数字电路原理和设计范文

导语：如何才能写好一篇数字电路原理和设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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一、教学整合的意义

根据高等职业教育培养目标的要求，结合教育部大力推行的高职高专教学改革，高职院校电类专业对部分课程进行了教学改革。《数字电路与EDA技术》这门课程就是将数字电路和EDA技术的教学进行整合。

数字电路课程是电类专业的专业基础课，通过对本门课程的学习，使学生掌握典型的数字电路的组成、工作原理和工作特性，能够设计一些逻辑功能电路，并为专业主干课程的学习打下基础。对于数字电路的设计，传统的设计方法是以逻辑门和触发器等通用器件为载体，以真值表和逻辑方程为表达方式，依靠手工调试。随着数字电子技术的迅速发展，特别是专用电子集成电路的迅速发展，基于EDA技术的设计方法成为数字系统设计的主流。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件开发平台上，使用硬件描述语言完成设计文件，然后由计算机自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、仿真等，最终对特定目标芯片进行适配编译、逻辑映射和编程下载。

EDA技术的设计方法正在成为现代数字系统设计的主流，作为即将成为工程技术人员的职业技术学院的电类专业的学生只懂电子技术的基本理论和方法，而不懂如何设计电路，会限制就业的岗位。实际上数字电路和EDA技术是不能分家的，因为前者是理论基础，后者是工具，将两者整合既能学好理论又能提高实践技能。如果作为两个课程分别学习则不适应高职高专的学制长度。因此，将数字电路与EDA技术有机地融为一体是高职教育的要求和未来发展的需求。

二、教学方法探讨

在整合后的课程中我们把EDA技术贯穿于数字电路课程教学全过程。例如，在讲授门电路时，就开始用EDA软件仿真演示，熟悉用原理图输入一个简单门电路的过程，通过编译、功能仿真检验门电路的功能，可以加深学生对门电路知识的理解；在讲授组合逻辑电路时，引入硬件描述语言的设计方法，并介绍基于EDA技术的数字电路设计方法；在讲授时序逻辑电路时，可以引入一些简单的综合性的电路设计，为学生创造一个宽阔的设计空间。在开始讲解基于EDA技术的数字电路设计方法时，可以通过引入简单的数字电路的设计流程，使学生从宏观上对EDA设计方法有一个整体的了解，让学生在潜意识里建立这部分内容的知识框架。下面简单介绍组合逻辑电路中的二选一数据选择器的EDA设计流程：

（1）编写硬件描述语言（以VHDL语言为例）。在EDA编程软件中输入设计源文件，如图1所示。

（2）逻辑编译。逻辑编译过程包括检查设计源文件是否有误，进而提取网表、进行逻辑综合和器件的适配，最后形成编程文件。

（3）功能仿真。通过模拟仿真测试电路的逻辑功能是否达到设计要求，仿真波形如图2所示。

（4）锁定引脚。将程序中各端口名称与硬件电路中的各引脚对应。

（5）编程下载。功能仿真成功后，就可以将设计好的项目下载到逻辑器件中，实现既定的功能。

在课程教学中，我们采用项目教学的方法，制定一系列由易到难的项目，例如，基本门电路的设计、数据选择器的设计、全加器的设计、数字频率计的设计、交通信号灯控制器的设计、数字钟的设计等。通过各个项目展开知识点的讲解，包括数字电路的基础知识、EDA技术的入门、数字电路的分析方法、原理图的设计方法、硬件描述语言的描述方法及软件仿真和硬件下载等。在教学中尽可能地将课堂搬到实验室，让学生边学边练，将理论教学与实验教学融为一体。教学可以一部分安排在数字电路实验室，一部分安排在EDA实验室，比如对于一些简单的数字电路可以安排用数字电路实验箱进行一般的实验验证，使学生知道如何搭建一个简单的电路，如何验证一个电路的功能，从而对数字电路产生一个感性的认识。在EDA实验室，学生可以学习用EDA技术设计数字电路，包括原理图或硬件描述语言的输入、编译、功能仿真、引脚分配、下载等。

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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

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关键词 数字电路 教学理念 教学方法 创新教学

中图分类号：G424 文献标识码：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

数字电路课程作为电气信息类专业重要的专业基础课之一，围绕我校的人才培养目标，以突出其基础性、工程性和先进性的课程目标，进行课程建设和创新教学改革。通过数字电路课程的学习，使学生在掌握数字电路与逻辑设计的基本理论和方法的基础上，能运用先进的EDA 工具，结合工程应用，进行数字电路和数字逻辑的分析与设计。数字电路课程开设在第四个学期，与先行课程电路分析、电子线路紧密结合展开拓展，并为后续课程微机原理等课程打下了坚实的基础。其课程培养目标是使学生掌握数字逻辑电路分析和设计的基本原理和基本方法；使学生能灵活运用所学原理和方法，自顶向下和/或自下向上地分析和设计数字逻辑系统；通过科学而系统的实验训练，培养学生逻辑思维能力，分析和解决问题的能力，培养学生知识自我更新和不断创新的能力。围绕着这一教学目标，课程的设计和教学实现应当以先进的教学理念和科学的教学方法为出发点，才能实现教学的创新性。

1 数字电路课程中先进的教学理念

教学理念是人们对教学和学习活动内在规律的认识的集中体现，同时也是人们对教学活动的看法和持有的基本的态度和观念，是人们从事教学活动的信念。现代教学理念注重以学生、作业、活动为中心，以学为主，教师在教学过程中起辅助和引导的作用，学生拥有主动权。教师主要工作是设定情境，让学生产生兴趣，发现问题，并在教师引导下，探索研究问题，找出解决方法并进行验证的一系列过程。①

1.1 教学设计

数字电路课程包括理论教学和实验教学。理论教学48学时，实验教学16学时。同时，还有与课程相应的实践环节——数字电路课程设计（1周）。在课程教学过程中，从逻辑代数基础出发，以组合逻辑电路、时序逻辑电路以及模数接口电路为重点，以逻辑电路的分析、设计和应用为最终目标，培养学生对数字系统的分析和设计能力。

1.2 教学内容整合

根据数字电路课程体系和目标要求，将课程划分为若干个教学阶段模块，对各阶段模块进行教学目标设计；在教学过程中做到点与面的结合、深入浅出，既掌握电路的细节内容又能充分把握各章节的知识体系。同时，把分章教学、阶段教学和项目教学相结合，在教学中在充分体现各章节间统一性的基础上，着重阐述各自的特殊性，强调工程观点和整体设计概念，注重工程问题的处理方法，培养学生的综合能力，加深学生对课程的理解。在布局好本门课程的同时，还要重视与相关学科内容的衔接，不断深入研究和探索，及时调整教学内容，使本课程在教学中尽可能体现知识点与其他课程的关系，为后续课程打下基础 。

在教学过程中注重对学生能力的培养，讲授给学生的不仅仅是知识点，更是培养学生知识获取能力和知识应用能力。例如，在讲到时序逻辑电路分析和设计时，无论是计数电路、序列信号产生电路、序列信号检测电路，重点强调“状态”的概念，进而引入一些应用实例，如彩灯设计电路、自动售货机等，从一个整体的类别去讲解，将课程讲授提高到一个新的高度。而学生所收获的不再是一个个孤立的电路和概念，而是一个整体的、有机结合的知识体系。学生会对数字电路课程的兴趣剧增，对整体的设计方法有一个飞跃的认识和提高。通过课程内容的合理安排和整合，让学生掌握科学的学习方法和设计数字电路的能力。更有意义的是，还可以提高学生的专业兴趣。由传统的学习转化为创新性的学习，让学生的思考能力和学习模式发生根本性的改变。

