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数字电路设计知识范文1
【关键词】射频直采；GNSS；FPGA；DDR3；滤波
【Abstract】This paper puts forward a multi-frequency signal acquisition system based on sampling technology of RF satellite signals， simplifying RF front-end， increasing the sampling bandwidth， without mixing， multi-frequency signals can be sampled simultaneously. And then enter the FPGA sampling again to finish digital down conversion， shunts filtering， finally the procedure will be cached into DDR3， using Ethernet to realize the multi-channel signal synchronous acquisition. This method not only makes the RF system simple and flexible， but also reduces the interference caused by the RF front-end， achieving the integrity of the signals， improving the quality of sampling signal. The result of the experiment shows that the system is able to collect data from multiple bands continuously， and verifies the validity of this system through capturing the signals of GNSS.
【Key words】Direct-RF； GNSS； FPGA； DDR3； Filter
0 引言
随着电子技术和用户需求的快速增长，卫星导航技术已广泛应用于国计民生、社会发展的各个领域，并显现出巨大应用潜力。国际四大系统都开始运营，我国的北斗系统建设发展已经有十几年之久，目前只是覆盖亚太区域的东南亚地区，为以后的全球系统建设奠定基础，北斗系统逐渐进入到各个领域，具有重要的军事战略意义和显著的经济效益。
利用多系统进行导航将有效地减小电离层时延误差，提高定位精度，在有遮挡的区域可以提高导航的连续性和有效性。传统的导航接收机，射频前端需要多级混频、放大、滤波，混频器和放大器设计难度较大，如果在多频点和多系统接收机中，这个难度就更大，针对此问题，本文设计研究了射频直接采样GNSS数字电路，规避混频，简化系统结构，增加了系统的灵活性，在接收不同频段信号时，接收机只需要调整前端的滤波器和AD采样率。
1 硬件平台设计
在卫星导航接收机硬件思想描述上，为了保证信号完整性、实时性，按照软件无线电的设计思路，尽量让AD靠近天线端口。若AD具有高增益、高灵敏度、高动态范围，那么前端的设计就可以简化，首先在射频前端用低噪放对信号进行放大、带通滤波，然后对多频信号进行分路滤波，再将滤波后的信号送至高速AD进行采样，通过FPGA进行缓冲和数据处理（FIR数字滤波及抽取），最后将数据封装成帧通过以太网口将数据打包送至上位机，上位机在物理层捕获以太网数据包，解析MAC地址将需要的数据存储到硬盘之中，最后通过软件利用采集到的数据进行捕获跟踪及定位解算，图1（a）为系统整体硬件平台的结构。
1.1 射频前端设计
目前，射频直接采样和数字下变频主要有 2 种实现方式：一种是选择较高采样率对接收信号直接采样，利用抽取滤波（在FPGA上实现）方法降采样率的多系统多频点接收机，可以选用 1600MHz 的 A/D 采样速率（时钟上下沿同时采样可以达到3.2GHZ），由于受到硬件和布线水平的限制，此方法实现难度大；另一种是选择较低的采样率，对几个窄带信号通过射频直接带通采样完成简单的数字下变频，而直采技术具备与模拟射频前端进行多级下变频具有一样的性能。本文将采用前一种设计思路，选择合适的采样率对接收的多路导航信号进行直采，然后利用多相滤波器结构、积分梳状滤波器、半带滤波器与高阶FIR 滤波器等技术设计抽取滤波网络，降低信号采样率，实现多频信号的分离和下变频。
ADC采样时钟来自于频率合成器输出的时钟，为了满足ADC对于采样时钟的相位噪声，本设计使用了10MHz的原子钟作为频率合成器输入，通过FPGA将频率配置成需要的频率，也可以由外部时钟源直接倍频输出。前端需要将信号放大至ADC可以采样的电平，接收到的卫星导航信号能量约为-141dB，GNSS天线增益为50dB，前端的增益足够对信号采样。
1.2 基于射频直接采样的采样频率选择
带通采样定理在频分多路信号的编码、数字接收机的中频采样数字化中有重要的应用。
在系统设计中，使用带通采样定理对射频信号进行采样。根据带通采样定理，采样率将只与信号带宽有关，与载波频率无关，这将使采样率大大降低。采样率最低应不小于两倍频率，也可以说成要求是不低于各频带带宽和的两倍，计算公式如下：
