括理論教學和實驗教學。理論教學48學時，實驗教學16學時。同時，還有與課程相應的實踐環節——數字電路課程設計（1周）。在課程教學過程中，從邏輯代數基礎出發，以組合邏輯電路、時序邏輯電路以及模數接口電路為重點，以邏輯電路的分析、設計和應用為最終目標，培養學生對數字系統的分析和設計能力。

1.2 教學內容整合

根據數字電路課程體系和目標要求，將課程劃分為若干個教學階段模塊，對各階段模塊進行教學目標設計；在教學過程中做到點與面的結合、深入淺出，既掌握電路的細節內容又能充分把握各章節的知識體系。同時，把分章教學、階段教學和項目教學相結合，在教學中在充分體現各章節間統一性的基礎上，著重闡述各自的特殊性，強調工程觀點和整體設計概念，注重工程問題的處理方法，培養學生的綜合能力，加深學生對課程的理解。在布局好本門課程的同時，還要重視與相關學科內容的銜接，不斷深入研究和探索，及時調整教學內容，使本課程在教學中盡可能體現知識點與其他課程的關系，為后續課程打下基礎 。

在教學過程中注重對學生能力的培養，講授給學生的不僅僅是知識點，更是培養學生知識獲取能力和知識應用能力。例如，在講到時序邏輯電路分析和設計時，無論是計數電路、序列信號產生電路、序列信號檢測電路，重點強調“狀態”的概念，進而引入一些應用實例，如彩燈設計電路、自動售貨機等，從一個整體的類別去講解，將課程講授提高到一個新的高度。而學生所收獲的不再是一個個孤立的電路和概念，而是一個整體的、有機結合的知識體系。學生會對數字電路課程的興趣劇增，對整體的設計方法有一個飛躍的認識和提高。通過課程內容的合理安排和整合，讓學生掌握科學的學習方法和設計數字電路的能力。更有意義的是，還可以提高學生的專業興趣。由傳統的學習轉化為創新性的學習，讓學生的思考能力和學習模式發生根本性的改變。

2 在數字電路教學中引入合適的教學方法

（1）采用多種教學方法，激發了學生的積極性和主動性。在理論教學中采用以老師講授為主，兼用啟發式、互動式和討論式等教學方法，體現老師的主導作用與學生的主體作用。本課程注重培養學生邏輯抽象思維能力，并且邏輯設計的方法十分靈活，教師授課要注重啟發式教學，給學生思考的空間，使之能夠由此及彼，舉一反三。同時，在教學中強調采用互動式教學，克服學生被動學習的局面。課堂上不僅僅是教師提問學生，同時鼓勵學生隨時向教師提問。并適當地組織討論，讓學生提出自己的思想和方法，由被動學習變為主動學習，激發同學們學習的潛能，培養了學生的興趣與學習的能力。同時，合理利用網絡教學資源，擴大學生的學習空間。

（2）注重理論教學與實踐教學相結合，培養了學生的綜合實踐能力。數字電路與邏輯設計是一門實踐性很強的課程，理論與實踐的結合十分緊密。教師不僅要具有扎實的專業理論功底，也要具有較熟練的實踐技能。要求教師對本門課程的理論和實踐相結合的教材分析及過程組合的能力。②因此，在教學過程中，應該始終堅持理論與實踐的統一，二者相互促進。一方面在學時安排上，理論課與實驗課銜接，實驗內容與教學內容互相滲透與加深，另一方面采用分層次教學，即采用驗證型、設計型及綜合型三層次教學，尤其是一些綜合開發實驗，不僅延伸了教學內容，而且對理論知識進行綜合應用。同時，本課程既要掌握靈活的思維方法和系統的理論知識，又要強調工程實施能力的訓練，讓學生了解理論設計方案與工程實施之間的距離，訓練學生嚴謹、務實的作風。