2 在数字电路教学中引入合适的教学方法

（1）采用多种教学方法，激发了学生的积极性和主动性。在理论教学中采用以老师讲授为主，兼用启发式、互动式和讨论式等教学方法，体现老师的主导作用与学生的主体作用。本课程注重培养学生逻辑抽象思维能力，并且逻辑设计的方法十分灵活，教师授课要注重启发式教学，给学生思考的空间，使之能够由此及彼，举一反三。同时，在教学中强调采用互动式教学，克服学生被动学习的局面。课堂上不仅仅是教师提问学生，同时鼓励学生随时向教师提问。并适当地组织讨论，让学生提出自己的思想和方法，由被动学习变为主动学习，激发同学们学习的潜能，培养了学生的兴趣与学习的能力。同时，合理利用网络教学资源，扩大学生的学习空间。

（2）注重理论教学与实践教学相结合，培养了学生的综合实践能力。数字电路与逻辑设计是一门实践性很强的课程，理论与实践的结合十分紧密。教师不仅要具有扎实的专业理论功底，也要具有较熟练的实践技能。要求教师对本门课程的理论和实践相结合的教材分析及过程组合的能力。②因此，在教学过程中，应该始终坚持理论与实践的统一，二者相互促进。一方面在学时安排上，理论课与实验课衔接，实验内容与教学内容互相渗透与加深，另一方面采用分层次教学，即采用验证型、设计型及综合型三层次教学，尤其是一些综合开发实验，不仅延伸了教学内容，而且对理论知识进行综合应用。同时，本课程既要掌握灵活的思维方法和系统的理论知识，又要强调工程实施能力的训练，让学生了解理论设计方案与工程实施之间的距离，训练学生严谨、务实的作风。

（3）课程中贯穿EDA软件的应用，培养了学生的实践能力。在课程中注重引入新器件、新技术、新方法，在课程中贯穿EDA软件的应用，要求学生以自学和实验为主掌握EDA软件的使用方法。在综合实验和系统实验中，要求利用EDA软件进行分析、设计、仿真，然后再具体实现，使学生学会电子电路先进的科学的设计方法，培养学生自己解决问题的能力和创新意识。培养学生完整数字电路系统的设计和实现方法。自顶向下，设定好各个部分的功能要求，将学过的电路模块自行组合，先在EDA仿真中软件实现，然后下载到硬件电路中。也可以到硬件实验室进行纯硬件电路的搭建，完成最终测试。

3 小结

数字电路课程创新教学的推进，依靠各个方面的配合，也需要从各个角度去理解，但是只有从根本上解决教学理念和教学方法的革新，才能从真正意义上去推进数字电路课程的创新教学。

注释

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关键词：数字电路教学方法教学目标教学要求

“数字电子技术”是高职高专电类专业的一门专业基础课程,是一门理论性和实践性都较强的课程。它的任务是通过学习数字电路的基本概念、基本原理和基本技能使学生在数字电路方面具有一定的理论水平和实践技能,它是《微机原理与应用》、《单片机原理与应用》和《PLC原理与应用》等主要专业课程必不可少的基础知识。该课程对于学好后继专业课程以及提高学生的工程实践能力都有着极其重要的作用。

1立足于教学目标，展开教学

1.1知识目标

熟悉布尔代数的基本定律，掌握卡诺图与公式化简法；掌握数字电路中常用的基本单元电路和典型电路构成、原理与应用；掌握常用的中小规模集成电路功能。

1.2能力目标

具有查阅集成电路器件手册，合理选用集成电路器件的能力。对集成芯片，重点分析电路的外特性和逻辑功，以一些典型集成电路为例介绍如何查阅集成电路手册、资料等，使学生学会在实际应用中正确选择和使用集成芯片。

具有识读和分析一般典型应用电路的能力。增强电路分析的内容，弱化电路设计。传统数字电路教学往往注重电路设计内容的教学，好像只有电路设计的能力，才能代表水平，而电路分析代表技能，是低技术的。不过技能却正符合了高职高专的教学目标，所以在教学过程中，应注重电路分析方法的教学，让学生学会分析较复杂电路，能修改已有电路服务于自己的设计目标。

具有逻辑分析问题与解决问题的方法。随着数字技术的广泛普及,数字化社会已经到来,大规模、超大规模数字集成电路以其低功耗、高速度等特点,应用越来越广泛。因此如何在有限的时间内使学生扎实掌握数字电路基础知识理论和基本操作技能,培养分析问题、解决问题的能力,是教师在教学过程中需要认真思考的问题。并使学生在传统的数字电路逻辑分析、逻辑设计思维训练的基础上进一步建立起现代数字电路的应用与设计思想，掌握现代电子技术的新技术和新器件，在专业学习中适应当代硬件技术与信息技术的发展，为走向实际工作岗位打下坚实的基础，为拓宽就业市场寻求一条全新之路。

1.3思想教育目标

（1）树立热爱科学、实事求是的学风和创新精神、创新意识。（2）具有一定的自学能力和获取新知识、新技术的基本素质。（3）提高逻辑思维能力、养成认真细致的工作作风。

总之，专科教学不同于本科教学,专科教学注重于学生能力和综合素质的培养，教学过程中突出培养学生应用知识,分析解决实际问题的能力,以学生为主体,以教师为主导,以教学为主线，树立能力培养目标为重中之重的思想。

2选择合适的教材，以教学要求分层、考核形式分类的方式评价教学

2.1教材的选择

目前我校选择的教材充分体现了高职高专教育的特点，以应用为宗旨，强调理论与实践相结合。编写原则遵循由浅入深，通俗易懂，便于自学，力争做到“讲，学，做”统一协调，重点和难点采取阐述与比喻相结合，例题与习题相结合，实例与实验相结合，针对数字电路课程实践性强的特点，增加了与教材相应的实践环节教学内容。

针对数字电路教学过程中存在教学内容与学时数的矛盾，根据国家教委课程指导委员会的提议:EDA技术是电子技术类课程教学改革的重要方向。我校及时修订课程大纲、调整教学内容。把EDA技术和PLD器件纳入教学计划。将教学内容分为数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、可编程逻辑器件和脉冲信号的产生与整形五大模块。

2.2教学要求分层

教学要求分为五个层次A．知道、了解。学生对教学内容有感性的、初步的认识或只要能识别它B．领会、理解。学生对概念、规律、基本操作等有理性的认识，即能自述、解释和举例说明，并在教师的指导下能顺利地完成基本操作C．掌握、运用。学生在理解教学内容后，通过练习，形成技能；运用概念、方法、规则进行常规运算求解、论述和简单运用、自主操作等D．熟练掌握、灵活运用。学生能综合运用某个知识解决问题，综合运用某项技能进行熟练操作或小规模技术设计等，从而形成某种能力E．思想素质的提高。如态度、意识、精神、毅力等的培养。

同时，采取了以创新能力的培养为核心的“四位一体”教学法,即旨在通过学生自学、讨论、答辩、考查四个阶段,培养学生的自学能力以及分析问题和解决问题的能力,彻底解决传统教法中“满堂灌”的现象。

