數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗教學改革

陳 龍， 郄小美， 馬學條

(杭州電子科技大學 電子信息學院，杭州 310018)

數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗教學改革

陳 龍， 郄小美， 馬學條

(杭州電子科技大學 電子信息學院，杭州 310018)

將數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗案例——基于DDS的任意波形發生器應用于實驗教學，該教學案例幾乎涵蓋了數字電子技術理論課程中所有核心知識點，具有很強的綜合性，便于學生將理論課程中碎片化的知識點構建成相對完善的知識體系；正弦波、方波、三角波、任意波形以及李薩如圖形等實驗結果可通過示波器直觀觀察，具有很高的演示度，激發了學生的學習興趣。實踐表明，綜合性虛擬仿真實驗案例教學方法提高了學生設計復雜數字電路系統的能力，培養了學生的實踐創新和工程應用能力，取得了良好的教學效果，有利于教學水平的提高。

數字電子技術； 虛擬仿真實驗； 任意波形發生器； 李薩如圖形； 創新能力

0 引 言

數字電子技術是電子類相關專業必修的專業基礎課程，具有很強的實踐性和工程性，其實驗可分為驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗，實驗教學貫穿于整個理論教學中[1-2]。通過對實驗課程的學習與設計，加深學生對數字電子技術理論知識的理解，增強學生的分析、設計及調試數字電路和數字系統的能力，激發學生的學習興趣，提高學生科學研究素質。我校經過多年的實驗教學改革，在保留原有重要實驗內容的基礎上，在課程教學的后期引入綜合性虛擬仿真、虛實結合實驗，設計并實踐了多個數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗案例，貫通理論課程的各核心內容，以加深學生對理論知識的實踐與應用，便于學生建立數字電子技術課程的知識體系[3-4]。

本文以數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗——基于直接數字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)的任意波形發生器為例，淺談如何將虛擬仿真、虛實融合技術應用于數字電子技術實驗教學，通過綜合性、創新性實驗的自行設計，對實驗內容、方法和教學模式進行綜合改革，使得理論課程教學和實驗課程教學融會貫通，對培養學生實踐創新能力和解決復雜工程問題的能力具有非常重要的作用[5-8]。

1 數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗案例設計

DDS是一種新型的頻率合成技術，具有頻率分辨率高，頻率切換速度快，相位噪聲低等優點，在現代電子系統及設備的信號源設計中，尤其在通信領域，DDS得到了廣泛的應用。本文采用自底向上的方法設計基于DDS的任意波形發生器，采用QuartusII軟件進行各實驗模塊的設計和虛擬仿真，下載到FPGA開發板進行硬件測試[9]。

1.1 DDS波形發生器教學案例方案設計

設計一個基于DDS的任意波形發生器，可產生正弦波、三角波、方波、鋸齒波、任意波形等信號；通過調節A/D轉換器的輸入電壓值，實現輸出波形的頻率可控。將兩路不同頻率的正弦波合成李薩如圖形，下載到FPGA開發板中結合數模轉換器在示波器上觀察輸出結果[10]。

本文設計的數字電子技術綜合性實驗案例設計框圖如圖1所示，由ADC采樣控制模塊、DDS模塊、顯示譯碼與鎖存模塊、內部鎖相環、A/D 轉換器、D/A 轉換器等組成，A/D轉換器的模擬輸入端連接分壓電路，A/D轉換器的數據輸出端與頻率字1相連，通過調節輸入電壓值的大小實現對頻率字的調節，改變DDS模塊的輸出波形的頻率[9]。

圖1 數字電子技術綜合性實驗案例設計框圖

1.2 DDS波形發生器基本組成及工作原理

圖1中DDS模塊部分所示，DDS波形發生器包括相位累加器、存儲波形的ROM模塊；其中存儲波形的ROM模塊由正弦波、方波、三角波、鋸齒波、任意波形等組成。ROM中存儲了完整波形的離散采樣值，采樣數據與所選ROM的位寬和數據寬度必須一致。N位相位累加器由參考時鐘CLK控制，累加步長為頻率控制字FWD，累加結果作為波形存儲器ROM的尋址，為了減小波形存儲器所需的容量，取相位累加器輸出的高M位為波形存儲器ROM的尋址，ROM查找表尋址輸出的D位波形幅度碼經過D/A轉換后變成階梯狀波形，再通過低通濾波器平滑后輸出光滑的信號。

