新技术条件下数字电路教学改革新策略

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摘要：在数字电路课程的教学中，应该对传统手工设计方法、门电路内部结构、脉冲波形产生和整形等传统过时的旧技术与方法进行适当删减，同时融入EDA等现代电子新技术和新方法，增强数字电路课程的时代感和实用性，提高学生的创新意识和应用能力。

关键词：数字电路教学改革电子设计 EDA技术

绪论

随着现代电子技术的高速发展，以大规模可编程技术、嵌入式系统等为核心的最新科技学科已经普遍出现在了高等教育的课程设置中，这些学科技术引领着未来电子技术的发展方向。电子技术专业的重要基础课――数字电路的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同时也对这一课程的教学内容提出了极大的挑战。然而，目前国内多数高校该课程的教学内容几乎仍停留在上个世纪八九十年代，并仍以那个年代的手工数字设计技术为核心教学内容与考核内容。这就导致了学生的设计能力较低，缺乏自主创新能力与意识，无法适应现代企业和社会的需要。当然也有好些教材也将VHDL等EDA内容加到课程内容中，但目前的数字电路教学体系还是呈现一种拼接的模式，整体内容缺少因果链接。①因此改革数字电路中过时的内容、将先进的电子设计自动化(EDA)技术系统地融入到数字电路课程中，是数字电子技术发展的必然选择。

1、传统旧技术与方法的取舍

数字电路中有一些传统的技术与方法，在现代企业的电子设计中已经没有用武之地。学生花大量时间学习这些落后和被淘汰的知识和方法，是得不偿失的，不仅耗费学生的精力和时间，妨碍新技术的学习，更是对国家和社会资源的浪费。对这些过时的内容，我们要对其进行适当的删减，使教学内容适应时代的发展需要。

1.1 传统手工设计方法

传统手工设计方法的内容包括以卡诺图为工具的逻辑函数化简、小规模门电路组成的组合逻辑电路分析与设计以及由触发器及门电路构成的时序逻辑电路的分析与设计等。这部分内容在数字电路课程中占据了主要的内容与篇幅，这在上个世纪八九十年代自动化设计还不流行的时候是合适的，因为那时候的电气产品及自动化控制电路很多都是采用中小规模的数字集成电路完成设计的，而现在的电子产品及控制电路，已经几乎见不到中小规模数字集成电路的影子，取而代之的是微处理器(含嵌入式处理器)以及大规模可编程器件、DSP等，只是在接口及驱动电路上还能偶尔见到中小规模数字电路。比如现代的家电产品洗衣机、空调、电视等都用到了微处理器控制，手机、导航仪等电子产品则用到了嵌入式处理器，语音、图像识别等产品则用到了DSP(数字信号处理器)，而在机顶盒、调制解调器等产品中则用到了FPGA等大规模可编程器件。采用中小规模数字电路设计的电子产品，还没上市就已经是落后的。

1.2 逻辑门内部电路结构原理

门电路一章的教学应以集成门的外部特性教学为主，让学生看到门电路的真值表就能够应用该电路，而不管该电路的内部结构如何。传统教学内容通常是以反相器为例，分析电路的内部结构和工作原理，进而得到其逻辑功能，而对其外部特性及接口参数则认为是死记硬背、枯燥的东西就一笔带过。而实际上我们应用数字电路设计实际的数字系统考虑得最多的除了器件的逻辑功能就是外部特性和接口参数，而内部电路结构怎样、如何工作基本上无需考虑。而且内部电路的分析对于学生来说难度较大、理解困难，完全没有必要让学生把时间和精力浪费在这种没有实际意义的知识的学习上。因此在内容安排上，应着重介绍各种门电路的外部特性和接口参数，让学生学会在实践中正确选择和使用合适的集成电路，设计出能适应实际环境和应用的优秀电路。