2.3考核形式分类

考核形式分为五种：笔试：传统的拟卷考试；操作：通过学生动手操作来考核；答辩：教师出题或学生自拟题，经一段时间的实践，学生以报告形式完成答卷并根据需要答辩；社会化考核：参加由国家有权部门认定的考试考核机构或组织进行的考试考核；社会评判：由社会评定结果如实习鉴定等。

通过多种考核形式达到综合评价学生的效果。

3采取传统和现代化教学手段结合方式，运用实例灵活教学

3.1传统和现代化教学手段相结合

教学课件是教材内容的提升和精炼,是将教材中的概念、定律及应用内容转化为形象逼真的映像展示给学生。多媒体教学进入课堂是对传统教学方法的改革,它是教学过程的一个有力工具,但决不能成为课堂教学的主宰,过于详细的课件使学生上课注意力不集中,一些学生觉得课程内容包含在课件中,便在课堂上不记笔记、注意力分散、交头接耳、甚至逃课。可以想象,教学中教师盯着显示器,学生盯着大屏幕,这样的教学情景很难调动教学气氛、影响教师配以肢体语言等的热情发挥,更谈不上师生间的互动。只有将多媒体教学方法和传统教学方法有机的结合起来,相互补充,并在教学实践中不断完善,才能取得完美的效果。

EDA是电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation)的英文缩写,将EDA技术引入数字电路课程教学,可以使教师在讲述理论的同时,利用EDA技术软件进行仿真、演示,使学生消除“抽象感”,增加学习的兴趣。使课堂教学更生动、直观,使数字电路课程中一些基本理论和基本概念更加容易理解。

3.2运用实例灵活教学

数字电路的授课可以结合生活中的应用举例,如目前多媒体PC机里的显示卡、声卡是用数电中的数——模(D/A)转换实现图像显示和声音播放的;制造业中的数控机床,交通信号灯的转向时间显示,家电产品中的CD、VCD、DVD等也都应用了数电技术。通过这些实例的介绍,可以使学生真正了解数字电路课程的重要性,从而能更加主动的去掌握所学知识。

培养创新型人才,就要实施创新教育,重视实验教学,改变以教师为主导的教育模式,充分发挥实验教学的作用,使之成为引导学生从实践来获取和应用理论知识的主要渠道,在完成验证性实验的基础上，实验大纲中安排智力竞赛抢答器和电子秒表等一系列的综合性实验，使学生在由简到繁的设计过程中了解设计工作的思路、方法，通过让学生实际制作，使学生懂得如何进行理论和实践相结合，加深对知识点的理解。

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关键词：应用型人才；实验室建设；实践中心

我院是在我国高等教育进入大众化阶段以后，于2003年经教育部批准，由大连理工大学与企业共同投资建立的独立学院，目前已经发展成有9 000余名全日制在校本科大学生的学院，其中IT类专业在读本科学生为4 500多人，所设置的IT类专业包括计算机科学与技术、软件工程、网络工程、电子信息工程、自动化等。学院的办学宗旨为：面向学生，服务社会，培养高素质应用型人才。从2004年开始，学院利用自筹资金规划和建设IT实践中心，满足培养IT类应用型人才的需要。经过6年多的努力，完成设备投资1 800余万元，建成具有36个实验和实训室的IT实践中心，形成了设备先进、门类齐全，能很好地满足实验、实训、科技创新需要的实践平台。

1 IT实践中心的建设目标与构思

随着我国经济建设的发展，需要大量的应用型和创新型人才。独立学院一般定位在培养高素质的应用型人才[1]，实践平台的建设和实践教学在人才培养工作中占有重要的地位[2]。不同于一些研究型重点大学，独立学院一般要靠自筹资金建设实验室，实验室所占的空间也受到一定的制约。如何在资金和空间有限的情况下，建设满足培养应用型、创新型人才的要求，同时又具有特色的高水平实践平台，是独立学院发展中的重要课题[3]。公办大学按多层次建设实验平台已有一些成功的经验可以借鉴[4]，但是，作为独立学院，如果完全照搬其经验必然受到资金的困扰并出现一些重复性的建设，同时也不能突出应用人才培养实践平台的特色。

经过广泛的调查研究和充分论证，我院IT实践中心的建设确立了“统一规划、节省资金和空间、兼顾实验实训和创新”的思路。根据学生的培养目标，IT实践中心的定位是充分满足学院计算机科学与技术、软件工程、网络工程、电子信息工程、自动化专业培养高素质应用型人才需要，具有支撑上述专业的课程实验、专业实践与实训教学、大学生科技创新活动的实践平台。

2 公共实验平台的建设

公共实验平台是指能满足我院计算机科学与技术、软件工程、网络工程、电子信息工程、自动化各专业实验实践共同需要，或者是综合运用不同专业技术的实验平台。被列入我院公共实践平台的实验室包括：电子技术实验室、微机系统与接口实验室、嵌入式系统实验室。

2.1 电子技术实验室建设方案

我院电子技术实验室的功能定位是能够完成电路、模拟电子电路、数字电路、EDA的课程实验，同时又能实现综合电路设计及电子设计与制作创新的实验实践平台。与一些院校采用针对电路、模拟电子电路、数字电路、EDA课程分别设置实验室不同，我院设置了8个相同的电子技术实验室，同时满足电路、模拟电子电路、数字电路的实验教学要求。

每个电子技术实验室配备了32套设备，每套设备包括电子技术实验箱、双路可调直流稳压电源、双踪示波器、多功能信号发生器、交流毫伏表、数字万用表。其中电子技术实验箱是按我院提出的方案，由湖北众友科技实业股份有限公司特殊生产制作的产品，它综合考虑了各门课程实验的需要，能满足电路、模拟电子电路、数字电路实验的要求，而且还配有EDA板，插到实验箱上再配上个人计算机可以进行EAD方面的实验。利用该实验箱可以任意搭接模拟电子电路、数字电路及模拟与数字混合电路，与PCB板制作设备配合可以完成综合电子设计和电子制作创新设计。

实践证明，电子技术实验室的这种建设方案既满足了实验室功能定位的要求，又节省了资金和空间，而且便于管理和排课，为学院电路、模拟电子技术、数字电路的教学改革提供了有力支撑[5]。

2.2 微机系统与接口实验室建设方案

微机系统与接口实验室的功能定位是能满足基于X86的微机原理课程实验、MCS-51单片机原理及应用课程实验、单片机设计与开发的创新实践的平台。

我院设置了3个微机系统与接口实验室，每个实验室装备了32套实验箱和个人计算机。为了满足基于X86的微机原理和MCS-51单片机系统的两类实验教学需要，实验箱选择了启东计算机厂有限公司生产的DVCC-5286NJH单片机微机仿真实验系统，该实验箱配备有8086和89C51双CPU板，在做微机原理实验时插上8086 CPU板，而在做单片机实验室时使用89C51 CPU板。此外，为了适应单片机应用设计与创新实践的需要，实验室还配备了单片机开发板，学生可以设计和开发各种单片机应用系统。

2.3 嵌入式系统实验室建设方案

嵌入式系统是近年来计算机应用的热点，也是大学生科技创新最活跃的领域，我院把嵌入式系统实验室作为重点实验室进行建设。从培养嵌入式系统实用型和应用创新型人才的角度出发，实验室的功能定位于满足嵌入式系统课程实验、实训教学以及科技创新项目的开发需要。实验室的硬件平台由“嵌入式系统实验箱+个人计算机+扩展模块+控制对象模型”构成。