（3）課程中貫穿EDA軟件的應用，培養了學生的實踐能力。在課程中注重引入新器件、新技術、新方法，在課程中貫穿EDA軟件的應用，要求學生以自學和實驗為主掌握EDA軟件的使用方法。在綜合實驗和系統實驗中，要求利用EDA軟件進行分析、設計、仿真，然后再具體實現，使學生學會電子電路先進的科學的設計方法，培養學生自己解決問題的能力和創新意識。培養學生完整數字電路系統的設計和實現方法。自頂向下，設定好各個部分的功能要求，將學過的電路模塊自行組合，先在EDA仿真中軟件實現，然后下載到硬件電路中。也可以到硬件實驗室進行純硬件電路的搭建，完成最終測試。

3 小結

數字電路課程創新教學的推進，依靠各個方面的配合，也需要從各個角度去理解，但是只有從根本上解決教學理念和教學方法的革新，才能從真正意義上去推進數字電路課程的創新教學。

注釋

篇8

關鍵詞：教學改革；教學方法；教學資源；實踐創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）49-0050-02

為了適應當今世界經濟、科技、文化發展趨勢，滿足社會各界對當代大學生的復合型、應用型和創新型人才要求，2012年10月教育部高等教育司編輯出版了《普通高等學校本科專業目錄和專業介紹》[1]。新版專業目錄中重新規定了專業劃分、名稱及所屬門類，并提出了各專業的主要核心課程、專業實驗和實踐性教學環節等課程的示例。數字電路課程是電氣、電子信息、自動化和計算機類專業的一門專業基礎課程，是一門理論性和實踐性都較強的課程。它的主要任務是通過學習數字電路的基本概念、基本原理和基本技能，使學生在數字電路及數字系統方面具有一定的理論水平和實踐技能，該課程對于微型計算機原理、數字信號處理和數字圖像處理等學好后繼主要專業課程必不可少的基礎知識，并提高學生的工程實踐能力都有著極其重要的作用[2-4]。本研究通過立體式實驗課程設計，把理論教學與實驗課、課程設計、實訓課程結合起來，大學一年級開始初步接觸專業課程，可以增強教學的互動性、趣味性，培養學生學習單片機課程的積極性、創造性，并進一步降低了實驗教學成本，具有一定的實際意義。本文的第一部分分析了數字電路課程的教學安排、學時分配和考核體系，第二部分主要分析了傳統的數字電路實驗教學模式和數字電路實驗教學中遇到的問題，第三部分提出了數字電路實驗教學中引入數字芯片設計的必要性，并提出了基于Quartus Ⅱ軟件和FPGA開發板的實驗內容和具體教學安排。

一、數字電路課程分析

在教學安排方面，數字電路課程是一門理論性和實踐性都較強的基礎課程，基本上不需要高等數學、大學物理、復變函數等前期理論基礎。因此，可以安排在大一的第二學期（四年制本科）；大一的短學期中可以安排“數字電路實訓課程”，通過數字電路實訓課程進一步提高學生的操作能力和創新能力；大二的第一學期中可以安排“數字芯片設計課程”或“集成芯片設計課程”，在此課程中首先學習VHDL語言，然后再學習Quartus Ⅱ可編程邏輯器件設計軟件的使用方法和上機實驗，并通過FPGA開發板來學習數字系統的設計和應用；基于以上基礎，大二的第二學期學生可以開始在教師的指導下參加校內外各種設計競賽，并在大二開始為即將學習的微型計算機原理、數字信號處理和數字圖像處理等專業必修和選修課程奠定堅實的理論基礎。學時安排方面，數字電路理論課程可以安排3學分/48學時，實驗課程1學分/16學時，共4學分/64學時。課程改革積極探索教學活動和考核方式的多樣化，考核形式可以包括筆試、實驗課程、綜合性創新設計等。該課程的考核可以包括：①期末的筆試，考核基本知識，理論課程成績占60%；②實驗課程成績占15%；③平時成績占5%；④綜合性創新設計成績占10%。

