基于虛擬仿真技術的數字電路實驗教學探索

馬學條, 陳　龍

(杭州電子科技大學 國家級電子信息技術虛擬仿真實驗中心, 浙江 杭州　310018)

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基于虛擬仿真技術的數字電路實驗教學探索

馬學條, 陳龍

(杭州電子科技大學 國家級電子信息技術虛擬仿真實驗中心, 浙江 杭州310018)

針對數字電路實驗教學中存在的問題,以“李薩如圖信號發生器”項目設計為例,探討了基于虛擬仿真技術的數字電路實驗課程改革。數字電路實驗室借助國家級電子信息技術虛擬仿真實驗中心教學平臺,在數字電路實驗中引入虛擬仿真教學環節,在培養學生的工程創新能力等方面取得良好的教學效果。

虛擬仿真； 數字電路； 實驗教學； 課程改革

數字電路實驗課程在電子信息類課程體系中占有重要的地位。隨著數字電子技術的發展,TTL器件的5 V工作電壓發展為0.6 V的芯核電壓,靠手工設計的基于74系列器件的“板上系統”發展為基于EDA技術的“片上系統”[1]。然而,在數字電路實驗教學中,一些高校的實驗教學內容和模式仍以手工數字設計技術為主要內容。針對數字電路實驗教學的局限性,杭州電子科技大學在實驗教學中引入了基于虛擬仿真技術的現代數字電路自動設計內容,采用軟硬件結合的方式進行實驗教學,在培養學生創新思維、提高學生的工程創新能力等方面取得了良好的教學效果。

1　教學模式探索

經過實踐和優化,杭州電子科技大學現在開出的數字電路實驗課程包含驗證性實驗、設計性實驗和探索性實驗,實驗總學時數為32學時。實驗課程安排為“3+4+1”模式。“3”是指在實驗箱上完成3次硬件電路搭建實驗,側重學生動手能力的鍛煉；“4”是指通過實驗室在線教學與虛擬仿真平臺完成4次虛擬仿真實驗設計,逐步加深實驗設計的難度；“1”是指以項目設計為導向,完成1次大作業,提高學生的工程創新能力。具體安排如表1所示。

表1　“3+4+1”模式安排

表1(續)

數字電路實驗課程的內容緊跟時代步伐,對以往實驗教學中難以開展的設計性實驗和探索性實驗,借助虛擬仿真技術得以實現,改變了單一的教學模式,激發了學生的學習興趣和創新欲望[2]。

2　實驗室在線教學及虛擬仿真平臺建設

為了更好地支持各學科開展虛擬仿真實驗教學工作,給師生預約實驗室資源提供方便,我校國家級電子信息技術虛擬仿真實驗中心開發了實驗室在線教學與虛擬仿真平臺，用以輔助開展實驗教學工作。實驗室在線教學與虛擬仿真平臺主要分為實驗安排、遠程實驗和教務管理3個模塊。

2.1實驗安排模塊

實驗安排模塊是平臺中最主要的功能模塊。該模塊主要依據教師的實際開課情況,在虛擬仿真實驗庫中添加實驗項目,在實驗室開放的時間選擇實驗項目、進行虛擬仿真教學。該模塊主要有以下功能[3]:

(1) 預約實驗室。教師通過該功能,查看本學期實驗室的所有預約情況,其中包括已預約的時間段、節假日預約情況、可預約時間段、實驗室最多能容納的人數等信息。教師根據自己的開課情況選擇一個或多個時間段進行預約,進行預約時需填寫預約課程名稱、學生人數等信息[4]。

(2) 實驗項目庫管理。利用該功能,教師能方便地查看各門實驗課程下的實驗項目安排情況。教師可根據實際需要向實驗項目庫中添加新的實驗項目,也可引用原有的實驗項目開展實驗教學。

(3) 實驗報告批改。通過實驗報告批改功能,教師可在線查看學生提交的實驗報告并進行批改,還能實現報告導出、成績發布和成績導出。

2.2遠程實驗模塊

遠程實驗模塊主要對學生用戶開放。學生通過該模塊可進行實驗選課和遠程虛擬實驗操作,其主要功能包括:

(1) 學生選課。學生通過選課功能,可以方便地查看本學期可選的實驗課程、實驗開放的時間段、可預約的實驗配額數等信息。

(2) 遠程虛擬實驗。學生用戶無需在本地計算機安裝教學軟件,而是通過遠程虛擬實驗功能進行實驗課程的網絡化學習。學生按照實驗項目的具體要求進行實驗操作,并將實驗結果在線提交給實驗課教師。

3　虛擬仿真實驗項目設計的實現

實驗項目設計是虛擬仿真教學活動的關鍵環節,項目的設計需綜合考慮各知識點的聯系和層次遞進,給學生留有創新發揮的空間[5]。所設計的實驗項目可以源于實際項目的內容,也可依據教學大綱設立虛擬的實驗項目。實驗項目的選取要遵循循序漸進的原則,盡可能涵蓋組合邏輯電路和時序邏輯電路的相關知識點；實驗項目的設立還應充分考慮學生已掌握的知識和接受能力[6]。