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【关键词】数字电路；教学体会；电子专业

目前在各高职院校相关专业都开设了数字电路课程，通过数字电路课程的教学，学生基本能够掌握数字电路的基本知识和基本技能。近年来，随着技术的发展，专业课的教学存在固有的滞后性，学生毕业上岗后就开始显现出知识陈旧，必须不断学习新技术才能适应新岗位的要求。这一现状对数字电路技术教学提出了新的挑战。发展的课程要求我们的教学必须与时俱进，学生只有掌握坚实的专业基础知识才能适应新技术、新岗位，学生自主学习尤其格外重要。因此，专业基础课教学要适应实际的需要，必须不断的进行教学思路、方式方法的创新和改革，才能培养出适应行业需要的应用型人才。

1 现行数字电路课程教学存在的问题

数字电路技术是一门应用技术课程，具有较强的理论性和实践性。传统的教学模式往往偏重理论知识的教学，使用的教材跟不上数字技术的发展，采用按部就班的教学模式，力求对教材讲细讲透，学生习惯于被动接受老师灌输的知识，学习一些枯燥乏味的理论，而且很多学生在学习中不能灵活掌握要点，而去死记硬背，学生的学习兴趣在学习过程中逐渐消失。理论课往往只注重对教材知识的分析和灌输，在广度上对知识没有拓展和延伸，必定会影响对知识深度的剖析。而实践课程通常被放在了次要的位置，很多时候是在走形式，学生只管按老师实验要求做出结果，而不探究实验的原理和方法。这就造成了理论课没有起到为实践课打基础的作用，实践课也没有起到巩固、应用理论课的作用。学生在学习中处于被动的接受知识的地位，没有机会主动参与到学习中来，导致学习兴趣不浓，学习停留在表面，对所学知识一知半解。由于接受的多是课本知识，所以动手能力差、应用能力差，不能把自己所学的知识应用到实践中去。这样就达不到教学的目的，培养出来的学生也不能满足社会的需要。

2 对数字电路课程教学的改进思路

作为电子技术课的教师，如何适应新的形势，如何引导学生学好理论，练好技术，真正实现专业基础课程的价值和作用是我们研究的重要课题。数字电子技术是随着电子技术的发展而发展的，我们不可能在有限教学时间内，解决学生以后遇到的所有数字电路问题，因此必须对课程的内容进行必要的提炼和加工，对学生进行基本的思维和操作训练，培养自主学习的能力和创新能力，去学习和处理专业课学习和工作中遇到的各种各样数字电路问题。在多年的教学过程中，笔者尝试多种教学方式，不断总结教学经验，探索新的教学方法。

2.1 了解我们的学生

教学的主体是学生。目前，由于国家教育形式的发展，高职教育中学生的基础和水平都比较低，这一点必须正视，如果不能正确对待这一点，将学生的基础与水平估计过高，学生上课听不懂，那么无异于拔苗助长；如果估计过低，则会造成教育的浪费。正确估计学生的水平，是课程定位的前提和基础。其次要明确高职教育的培养层次，因材施教，对于专科课程，应以实用够用为原则，培养应用型专业技术人才。

2.2 上好第一节课，激发学生的学习动力

第一节课是最基础的理论知识课，如介绍数字电路的发展历程、课程的发展、特点、知识的应用、前期课程后续课程的相互联系作用等内容，授课中对学生的学习、纪律、作业要求等。这些往往不被老师所重视。上好第一节课至关重要，他关系着学生是否会对学习产生兴趣，渴望进行后续内容的学习问题，所以绝对不能照本宣科。让学生了解本课程在电类及相近各专业中的举足轻重地位，如果不打好该基础，学生将无法学好计算机硬件、仪器仪表、自动控制系统等相关课程。

2.3 详细讲解基础知识，注重知识的连续性，激发学生的学习兴趣，始终要理论联系实际，用生动活泼的教育语言，将灌输式教学方法改为启发式、理论和实际相互渗透式的教学方法

使学生掌握各种基本电子器件的工作原理和使用，要使学生熟练掌握各种组合逻辑电路和时序逻辑电路器件的工作状态的条件、特点和应用。要对基本电子器件的结构、原理有所了解，基本电子器件的特性、参数要讲透并深刻理解，这对于电路分析、选择、使用器件以及不同型号器件的替代是必不可少的，也是实际工作中分析处理数字电路问题所必需的。比如对于组合逻辑电路中的编码器和译码器，时序逻辑电路中的计数器和寄存器，在学习中可对他们的结构、工作原理等进行比较，了解其各自的特点，这样学起来就简单轻松多了。

2.4 在实践教学中进行教学的创新

目前在课程实践教学上，由于我们老师编写的实训指导书详尽有余，明明白白，加之所做的实训、实验都是简单验证性或机械重复性方面的项目，学生在实验中只需要按照实验指导书电路图，要求的步骤简单操作即可顺利完成。学生在实验中动脑少，能力培养的效果不够明显。在实践教学中要增加综合性、设计性实验，启发学生创新思维，培养学生自主学习能力，突出数字电路知识的实用性。职业学校的学生是一个学习基础、学习习惯和学习动机差异很大的一个群体，这就要求我们职业学校的老师无论是理论教学还是实训教学，都要努力做到因材施教。因此在实训教学时采用分层教学法，即按学生的能力分组。学习能力差的学生在规定的时间内只需做完基本实训项目即可，而学习能力好的同学除了做完基本实训项目外，还要安排一定量的选修实训项目，促使学生自主的分析实训中存在的问题，自己独立的找出解决问题的办法。

2.5 改进教学形式，提高教学效果

其一，引入多媒体教学，教师既能减轻教师板书工作，又节约了教学时间，更重要的是多媒体教学可以用形象的手段来表达一些抽象的教学内容。其二，鼓励教师同时承担理论教学和实验教学，加强理论教师和实验教师的教学交流。其三，理论与实践相结合，将理论教学与融入到实践教学中来，逐渐模糊两者之间的界限。

3 结语

为了适应数字电路技术的高度发展需要，我们要从课程设置总体优化的角度出发，整合教学内容，解决好“基础与应用”、“理论与实践”、“重点内容与知识面”等矛盾，使课程内容体系具有系统性、先进性、实用性。目前数字电路课程教学中仍然有很多需要改进的地方，如何提高实践教学质量，使理论与实践相结合，仍需要在教学过程中不断的探索与改革。

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课题内容设计合理与否，将直接影响到课程设计的综合训练效果。在具体课题内容设计时，应注意以下几点：

选择具有实用性和趣味性的课题从学生的实际水平出发，帮助学生选择适合自己的题目，使题目与理论知识密切相关，又具有较强的趣味性和实用性，与生产实际相结合。例如，要求学生组装一整的收音机、家居生活中能用到的声光控开关、门窗防盗报警器等。又如我们选用的《音乐彩灯控制器设计》、《多功能数字钟的电路设计》、《交通灯控制逻辑电路设计》等课题，学生做起来积极性很高。更重要的是通过这一过程，学生运用专业技能解决实际问题的综合能力得到了提高。