二、數字電路實驗中存在的問題分析

數字集成芯片是在半導體表面上以CMOS門電路設計的現代化電子產品，由于CMOS門電路直接設計數字芯片時會出現時滯性、占用芯片面積、耗電量、結構復雜等一系列問題。而CMOS門電路的各子系統是利用與、或、非、同或、異或等邏輯門電路模擬化，同時實際設計的數字集成芯片內部電路圖結構是無法看到的。因此，數字電路課程歷來是學生感到“抽象”的課程。在數字電路實驗課程方面，長期以來普遍利用74LS系列芯片實現理論課程上學到的觸發器、譯碼器、選擇器等組合邏輯電路，通過該實驗可以提高學生的基本邏輯電路的功能及測試技能。但是，傳統的數字電路實驗教學主要存在以下弊端：①形式單一、方法呆板，雖然利用74LS系列芯片實現理論教學上學到的邏輯電路，但是不能完全解決學生對數字電路課程感到“抽象”的問題；②理論與實踐脫節，在理論教學上，教師一般采用理論波形圖來描述輸入/輸出信號之間的邏輯運算結果，一般不采用總線（Bus）波形圖描述多位數的信號。在實驗教學上，一般采用模擬開關描述二進制數的輸入信號，并LED燈描述一位數的輸出信號，因此，在理論和實驗教學上學生沒有機會接觸實際數字集成芯片的設計和信息處理環境；③缺少互動性和創新性，學生自己提出某系統的邏輯控制及流程之后，利用基本的74LS系列芯片實現系統級別的數字系統時芯片的使用數量、輸入信號的控制、輸出信號的分析等會面臨較大的困難，難以提高學生的積極性和創新性。

三、數字芯片設計在實驗教學中的應用

在數字電路實驗課程中，為了實現進一步系統化、程序化、可視化的實驗，可以利用傳統的實驗課程和現代化的教學實驗設備來完成。Quartus II是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發軟件，支持原理圖、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。利用Quartus II軟件的原理圖模塊（Block Diagram/Schematic File），可以補充完成數字電路實驗課程。數字電路實驗課程設置方面，如果整個實驗課程以16學時來計劃，前8學時可以做傳統的基于74LS系列芯片完的成硬件系統設計與測試實驗，后8學時可以完成基于模塊化方式的上機操作實驗。其中，Quartus II軟件安裝與波形圖分析占2學時，組合邏輯電路與全加期占2學時，選擇器和譯碼器/編碼器占2學時，綜合設計實驗占2學時。實驗內容方面，首先讓學生利用Quartus II軟件的原理圖模塊（Block Diagram/Schematic File）設計相關邏輯電路圖，利用Quartus II軟件中的“功能仿真”功能驗證所設計邏輯電路圖結構是否正確，通過進一步修改和功能仿真過程驗證邏輯電路圖的結構設計。其次，建立時序圖框架，設置時脈信號、清零信號和輸入信號，通過Quartus II軟件中的“時序仿真”功能驗證輸入/輸出信號之間的連續性和正確性。同時可以利用FPGA開發板實現該系統，并利用邏輯分析儀驗證FPGA輸出信號的正確性。在上機實驗過程中，學生應理解的內容主要包括五個方面。①針對某一個邏輯電路，在教材上說明的理論波形圖、Quartus II軟件仿真出來的波形圖、邏輯分析儀實際仿真的波形圖等3個圖形之間為什么存在輸出信號的延遲？②設計某系統時，基于C語言等軟件系統設計和基于FPGA等硬件系統設計的優點和缺點是什么？③占用芯片的面積和耗電量大約多少？④原始的組合邏輯電路設計結果和卡諾圖、布爾運算等方式簡化之后，對集成芯片的運算速度、占用面積和耗電量差異多少？⑤理論課上沒有提到的多位數的總線（Bus）信號怎么理解？