针对表 1 中列出导航信号载频及信号带宽分布关系，首先确定合适的射频采样频率这对整个系统的设计至关重要。1）利用数字混频的方法将采样频率降低到124MHz（多路信号带宽和），为了能够进行整数倍抽取，考虑选择 124MHz 的整数倍频率；2）从图2上可以看到，低载频的5路导航信号L2C、E5b、E5a（L5）、L2P（Y）、E6 信号的频谱相距很近，近似看为一个信号，记为A；同理 L1C/A（E1b/c） 频点的信号看作另一个信号，记为B；3）由于信号A的带宽较宽，为 127.875MHz（1 166.22MHz～1 294.095MHz），用式（1）对其进行带通采样，然后，用相同的采样频率对信号B进行采样。
用此采样频率进行射频直接采样，可达到频谱无混叠。并且进行D=3倍抽取后，即能降采样到124MHz。采取分级抽取降采样率的方法可实现。降采样后，信号A与信号B相距很远，仍然可以当作两个窄带信号来处理。
1.3 降采样率抽取滤波器的选择
在FPGA上实现降采样抽取滤波，滤波器选择窄带滤波器具有尖锐的截止特性（窄带电调滤波器）。只有将带宽参数趋近于信号带宽，这样就不会发生信号混叠，影响信号质量。
AD采样率太高，由于FPGA的工作频率限制，必须降采样运行。抽取就是把原来采样点按每隔D点生成新的序列，这样新的采样率就降为原来的1/D（D>1），通过PLL将FIR的时钟分出不同的频率，用这个频率接收FIR输出的数据，即可以完成数字信号D倍的抽取，抽取后将大大减少数据量，降低处理难度。
设原始输入信号为X（n），抽取后的信号为XD（m），则抽取后的信号表示为：XD（m）= X（mD）。经滤波抽取信号频谱变为：
要不想产生混叠，可以进行如下操作，首先原始信号通过一个LDP数字低通滤波器（带宽为π/D），对原始信号进行滤波，使原始信号的频谱中只含有小于π/D的频谱存在，再进行D倍抽取，那么抽取后的频谱就不会发生混叠。
常用的抽取滤波器包括半带（HB）滤波器、积分梳状（CIC）滤波器。HB滤波器是一种特殊的低通FIR数字滤波器，特别适合2倍抽取（D=2），并且HB滤波器的长度为奇数，其冲激响应h（k）为实数且为偶对称。当实际的抽取倍数不是2的幂次方，此时就需要用到积分梳状滤波器进行3倍抽取。
1.4 抽取滤波器的设计
针对图（b）所示经直接采样后的导航信号频谱示意图，要实现多系统多频点的分离并且降采样。由于信号A与信号B频谱相距较远远，采样后信号利用一级CIC滤波器级联实现3倍抽取，滤掉A信号，并且采样率变为124MHz。将L2C信号频谱搬移到零频，再用一个FIR低通滤波器，滤除带外信号。L1 C/A信号的分离与降采样率实现同L2C信号。对于A信号，将带通采样后的信号经过一个3阶高通滤波器后，滤除B信号，并进行抽取。同理将E6信号频谱搬移到零频，使用一级CIC滤波器实现1倍抽取，再经过一级HB滤波器实现1倍抽取，再用FIR低通滤波器低通滤波，此时E6信号分离并且采样率降低为124MHz。
数字信号处理中滤波器是核心，单级CIC滤波器的旁瓣电平是比较大，低于主瓣13.46dB，通带纹波对主瓣的影响，阻带截止特性不够明显。如果采用3级CIC滤波器级联，带通特性明显，阻带衰减可达到40dB以上。几百兆或者几十兆的高速信号经过CIC滤波器抽取不会发生频谱混叠。HB滤波器具有良好的通带抑制纹波小和阻带截止滚降特性明显。以上两种滤波器的幅频特性由抽取次数和级联级数决定，滤波和降采样同时进行。
1.5 其他核心器件
两个DDR3即双倍速率同步动态随机存储器。为了适应高速信号的采集存储，保证采集信号的完整性和存储的连续性。系统使用了两片MICRON公司的高存储密度和高带宽的数据存储应用的理想选择。
在多频高速信号数字电路中，时钟电路是整个系统的最关键部件。采样时钟的抖动和相位噪声会完整地传递给采样输出，从而影响系统的载噪比。同步时钟依赖的时钟稳定度取决于时钟芯片的电源相噪。本系统采样时钟由外部时钟源提供LVDS电平，因此不需要对输入时钟源进行电平转换及电路匹配设计，可以达到ADC的时钟输入要求。选用TI公司的芯片对时钟电路进行管理，芯片传输延时75ps，周期间抖动0.5ps，可满足时钟分配及传输要求。
本系统采用MICREL公司的千兆以太网芯片，通过BEL公司的网口接插件（自带电平变压器），将采集的高速数据上传至PC上位机或者至下级的DSP处理实现面向对象的人机交互和显控。以太网的PHY是直接连接到FPGA的内部ARM核，将采集处理数据封装成帧以MAC地址进行发送。以太网参考时钟是25MHZ，可以倍频到千兆。而到上位机进行数据获取时，FPGA发送数据时仅使用以太网的物理层，所以在PC主机抓包时仅需关注数据包的 MAC 地址信息即可，不需要再对 TCP/IP 协议进行分析和处理。
2 仿真实验
通过配置不同采样率，对实际卫星信号进行采集存储，利用快速捕获算法，对采集到的数据进行捕获处理，获得信号相关峰，如图3所示。分析频率与码相位在二维搜索的影响，对1ms信号进行时域和频域的捕获，并且噪声系数和信号频谱谱峰相差很大。因此，本文设计的直采系统适合GNSS系统。
3 结论
本文介绍了基于射频直接采样的GNSS多频点数字系统的设计。论文从硬件平台入手，主要有射频前端、数字信号处理、以太网与上位机互传等，对多系统多频点采样率选择和FPGA采样数据的抽取，利用半带滤波和CIC滤波抽取方法实现中频下变频。该系统在灵活性和可扩展性方面都要优于传统的下变频采集系统，具备很好的通用性。
【参考文献】
[1]陈媛，常青.导航信号的射频直接采样与数字下变频方法[J].信息电子与工程，2010，10，8（5）.