选择能综合应用理论知识的课题要求学生综合运用本课程的基本理论和知识，独立完成一项实际课题。通过查阅资料、线路设计、选择元器件、电路安装调试，使学生所学的基本理论和知识充分运用于解决实际问题。例如电子脉搏计这一课题，要应用到传感器、放大电路、有源滤波电路、整形电路以及数字电路中的各种门电路、触发器、计数器及译码、驱动显示电路。又如数字钟电路设计这一课题，数字钟是一个典型的数字电路系统，选此作为设计题目，可使学生将学过的比较零散的数字电路知识有机地、系统地联系起来用于实际，培养综合分析、设计电路的能力。还可选用有源滤波器的设计题目，使学生进一步加深领会运算放大器在信号处理电路中的应用，选用交流宽带放大器的设计，使学生对放大电路的三种不同组态的特点、应用场合以及电路的设计方法得到练习，并通过这个对基本放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、频带宽度以及引入负反馈对放大器性能的改善得到进一步的理解，同时提高学生理论联系实际的能力。

课题内容要注重集成电路和新技术、新产品的应用当今时代电子技术飞跃发展，新技术、新产品层出不穷，课程设计可以弥补教材的滞后性。在电路设计中，应尽量采用集成电路，特别是集成运算放大器和某些专用芯片（如模拟乘法器、锁相环）作为电路的重要构件，体现出现代电子电路的设计是各种集成电路构件的组合的先进设计理念，尤其是将模拟电路、数字电路与微处理器相结合，以数字电路为主，软硬件结合，以硬件电路设计为主，符合现代电子电路结构的发展方向。例如我们原来经常选定分立元件OTL和OCL功放电路设计课题，随着目前大量的集成功放芯片的上市，我们就把这些课题内容并入《集成电路音响放大器》、《音频信号发生器》等课题中。又如在数字脉搏计课题中，介绍了锁相倍频的新概念，同时介绍了集成电路CC4046和C14526构成的锁相倍频电路。通过这些课题设计将一些集成电路的工作原理以及使用方法介绍给学生，并在实践中得到练习，使所学的理论知识更加丰富。

选择适应专业需要，结合专业特点的课题为了拓宽学生的知识领域，使学生对专业有所认识和了解，提高学生对专业的兴趣和学习的积极性，在课程设计中引入了一些结合专业特点的课题。例如数字转速测试系统与频率计设计，由于转速测量在工业控制领域和人们的日常生活中经常遇到，在工厂里测电机每分钟的转速，自行车里程测速计，心率计以及汽车时速的测量等都属于这一范畴。又如PWM（电动机调速系统），由于该系统在工业控制的调速系统中得到广泛地应用，同时，又由于该系统由脉宽调制器和脉冲放大器两大部分组成，而脉宽调制器又包括锯齿波发生器和电压比较器，密切地联系了电子技术课程的基本内容。这些课题对掌握基础知识，开阔学生的视野，增强对专业课的认识，提高学习的积极性都能起到较大的作用。

注意选择和后续专业课有关的课题为对电子技术课程的进一步提高和为后续课程打下一定基础，可考虑选择一些模拟电路和数字电路综合性的课题，以使学生对电子技术有一个全面的、综合的认识，对后续专业课有一定了解，为后面的学习打好基础。例如《调速系统的给定积分器》课题。

课程设计的组织实施

以人为本，因材施教教师只在大思路上作一定的引导，对具体方案不做过多干预，只起组织、引导、检查、把关和解决一些疑难问题的作用，放手让学生大胆实践，以充分发挥学生的主动性和创造性。我们的改进做法是:在注重结论正确的同时，强调整个设计方案实施的全过程，即使得出的结论不尽如人意，甚至是错的，只要学生能找出其中的原因并提出相应的改进措施，仍然可获得较好的成绩;相反，如果结论是抄袭得来的，即便是正确的，设计成绩也按不及格处理。如电子脉搏计的设计课题，只给出设计方案的原理框图，讲明基本原理、总体构思和适当的设计提要，在设计任务书中给出原始数据及主要技术要求，而具体的原理图及元件的参数，集成电路的选择，电路的安装调试等工作则要求学生独立完成，这样做可培养学生的自学和独立解决问题的能力，学生的收获更大。

虚实结合，重在“真品”（1）采用机辅分析。电子设计自动化(EDA)技术是以计算机为工作平台，对电子电路或系统进行自动分析和设计的计算机辅助技术，它的应用使得电路功能、参数的分析和设计都可以脱离具体对象，在构筑于计算机平台上的虚拟环境中通过仿真处理而自动实现。EDA技术已成为现代电子工程开发与应用领域的支撑技术，在电子行业，Miltisim、Protel等电子仿真软件，已成为电子工程设计的必备工具。学习和掌握应用计算机对电子电路的分析是目前和今后发展的必然趋势，将其应用到课程设计领域也是教学改革的方向。一是应用Miltisim设计电路仿真。在学生根据设计课题拟定初步方案后，要求他们先在电路仿真与分析软件Milltisim平台上对于所设计的电路进行仿真，观察电路功能是否满足设计要求，分析主要元器件参数对电路指标的影响，初步了解电路静态和动态的工作情况，在Milltisim平台上调试电路使之达到技术指标，为电路的实调做准备。二是应用ProtelForWindows设计印刷电路板。在Milltisim仿真后，给学生介绍印刷电路板的自动化设计软件ProtelForWindows和设计印刷电路板的基本工程知识，要求学生应用ProtelForWindows设计软件绘制本组设计的电路原理图并设计出印刷电路板图。通过几年课程设计的实践，对有源滤波器、交流宽带放大器、数字温度计、数字钟、交通灯控制器等设计课题采用MilltisimEDA软件与虚拟样机，指导学生进行电子技术课程设计，取得了较好的教学效果。（2）结合传统设计。近年来，全国各高校都开设了EDA技术的教学和实践课程。对机电类专业的学生而言，电子技术课程设计是学生在学完电子技术理论课程后进行的一次综合性训练，其目的是培养学生综合运用所学理论知识的能力、独立设计电子产品的能力和对电子产品实际安装、调试的能力。如果学生没有从原理图设计开始一直做到样机调试成功，经历整个电子产品的设计、开发过程，又如何能提高电子技术课程设计的作用?所以要将传统课程设计与EDA技术的训练相结合，比较电路实测的性能和计算机的仿真结果，以认识计算机仿真在电路设计中所起的作用，使学生对EDA技术的了解不只是停留在软件系统的操作上，而是对该技术在电子设计中所起的作用有一个整体的认识，能对学生综合能力的培养有所帮助。

形成组合，团结协作在组队方面，采取电子设计竞赛的组织方式，2～3人为一组，要求学生不仅要共同讨论设计课题和选择设计方案，还必须落实自己具体的设计任务，如计算机辅助分析、硬件电路的制作、调试、资料的查阅、整理和总结等，有分工有合作，以培养学生的团队精神。

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关键词：FPGA教学；FPGA教材；Verilog HDL；数字系统设计；电子设计自动化

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0113-02

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，一种半定制的集成电路，主要用在航空航天等高端领域中。随着技术的进步和成本的降低，FPGA性价比越来越高、集成度越来越大，可编程性能方面呈现出快速构建系统（System-In-Weeks）的优势，逐步渗透至计算机、通信、控制、消费电子和汽车电子等民用领域中。尤其是在数据通信、无线通信、先进消费电子领域，FPGA更是已经取代了一些处理器，成为新一代的系统级的硬件开发平台，各高校也纷纷开设了FPGA课程。FPGA教学是电子信息类专业设置的必修课程之一，引导学生迅速掌握这门技术的方法和入门手段是高等学校需要研究的课题。FPGA的阵列式硬件特性和语言并行特性与传统的微机原理以及高级语言的思想是完全不同的，因此，需要科学的引导方式使学生进入FPGA的世界中。教材就是必备的手段之一，采用合适的教材是实现良好教学效果的基础。

