廖貴成　覃澤濤

摘 要 在數(shù)字電路課程的教學(xué)中，應(yīng)該對(duì)傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法、門電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)、脈沖波形產(chǎn)生和整形等傳統(tǒng)過(guò)時(shí)的舊技術(shù)與方法進(jìn)行適當(dāng)刪減，同時(shí)融入EDA等現(xiàn)代電子新技術(shù)和新方法，增強(qiáng)數(shù)字電路課程的時(shí)代感和實(shí)用性，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞 數(shù)字電路 EDA技術(shù) 教學(xué)改革 電子設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.057

New Strategy of Digital Circuit Teaching Reform

Under the Condition of New Technology

LIAO Guicheng[1]， QIN Zetao[2]

（[1] College of Vocational and Technical Education，

Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou， Guangxi 545006;

[2] Engineering Training Center， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou， Guangxi 545006）

Abstract In the teaching of digital circuit course， it should be suitably deleted to the traditional manual design method， internal structure of door circuit， pulse waveform generating and shaping， and also the other traditional outdated technology and methods. At the same time EDA and other modern electronic new technology and new method should be integrated into the digital circuit course， so as to enhance the feeling of contemparaneity and practicality， to improve the students' innovation consciousness and application ability.

Key words digital Circuit; EDA Technology; teaching reform; electronic design

0 緒論

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，以大規(guī)?？删幊碳夹g(shù)、嵌入式系統(tǒng)等為核心的最新科技學(xué)科已經(jīng)普遍出現(xiàn)在了高等教育的課程設(shè)置中，這些學(xué)科技術(shù)引領(lǐng)著未來(lái)電子技術(shù)的發(fā)展方向。電子技術(shù)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課——“數(shù)字電路”的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同時(shí)也對(duì)這一課程的教學(xué)內(nèi)容提出了極大的挑戰(zhàn)。然而，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)高校該課程的教學(xué)內(nèi)容幾乎仍停留在上個(gè)世紀(jì)八九十年代，并仍以那個(gè)年代的手工數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)為核心教學(xué)內(nèi)容與考核內(nèi)容。這就導(dǎo)致了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力較低，缺乏自主創(chuàng)新能力與意識(shí)，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)和社會(huì)的需要。當(dāng)然也有好些教材也將VHDL等EDA內(nèi)容加到課程內(nèi)容中，但目前的數(shù)字電路教學(xué)體系還是呈現(xiàn)一種拼接的模式，整體內(nèi)容缺少因果鏈接。①因此改革數(shù)字電路中過(guò)時(shí)的內(nèi)容、將先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)系統(tǒng)地融入到數(shù)字電路課程中，是數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展的必然選擇。

1 傳統(tǒng)舊技術(shù)與方法的取舍

數(shù)字電路中有一些傳統(tǒng)的技術(shù)與方法，在現(xiàn)代企業(yè)的電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)沒(méi)有用武之地。學(xué)生花大量時(shí)間學(xué)習(xí)這些落后和被淘汰的知識(shí)和方法，是得不償失的，不僅耗費(fèi)學(xué)生的精力和時(shí)間，妨礙新技術(shù)的學(xué)習(xí)，更是對(duì)國(guó)家和社會(huì)資源的浪費(fèi)。對(duì)這些過(guò)時(shí)的內(nèi)容，我們要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減，使教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需要。

1.1 傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容包括以卡諾圖為工具的邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)、小規(guī)模門電路組成的組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)以及由觸發(fā)器及門電路構(gòu)成的時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)等。這部分內(nèi)容在數(shù)字電路課程中占據(jù)了主要的內(nèi)容與篇幅，這在上個(gè)世紀(jì)八九十年代自動(dòng)化設(shè)計(jì)還不流行的時(shí)候是合適的，因?yàn)槟菚r(shí)候的電氣產(chǎn)品及自動(dòng)化控制電路很多都是采用中小規(guī)模的數(shù)字集成電路完成設(shè)計(jì)的，而現(xiàn)在的電子產(chǎn)品及控制電路，已經(jīng)幾乎見(jiàn)不到中小規(guī)模數(shù)字集成電路的影子，取而代之的是微處理器（含嵌入式處理器）以及大規(guī)模可編程器件、DSP等，只是在接口及驅(qū)動(dòng)電路上還能偶爾見(jiàn)到中小規(guī)模數(shù)字電路。比如現(xiàn)代的家電產(chǎn)品洗衣機(jī)、空調(diào)、電視等都用到了微處理器控制，手機(jī)、導(dǎo)航儀等電子產(chǎn)品則用到了嵌入式處理器，語(yǔ)音、圖像識(shí)別等產(chǎn)品則用到了DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），而在機(jī)頂盒、調(diào)制解調(diào)器等產(chǎn)品中則用到了FPGA等大規(guī)?？删幊唐骷?。采用中小規(guī)模數(shù)字電路設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品，還沒(méi)上市就已經(jīng)是落后的。