以“李薩如圖信號發生器”實驗為例,介紹采用Quartus Ⅱ軟件進行虛擬仿真實驗的全過程。

3.1實驗任務

設計李薩如圖信號發生器,給出時序仿真波形,進行下載測試[7]。李薩如圖信號發生器的結構框圖如圖1所示。

圖1　李薩如圖信號發生器結構框圖

李薩如圖是兩個沿著互相垂直方向的正弦振動合成的軌跡,其核心結構是DDS信號發生器。DDS信號發生器的地址端與A/D轉換器的數據端相連,通過調節A/D轉換器的輸入電壓值,實現輸出頻率的可控,從而形成穩定的李薩如圖。該實驗內容涉及的知識點包括組合邏輯電路、時序邏輯電路、D/A與A/D轉換器、現代數字電路自動設計技術等[8-9]。

3.2設計實現

(1) 利用32位加法器、32位寄存器和正弦波形數據存儲器構成DDS信號發生器,并將其轉化為DDS元件模塊。

(2) 根據ADC0809的接口特性和控制狀態機要求,利用狀態譯碼器、控制譯碼器、狀態寄存器構成ADC采樣控制電路,并將其轉化為ADC采樣控制電路元件模塊[10]。

(3) 調用內部鎖相環、DDS元件模塊和ADC采樣控制模塊,構成李薩如圖信號發生器。

(4) 新建仿真波形文件,觀察并分析仿真結果。

(5) 對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定,設置編程器,對載入FPGA的數字電路進行硬件測試。

根據實驗要求,在頂層設計中調用DDS元件模塊、ADC采樣控制元件模塊和內部鎖相環構成李薩如圖信號發生器,其頂層設計電路如圖2所示。

3.3仿真和硬件調試

對設計模塊進行編譯,設置仿真時間區域為75 μs,得到時序仿真波形圖。

選擇工程文件,對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定,對編程器進行選擇操作,完成對目標器件FPGA的配置下載操作。通過滑阻改變A/D轉換器的輸入電壓值,從示波器界面觀察各類穩定的李薩如圖。

圖2　李薩如圖信號發生器頂層設計電路

4　教學成效

不同于傳統的實驗教學,基于虛擬仿真技術的數字電路實驗教學在內容安排、教學模式、成績考核等方面進行了調整和完善。表2是傳統實驗教學和基于虛擬仿真技術實驗教學在驗證性實驗、設計性實驗和探索性實驗內容方面的比較[11-12]。

表2　傳統實驗教學和基于虛擬仿真技術實驗教學內容比較

基于虛擬仿真技術的數字電路實驗教學在設計實驗時更具多樣性,且實驗選題難度有較大幅度的提升,一年級的學生就能完成數千邏輯門規模的實驗項目設計。隨著實驗教學改革的逐步推進,數字電路實驗室實行了一人一組的小班化實驗教學,并實現了實驗室全開放。該實驗教學模式提高了學生的工程創新能力和參與各類學科競賽的積極性。經數字電路實驗室直接培養的學生,在2015年全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽和2015年全國大學生電子設計競賽中獲得了國家一等獎2組和國家二等獎4組。

References)

[1] 潘松,陳龍,黃繼業.實用數字電子技術基礎[M].北京:電子工業出版社,2011.

[2] 陳龍,張亞君,徐麗燕.關于數字電路實驗教學精品課程建設的研究[J].杭州電子科技大學學報:社會科學版,2007,3(4):73-76.

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[4] 伍燕青.基于云計算的實驗室管理信息系統設計[J].實驗室研究與探索,2013,32(8):291-296.

[5] 李旭,張為公.基于科研項目的數字電路創新型實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2015,34(1):168-171.

[6] 方天紅,張升義.Proteus在“數字邏輯電路”課程項目驅動教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):195-197.

[7] 全曉莉,周南權.基于虛擬儀器技術的數字電路實驗系統研究[J].實驗技術與管理,2014,31(4):96-98.

[8] 潘松,黃繼業,潘明.EDA技術實用教程[M].北京:科學出版社,2006.

[9] 丁磊,馮永晉,張海笑.數字邏輯與EDA設計[M].西安:西安電子科技大學出版社,2012.

[10] 許小軍,龔克西,王玖.數字電子技術實驗與課程設計指導[M].南京:東南大學出版社,2007.

[11] 潘曉蘋,但果,陳昕,等.基于CDIO理念的數字電路實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2013,32(8):400-402.

[12] 韓桂英,李錫祚.CDIO視野下項目驅動的數字電路教學探索與實踐[J].實驗技術與管理,2012,29(1):168-170.

Exploration on digital circuit experimental teaching based on virtual simulation technology

Ma Xuetiao, Chen Long

(National Virtual Simulation Experiment of Electronic Information Technology Center,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

The problems in the current teaching of the course of digital circuit experiment are analysized. Taking the design of the Lissajous pattern signal generator as an example, this article illustrates the course reform of digital circuit experiment based on virtual simulation technology. With the help of the teaching platform of national virtual simulation experiment of electronic information technology center, a virtual simulation experiment is introduced into the teaching links of digital circuit courses. Practices show that the reform achieves better results in training students’ innovative capability.

virtual simulation； digital circuit； experimental teaching； course reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.032

2016-04-13

浙江省2015年高等教育教學改革項目(jg2015060)；浙江省2013年高等教育課堂教學改革項目(kg2013125)；杭州電子科技大學高教研究課題(YB201524)

馬學條(1984—),男,浙江溫州,碩士,助理實驗師,主要研究方向為電路與系統、實驗教學.E-mail：mxt@hdu.edu.cn

G462

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1002-4956(2016)10-0127-03