一、现有教材的内容安排对比

从应用过程来看，市场上FPGA教材一般具有以下共性问题：

第一，冗余度高，有用知识点少。多数教材在讲述FPGA开发时，均从基本的Verilog HDL（或者是VHDL）语法讲起，当语法结束后再讲述相关的设计。实际上，语法内容在先修课程中已经完全（或者大部分）修读过，不用再学一遍类似或完全相同的内容。

第二，教材内容按照固定的顺序写，先语法，后基本组合电路设计，再基本时序设计等，不符合学生学习的规律，应该按照硬件描述语言所能表达的电路形式去讲解，而不局限于数字电路的知识点。

第三，部分教材动手实验的内容过于简单，且不具有实际应用价值。如一些自动售票器之类的实验。

第四，很多教材一开始给出了EDA领域中的很多新名词、新概念，让初学者陷入抽象的名词堆中，不能理解其内涵，不利于学习入门等。

由于这些原因限制了教师教学的主观能动性和学生学习的引导性，提出了一套新的教材教学内容的规划方法。

二、新教材的内容规划

教材内容应根据现有的培养方案结构和先修课程的关系有效地进行内容的选择，去冗留精，根据学生所能掌握知识的自然过程循序渐进并有机地结合工程应用等方面，才能达到学生学习上的“水到渠成”及学以致用的效果。

第一，合理规划培养方案中的教学内容大纲，去除已经学习过或者不需要讲述的内容。以教材中的HDL为例，现在很多高校电子信息类专业均以Verilog HDL为语言部分教学内容，Verilog HDL语言源自于C语言，C语言中的大部分语法和语句可以直接用于Verilog HDL中，这样语言部分就不需要单独花很多时间去讲授，只有部分语句和语法需要单独补充。例如块语句“begin end”、拼接符“{}”和缩位运算符等。条件语句和c语言中的语法也不尽相同，只需要指出不同点即可。在很多计算机类的专业中，HDL部分讲授的是VHDL语言。VHDL语言源自于PACAL，部分和PACAL语法相同，例如变量的赋值等可以省略。尤其是VHDL语言，语法内容较多，如果去除和PACAL语言相同的部分，可以省略很多课时用来讲解其他更为重要的知识点，有利于提高教学效果。

第二，遵循学习规律，教材内容应循序渐进给出新知识点。以学生为主体，强调“学习者取向”。[1]教学内容的安排应从最简单的数字电路设计和已经掌握的基本的语言语法开始，让初学者不知不觉中掌握了一种新技术，利用所学过的数字电路知识和C语言类似的基本Verilog语句就能实现。然后在此基础之上安排一些新的电路设计点和介入Verilog HDL语法。例如，在讲述半加器电路设计时可以采用数字电路中的设计方式，使用两个门（与门和或门）就可以实现半加器的设计。然后分析电路的行为，完全可以使用拼接符去实现，并重点从功能角度讲述。即：两个一位数相加，结果最多为两位，结果中高位即为进位位，低位则为和输出位。语法实现为assign {co，s}=a+b，一方面引入了新的语法（拼接符{}），另一方面从“行为”角度讲述了半加器的工作，避开了数字电路中的化简过程，且符合学生思考解决问题的思路，课堂教学效果很好。

第三，教学内容应尽可能结合应用或者结合应用的构成部分。FPGA是一项实用技术，在小的电路设计系统中经常作为外设的译码电路，可以结合多路译码器电路进行设计应用，在实验过程中尽可能采用此类内容作为实验；在较大型的设计中可能会涉及到DSP算法或者复杂的通信协议，结合学生已经掌握的知识点设计一些内容进行讲授。如：奇偶校验，在串行口的通信中校验是基本的功能之一，在Verilog HDL中使用一条简单的语句“assign P= ^D；”就可以实现。一方面实现了使用逻辑门电路很难实现的算法，另一方面也增加了新语法（“^”为缩位异或运算）的应用。再如：并串转换和串并转换，是现在串行通信中几乎不可缺少的组成部分，大多数教材讲述的方法不具有实用价值，应该结合应用时的通信握手，增加部分控制信号，使讲述的内容能够直接应用到系统中。

第四，入门知识点要尽可能简单，最好使用所学知识引导进入新的知识点，然后扩展至知识面，最后达到全面掌握本课程全部知识点的范畴。现有教学内容的入门教学方式不符合思维方式，它采用的方法为从抽象化到具体化的安排过程。现有的教材内容一般在第一章介绍EDA技术领域的一些新概念，发展过程和扩展至系统级中的一些内容，例如IP的概念、固核硬核软核等。这些内容在基础类教学中往往不会涉及，有些即使涉及了，学生也不明白和前面的概念之间的联系，不利于教学的开展。按照常规的思维方式，教学的入门可以从一个熟悉的知识点入手，进而辐射至其他的新知识点、新概念。在教学内容安排上，可以从与门电路设计开始，然后引入两个门电路同时实现，并给出HDL并行执行的概念，有利于重点突出HDL的特点，激发学生学习FPGA的积极性。

第五，简化逻辑产生过程，注重输入输出之间的行为关系。部分FPGA教学内容安排在数字电路设计之后。受数字电路设计思想的影响，很多学生认为HDL仅仅是用于描述门级电路的，而实际上HDL能够从更高的系统级角度描述电路行为。以N位全加器为例，不需要知道内部电路构成的细节，从行为级角度就可以直接描述出电路。再如：在教学内容的后期设计一个简单的CPU。CPU是复杂数字电路的代表，通过CPU的设计一方面可以使学生掌握CPU的基本原理和设计方法，另一方面可以让学生们了解，即使再复杂的电路都可以使用HDL描述，让学生们有系统级的概念，为今后进行更加复杂的系统设计打下思想基础。

6.语言方面要推陈出新，更新语言标准，注重实际综合效果

硬件描述语言是FPGA硬件电路设计的重要组成部分。以Verilog为例，市面上早期的教材均是以IEEE1364-1995为标准编写，而现在最新的Verilog标准为IEEE1364-2002。大多数教材仍然沿用IEEE1364-1995语法，这是不利于学习的。以存储器设计为例，旧标准中存储器空间的位初值无法直接给出，必须通过向量中间变量来实现，过程繁琐，不符合系统及描述的特点。而在新标准中，语法上可以直接实现对存储器空间的某个位进行操作，简化了设计过程和设计理念。再如：在向量的部分选择问题上，旧标准不能采用正向偏移或者反向偏移的方式实现部分向量的操作，不利于电路行为设计；而在新标准中，不仅能实现偏移，还可以动态更改索引表达式，使代码的编写更为灵活，更符合学习者的编写代码思维方式。