1.2 邏輯門內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)原理

門電路一章的教學(xué)應(yīng)以集成門的外部特性教學(xué)為主，讓學(xué)生看到門電路的真值表就能夠應(yīng)用該電路，而不管該電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容通常是以反相器為例，分析電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而得到其邏輯功能，而對(duì)其外部特性及接口參數(shù)則認(rèn)為是死記硬背、枯燥的東西就一筆帶過(guò)。而實(shí)際上我們應(yīng)用數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)考慮得最多的除了器件的邏輯功能就是外部特性和接口參數(shù)，而內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)怎樣、如何工作基本上無(wú)需考慮。而且內(nèi)部電路的分析對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大、理解困難，完全沒(méi)有必要讓學(xué)生把時(shí)間和精力浪費(fèi)在這種沒(méi)有實(shí)際意義的知識(shí)的學(xué)習(xí)上。因此在內(nèi)容安排上，應(yīng)著重介紹各種門電路的外部特性和接口參數(shù)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)在實(shí)踐中正確選擇和使用合適的集成電路，設(shè)計(jì)出能適應(yīng)實(shí)際環(huán)境和應(yīng)用的優(yōu)秀電路。endprint

1.3 ?脈沖波形的產(chǎn)生和整形

“脈沖波形的產(chǎn)生和整形”這部分內(nèi)容其實(shí)和“數(shù)字邏輯”沒(méi)有直接關(guān)系，實(shí)際上是屬于模擬電路的內(nèi)容。只不過(guò)在模擬電路中，波形的產(chǎn)生完全是用模擬的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在目前多本數(shù)字電路教材中，則是采用門電路加模擬的阻容元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)質(zhì)上是把門電路當(dāng)集成放大器來(lái)應(yīng)用。而這種應(yīng)用是和“數(shù)字”的概念相背離的，不利于學(xué)生對(duì)“數(shù)字邏輯”的學(xué)習(xí)。這部分內(nèi)容的另一個(gè)重點(diǎn)是對(duì)“555”時(shí)基電路的介紹。其實(shí)這個(gè)555時(shí)基電路是上個(gè)世紀(jì)70年代的產(chǎn)物，距今已有40多年的歷史，在集成芯片技術(shù)飛速發(fā)展的今天，它已經(jīng)完全沒(méi)有了用武之地。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，那么多新知識(shí)新技術(shù)要學(xué)，再花時(shí)間精力學(xué)習(xí)“555”時(shí)基電路，那就是舍本逐末了。

2 新技術(shù)與新方法的應(yīng)用

2.1 新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前的電子新技術(shù)主要包括EDA技術(shù)、實(shí)時(shí)軟件仿真技術(shù)、先進(jìn)自動(dòng)化繪圖與制板技術(shù)等。EDA即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是一種基于軟硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件的方法來(lái)高效地完成硬件設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。EDA技術(shù)已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要手段，它采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，利用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺(tái)上，以硬件描述語(yǔ)言（HDL）為主要設(shè)計(jì)手段，以大規(guī)模可編程器件（CPLD或FPGA）為載體，完成電子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。這種硬件電路的軟件化設(shè)計(jì)，已經(jīng)完全改變了數(shù)字設(shè)計(jì)的整個(gè)面貌。

