EDA技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革

榮雪琴

摘 要：該文主要分析了數(shù)字電子技術(shù)與EDA技術(shù)課程進(jìn)行改革的原因，提出了課程改革的方法，并且對課程改革前后的效果進(jìn)行了分析。對兩門課程進(jìn)行整合，能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣和愛好，統(tǒng)籌安排教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)資源可以得到合理的整合和優(yōu)化，充分體現(xiàn)了以能力、素質(zhì)為目標(biāo)的課程培養(yǎng)目標(biāo)。使用QuartusII軟件豐富的邏輯功能庫、設(shè)計(jì)修改方便快捷，仿真結(jié)果直觀真實(shí)等特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生動手能力與創(chuàng)造性思維，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子 EDA課程改革 QuartusII軟件

中圖分類號：G715 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0185-02

數(shù)字電子技術(shù)是高職院校電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究的是基于卡諾圖的傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，課程的教學(xué)以理論為主。隨著電子設(shè)計(jì)自動化的出現(xiàn)，以可編程邏輯器件為載體、硬件描述語言為編程語言、QuartusII為設(shè)計(jì)工具的自頂向下的設(shè)計(jì)方法已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的主流。通過多方了解大多數(shù)學(xué)校還是將數(shù)字電子技術(shù)和EDA技術(shù)兩門課程單獨(dú)開設(shè)，學(xué)生在學(xué)習(xí)EDA課程時早已忘了相關(guān)的數(shù)電知識，在上EDA課程時還要重復(fù)講解數(shù)電知識，學(xué)生覺得EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法比較容易掌握，但是經(jīng)常被一些理論知識困擾。為了滿足企業(yè)對學(xué)生在工程應(yīng)用能力和工程素養(yǎng)方面的需求，應(yīng)該將原先的《數(shù)字電子技術(shù)》課程和《EDA技術(shù)》課程進(jìn)行了整合，統(tǒng)籌安排教學(xué)內(nèi)容，合理整合教學(xué)資源，對于加快提高學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力有著重要的意義。

1 課程改革實(shí)踐

1.1 編寫《數(shù)字電子與EDA技術(shù)》教材

在編寫教材的時候以數(shù)字電子技術(shù)的基本理論和基本技能為引導(dǎo)，以EDA平臺和硬件描述語言為主要設(shè)計(jì)手段，以工程能力培養(yǎng)為宗旨。在編寫教材的時候原來《EDA技術(shù)》教材中的QuartusII軟件的使用和VHDL硬件描述語言仍然單獨(dú)設(shè)為兩章，而其余一些設(shè)計(jì)性的內(nèi)容就融合到《數(shù)字電子技術(shù)》教材的各部分內(nèi)容中，在理論講解完后就進(jìn)行EDA技術(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)與仿真。比如，在介紹完集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的一些理論內(nèi)容后，就可以讓學(xué)生用QuartusII軟件以原理圖方式輸入的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和下載。原先在數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)中一般是在課堂上進(jìn)行講解、畫波形分析，然后學(xué)生模仿著進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種學(xué)習(xí)方法學(xué)生學(xué)完就容易忘記，而在EDA平臺中進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以利用仿真器仿真計(jì)數(shù)器的波形圖，對于計(jì)數(shù)器的每一個狀態(tài)都能清楚的顯示出來，然后可以將設(shè)計(jì)下載到開發(fā)板，能夠直觀地觀察計(jì)數(shù)器的各計(jì)數(shù)狀態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)既節(jié)省了時間，又比較直觀，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣。

1.2 設(shè)計(jì)《數(shù)字電子與EDA技術(shù)》的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

設(shè)計(jì)符合新的教學(xué)體系下的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，包含一些基本的設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)的基本項(xiàng)目有表決器、加法器、編碼器、譯碼器、計(jì)數(shù)器、寄存器等，綜合的項(xiàng)目有搶答器、數(shù)字鐘、電子密碼鎖、信號發(fā)生器等，綜合項(xiàng)目可以用于該課程的課程設(shè)計(jì)，也可以用于學(xué)生作為課后的拓展項(xiàng)目。在數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)踐課程的教學(xué)過程中以QuartusII為設(shè)計(jì)的工具軟件，實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行深度改革，使學(xué)生能夠形象、直觀地理解電路的工作原理和工作過程，還可以通過修改電路或者程序來討論一些錯誤情況，找出解決問題的方法。這樣可以活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時理論和實(shí)踐緊密的結(jié)合，可以發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目時內(nèi)容要豐富，可操作性和擴(kuò)展能力要強(qiáng)。

1.3 課程改革實(shí)例

以3-8譯碼器為例介紹課程的整合，如圖1將3-8譯碼器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目安排在理論內(nèi)容之后，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)完3-8譯碼器的理論內(nèi)容，就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般我們對于譯碼器采用VHDL程序設(shè)計(jì)，對于3-8譯碼器的理論內(nèi)容比較熟悉，也便于設(shè)計(jì)程序的理解，尤其在波形分析的時候就是對照真值表來檢測波形是否正確，從而判定設(shè)計(jì)的程序是否正確，然后下載到開發(fā)板中觀察現(xiàn)象，有些學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象都不會分析，這些原因都是因?yàn)閷W(xué)生的理論知識掌握不好。比如原來沒有整合之前，要介紹3-8譯碼器，首先要講譯碼器的概念，什么是3-8譯碼器，以及3-8譯碼器是如何工作的，下面是3-8譯碼器的VHDL程序：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY decoder3_8 IS