2 DDS波形發生器的設計與仿真

2.1 ADC采樣控制模塊設計與仿真

本教學案例中AD轉換器模塊選用ADC0809芯片，ADC0809工作時序如圖2所示，根據ADC0809的工作時序，畫出狀態機對ADC0809的控制狀態圖如圖3所示。

圖2 ADC0809工作時序圖

圖3 ADC0809采樣控制機狀態圖

根據ADC0809的接口特性和采樣控制狀態機要求，本文設計的采樣控制狀態機電路如圖4所示，該電路由狀態譯碼器、控制譯碼器、狀態寄存器和鎖存器構成。狀態譯碼器AD_SDCD元件根據ADC0809轉換器的轉換結束信號EOC和現狀態編碼C[2..0]，決定狀態的走向；控制譯碼器AD_CDCD元件根據狀態機所處的狀態，向ADC0809轉換器輸出控制信號LOCK、OE、START、ALE；狀態寄存器DFF3元件由3個D觸發器構成。ADC采樣控制模塊的工作時鐘接在DFF3元件的CLK端，決定了采樣控制模塊的工作速度。

圖4 ADC0809采樣狀態機控制電路

對ADC采樣控制模塊進行時序仿真，仿真波形圖如圖5所示。圖中CS是現狀態指示，在狀態S0(CS=0)時對ADC0809轉換器進行初始化操作；在狀態S1(CS=1)中將ADC0809轉換器的地址鎖存進地址寄存器，并啟動轉換工作，此時ALE和START產生一個上升沿；在狀態S2(CS=2)中，查詢EOC是否為高電平， EOC=1時下一狀態仍停留在S2，EOC=0時進入狀態S3(CS=3)；在狀態S3中，查詢EOC是否為低電平，直到EOC由0變成1時，轉換結束，進入狀態S4(CS=4)。由于此時轉換數據已經完成，所以在此打開OE控制的三態門；為了穩定轉換器的輸出數據，在狀態S5(CS=5)中，LOCK產生一個上升沿，將轉換好的數據b鎖入74374中，仿真結果表明本文設計的ADC0809采樣狀態機能夠按照ADC0809工作時序對ADC0809進行控制。

圖5 ADC0809采樣狀態機工作時序

2.2 DDS波形發生器設計與仿真

根據DDS波形發生器的原理，設計如圖6所示DDS正弦波形發生器電路圖，包括32位ADDER32B、32位寄存器DFF32和正弦波形數據存儲器SIN_ROM3個模塊，其中加法器由LPM的加/減算術模塊LPM_ADD_SUB構成。寄存器DFF32由LPM_FF宏模塊構成，與ADDER32B組成一個32位相位累加器。其中高10位PA[31..22]作為波形數據存儲器SIN_ROM的地址。正弦波形數據ROM模塊SIN_ROM的地址線位寬是10位，數據線位寬是8位，即其中一個周期的正弦波離散采樣數據有1 024個，每個數據有8位，輸出接8位的數模轉換器DAC0832數據輸入端。

對DDS波形發生器電路進行編譯，新建SignalTap II Logic Analyzer文件，在SignalTap II窗口中的Setup標簽頁中，雙擊空白區域，打開Node Finder窗口，選擇Pins：output，單擊List，在Nodes Found區域中選中DAC[0]，DAC[1],…,到DAC[9]節點信息，單擊“>”按鈕，把要觀察的開關節點添加到SignalTap II中。通過嵌入式邏輯分析儀SignalTapII，對數據進行采樣和監控，其仿真結果如圖7所示，仿真結果表明，本文設計的DDS波形發生器能輸出所需波形。

圖6 DDS波形發生器電路(以正弦波為例)

圖7 嵌入式邏輯分析儀測試的FPGA輸出波形(以正弦波為例)

2.3 DDS波形發生器頂層電路設計

根據系統方案設計要求，在原理圖編輯文件中調用已生成的波形發生器DDS元件、采樣控制器AD元件、內部鎖相環PLL元件和顯示譯碼鎖存模塊等元件構成基于DDS的波形發生器頂層電路。利用相位累加器和存儲波形ROM模塊構成DDS波形發生器；在原理圖編輯文件中調用已生成的寄存器、譯碼器和鎖存器組成采樣控制狀態機。

3 DDS波形發生器硬件測試

選用CycloneIIIEP3C5E144C8芯片FPGA核心板進行硬件測試，硬件測試系統還包括示波器、A/D轉換器、D/A轉換器和電源。在頂層設計電路中對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定，編譯下載.sof文件，通過撥動相應的撥碼開關選擇對應的輸出波形，可在示波器上觀察到如圖8(a)～(e)所示的正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波和任意波形等。