2.2 融入EDA等新技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容安排

傳統(tǒng)的數(shù)字電路內(nèi)容主要包括邏輯代數(shù)、門電路、組合邏輯設(shè)計(jì)、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器與可編程器件等，實(shí)踐過(guò)程中，我們削減了一些陳舊過(guò)時(shí)的內(nèi)容，增加了VHDL硬件描述語(yǔ)言、QuartusII電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)、FPGA/CPLD大規(guī)?？删幊唐骷菶DA技術(shù)內(nèi)容。我們強(qiáng)調(diào)VHDL硬件描述語(yǔ)言是設(shè)計(jì)數(shù)字電路的語(yǔ)言工具，與邏輯代數(shù)這一分析設(shè)計(jì)數(shù)字電路的數(shù)學(xué)工具同等重要，并放在同一章節(jié)進(jìn)行講解。而基于VHDL的相關(guān)電路描述與設(shè)計(jì)則結(jié)合相關(guān)的內(nèi)容，穿插到各個(gè)章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)講述。QuartusII則是將VHDL設(shè)計(jì)變成電路實(shí)現(xiàn)的中間平臺(tái)與工具，將這部分內(nèi)容放到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中講解。FPGA/CPLD大規(guī)?？删幊唐骷菍?shí)現(xiàn)VHDL設(shè)計(jì)的載體，與存儲(chǔ)器放在同一章中講解。

我們立足于數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的基本原理，將EDA技術(shù)融入到數(shù)字電路課程中，將這些原理與現(xiàn)代的工具與實(shí)踐技術(shù)相結(jié)合，提高了畢業(yè)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)技術(shù)水準(zhǔn)，也極大地豐富了數(shù)字電路課程的教學(xué)內(nèi)容。

2.3 新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法的融合

在數(shù)字電路課程的教學(xué)中，我們除了在教學(xué)內(nèi)容上增加EDA等電子新技術(shù)內(nèi)容外，在教學(xué)方法上，我們更注重新技術(shù)、新方法的與傳統(tǒng)知識(shí)的融合與因果鏈接。以加法器的學(xué)習(xí)為例，我們把加法器劃分為難易不同的功能模塊：半加器、全加器、4位加法器、8位乘法器，然后把不同功能模塊的描述方式（包括真值表、邏輯表達(dá)式、波形圖、卡諾圖等傳統(tǒng)的描述方式以及現(xiàn)代先進(jìn)的VHDL描述等）和實(shí)現(xiàn)方式（包括傳統(tǒng)的集成門電路實(shí)現(xiàn)以及現(xiàn)代的大規(guī)?？删幊唐骷⑽⑻幚砥鲗?shí)現(xiàn)等）及各種方式的特點(diǎn)一一列舉并對(duì)比講解，也讓學(xué)生的發(fā)揮和補(bǔ)充，期間充分運(yùn)用各種仿真軟件和開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生對(duì)各模塊的描述方法、實(shí)現(xiàn)方式及特點(diǎn)深刻理解。如對(duì)加法器的一種擴(kuò)展——8位乘法器，學(xué)生很容易就明白，用傳統(tǒng)描述方式無(wú)法去描述，而用VHDL描述卻只用一句“y<=a*b”就能完成;在實(shí)現(xiàn)方式上，用傳統(tǒng)集成門電路實(shí)現(xiàn)8位乘法器雖然理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是卻需用到幾百個(gè)集成門，電路復(fù)雜，成本高，速度慢，可靠性低。而用大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)時(shí)卻只需用一塊最簡(jiǎn)的CPLD芯片就能實(shí)現(xiàn)，成本低、速度快、可靠性也高。在數(shù)字電路教學(xué)中引入EDA技術(shù)，其強(qiáng)大的仿真功能很容易把實(shí)踐帶入課堂、帶入教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，使得理論與實(shí)踐能夠緊密結(jié)合。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)刪減過(guò)時(shí)內(nèi)容并引入EDA等現(xiàn)代數(shù)字電子新技術(shù)和新方法，提前至大二開(kāi)設(shè)數(shù)字電路課程，保持學(xué)生從大一開(kāi)始的一貫學(xué)習(xí)熱情和積極性，保證專業(yè)課學(xué)習(xí)的效果。同時(shí)也使學(xué)生有能力提早進(jìn)入大學(xué)生課外科技活動(dòng)，并在數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神等方面都有進(jìn)步，提高了學(xué)生現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用水平和工程實(shí)踐能力。通過(guò)對(duì)課程的改革，也完善和發(fā)展了數(shù)字電路課程的建設(shè)，使之適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展的要求和社會(huì)的實(shí)際需要。

基金項(xiàng)目：新世紀(jì)廣西高等教育教改工程項(xiàng)目“新技術(shù)條件下數(shù)字電子技術(shù)課程綜合教學(xué)改革研究”（編號(hào)：2010JGB 061）

注釋

① 姜書(shū)艷，張鷹，蔣寧，等.數(shù)字電路教學(xué)體系改革的研究[J].教育教學(xué)論壇，2014（6）：165-166.endprint