[2]杨亮，郭佩，秦红磊.射频直接采样多频GNSS信号采集系统的实现[J].电讯技术，2011，8，51（8）.
[3]黄杰文，李杨，禹卫东.直接射频采样的 L 波段星载 SAR 数字接收机设计[J].中国科学院研究生院学报，2010，7，27（4）.
[4]常高嘉，冯全源.基于 FPGA 的高速数据采集系统的设计与实现[J].电子器件，2012，10，35（5）.
数字电路设计知识范文2
关键词：Pi演算；数字电路；符号仿真
中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)26-6425-01
A Checking Approach for Digital Circuit Based on Pi-Calculus
LIU Rong-Sheng
(Department of Information Engineering, Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001, China)
Abstract: Pi-calculus has been applied in many fields, such as software engineering, Web services, and a lot of research results have been got. The Pi-calculus is used to simulate and analysis the digital circuit. The paper is the base for applying Pi-calculus to designing of digital circuit and chips.
Key words: Pi-calculus; digital circuit; symbolic simulation
在具体的系统设计中，由于集成电路器件十分复杂，为便于在实际制作之前观察设计结果，以确认电路能否满足设计要求，需要对设计电路进行仿真分析[1]。现在常用的数字电路系统仿真工具有Matlab、Verlog HDL、Spice和ModelSim等。但是使用这些工具对系统进行仿真分析时，准确的描述系统较为困难。MWB是一款支持Pi演算进行模型验证的工具软件，我们已经分别将基于MWB的验证技术应用于Web服务、移动计算等领域，取得了不错的验证效果。但是犹豫软件系统的复杂性，以及形式化验证技术中状态爆炸的问题，验证问题规模非常有限，在这里我们尝试使用MWB用于数字电路设计的验证。
1 MWB简介
MWB是一款基于Pi演算对移动系统进行形式化建模和验证的工具，其中需要验证的系统采用Pi演算进行建模，Pi演算的语法和语义分别如定义1及定义2所示。
定义1. 类型化Pi-演算语法
定义2. 类型化Pi-演算的规约语义
其中Г为进程c![y1,…,yn].R+S的类型上下文环境；
Δ为进程P+c?[x1,…,xm].Q的类型上下文环境
有关Pi演算更进一步的知识，可参考文献[2]。
2 Pi演算在数字电路设计中的应用
我们在设计电路时，需要知道一些重要的特性是否被满足[3]。如果用Mu演算公式描述设计人员想要的验证的特性。当电路的结构已知时，这个问题变可转换成Mu演算模型检验问题。在数字电路的设计中经常要使用的逻辑门电路有与、或、非和异或门等，为验证方便，先将这些基本的逻辑门用Pi演算公式表示如图1所示。
我们用模4计数器的例子说明MWB模型检验在数字电路设计中的应用。模4计数器数字电路的设计图如图2所示。
图2所示数字电路可以用Pi演算描述如图3所示。
系统的性质是希望v1与v0依次循环输出序对（0,0），（0,1），（1,0），（1,1）。通过对Pi演算表达式使用Pi演算规约语义进行推演，任意给定以上四个序对中的一个作为v1与v0的初始状态，都能依次得到上面4个序对的循环。因此设计符合设计要求。
3 总结
Pi演算已经在Web服务，软件工程等领域有了广泛的研究和应用，在这里我们尝试使用Pi演算对数字电路进行仿真检验。通过研究为Pi演算在数字电路设计领域的应用奠定了一个基础。
参考文献：
[1] 李哲英,骆丽.数字集成电路设计[M].北京:机械工业出版社,2008:30-31.
