談數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革實踐

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摘要:為適應(yīng)新工科背景下對新型人才培養(yǎng)的要求，對數(shù)字電子技術(shù)課程進(jìn)行了持續(xù)而深入的改革。首先，理論教學(xué)將傳統(tǒng)邏輯門與現(xiàn)代FPGA技術(shù)相結(jié)合;其次，實驗平臺由多門相關(guān)課程整合并演進(jìn)到具有高性能的FPGA多功能外設(shè)平臺;再次，自編實驗教材，注重數(shù)字邏輯設(shè)計的基本方法，實驗內(nèi)容循序漸進(jìn)，由易到難，涵蓋工業(yè)界廣泛使用的FPGA常用技術(shù);最后，結(jié)合自行開發(fā)的便攜式FPGA小系統(tǒng)，在課程自由實踐環(huán)節(jié)采取以項目為導(dǎo)向的教學(xué)方式，使不同基礎(chǔ)的學(xué)生都得到足夠的工程能力訓(xùn)練。實踐結(jié)果表明，此次教學(xué)改革不僅加強(qiáng)了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握，還有效提高了學(xué)生綜合工程設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:新工科建設(shè);數(shù)字電子技術(shù);課程改革;FPGA技術(shù)

數(shù)字電子技術(shù)課程在新工科建設(shè)背景下必然是電子信息，通信工程和自動化等信息類工科專業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容之一［1，2］。然而，由于存在工科基礎(chǔ)弱和生源主要來自少數(shù)民族地區(qū)的客觀情況，民族高校的數(shù)字電子技術(shù)課程改革難以直接照搬其它高校在理論課改革和實驗課改革的成功經(jīng)驗［3］。對工科專業(yè)基礎(chǔ)課程而言，僅掌握理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須重點訓(xùn)練將理論知識在實踐中應(yīng)用的能力，并在實際應(yīng)用中再體會，消化，最終轉(zhuǎn)化為分析和解決實際問題的能力［4，5］。若實驗平臺和實驗內(nèi)容不合適，則課程改革難以達(dá)到預(yù)期目的。因此，實驗教學(xué)改革是數(shù)字電子技術(shù)課程改革的關(guān)鍵。基于此，本文主要對實驗教學(xué)改革進(jìn)行討論，詳細(xì)的實驗課程改革如下:

1實驗平臺改革

實驗改革主要包括實驗平臺的選擇和實驗內(nèi)容的設(shè)計，以達(dá)到循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生分析、解決和設(shè)計實際工程問題的能力。為配合課程改革，我們設(shè)計了基于FPGA的實驗平臺，同時該平臺也能滿足傳統(tǒng)邏輯門實驗。若進(jìn)行FPGA實驗，電路設(shè)計在電腦上用軟件編程或原理圖完成，下載驗證時只需連接少量輸入輸出線即可。因成本低，操作方便，本實驗箱在2015年首屆湖北省高等學(xué)校自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備評選活動中獲得優(yōu)秀獎。從2013和2014級的實驗教學(xué)情況來看，該實驗箱完全能夠滿足新版教學(xué)計劃對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的要求。為提高實驗室的利用率，2015年學(xué)校實驗中心設(shè)計開發(fā)了一款基于DE1－SOC開發(fā)板為核心的數(shù)字系統(tǒng)綜合實驗平臺。除DE1－SOC本身的資源外，底板還增加了大量資源，以方便少量傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗教學(xué)。該實驗平臺高性能的FPGA和多功能外設(shè)，為數(shù)字電子技術(shù)實驗提供了有力的支撐。