隨著社會的跨越式發展，社會各行業對當代大學生的獨創性、復合型要求越來越提高。相反，目前普遍存在培養出來的學生動手能力較弱，分析問題和解決問題的能力差，缺乏創新能力。本文基于2012年教育部高等教育司編輯出版的《普通高等學校本科專業目錄和專業介紹》，提出了傳統的數字電路實驗教學當中存在的問題，并建立了一種軟/硬件系統相結合的實踐教學體系和實驗方法。本文提出的實驗計劃及安排可以營造有利于學生的激發創新激情，挖掘學生創新潛能，充分發揮學生的獨創性，為培養學生的創新能力提供強有力的支撐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部高等教育司.普通高等學校本科專業目錄和專業介紹[M].北京：高等教育出版社，2012：182-202.

[2]韓延義，趙全科.數字電路課程設計教學研究[J].中國科教創新導刊，2011，（17）：103.

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關鍵詞：數字電子 開發板制作 教學改革 實訓模塊化

中圖分類號：TN79-4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）06（a）-0143-02

《數字電子技術》教學包括基礎理論知識教學和技能實踐教學兩部分，是電類及相關專業必修課。數電課程中理論及實踐與模電比較有較大差別，很多學生對課堂內容理解上有困難，教學效率不高。為了培養學生實踐設計能力和提高教學效率，采用仿真軟件與自制開發板相結合設計實踐項目。實踐證明，使用自制開發板及課程體系的模塊化教學使理論知識更為感性，提高課堂效率，加強了理論的理解，鞏固了技能。

1 課程特點與作用

對概念的理解和集成器件的應用是數字電子技術教學的兩個側重點。教學過程中引導學生運用已學知識自主獨立創新設計電路，結合硬件更新，強化理論知識的理解和應用，奠定單片機及專業技能基礎。當前數電教學存在教育思路與硬件技術發展速度不一致的現象，導致了學生的創新設計能力和應用能力不足，數字電子技術課程改革迫在眉睫。

2 內容結構調整及措施

2.1 課程內容結構調整

改變以往常規設計思路，采用模塊法整合課程知識結構，合理設計每個模塊綜合實踐項目。整合后課程模塊體系如下。

首先，為基本理論模塊體系，其內容為：邏輯基礎、三大邏輯門、組合、時序電路等方面。該體系主要是加強電路分析以及邏輯思維方面能力訓練。

其次，應用性模塊體系，其內容為：常規集成器件應用、數字綜合電路的設計與調試等。該體系主要是加強運用數字電路知識按要求設計電路方面能力訓練。

再次，大規模集成電路應用體系，其內容為：VHDL語言、DSP和FPGA技術應用的基本理論、方法以及仿真軟件的應用，該體系主要培養電路設計理念，為掌握運用不斷出現的硬件新技術、新產品奠定基礎。

2.2 授課課時及方式調整

該課程的教學大綱在修訂上應該體現出現代數字電路的先進性，與此同時教學模式必須同步，做出相應的調整以便更好的優化課程的內容。在課時安排方面應合理分配三模塊體系課時比例，前一個體系為后一體系基礎，環環相扣。其次數字語言、DSP、FPGA技術在數字電路課程教學中可以介紹其簡單使用方法，但為更好運用應另設為一門新課，其次要合理設計每個體系綜合模塊項目，使之內容上涵蓋體系內相關知識，效果上可以用仿真軟件實現其結果，實操上可以用自制開發板調試。真正做到軟、硬同時進行真正做到知其然還自其所以然。

3 新授課方法及教學模式

3.1 課堂中自制開發板應用

當前各學校實驗室使用數字電路實驗設備為箱體式，不光體積大占用空間，更為遺憾的是可操作性小、設計性項目少，未為該課程學習帶來實際效果，學生對知識的認識往往是一知半解。為此，結合課程教學特點以及實驗的便利，作者開發了“數字電子設計開發板”（見圖1），該板設計合理，制作簡單、便攜實用，巧妙的把模擬電路、數字電路、單片機融合一體，既簡便實用，為后續單片機的學習奠定基礎，開發板采用電池或者交流電供電，需提供的信號、頻率測試等電路來源于模電中的基礎實驗。同時該板中配有簡單的51系列單片機基本模塊，可進行相關仿真使用。在教學中，一些基本電路，可直接在教室邊教學邊實踐，合理的應用好該開發板，就能真正的做到“教、學、做”一體化。