数字电路设计知识范文3
【关键词】数字电路 模拟电路 发展
1 前言
随着国民经济的快速增长，科学技术的快速进步，电子信息产业得到快速发展，逐渐渗透到国民经济生活的各个领域，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。电子信息产业对军事领域也有着深远的影响，改变了传统战争的作战模式，在现代国防中发挥着越来越重要的作用，其在其在国防领域的应用也彰显了一个国家的综合国防水平。
作为高新技术产业，知识、技术和资本是电子信息技术产业得以快速发展的三个重要因素，它彰显了一个国家或地区制造业的整体水平，也是一个国家或地区科学技术和制造业综合实力的重要标志。就我国目前的社会经济现状而言，我国正处于传统产业结构转型时期。如何平衡新的产业结构，达到经济的稳定快速发展，解决目前政府资本过剩、内需不足、市场疲软等宏观经济问题是我国目前经济社会发展面临的一个重要挑战。而加速电子信息产业的建设与发展，对于促进传统产业变革、改变传统产业结构、增加就业率、提升就业水平具有重要作用是应对这一挑战的最好办法。
电子电路是电子信息产业的技术支撑。是电子信息产业的发展重要限制因素。电子信息产业的快速发展离不开电子科学技术的发展及应用。生产技术的提高及加工工艺的改进加快了集成电路的更新速度，也为电子信息产业注入了蓬勃的朝气以及更加旺盛的生命力，使其得以快速发展。根据其结构、功能的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。
2 模拟电路
模拟电路是一种针对模拟信号（幅值随时间连续变化的信号）行传输或处理的电子电路。它主要是利用电流或电压对真实信号进行模拟，使其等比例的再现。如调幅/调频的收音机，接收处理无线电广播信号，然后经过一系列的混频、放大、解调等过程，最终完成音乐的播放和新闻等的报道。模拟电路在生活中的应用非常广泛，如晶体管小信号放大器，低频功率放大器，负反馈放大器，MOS 集成运放，谐振放大器，直流稳压电源等。都是用模拟电路制作的。
模拟电路的设计过程比较复杂，其设计的重点在于电路参数的实现。其设计的基本流程主要包括以下几个方面：
2.1 系统定义
系统定义是模拟电路设计的基本前提。根据设计要求，模拟电路设计工程师需要对电路系统及子系统做出相应的功能定义，并确定面积、功耗等相关性能的参数范围。
2.2 电路设计
电路结构的选择是电路设计的重要环节。模拟电路设计工程师需要根据模拟电路需要实现的功能要求、设计规范及相应的参数指标选择合适的电路结构，并在此基础上确定元器件的组合方式等。针对模拟电路的设计，目前暂时没有可以利用的比较成熟的设计软件，因此，只能是有工程师根据自己的经验手工完成。这在一定程度上增加了模拟电路设计的难度，限制了模拟电路的发展速度。
2.3 电路仿真
电路仿真是模拟电路的设计过程中必不可少的一个环节，是模拟工程师判断模拟电路是否可以达到设计要求的一个重要依据。工程师根据仿真结果，不断对电路进行修改和调整，直到模拟电路的仿真结果可以达到设定的指标及相应的功能要求。常用方法主要有参数扫描法，直流和交流分析法、蒙特卡罗分析等
2.4 版图实现
版图将电路设计转化生产的重要桥梁。在由前面的设计及仿真结果确定了模拟电路的结构及相关参数后，设计工程师对设计的模拟电路进行物理几何性的描述，将其转换成图形格式，以便于模拟电路后续的加工与制作。
2.5 物理验证
在物理验证阶段，需要对设计的模拟电路进行设计规则检查（DRC）。设计规则检查是在给定的设计规则的基础上对其最小线宽、孔尺寸、最小图形间距等限制工艺进行检查，衡量版图工艺实现上的可行性。此外，还要对版图与电路图的一致性进行检查（LVS）。可以利用LVS工具提取版图的参数，将得到的电路图与原电路设计图进行比较，保证版图与原电路设计的一致性。
2.6 寄生参数提取后仿真
在版图之前进行的电路设计的仿真称之为“前仿真”，“前仿真”都是比较理想的仿真，没有考虑到连线的电阻、电容等寄生参数。将寄生参数加入版图后进行的电路仿真称之为“后仿真”，只有当后仿真的仿真结果达到设计指标及系统功能要求，电路的设计工作才算完成。寄生参数对模拟电路的影响较大，前仿真的仿真结果满足的情况下，后仿真结果却无法满足要求。因此，设计工程师需要根据后仿真结果不断进行晶体管参数的修改，有时甚至要进行电路结构的调整，直至后仿真结果达到系统设计要求。
目前，模拟电路设计难度高且比较复杂，使用的EDA工具的功能和系统配套性又相对落后，且在设计过程中需要进行频繁的人工干预，对寄生参数等比较敏感等，这些都在一定程度上限制了模拟电路的发展，导致模拟电路发展速度相对缓慢。
3 数字电路
数字电路设计知识范文4
关键词：数字电路；教学改革；能力培养
中图分类号：G431文献标识码：A
数字电路与系统这门课是理工科大部分专业的重要专业基础课，培养学生数字逻辑的基本概念和数字系统的设计能力。我校作为一所民办本科院校，以培养应用型人才为目标，数字电路与系统课程也不例外。我们在多年教学过程中总结了一套适用于该层次学生的教学思路和方法，并启动了数字电路与系统课程教学改革项目，对取得的研究成果进行总结，主要分为以下几个方面。
1.课程教学内容研究
1.1 弱化陈旧过时的内容