2基礎(chǔ)實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗一共18個學(xué)時，6個實驗，其中實驗1、2采用傳統(tǒng)門電路設(shè)計;實驗3，4，5，6采用FPGA設(shè)計。雖然總學(xué)時不多，由于使用效率更高的FPGA平臺，相比傳統(tǒng)實驗箱，新實驗內(nèi)容反而更加充實和實用。實驗一是邏輯門電氣特性測試與SSI設(shè)計，其中邏輯門測試完成對74LS邏輯門輸入輸出電平，電壓傳輸特性測試以及用與非門實現(xiàn)其他邏輯門，最后采用74LS00和74LS10設(shè)計三人多數(shù)表決器。實驗二為MSI設(shè)計，一共3個內(nèi)容，分別為采用74LS38譯碼器設(shè)計具有報警功能的電子密碼鎖，采用74HC151數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計多路開關(guān)控制燈和采用加法器74LS283實現(xiàn)8421碼與余3碼的雙向轉(zhuǎn)換。實驗三為Quartus軟件的使用。其目的在于讓學(xué)生掌握基于Quartus的數(shù)字邏輯電路設(shè)計的基本流程和關(guān)鍵步驟。本實驗內(nèi)容包括:1)基于原理圖設(shè)計的三人多數(shù)表決器;實驗給出詳細(xì)步驟。2)基于VerilogHDL語言的產(chǎn)品等級檢測電路;工程設(shè)置，編譯和下載步驟與第1個內(nèi)容完全一致，省掉這些重復(fù)內(nèi)容，重點介紹基于新建文本源文件和基于文本的管腳指定方法。3)電子密碼鎖，重點給出功能仿真的詳細(xì)步驟。實驗四是基于FPGA的組合邏輯電路設(shè)計，其目的是掌握常用組合邏輯電路的行為描述。本實驗的具體內(nèi)容為:1)獨立按鍵編碼及顯示電路。2)采用VerilogHDL語言設(shè)計顯示譯碼器。本實驗可以加強(qiáng)學(xué)生對7段顯示譯碼器邏輯功能的理解，鞏固對Verilog行為描述中case語句的掌握。3)采用混合設(shè)計方式設(shè)計兩路4比特加法及結(jié)果顯示電路。實驗五為基于FPGA的時序邏輯電路設(shè)計。本實驗包含的3個內(nèi)容分別為:1)設(shè)計分頻器，實現(xiàn)將50MHz的高頻時鐘分頻到2Hz的低頻時鐘;訓(xùn)練學(xué)生掌握基于Verilog語言設(shè)計計數(shù)器或分頻器的基本方法。2)利用內(nèi)容1)設(shè)計的2Hz時鐘作為工作時鐘，設(shè)計一個5節(jié)拍的順序脈沖發(fā)生器;并顯示時鐘節(jié)拍數(shù)。3)設(shè)計可變計數(shù)器，其目的是訓(xùn)練學(xué)生對計數(shù)器設(shè)計方法的掌握，計數(shù)器可采用原理圖或硬件描述語言實現(xiàn)。實驗六為555定時器應(yīng)用與秒表。第1部分為傳統(tǒng)的555定時器的基本應(yīng)用，包括施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)觸發(fā)器和多諧振蕩器。第2部分為基于FPGA的多功能秒表設(shè)計。具體要求為:能夠最大計時到15分鐘，具有暫停，復(fù)位，加計時和倒計時功能。學(xué)生需要提前設(shè)好秒表的代碼，進(jìn)實驗室完成調(diào)試、修改和最終驗證。上述實驗兼顧傳統(tǒng)與現(xiàn)代數(shù)字邏輯電路設(shè)計方法，實驗內(nèi)容由易到難，循序漸進(jìn)，易于學(xué)生理解掌握，又能訓(xùn)練學(xué)生的工程綜合能力。

3課程項目實踐

課內(nèi)基本實驗主要訓(xùn)練邏輯電路的FPGA實現(xiàn)技術(shù)，其綜合應(yīng)用相對來說還是偏少。為適應(yīng)新工科背景下的課程建設(shè)的要求，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新水平，從2017年開始，我院的數(shù)字電子技術(shù)課程增加了綜合實踐項目。為方便綜合實踐項目的開展，我們還設(shè)計了一款便攜式FPGA開發(fā)板。其核心為2012年校實驗技改項目設(shè)計的4層FPGA核心板，底板上設(shè)計了一個4位一體的數(shù)碼管，8個撥碼開關(guān)，8個發(fā)光二極管，USB供電接口，8位ADC，8位DAC和溫度傳感器DS18B20等。學(xué)院一共做了120套便攜式FPGA開發(fā)板，并配置了USB－Blaster下載器。在數(shù)字電子技術(shù)課內(nèi)實驗做完后，學(xué)生分批到學(xué)院登記借用，進(jìn)行課程項目實踐。實踐項目有:數(shù)字電壓表，低頻數(shù)字頻率計，數(shù)字溫度計，DDS信號發(fā)生器，數(shù)字頻率計，PWM信號發(fā)生器等。學(xué)生選題不局限于這些內(nèi)容，也可自主選題。在整個設(shè)計和制作階段，學(xué)生可咨詢老師或高年級學(xué)長。考慮到不同學(xué)生的差異性，自由實踐環(huán)節(jié)為1個月時間，基礎(chǔ)較好的同學(xué)一般能夠在2周內(nèi)完成，基礎(chǔ)差一些的同學(xué)也能在1個月內(nèi)完成。由于具有很強(qiáng)的開放性，自由項目實踐在學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、查閱文獻(xiàn)的能力和綜合工程設(shè)計能力的培養(yǎng)方面起到了重要作用。從近年來的結(jié)果看，這種項目實踐對學(xué)生綜合電子設(shè)計能力的提升起到了很好的作用。通過這些項目的鍛煉，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)的興趣，并通過后續(xù)持續(xù)的學(xué)習(xí)鍛煉，我院學(xué)生在近5年全國電子設(shè)計大賽，智能車競賽中獲得國家級獎勵20多項和省級獎勵60多項，畢業(yè)生專業(yè)能力和綜合素質(zhì)也得到廣大用人單位的肯定。

4結(jié)束語

本文探討了在新工科背景下，數(shù)字電子技術(shù)課程改革實踐，重點給出了實驗平臺改革，實驗內(nèi)容設(shè)計和課程項目實踐。在整個課程改革中，一直堅持持續(xù)改進(jìn)的理念，根據(jù)理論和實驗教學(xué)反饋情況，每年對實驗內(nèi)容和實踐項目進(jìn)行修訂，逐步完善。通過這些改革，極大地提升了學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和工程實踐能力。這些經(jīng)驗對廣大的普通高等學(xué)校的電子類課程改革具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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作者：饒文貴 王勤 朱正平 陳錕 單位：中南民族大學(xué)