將兩路輸出波形通過示波器X軸和Y軸合成時，若兩個相互垂直的簡諧振動的頻率為任意值，其合成的運動相對復雜，且運動軌跡不穩定，當兩個振動的頻率成簡單的整數比時，其合成的運動是一個穩定、封閉的曲線圖形，即李薩如圖形。

在頂層設計電路中對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定，重新編譯后，將兩路輸出波形同時接到示波器X軸和Y軸進行合成，通過調節滑動變阻器改變ADC0809的輸入電壓值從而改變頻率控制字，或通過按鍵輸入頻率控制字，示波器可顯示如圖9所示的各種頻率成簡單整數比的李薩如圖形。

(a) 正弦波

(b) 三角波

(c) 鋸齒波

(d) 矩形波

(e) 任意波形

(a) fx∶fy=1∶1

(b) fx∶fy=1∶2

(c) fx∶fy=2∶1

(d) fx∶fy=3∶1

(e) fx∶fy=4∶1

(f) fx∶fy=5∶1

系統硬件測試結果表明，該教學案例成功設計并實現了基于DDS的任意波形發生器，并可生成頻率成簡單整數比的李薩如圖形。

4 結 語

本實驗教學案例已成功應用于我校數字電子技術實驗課程教學，具有如下特點：

(1) 該實驗教學案例幾乎涵蓋了數字電子技術理論課程中如組合電路的分析與設計、時序電路的分析與設計、觸發器與含觸發器的PLD、半導體存儲器及其應用、A/D與D/A轉換器及其應用等所有核心知識點，具有很強的綜合性，便于學生將理論課程中碎片化的知識點構建成相對完善的知識體系。

(2) 通過將QuartusII軟件虛擬仿真和FPGA驗證融入到傳統數字電子技術課程的教學中，虛擬仿真和虛實結合的教學方法使學生在掌握現代數字電路自動化設計與分析方法的同時，也培養了學生發現問題、解決問題的能力。

(3) 通過示波器觀察實驗結果如正弦波、方波、三角波以及任意波形等，將抽象的李薩如圖形通過示波器直觀地呈現出來，實驗具有很高的演示度，極大地激發了學生學習興趣，使學生能夠迅速由驗證性實驗過渡到自主設計實驗，初步培養了學生自主創新能力和解決復雜問題的能力。

多年的實驗教學改革經驗表明，數字電子技術綜合性虛擬仿真實驗應用于實驗教學，激發了學生的學習興趣，提高了學生設計復雜數字電路系統的能力，培養了學生的實踐創新和工程應用能力，實驗教學改革取得了良好的教學效果，值得進一步推廣和應用。

[1] 王 波,張 巖,王美玲. “數字電子技術實驗”課程的改革[J]. 實驗室研究與探索,2012(9):121-123,127.

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Research on Comprehensive Virtual Simulation Experiment Reform of Digital Electronic Technology

CHENLong,QIEXiaomei,MAXuetiao

(School of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

Digital electronic technology experiment is one of the specialized courses for the student majoring in electronics or related. The arbitrary waveform generator based on DDS is used to the digital electronic technology comprehensive virtual simulation experiment. This teaching case covers almost all core knowledge in the theory of digital electronic technology course, and has characteristic of strong comprehensive. It is convenient for students to master theoretical knowledge fragmentation in the course to build into a relatively complete knowledge system. Experiment results such as sine wave, rectangular wave, triangle wave, arbitrary wave and Lissajous figures can be observed through the oscilloscope. The students’ interests in learning are stimulated due to high presentation of experiment results. Practice shows that, comprehensive virtual simulation case can improve the students’ ability to design complex digital circuit system. It can also cultivate the students’ ability of practical innovation and engineering application. It achieved good teaching effect, and was beneficial to the improvement of teaching level.

digital electronic technology; virtual simulation experiment; arbitrary waveform generator; Lissajous figures; innovative ability

2016-11-17

浙江省2013年高等教育課堂教學改革項目(kg2013125)；浙江省2015年度高等教育教學改革項目(jg2015060)

陳 龍(1979-)，男，山東寧陽人，碩士，副教授,教務處副處長，國家級實驗教學示范中心副主任，研究方向為數字電子技術教學與研究，嵌入式系統設計與應用、神經網絡與機器學習。

Tel.：0571-86915094；E-mail:chenlong@hdu.edu.cn

TP 391.0

A

1006-7167(2017)05-0110-04