随着数字集成电路及大规模可编程逻辑器件的发展，中小规模电路应用已经逐渐减少，而传统的授课思路过多注重中小规模的应用。且在大规模可编程逻辑电路设计过程中，逻辑化简已经有开发工具取代，很少需要手工化简。故而数字电路与系统课程在教学内容上要做相应调整。有些内容课程教学内容化简只介绍化简的原理和方法，不讲化简技巧，考试也不做深入要求。
1.2 删减原理性内容的讲解，注重应用技巧和分析思路
为了配合应用型人才培养目标，在授课过程中适当减少原理性讲解，比如边沿JK触发器工作过程分析教材上一般有详细的分析过程，但授课中只要分析一两种工作情况，并借此介绍分析思路，有兴趣的同学可以课下自己分析，而大部分同学只要弄懂使用方法就可以了。时序逻辑电路应作为重点内容，讲授时应注重时序逻辑电路的分析过程，使学生深入理解相关概念，对于状态化简等要求要降低，只掌握方法即可。
1.3 教学内容在顺序上的调整
此外，考虑到数字电路是嵌入式系统、FPGA、DSP及IC设计等课程的先修课程，为了方便这些后续课程的安排，所以把数电课程提前，跟模电统一学期开设，为后续课程提供足够的时间。这就造成数电中逻辑门电路一章的内容受到影响，因此在授课时把这一章的内容往后移，等模电三极管基本放大电路学完之后再讲授这部分内容，可以解决数电和模电安排在同一学期的问题。
2.课程教材建设
由于数电教学内容作了一定的调整，因此教材的选取要能适应这种调整。而现有教材大部分是按照老的教学体系编写的，内容难免陈旧、过时，为了适应新形势的需要，我们根据应用型人才培养的要求，分别编写了本科和专科适用的教材。
本科的教材编写思路是采用弱化传统的逻辑代数公式化简和器件内部结构原理等内容，对中小规模集成电路重点介绍其使用方法和数字逻辑的基本概念，使学生建立起数字逻辑的研究方法和设计思想，同时在传统内容之上增加了大规模可编程逻辑器件和硬件描述语言方面的内容，传达了自顶至底的数字系统设计方法和理念，为运用大规模可编程逻辑电路设计数字系统打下良好基础。
专科的教材则更加弱化原理讲解，对于集成逻辑门和触发器等着重介绍器件功能和使用方法，原理只做最基本的讲解。除此之外，每一章都增加电路设计和调试及错误排查方法等内容，对学生进行电路设计的技能训练，再结合实验和综合课程设计，使学生动手能力得到提高。目前本科教材已经在我校使用了三届，专科教材也使用了一届，使用效果良好。
3.课程教学方法和手段
课堂教学作为重要的教学环节，采用合适的方法和手段至关重要。在数字电路教学过程中，重点做到以下几方面：
3.1 注重学生主观能动性的发挥
学生在课堂学习过程中如果只是被动接受知识，会导致填鸭式教学，必然会导致学生学习兴趣下降，学习效果大打折扣。因此在课堂上要注意引导学生主动思考，对学生的预习情况进行干预，以预留作业的形式让学生预习必要的知识，然后再课堂上再就预留的问题请学生分组讨论，每组阐述讨论的结果。虽然开始的时候学生做的不是很好，但是只要坚持这种做法，讨论时加强引导，就会收到良好的效果。
3.2 注重习题课和平时测验
笔者在教学中发现学生对所学知识不会灵活运用，体现在作业中就是对没接触过的类型题目不知道该怎么做，自己没有思路。其实这些题目如果对知识点理解的话是可以独立完成的，不会做说明知识点理解的不好，所以不会应用。这种情况下就要有针对性的设置习题课，讲一些典型的例题，并着重题目的解决思路和方法的培养，使学生遇到类似的问题能够灵活运用。然后再通过一些课堂测验了解学生的学习情况，及时对测验结果进行总结，并反映在后续的教学中。
3.3 注重实验教学
数字电路应该是一门理论和实验相结合的课程，两者相辅相成。因此在理论课之外设置了两种形式的动手环节：一种是跟理论课紧密配合的电子技术实验，实验的设置以理论教学进度为依据，让学生能够在刚学完某一知识点时就能通过实验进行验证，通过实验理解理论知识和培养基本的分析和测试实验结果的能力；另外一种是在学期末的电子技术综合课程设计，给学生布置合适的题目，让学生从方案设计、芯片选择、电路布局、焊接查错等方面得到训练，同时撰写课程设计报告，切实培养学生分析和解决问题的能力，写总结文档的能力，提高学生的综合素质。
4.结束语
随着科学技术的不断发展，数字电路教学也必然面临着教学内容和模式的不断改革，以适应新形势的需要。因此授课教师应不断充实自己，不断总结和积累经验，抓住教学重点，使学生切实学懂这门课，掌握数字逻辑设计的重要概念和基本方法，为后续课程和今后走上工作岗位打好基础。笔者在教学中所采用的内容改革和教学方法创新通过多轮教学实践证明，是切实可行的，能够很好的反应当前数电教学的新形势，教学效果良好。
参考文献
[1]杨志忠，卫桦林等.数字电子技术基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009，7
[2]杨志忠，赵航等.数字电子技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2012，1
数字电路设计知识范文5
关键词：数字电路；教学内容；教学手段；考核方式
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0084-02