7.仿真要与物理综合结果相结合

从物理意义上讲解，注重设计综合细节的说明。EDA仿真工具一般有专用仿真工具和厂家软件自带的仿真工具两类。专业的仿真工具，如modelsim，严格遵守Verilog HDL仿真语法要求；而厂家的仿真一般会结合综合效果，不完全符合HDL语言本身的要求。例如，若有always@（a）c=a&b；在modelsim中进行仿真结果和QuartusII中的仿真结果不同。在modelsim中，若b信号发生了变化，仿真结果不会出现变化，而在QuartusII中若b变化了，c输出也会跟着变化的（规律是与门的规律）。从语法角度上讲，若b信号变化，但它不在敏感信号列表里，所以不会触发always块，因此modelsim仿真结果不变；而QuartuII认为，这个代码就是用来描述一组合电路-与门的，它会按照与门的输入输出关系变化仿真结果，实际教学中应注意两者仿真的不同，并对学生进行科学的解释。当然，教学过程中应尽可能引导学生把这类代码写成完整的形式：always@（a ，b）c=a&b，避免出现不必要的错误结果。

8.注意与其他相关课程的衔接

FPGA是硬件教学内容，与其他如单片机、ARM、微机原理与接口技术等课程会有一定的交叉和连接。

9.注重编程风格和编程思想

教材内容的附录部分增加了代码编写的常用习惯和可综合风格的书写，有利于培养学生良好的书写习惯，为语法检查和功能检查提供方便，为进一步编写大规模的代码奠定良好基础。

三、教学效果

通过优化教材内容、改革教学方法与教学手段，FPGA课程教学改革取得了较大的成效。具体表现为：第一，教材注重学生基础，以往基础差的学生也能入门，学生自主学习的兴趣浓厚。第二，教学内容的安排更加合理，结构更加完整，教师和学生使用更加方面，无需辅助参考书。第三，课程的教材注重实验环节，实验内容与理论知识结合紧密，学生的实验能力得到了进一步的提高，大部分学生能够独立完成基本实验，部分学生能自主完成部分创新实验项目。第四，教材从学生基础出发，符合学生实际，教学效果良好，学生的期末成绩取得了大幅度提高。第五，学生充分肯定了教师的教学水平，教学评估成绩优秀。

四、教材后续内容的完善和调整

本课程在大三上学期开设，侧重入门和基础教学。若学生在学习完本教材后需要继续在FPGA方向上深入学习，教师应结合学生所学和嵌入式方向的需要，讲授一些关于qsys和sopc的相关内容；若数字信号处理的内容已修，还可以结合dspbuilder等进行高层次的讲解教学；可以结合altium designer等对8051类的单片机软核进行完善修改，达到全面培养学生的FPGA系统设计和应用能力的目的。

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时代在发展，电子信息工程专业的建设也要与时俱进，相应的课程体系的建设和人才的培养方案更当推陈出新。各学校应结合自身特色进行电子信息工程专业的建设，构建自己的专业体系。

1、了解专业发展的历史

要较好的完成电子信息工程专业的建设，首先要对该专业的历史或者说是发展历程有所了解，该专业是从最早的研究电视机、收音机等家电设备开始，到后来数字电路的引入、计算机技术的融合，再到现在的单片机、ARM、EDA等技术的融入。可以说课程的广度越来越宽，深度也在不断加深。如何把握电子信息工程专业在课程设置及教学的深度是至关重要的。只有把握了这一点，才有利于电子信息工程专业的专业建设及课程体系的发展，有利于决定具体课程的取舍的选择，有利于教师开展相应的科研工作。

2、课程知识体系的构建及其深广度的把握

在专业建设方面应该以注重专业基础课的建设为主。按照电子专业的应用方向，一般把电子信息工程专业的知识体系分为三个方向：路、信号、场。路指的是电路，电路方面应以电路原理、模拟电路、数字电路课程作为基础课程信号方面则应该以信号与系统课程为基础。场方面则应以大学物理和电磁场与电磁波理论为基础。对于三个方向的基础课是教师要重点深入的介绍。

也就是说以上提到的都为基础课，是每一位学生都应该掌握的，这些专业基础课也就是很多高校在专业建设当中提到的专业基础平台的建设。在这个平台的基础上再进行相应的专业课程的教学。例如：电路方面可以继续学习单片机、EDA、嵌入式系统设计等，信号方面可以继续学习语音及图像信号处理等，场方面则可以继续学习微波通信、射频识别等。在专业课程的建设方面，可以做成选修课的形式，学生根据自己的兴趣方向，选择到底是深入学习电路、信号处理还是场方向的课程。

另外各个学校应该结合自身的特点，开设相应的特色专业课程或基础课程，例如农业类学校的电子信息工程专业，可以开设植物或蔬菜的种植方面的课程，动物生长类的课程。然后结合电子信息工程的知识，让学生可以将智能电路及控制知识很好的应用于动植物的生长方面。陶瓷类院校，可以开设陶艺及其加工、艺术类课程，学校的电子信息工程专业则可以把智能灯光控制和艺术品展示相结合或者是用电子设备来控制或改善加工的工艺之类的。

3、专业类课程提前、不间断

以往的经验证明，学生在前两年的学习专业的积极性是最高的，到了第三年尤其是第四年，伴随着考研、找工作等事情的干扰，学生基本无心学习。同时，专业课程在本科四年的教学工作中应该不能间断，让学生对专业的学习有个连贯性，这样有利于学生的学习以及保持学生的学习积极性。因此，专业课程的整体前移和不间断的专业课设置显得尤为重要。

在专业课的开设方面应该整体前移，课程之间只要没有必然的前后联系，还是可以在较早学期开设的。比如说电路原理可以开设在第一学期，至于电路原理当中的一阶响应部分（需要有高等数学中的解微分方程知识），可以在后续课程信号与系统当中弥补，不一定要等到高等数学学完；数字电路课程没有必要等到模拟电路开完了再开设，虽然数字电路课程当中逻辑非门的引入需要一点三极管的知识，但可以不去提及这方面内容，事实证明，学生在学习后面的组合、时序逻辑电路时没有谁还去顾及非门是怎么来的。当然这部分知识可以在模拟电路课程当中由课程老师提及一下就可以了。按照这种做法，就可以将很多的专业基础课移到较早的学期开设，从而实现专业类课程的整体前移。这样做有利于学生较早的进入专业领域的学习，从而使得学生在学校有更多学习专业知识的时间。

而相应课程之间的协调工作应该是教研室或者在专业建设时就应标注说明的。做的好的话，在专业建设时应更多的考虑专业课程群的建设[1]，提倡群内各课程老师的集体备课，或者一开始就应该构建依托课程群建设的教师团队。

4、实验实训课程的建设

基础实验是使学生加强电路基础、信号分析等方面的理论知识的理解，实验内容应包括电路基础实验、电子技术仿真实验、模拟电路实验、数字电路实验、信号与系统实验、大学物理实验等。这些实验都是和专业基础课的基础理论平台相对应的。通过这些实验课程的开设，让学生建立扎实的实验操作、分析和设计能力。

专业实验模块是针对专业课程分方向设置的专业课实验实践环节，学生根据自己感兴趣的专业方向选择对应的专业实验课程进行学习，通过本模块的学习可使学生进一步加强对基础知识的应用，确定今后研究的专业方向，增强自身的技能，提高实验创新能力。

为了提高学生的实践能力应该加强实验实训课程的建设，创新实验教学方法，拓宽实训方式、完善实训机制。应该建立与基础实验和专业实验课程相配合，能提高学生对基础知识和专业知识的掌握能力的实训课程。向焊接实训、模拟电路综合实训、单片机实训等。最终可使学生将所学的基础知识、专业知识、专业特长和兴趣爱好有机结合起来，从而提高学生的实践能力和创新意识。