1.3 脉冲波形的产生和整形

脉冲波形的产生和整形这部分内容其实和数字逻辑没有直接关系，实际上是属于模拟电路的内容。只不过在模拟电路中，波形的产生完全是用模拟的电路来实现，而在目前多本数字电路教材中，则是采用门电路加模拟的阻容元件来实现的，实质上是把门电路当集成放大器来应用。而这种应用是和数字的概念相背离的，不利于学生对数字逻辑的学习。这部分内容的另一个重点是对555时基电路的介绍。其实这个555时基电路是上个世纪70年代的产物，距今已有40多年的历史，在集成芯片技术飞速发展的今天，它已经完全没有了用武之地。对于学生来说，那么多新知识新技术要学，再花时间精力学习555时基电路，那就是舍本逐末了。

2、新技术与新方法的应用

2.1 新技术的优势

当前的电子新技术主要包括EDA技术、实时软件仿真技术、先进自动化绘图与制板技术等。EDA即电子设计自动化技术，是一种基于软硬件平台，通过软件的方法来高效地完成硬件设计的计算机技术。EDA技术已成为电子系统设计的重要手段，它采用自顶向下的设计方法，利用功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，以硬件描述语言(HDL)为主要设计手段，以大规模可编程器件(CPLD或FPGA)为载体，完成电子系统的功能设计。这种硬件电路的软件化设计，已经完全改变了数字设计的整个面貌。

2.2 融入EDA等新技术的教学内容安排

传统的数字电路内容主要包括逻辑代数、门电路、组合逻辑设计、触发器、时序逻辑设计、存储器与可编程器件等，实践过程中，我们削减了一些陈旧过时的内容，增加了VHDL硬件描述语言、QuartusII电子开发平台、FPGA/CPLD大规模可编程器件等EDA技术内容。我们强调VHDL硬件描述语言是设计数字电路的语言工具，与逻辑代数这一分析设计数字电路的数学工具同等重要，并放在同一章节进行讲解。而基于VHDL的相关电路描述与设计则结合相关的内容，穿插到各个章节中进行详细讲述。QuartusII则是将VHDL设计变成电路实现的中间平台与工具，将这部分内容放到实验环节中讲解。FPGA/CPLD大规模可编程器件是实现VHDL设计的载体，与存储器放在同一章中讲解。

我们立足于数字逻辑设计的基本原理，将EDA技术融入到数字电路课程中，将这些原理与现代的工具与实践技术相结合，提高了毕业学生的电子设计技术水准，也极大地丰富了数字电路课程的教学内容。

2.3 新技术与传统教学方法的融合

在数字电路课程的教学中，我们除了在教学内容上增加EDA等电子新技术内容外，在教学方法上，我们更注重新技术、新方法的与传统知识的融合与因果链接。以加法器的学习为例，我们把加法器划分为难易不同的功能模块：半加器、全加器、4位加法器、8位乘法器，然后把不同功能模块的描述方式(包括真值表、逻辑表达式、波形图、卡诺图等传统的描述方式以及现代先进的VHDL描述等)和实现方式(包括传统的集成门电路实现以及现代的大规模可编程器件、微处理器实现等)及各种方式的特点一一列举并对比讲解，也让学生的发挥和补充，期间充分运用各种仿真软件和开发工具进行仿真和实验演示，让学生对各模块的描述方法、实现方式及特点深刻理解。如对加法器的一种扩展――8位乘法器，学生很容易就明白，用传统描述方式无法去描述，而用VHDL描述却只用一句y=a*b就能完成;在实现方式上，用传统集成门电路实现8位乘法器虽然理论上可以实现，但是却需用到几百个集成门，电路复杂，成本高，速度慢，可靠性低。而用大规模可编程器件实现时却只需用一块最简的CPLD芯片就能实现，成本低、速度快、可靠性也高。在数字电路教学中引入EDA技术，其强大的仿真功能很容易把实践带入课堂、带入教学的每一个环节，使得理论与实践能够紧密结合。

3、结束语

通过删减过时内容并引入EDA等现代数字电子新技术和新方法，提前至大二开设数字电路课程，保持学生从大一开始的一贯学习热情和积极性，保证专业课学习的效果。同时也使学生有能力提早进入大学生课外科技活动，并在数字电路的基础理论、实践能力和创新精神等方面都有进步，提高了学生现代数字电子技术应用水平和工程实践能力。通过对课程的改革，也完善和发展了数字电路课程的建设，使之适应现代电子技术高速发展的要求和社会的实际需要。

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