高校數字邏輯電路實驗教學探索

【摘 要】本文論述高校數字邏輯電路實驗教學，以培養(yǎng)學生的工程應用能力和實踐能力為目標，提出在數字邏輯電路實驗教學過程中采用以項目為導向的實驗教學模式，并將Quartus II軟件和Verilog 硬件描述語言等相關知識融入數字邏輯電路實驗教學中，使傳統(tǒng)的數字電子技術和現代的數字電子技術有機結合，探索有助于培養(yǎng)學生工程實踐能力的教學方法。

【關鍵詞】數字邏輯電路實驗? 實驗教學? Verilog 硬件描述語言? 項目導向

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）12C-0157-02

數字邏輯電路實驗是電子信息類專業(yè)的必修實驗課。學生通過學習數字邏輯電路的相關知識，然后進行數字電路設計與實驗操作，在理論和實踐相結合的基礎上掌握數字電路的設計、安裝、調試和測試技術，可以培養(yǎng)學生的工程應用能力，為學生學習后續(xù)相關課程奠定基礎。

改革前的數字邏輯電路實驗教學通常是學生按照實驗指導書的要求，“依葫蘆畫瓢”在實驗箱上完成以理論教學驗證為主、簡單設計為輔的相互獨立的實驗。該實驗教學模式主要存在三方面的問題：一是讓學生處于被動學習的狀態(tài)，不利于激發(fā)學生的學習興趣。二是由于各個實驗項目之間缺乏連貫性，學生在實驗的過程中只掌握了單個或零散的知識點，沒有建立起數字系統(tǒng)的概念。三是實驗內容缺乏工程和應用實踐，學生按照實驗指導書的要求知道“怎樣完成實驗”，但不知道“完成這個實驗有什么用”，所掌握的實驗知識點“用在哪些電子產品中”，不利于培養(yǎng)學生的工程應用能力。針對傳統(tǒng)實驗教學模式存在的問題，以培養(yǎng)學生的工程應用能力和實踐能力為目標，本文提出在數字邏輯電路實驗教學過程中采用以項目為導向的實驗教學模式，適當地將Quartus II軟件和Verilog硬件描述語言等相關知識融入數字邏輯電路實驗教學中，從而達到在傳統(tǒng)的數字邏輯電路實驗教學中引入現代數字電子技術知識的目的，以方便培養(yǎng)學生進行較復雜數字系統(tǒng)設計的能力。

數字邏輯電路實驗教學模式實現的方法為：實驗教師根據教學大綱的要求選取適當的項目，然后將項目按教學內容的知識點和實踐技能分解為8個實驗，學生完成8個實驗后進行級聯調試，進而完成整個數字系統(tǒng)項目。這樣既讓學生掌握單個實驗的知識點和實驗技能，又能體驗到每個實驗在整個項目中的作用，進而形成數字系統(tǒng)電路的概念，達到“既見樹木又見森林”的目的，并培養(yǎng)了學生復雜數字系統(tǒng)的設計能力和工程實踐能力。

一、項目的選擇

實驗課程組教師以培養(yǎng)學生的工程實踐能力和應用能力為出發(fā)點，從數字邏輯電路實驗教學的角度分析、尋找可以激發(fā)學生學習興趣和探究欲望，且具有一定應用背景的項目作為實驗項目。實驗項目的選擇既要具有一定的綜合性和應用性，又能涵蓋傳統(tǒng)的數字電子技術和現代的數字電子技術的知識點，以滿足數字邏輯電路實驗教學大綱和教學計劃的要求。因此，教師可根據上述要求，在兼顧學生學習接受能力的前提下選取貼切可行的實驗項目，如“信號發(fā)生器的設計”“多功能數字鐘的設計”“交通燈電路的設計”和“秒表電路的設計”等。

二、項目的任務要求和分解

不同實驗項目的任務要求不盡相同，實驗項目的分解也不可能一樣，因此實驗課程組教師要根據數字邏輯電路實驗教學大綱和教學計劃的要求，在兼顧學生學習接受能力的前提下，制定實驗項目的任務要求，并將實驗項目分解為多個實驗。下面以“多功能數字鐘的設計”為例來進行介紹。

（一）實驗項目任務。設計并制作一個多功能數字鐘，能夠實現年、月、日、時、分和秒的顯示。

（二）實驗項目要求。（1）具有計時功能，用8只數碼管分屏顯示年、月、日和星期、時、分、秒，分屏顯示可以自動切換，也可以手動切換;（2）具有校時功能，能通過按鍵對年、月、日、星期、時、分進行設置，當選中設置對象后，對應的數碼管閃爍點亮，表示要對其進行設置;（3）具有整點報時功能;（4）具有定時鬧鐘功能，可以設置鬧鐘的時和分，可以手動關閉鬧鈴;（5）具有清零功能，能用按鍵將時間和鬧鐘定時清零。

（三）實驗項目分解。多功能數字鐘由計數器、譯碼顯示電路、校時電路、分頻器、定時鬧鐘電路、數據選擇器、整點報時電路和蜂鳴器控制電路組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