3.2 綜合設計項目在課堂多媒體教學中仿真

基于數字電子技術的發展迅猛、大規模集成電路不斷涌現。為更好的運用各類硬件，在學習過程中應充分使用仿真軟件模擬運行結果，不斷在電腦中修改其外界屬性，觀其結果變化。從而更深刻的掌握器件使用。

圖2為在PROTUES仿真軟件下，通過改變R2參數，從而改變555輸出頻率，觀其CD4017輸出的帶來的變化。兩者結合起來很形象直觀的讓學生掌握555及4017的特性及使用方法。

3.3 數電課程中引入單片機入門學習

數字電路是為后續綜合電路設計奠定基礎，而目在綜合應用電路大都采用單片機來實現，基于此單片機重要性可想而知。單片機可以實現大都數字電路同樣的結果，而電路結構卻極為簡單。因此，在數電的教學與實踐中逐步引入單片機基本概念，同一個效果采用不同的電路，讓學生更深刻理解大規模集成電路的應用，圖3為采用單片機來實現流水燈效果。該電路與采用十進制計數器CD4017構造流水效果一致，甚至可以設計更復雜效果，但電路卻比后者簡單。

4 結語

作者開發設計的“數字電路開發板”獲國家授權發明專利，作者在教學實踐中通過幾期的教學改革，實踐證明，取得了良好的效果，為數字電路教學改革做出以下幾個方面成就：（1）為“教學一體化課堂”摸索了一條有效途徑，令課堂教學更形象生動、內容豐富；（2）緩解了實驗室緊張的局面，節約成本同時增加了學生動手綜合設計機會，提高了實訓效果；（3）為課外學習提供了良好的平臺支持，豐富了學生課外課程設計生活，提高了學習效率；（4）為基礎課程與專業課程前后建立有機聯系，激發了學習單片機技術的熱情。該課程的改革有利于綜合技能的提高，同時“數字電路開發板”具有較好的價值和推廣前景。

參考文獻

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關鍵詞：FPGA VHDL 模N計數器 數字電路實驗教學

1.引言

隨著微電子技術的高速發展，集成電路設計也不斷向超大規模、超高速和低功耗的方向發展。傳統數字電路課程設計在許多方面都滯后于現代數字電路設計形勢的發展，如效率低、損耗大、電接觸不穩定、實驗裝置缺乏穩定性和靈活性，成為創新和應用型人才培養的阻力，而FPGA具有設計技術齊全、效率高、易仿真、可移植性高等優點［1］，通過對芯片的設計來完成大規模數字系統，可以很好地解決上述問題。

2.FPGA概述

2.1FPGA的概念。

FPGA（Field Programmable Gate Array）又稱現場可編程門陣列是大規模集成電路技術發展的產物，屬于ASIC（專用集成電路）器件中的一種，具有可編程的特性和實現方案容易改動等特點。FPGA采用的是SRAM（靜態隨機存儲器）來構成邏輯函數發生器，一個N輸入的LUT（可編程的最小邏輯構成單元）可以完成N個輸入變量的邏輯功能，更適于完成觸發器豐富的時序邏輯電路。在現代集成電路設計中，數字系統所占的比例越來越大，FPGA設計開發周期短、集成度高、設計制造成本低、開發工具先進，將發揮越來越重要的作用［2］。