数字电路是电子信息类专业的一门重要的专业基础课，学生通过对该课程的学习，应能正确掌握数字电路的基本理论和设计方法，并具备一定的实践应用能力。数字电路课程内容较丰富，但学时却在不断减少，使得学生在课堂上没有过多的时间去理解所学知识，难以跟上教师的节奏，导致他们失去了学习的兴趣。而且，随着电子技术的迅猛发展和电子行业对人才的需求，高校数字电路课程传统的教学内容和模式已远远不能满足社会的需要，因此，有必要在教学内容、教学方法和考核方式等方面做些改革和研究，探索以培养学生创新意识和创新能力为目标的教学新理念、新模式和新手段，以获得更好的教学效果。
一、课程教学内容的改革
数字电路课程理论体系非常丰富，内容较多，在教学中存在的问题主要有两方面。问题一是部分教师过分强调理论教学，对集成芯片的内部原理分析过于烦琐，以至于忽视了芯片的外部应用和数字电路设计中不断出现的新技术，导致学生疲于芯片电路原理的学习，疲于应付考试，而缺少时效性，不能将所学知识与实际应用相结合，毕业后不能适应企业的发展需求。问题二是部分教师教学体系安排不合理，过分强调开发工具的使用，而忽视基础理论的教学，这样使得学生对开发工具的应用操作能力较强，但不具备完整的知识体系，一旦遇到问题不能举一反三。因此，在实际教学中应体现课程的基础性、系统性和先进性，能够与时俱进，在教学内容的安排上，既要重视基础知识，又要紧跟时代的发展介绍开发工具的应用。在基础理论教学上，应该以集成电路为主线，对逻辑代数基础、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路和脉冲电路六大模块加以介绍，以小规模集成电路为基础，引入中、大、超大规模集成电路，逐步学习各类集成电路的芯片，教学中要着重强调各类电路的逻辑功能及应用。另外，要将基础理论与EDA技术相结合，使学生熟练掌握VHDL语言，熟练使用Quartus II软件，能够应用EDA技术设计数字电路，以培养学生的创新能力。
二、采用启发式教学
在传统的课堂教学中，往往都是课堂上教师讲授，课后学生做练习，课堂教学的信息量较大，学生难以接受，因此如何调动学生的学习积极性至关重要。而启发式教学，就是以教师为主导，在教学中不断引入实例，增强课堂上与学生的互动性，充分调动学生的主动性和创造性，引导学生能够举一反三，培养学生的自学能力和创新能力。
三、采用对比法介绍相关内容
在数字电路中，很多知识模块是相关的。例如，在介绍时序电路的设计时，可与组合电路的设计做对比。时序电路是在组合电路的基础上增加了记忆元件-触发器，因此两者的设计在步骤上是相近的。首先定义输入、输出变量是共同点，不同之处在于时序电路还需要定义不同的逻辑状态；其次要列写关于输出与输入变量的真值表，而时序电路还要表示出输出与输入变量、次态与初态之间的关系，因此对应的表称为状态转换表；然后需要写出关于输出与输入变量的逻辑函数式并化简，而时序电路要通过卡诺图化简写出状态方程、输出方程及驱动方程；最后都要画出逻辑电路图，但时序电路还要验证能否能自启动。
四、借助于网络，优化教学手段
目前，数字电路的课堂教学多采用课件，这样能够大大减轻教师板书的工作量，增加信息量，但是部分教师过分依赖于课件，不再写板书，这样虽然教学速度变快，但是学生难以与教师保持同步，很难做到互动，无法提高教学质量。因此，在课堂教学中应以“翻转课堂”为核心，以学校的网络教学平台为依托，建设数字电路课程教学资源，包括课程介绍、教学大纲、教学课件、试题库、在线测试[1]、录制教学微视频等内容，完善课程教学资源网站，使得学生在课堂教学的基础上能够借助于网络和多媒体技术完成课程基础知识的学习。在课堂教学中，教师可以针对不同的内容采用不同的教学方式。对知识性较强的章节可采用课件教学，如用卡诺图化简逻辑函数；对内容浅显的章节可以通过老师的指导，及与同学之间的交流，协助其完成知识的内化，如门电路内容；对于一些难点，可采用板书与课件相结合的方式，如异步时序电路的分析与设计、脉冲电路的分析与设计。
五、加强与完善实践环节
数字电路作为一门电子技术课程，具有很强的实践性，必须有相应的实践环节配合，进而加深学生对理论知识的理解，并能具体应用到实际生活中。因此，实践教学是数字电路教学中必不可少的一个重要环节。在实验课教学中，实验电路题目的设置要与课堂理论知识相对应，实验课进度要配合理论课的教学，让学生做实验时能够有的放矢。首先以验证性实验为基础，让学生熟悉实验仪器的操作，加深对数字电路集成芯片的认识，掌握如何解决实际问题；然后侧重于综合设计性实验，包括用译码器及数据选择器设计任意形式的组合电路，用触发器设计同步及异步时序电路，用集成计数器芯片设计电子秒表，基于译码器和计数器设计八路彩灯控制器，基于A/D和D/A转换器设计简易的数据采集系统等。另外，学生可以选做部分实验，在开学初就发给学生每人一块面包板和一套实验用元器件，让他们可以在课后根据教学进度完成实验电路的设计、调试等工作。还有部分实验，学生需要在EDA实验箱上完成，这样大大增加了学生的兴趣，提高了学生学习的自主性。在课程设计环节，设置每人一题，在期中就安排课设题目。因为实验课教学往往是针对某一个或几个知识点，具有局限性，恰巧课程设计环节可以弥补这个不足。课程设计题目的选择应具有一定的应用背景，与实际生活紧密联系，例如设计电风扇控制电路、酒店客房控制电路、彩灯控制电路、音量控制电路、全自动洗衣机控制电路等。在课堂教学中不断启发学生如何设计相应电路，用仿真软件Multisim设计、调试电路，最终在面包板上实现电路的功能。在整个课设过程中，学生的兴趣在不断提升，同时也培养了学生在“工程”设计、制作和组织管理等方面的创新能力[2]。