5、具体课程的改革

课程改革的目的是为了促进专业建设更好的发展。改革的效果应该是能够让学生在有限的时间内学到更好更多的知识。可以从以下几方面入手：1）对课程进行推旧出新，去除过时的不适用的，增加新的课程，并对课程进行分析及改进。2）在教学过程当中尝试EDA技术的引入，可以给学生提供另一种学习专业课程的方式。但注意不能冲淡课程的主题，不能替代实践的主体地位及作用。3）对过多的和不必要的数学课程进行弱化，强调课程的目标是借助数学工具来完成专业课程的学习。

6、科研对专业建设的推动

教师应该积极投入到与教学有关的科研任务中去，同时利用科研成果更好的完善电子信息工程专业的专业建设。

参考文献

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【关键词】CDR 过采样 速率选择 二阶数字滤波器 相位插值

1 引言

时钟数据恢复电路是高速串行通信系统中的关键模块，主要作用是从串行数据流中提取出时钟与恢复出数据。常见的CDR结构为反馈相位跟踪型，通过鉴相器判断时钟和数据之间的相位变化，及时反馈给电路进行相位校准。反馈相位跟踪型CDR根据时钟产生和相位调整方式不同，分为三种基本类型：基于锁相环型、基于延时锁定环型和基于相位插值（Phase Interpolation，PI）型。

对电路进行MATLAB行为级建模首先是为了确定影响电路性能的因素，有利于电路的系统设计，其次是利用系统模型仿真速度比电路仿真速度快几个数量级的特点，缩短系统设计周期。为了确定CDR电路中二阶数字滤波器的频率跟踪环路和相位跟踪环路的系数、加快电路设计周期，本文采用了MATLAB中Simulink工具对CDR电路进行行为级建模及仿真分析。

2 CDR系统框架

2.1 系统框架

本设计是基于PI型CDR，工作原理是通过选择一组正交时钟进行加权组合，得到需要的时钟相位，从而完成对数据相位校准跟踪。该结构的优点是采用数字电路实现相位跟踪，通过对数字电路编程，可以调整抖动传输带宽及确定性抖动。本文分别运用了时域和相位域的方法对CDR进行建模，采用时域方法建模可以准确理解及掌握CDR系统中每部分具体的运行过程，测出CDR的抖动、微分非线性（DNL），误码率等；采用相位域方法建模，能够快速测出CDR的抖动传输带宽、锁定时间、频差容忍等参数。时域模型的总体框架分为以下几部分：采样模块、分频模块、速率选择器、数字滤波器、PI控制器、相位插值模块（PI）、延迟模块。

2.2 工作原理

采样器用同频率四相位时钟对接收端发送过来的数据进行采样，输出两位数据信息和两位相位信息。分频器将采样器传送过来的数据与相位信息进行四分频，目的是为了降低后面数字模块的工作频率，以及提供八位数据供速率选择器进行投票选举。数字滤波器对时钟超前与滞后信息进行累加，输出七位超前（early[0：6]）和滞后（late[0：6]）信息。PI控制器对七位时钟超前和滞后信息进行编码，高两位用来选择相位插值的象限，每个象限等分为25个区间，即低五位用来选择插值区间。经相位插值模块调整时钟后，输出四相位时钟供采样模块对数据进行采样。

模型可及时分析仿真结果，调整二阶数字滤波器的参数，优化设计。本文设计的CDR是封闭的二阶环路，将模型抽象为基本的数学模型，如图1所示，采样、分频、速率选择模块的数学系数为KPD，PI的系数为KPI，其中KPD和KPI值固定，二阶数字滤波器中相位跟踪环路的系数为ph，频率跟踪环路的的系数为fr。通过调整二阶数字滤波器ph和fr，可以改变整个CDR环路的带宽、抖动情况、频差跟踪能力。等式（1）展示了CDR的传递函数。

3 MATLAB建模和仿真

3.1 高速采样模块和速率选择器

高速采样电路的模型是搭建四个触发器，用时钟上升沿对数据进行采样。从PI中恢复出相差90o的四相时钟clk0、clk90、clk180、clk270。clk0和clk180对数据中心进行采样，得到数据信息，clk90和clk270对数据边沿进行采样，得到数据的相位信息。

在分频器中用触发器将采样得到的两位数据信息和相位信息四分频，得到八位数据和相位信息，并用四分频后的时钟clk3/4将八位数据和相位信息对齐。

3.2 可编程数字滤波器

前面已经简单地描述了整个CDR的传输函数，本设计的难点在于分析及选择合适的数字滤波器参数。本设计采用了二阶数字滤波器，与传统的一阶数字滤波器相比较，二阶CDR的频差跟踪能力远远大于一阶CDR。如图2所示数字滤波器模型，KP环路实现相位积分，最高累加11位信号，舍弃低4位，KP取值为8、4、2；Kf环路实现频率积分，最高累加13位信号，舍弃低8位，Kf的取值为4、2、1。结合图分析可得到系数ph=KP*2-4，系数fr=Kf*2-12。

3.3 相位插值模块

本文设计的PI为7比特，一个UI范围内能插值27种不同的相位。下面提出PI的插值原理及各参数含义。

i：高两位选择（sel）四个象限，低五位（k）将每象限分割成32个区间，每个PI的精度=360o/27=2.8125°。

ii：设相差90°的正交时钟为I、Q，a（k）=k/25=0.03125*k为时钟I的权重值，0≤k≤25。

iii：ф（k）是PI代码为K时，插值后的时钟（clkIQ）相位，PI的线性度指标有微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）。其中DNL=ф（k+1）-ф（k）-，INL=ф（k）-k*。

PI插值后的时钟：

clkIQ=a*I+（1-a）*Q （2）

根据以上提出的PI插值原理和公式（2）的算法，建立模型，输入信号分别为u（1）―u（7）：u（1）=sel，u（2）=1-（0.03125*k+0.015625），u（3）=1-u（2），u（4）=clk0，u（5）=clk180，u（6）=clk90，u（7）=clk270。函数模块用如下所示的c语言程序实现。其中clk0/90/180/270是锁相环提供的参考时钟，CK0/1/2/3是PI插值后的四相位时钟。

4 仿真结果

在半速，全速，倍速模式下，CDR能够正常恢复1.25 Gb/s-6.25 Gb/s的数据。在半速模式下，测试结果如表1所示，不同ph值对应不同的确定性抖动、频差跟踪能力和抖动传输带宽。在抖动传输测试中，设置ph=1/4，在3.125 Gb/s数据中加入幅值为0.1UI的正弦抖动（Jitter），测试结果体现了CDR低通特性，取不同的ph和fr值，分别测得抖动传输带宽为2.3 MHz-10 MHz。

5 结束语

本文通过对6.25Gb/s时钟数据恢复电路进行MATLAB建模与仿真分析，确定了二阶数字滤波器的系数，为后续电路设计节省了大量的时间。最终对抖动传输带宽、确定性抖动和频差容忍进行折中，选定相位积分环路系数ph的值为1/2，1/4，1/8；频率积分环路系数fr的值为2-10，2-11，2-12。仿真结果表明，该CDR能恢复出1.25 Gb/s-6.25 Gb/s的数据，抖动传输带宽能实现2.3 MHz-10 MHz可调，确定性抖动为1-5，在半速模式下，频差容忍为3000ppm。

参考文献

[1]张长春，王志功，郭宇峰，施思.高速时钟与数据恢复电路技术研究[J].电路与系统学报，2011，17（3）：60-65.