2.2VHDL介紹。

利用系統可編程邏輯器件FPGA芯片進行數字系統設計時，是以硬件描述語言作為設計語言，目前最主要的硬件描述語言是：VHDL（Very High Speed Integrated Circuit HDL）和Verilog HDL。VHDL發展得較早，語法嚴格，主要利用軟件編程的方式來描述數字系統的結構、數據流、行為。該語言具有功能強大的語言結構，具有多層次的設計描述功能，與傳統的門級描述方式相比，它更適合大規模系統的設計。

3.在數字電路課程設計中引入FPGA的必要性

將FPGA引入數字電路課程設計中是一種全新的實驗手段，可以不斷修改電路和參數，及時觀察輸出結果，有效加深了學生對電子線路本質的理解，提高學生現代化電子設計能力，激發學習興趣。在數字電路實驗教學中引入FPGA有以下優勢。

3.1實驗項目增加，效率提高。

傳統數字電路的實驗項目較少并普遍采用的是常規邏輯器件連接起來構成不同功能的電路。由于電路板硬件決定了實驗項目不能隨意更改，功能單一，不利于學生綜合電路設計能力的提高。較復雜的實驗學生很難在2個課時內做完。采用FPGA技術，增加了綜合性實驗，學生只需學會EDA工具軟件的使用方法，就可以在2個課時內完成更多的實驗項目。

3.2實驗難度降低，成功率提高。數字電路實驗主要裝置是面包板或實驗箱。面包板連線時容易出現導線接觸不良、線路干擾等不穩定的因素。實驗箱雖然穩定，但實驗使用的邏輯器件功能較為單一，難以實現復雜的數字電路。采用FPGA設計硬件電路，對于比較復雜的硬件實驗，不必編寫邏輯表達式和真值表，降低了設計難度，縮短了設計周期。也不必用通用的邏輯元器件來構成邏輯電路，而是直接用語言描述其功能，根據電路的不同需要自行設計專用功能模塊，從而實現了“軟”硬件設計，降低了研發成本。程序具有良好的可讀性，支持對已有設計的再利用。并且電路的設計更加合理，提高了實驗成功率，體積和功耗也大為減小。

3.3提高了學生的實踐和動手能力。采用FPGA做數字電路實驗，對同一電路模塊的設計有了多種不同的計方案。如采用不同的門電路或者使用語言對電路的功能進行描述，得到功能模塊。此模塊還可被調用，使設計更具靈活性。

4.現場可編程門陣列在EDA設計中的應用實例

下面我以設計模為N的計數器電路課程設計為例，介紹使用FPGA在數字電路設計中新的設計思路。

在對計數器電路進行設計中，傳統的電路設計是用集成計數器構成，如圖1所示。

但是當模N比較大或者想改變N的值的時候，會感到物理硬件連接和改動起來非常麻煩，而利用FPGA的可編程的特性，采用VHDL可以方便快捷地實現任意模N的計數器，并且容易發現結構設計上的失誤，提高了設計的成功率。

上述電路采用VHDL語言描述如下。

…………

由程序可以看出，利用模12計數器的程序，只需修改計數器的狀態數，就可以實現任意模N計數器。通過上述電路設計的學習，學生逐漸學會用VHDL語言設計電路，體會到用VHDL語言來描述復雜的控制邏輯具有簡潔明了、良好的可移植性，以及不依賴特定器件的優點。提高了學生自己研究問題和解決問題的能力，培養了學生的創新意識，取得了良好的教學效果。

5.結語

隨著FPGA的普及和知識產權核IP日益重視，電子產品設計中的硬件將不再是主導因素，而是全面轉向軟設計，使得板級設計更加簡單和模塊化。為了培養能適應電子技術發展趨勢的創新型和應用型人才，將FPGA技術引入數字電路實驗教學中，能很好地鍛煉學生的綜合設計開發能力和動手能力，激發他們的學習興趣，節約實驗成本，提高教學質量和設計效率。因此，將FPGA技術應用于數字電路設計必將成為今后數字電路實驗教學與課程設計教學改革的新方向。

參考文獻：

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