多功能數字鐘的工作原理為：由20MHz的石英晶體振蕩器產生穩(wěn)定的脈沖信號，經分頻器進行分頻得到1Hz的標準計時脈沖。秒計數器計滿60后向分計數器進位，分計數器計滿60后向時計數器進位，小時計數器計滿24后向日計數器和星期計數器進位，以此類推。計數器的輸出經過數據選擇器送給譯碼顯示電路進行顯示。當需要設置時間、星期和日期時，可以通過校時電路進行設置。根據多功能數字鐘的工作原理，結合數字邏輯電路實驗教學大綱和教學計劃的要求，將多功能數字鐘分解為8個實驗，如表1所示。

1 基本邏輯門的功能和參數測試 （1）掌握基本邏輯門的邏輯功能和主要直流參數的測試方法;（2）了解數字電路實驗平臺的使用方法 （1）與門、或門、非門、異或門的邏輯功能和主要直流參數的測試;（2）寫出基本邏輯門的真值表和表達式

2 組合MSI器件的測試 （1）掌握組合MSI器件的邏輯功能及使用方法;（2）熟悉數字電路實驗平臺的使用方法 3-8譯碼器、顯示譯碼器、編碼器、數據選擇器的邏輯功能測試及使用

3 觸發(fā)器和移位寄存器的測試 （1）掌握觸發(fā)器和移位寄存器的邏輯功能及使用方法;（2）熟悉數字電路實驗平臺的使用方法 S-R鎖存器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和移位寄存器的邏輯功能測試及使用

4 Quartus II開發(fā)環(huán)境的使用 （1）熟悉Quartus II集成開發(fā)環(huán)境的使用;（2）熟悉數字電路實驗平臺的使用方法 掌握Quartus II原理圖和文本輸入法的編輯、編譯（綜合）、仿真和編程下載的操作方法

5 計數器的設計及應用 （1）掌握計數器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設計計數器的方法 用Verilog HDL分別設計7進制、10進制、24進制、60進制計數器

6 分頻器的設計 （1）掌握分頻器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設計分頻器的方法 將20MHz的時鐘信號分頻得到1kHz、500Hz和1Hz的方波信號

7 數據比較器的設計 （1）掌握數據比較器的工作原理;（2）掌握用Verilog HDL設計數據比較器的方法 用Verilog HDL分別設計4位和8位的數據比較器

8 多功能數字鐘 （1）掌握多功能數字鐘的工作原理;（2）掌握多功能數字鐘的設計方法 將實驗按照圖1系統(tǒng)組成框圖級聯起來，并進行調試，完成多功能數字鐘的設計

三、實驗項目教學實施

（一）實驗動員。在開始進行實驗的前1周，由實驗授課教師召集學生進行實驗動員，介紹實驗要求、實驗流程和實驗的考核要求等。接著給學生展示已制作完成的實驗項目作品，有助于學生增加感性認識，激發(fā)他們的學習興趣和探索的欲望，然后要求學生查閱文獻資料，獲取實驗項目的相關信息，設計實驗項目的方案和步驟等。

（二）實驗過程。首先由實驗教師指導學生按照自編的數字邏輯電路實驗指導書的要求和實驗授課計劃的安排做好每次分解實驗的預習，然后按照實驗課表分批次到實驗室完成實驗。在前幾次實驗中，實驗教師可以給學生做詳細的指導，鼓勵學生常到開放的實驗室熟悉實驗平臺、軟件和儀器的使用。在實驗過程中，實驗教師可以通過啟發(fā)式和組織學生探討的方式引導學生解決實驗過程中遇到的問題，注重學生分析問題能力和解決問題能力的培養(yǎng)。實驗教師要善于發(fā)現實驗過程中出類拔萃的學生，并加強對他們的引導，鼓勵他們對所做的實驗進行擴展或加入到教師的科研項目中，引導學生最大限度地提高自身的實踐能力。待分解的實驗完成后，讓學生按照圖1將每個實驗級聯起來，并進行調試，實現一個數字系統(tǒng)的設計，以培養(yǎng)學生對數字系統(tǒng)的設計、調試和應用能力。整個數字邏輯電路實驗完成后，實驗授課教師要組織學生進行討論和總結，以求不斷提高。

（三）實驗成績的評定。實驗成績的評定=平時成績*50%+期末考核成績*50%。平時成績考核標準為：實驗考勤占平時成績的10%，實驗預習占平時成績的30%，實驗操作占平時成績的40%，實驗報告占平時成績的20%。實驗期末考核由實驗教師命題10套試題，學生采取抽簽選題的方式確定考題，實驗試題包含卷面考核和實驗操作考核兩部分，實驗操作考核部分由實驗監(jiān)考教師現場驗收打分，給定成績。

數字邏輯電路實驗教學將一個完整的數字系統(tǒng)項目分解為多個數字邏輯電路實驗的教學內容，然后在數字邏輯電路實驗教學中適當地引入Quartus II軟件和Verilog硬件描述語言等知識，在傳統(tǒng)的數字邏輯電路實驗教學中引入現代數字電子技術知識，實現了數字邏輯電路知識的綜合應用。該實驗教學模式在電子信息類專業(yè)學生中實踐，可以激發(fā)學生的學習主動性，對培養(yǎng)學生的工程實踐能力和解決實際應用問題的能力起到積極的促進作用。

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