PORT（a，b，c：IN STD_LOGIC；

g1，g2a，g2b：IN STD_LOGIC；

Y：OUT STD_LOGIC_VECTOR（7 DOWNTO 0））；

END decoder3_8；

ARCHITECTURE behv1 OF decoder3_8 IS

SIGNAL indata：STD_LOGIC_VECTOR（2 DOWNTO 0）；

BEGIN

indata<=c&b&a；

PROCESS（indata，g1，g2a，g2b）

BEGIN

IF （g1='1'AND g2a='0'AND g2b='0'）THEN

CASE indata IS

WHEN "000"=>Y<="11111110"；

WHEN "001"=>Y<="11111101"；

WHEN "010"=>Y<="11111011"；

WHEN "011"=>Y<="11110111"；

WHEN "100"=>Y<="11101111"；

WHEN "101"=>Y<="11011111"；endprint

WHEN "110"=>Y<="10111111"；

WHEN "111"=>Y<="01111111"；

WHEN OTHERS=>Y<="XXXXXXXX"；

END CASE；

ELSE

y<="11111111"；

END IF；

END PROCESS；

END behv1；

上面的程序主要介紹了3-8譯碼器有3個輸入，8個輸出，三個使能端，當(dāng)使能信號g1g2ag2b=100時對輸入信號實(shí)現(xiàn)譯碼，否則輸出y=11111111，如果直接講這個程序，學(xué)生不能理解為何各種輸入情況下是這樣的輸出，所以要花費(fèi)和設(shè)計(jì)過程差不多的時間介紹3-8譯碼器的理論知識，講完程序，我們進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用QuartusII可以仿真出下面的波形圖：

在理解了譯碼規(guī)律后學(xué)生能夠自行分析上面的波形圖，再進(jìn)行下載后也能很好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以往沒有進(jìn)行整合的時候，學(xué)生不理解為何大部分時間的使能信號要設(shè)置成100，然后再設(shè)置一點(diǎn)其他的情況，其實(shí)我們主要是要把每一種輸入下的譯碼情況仿真出來，還會出現(xiàn)譯碼情況下的輸入信號abc的設(shè)置不全，仿真出來的波形不知道是否正確，整個設(shè)計(jì)過程中只掌握了QuartusII軟件的操作，這樣的設(shè)計(jì)是毫無意義的。經(jīng)過了課程的整合，學(xué)生能夠更好地用理論知識來指導(dǎo)實(shí)踐操作，能夠獨(dú)立分析仿真波形的正確性，從而對QuartusII設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)更加感興趣，而且設(shè)計(jì)的時候不需要考慮硬件設(shè)備，可以設(shè)計(jì)一些復(fù)雜的項(xiàng)目。

2 課程改革效果

課程改革后經(jīng)過幾輪的教學(xué)實(shí)踐，總體感覺學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能力提高了，效果也非常好，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是可以使學(xué)生提前參加實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目和學(xué)科競賽。傳統(tǒng)的教學(xué)，由于EDA技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)一般都安排在二年級下學(xué)期，因此只能等學(xué)生二年級后再參加一些實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目和競賽，這時學(xué)生已完成在校的學(xué)習(xí)，即使能夠通過這些實(shí)踐項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生在專業(yè)上的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生也離開了學(xué)校的學(xué)習(xí)環(huán)境。在校學(xué)習(xí)期間只停留在一些基礎(chǔ)電路的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，不能形成主動學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣。改革后，學(xué)生在一年級后就能參加實(shí)踐項(xiàng)目與競賽，增加了在校期間的鍛煉機(jī)會，不斷鍛煉了學(xué)生應(yīng)具備的工程應(yīng)用能力。二是可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的興趣，提高教學(xué)效果。改革前，數(shù)字電子技術(shù)的一些分析都是紙上談兵，而且還要花很多時間畫電路和波形圖，都是以教師為主進(jìn)行分析，學(xué)生缺乏主動性，僅有的幾個實(shí)驗(yàn)也是驗(yàn)證性的。改革后，增加了實(shí)踐項(xiàng)目，一些電路都可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)和分析，提高學(xué)生的主動性，在實(shí)踐中來學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的一些基本知識和基本原理，便于學(xué)生理解和掌握。三是可以提高數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的水平。過去數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)都是緊隨課程之后，一般都是用一些中小規(guī)模集成電路在面包板上實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)際數(shù)字電路的復(fù)雜和綜合性差，往往選用一些單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。改革后，在EDA平臺上進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，不需要考慮硬件，設(shè)計(jì)的速度快，而且采用層次化的設(shè)計(jì)，對于設(shè)計(jì)的各模塊都能單獨(dú)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，不至于一個項(xiàng)目設(shè)計(jì)完出現(xiàn)問題都無從解決。這種設(shè)計(jì)方法同時也教會了學(xué)生用軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)現(xiàn)代的電子系統(tǒng)。

3 結(jié)語

要想對數(shù)字電子技術(shù)和EDA技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)改革，關(guān)鍵在于統(tǒng)籌安排教學(xué)內(nèi)容，合理整合教學(xué)資源。采用以學(xué)生為主、自頂向下的電子設(shè)計(jì)方法可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，提升課程的教學(xué)效果。

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