六、改革考核方式，重视能力的培养
目前，数字电路课程的考核方式还局限于传统的应试教育模式，只是以期末考试成绩作为评定学生的依据，导致教师仅为了提高及格率安排教学，而不注重学生创新能力的培养；反过来，学生仅为了考试及格而学，而不注重自身能力的提高。这种考核方式严重背离了高等学校教学的目标，因此在实际考核时既要重视知识的考核又要重视能力的培养[3]，其中以期末试卷形式的知识考核着重考查学生对基础知识和电路原理及应用的掌握程度，期末试卷的成绩占总成绩的60%―70%，其他部分则是对能力的考核。能力考核包括日常小测验及综合能力的测试，例如在实践环节的教学中，首先在课堂上提出综合设计性实验和课程设计的题目，学生在课间可以自由组合，提出电路设计的思路，再由教师引导学生思考各方案的利弊及改进方法，给出综合能力测试的成绩，最后以实际教学证明这种方法能够大大调动学生的积极性，促使学生踊跃发言，开阔思路，提升能力。
七、与留学生交流，互通有无
数字电路课程的教学对象除了国内学生，还包括来自多个国家的留学生，这些留学生性格迥异，学习能力也不同。在课堂教学中应采用自愿的原则，国内学生及留学生可以到对方课堂上学习、交流。由于学校国内学生和留学生教学进度不一样，而且国内学生基础知识要扎实一些，因此教师可以安排部分优秀的国内学生作为助教，到留学生课堂听课、指导实验和课程设计。实践证明这种交互的教学方式非常有效，学生进一步掌握了数字电路课程的基本理论和应用，提高了英语水平，促进了不同国家间学生的文化交流。通过近几年的教学改革与实践，不断完善多种教学手段，改革教学内容和考核方式，使得课堂教学质量得到提高，学生的学习兴趣得到提升。在今后的教学中，还要与时俱进，紧随数字电路发展的潮流，紧跟科技发展的前沿，不断改革教学方法与手段，培养高素质的应用型创新人才。
参考文献：
[1]王维，许青林，韩改宁.计算机科学与技术专业数字电路教学改革研究[J].福建电脑，2012，（09）：33-34.
[2]严国红，赵文来，张水英.基于Multisim和FPGA的数字电路实验教学改革与研究[J].中国校外教育（中旬刊），2013，（z1）：227.
[3]王帅.数字电路设计课程教学改革研究[J].中国科技信息，2010，（19）：270-271.
Teaching Reform and Research of Digital Circuit Course
XU Jin-li，GE Wen
（Institute of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，
Shenyang，Liaoning 110136，China）
数字电路设计知识范文6
Abstract: EDA technique is the development tendency of modern electronic design, this article expounds the development and characteristic of the development of EDA Experiment System in colleges and universities, and proposes the prospect of the future development tendency.
关键词:EDA;实验系统;模块
Key words: EDA;experiment system;module
中图分类号:TP315文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)28-0146-02
0引言
随着电子技术的发展及电子系统设计周期缩短的要求,EDA技术得到迅猛发展。
EDA是Electronic Design Automation(电子设计自动化)的缩写。EDA技术,就是以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计开发工具,通过使用有关的开发软件,自动完成电子系统设计的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术[1]。
目前,几乎所有高校的电类专业都开设了EDA课程,为加强教学效果,通常都使用专门的EDA实验箱来辅助教学,但是实验箱采用了一体化结构,所有的电路和器件都在一块电路板上,在功能上难以根据需要进行扩展,不利于学生的创新设计,复杂系统难以实现;实验箱体积较大,不便携带;EDA实验箱、单片机实验箱、DSP实验箱、ARM实验箱中很多功能模块的硬件电路是相同的,但不同实验箱上相同模块不能共享,存在资源浪费。由于实验箱的上述缺点,很多高校都纷纷开始设计开发自己的实验系统,提高实验箱的利用率,提高学生的工程创新能力[2][3]。
1EDA实验系统开发的特点
EDA实验系统的开发具有以下特点:
1.1 实验内容由单一性向综合性发展早期开发的EDA实验系统主要是学生用来学习EDA课程、下载程序、进行仿真的工具;使用实验系统是老师用来培养学生设计数字电路的能力、帮助学生学习和掌握开发语言的手段。因此EDA实验系统仅在电子类专业的EDA课程中使用,系统所提供的实验内容仅限于简单的数字电路设计,包括计数器、编码译码器的设计、数码管的显示等。随着EDA技术的发展,电信、通信等专业纷纷引入EDA实验系统,在“通信原理”等课程的实验教学中被广泛应用于实践[4],实验内容也从单一的基本数字电路的设计发展到集EDA技术实验、单片机实验、DSP实验等为一体的综合性的实验平台[5]。因此,EDA实验平台逐渐面向电子信息类相关专业的学生进行课程的学习,课外竞技活动,电子类设计比赛,并逐渐用于教师进行科研。
1.2 系统结构从一体化向模块化发展早起开发的EDA实验系统在结构上采用一体化的实验箱设计,所有的电路和器件都在一块电路板上[6]。这样,系统的使用虽然可以帮助学生掌握软件的应用,但也使学生对硬件电路不了解;另外,系统在功能上难以根据需要进行扩展,不利于学生进行创新设计,复杂的系统则难以实现。因此在后来的EDA实验系统的开发上,大都都采用了模块化的结构[7][8],即FPGA、单片机等做在一块核心板上,其IO口以插针形式引出,以方便和电路的连接;电路则以模块的形式单独做在不同的电路板上,比如数码管显示模块、按键模块、LED显示模块等;根据不同的实验内容,可以选取相应的模块与核心板搭建而成。这样,模块化的设计提高了学生实际动手操作的能力,增强了学生参与实验的积极性;学生不但可以完成简单的固定电路的实验,也可以根据实际情况自由组合所需要的模块搭建自己设计的电路,从而提高学习兴趣,增强实验教学的效果;此外,模块化的设计还方便老师对学生设计的重复实现,有利于教学水平的提高。
1.3 核心芯片由单一化向丰富化发展早期开发的EDA实验系统由于仅用于EDA课程的学习,其核心芯片大都为Altera公司的FPGA等可编程逻辑器件,开发语言环境主要为界面友好、操作简便的MaxplusⅡ和QuartusⅡ。随着EDA技术向不同学科不同专业的渗透,核心芯片逐渐发展为FPGA、单片机和DSP器件的综合使用,开发语言也逐渐开始使用C语言或汇编语言等。这样,实验系统能提供的实验内容和规模均有所增加,除了基本的数字电路设计实验模块以外,还可以增设调制解调模块、帧同步模块、信号波形产生模块等,扩大了实验系统的使用率,使实验设备向大型化、先进化发展。
1.4 使学生的学习由被动向主动发展电子技术的发展日新月异,早期的实验平台由于其电路设计的封闭性,实验内容只停留在验证实验上,很难加入自己设计的电路。而模块化数字电路开放实验平台由于其接口电路的开放性,有能力的学生可以自行设计电路达到提高的目的,对于成功的设计还可以加到以后的实验教学中,成为具有自主知识产权的模块。
另外,由于整合了单片机、DSP等芯片的功能,实验内容得到很大扩展,学生在实验过程中可以拓宽知识面,主动去学习了解实验所需要的知识,学习的主动性得到很大的提高,并且,由于实验由简单的验证实验向综合的大型设计过渡,学生在实验过程中更容易理解数字电路设计中硬件的概念以及工程的概念。
学生在设计实验时,可能会用到一些实验系统没有开发出的模块,这时,学生需要自己设计该电路模块的电路图以及制作PCB板,直至实际制作出该功能模块。这样,学生除了掌握编程、还需要去学习怎样设计并制作电路板、学习该模块与核心板的接口电路设计等相关知识,因此,在实验过程中,学生的积极性和主动性得到提高。同时,由于实验的规模逐渐增加,同学之间需要团结合作才能共同完成一个实验,因此也锻炼了同学之间的团结合作精神。
2结论
一个好的EDA实验平台,能培养学生开拓创新精神和团结协作精神、很强的实践操作能力、工程设计能力、综合应用能力、科学研究能力以及独立分析问题和解决问题的能力。我国高校现阶段所研制开发的EDA综合实验平台,能有效整合和优化多个电子类实验课程的功能,为单片机和EDA技术等课程提供了综合实验平台,为高校培养创新性人才提供良好的实验条件和氛围。随着电子技术的发展以及EDA技术的不断深入发展,EDA实验平台的开发也将会日益完善:大规模可编程器件将被使用;实验系统将向体积小、功耗小的便携式嵌入式系统发展。
参考文献:
[1]廖超平等著.EDA技术与VHDL实用教程[M].北京:高等教育出版社,2007:1.
[2]刘延飞等著.开发EDA综合实验平台,提高学生工程创新能力[J].实验室研究与探索,2009,26(8):63-64.
[3]范胜利.一种基于模块的EDA教学实验系统[J].读与写杂志,2009,6(11):102.
[4]韩伟忠著.EDA,DSP技术与通信实验装置的总体设计[J].金陵职业大学学报,2002,17(1),52-54.
[5]孙旭等著.单片机、DSP、EDA的综合实验系统的设计[J].实验科学与技术,2008,6(6):55-57.
[6]雷雪梅等著.EDA教学实验箱的设计[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2004,35(3):344-347.
