《數字電子技術與數字邏輯》課程教學方法探索

吳華　安豐彩

【摘 要】數字電子系統設計由傳統的用通用邏輯器件搭成電路板的設計演變為借助EDA軟件對芯片進行設計，因此《數字電子技術與數字邏輯》課程教學內容和教學方法改革勢在必行。本文對該課程教學內容進行調整，并采用項目化教學，使學生獲得一定的成就感，并積累工程經驗。

【關鍵詞】數字電子技術;EDA;項目化教學

中圖分類號： TN702-4;G712 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0130-002

0 引言

《數字電子技術與數字邏輯》是電子信息類專業的專業基礎課，隨著電子器件的飛速發展，數字電路的設計方法在不斷變化，從傳統的單純硬件設計演變為借助計算機軟、硬件的EDA（電子設計自動化）設計。因此該課程的教學方法和教學內容應相應地調整。

1 教學內容和教學方法改革

1.1 教學內容調整

早期的數字系統設計采用試探法[1]對系統進行設計，即用真值表、卡諾圖、邏輯方程、狀態表和狀態圖來描述系統的邏輯功能，以電路圖來表達設計思想，由通用邏輯器件搭成電路板，通過對電路板的設計來實現系統功能。而目前主流的數字系統設計是一種基于芯片的設計方法，以硬件描述語言來表達設計思想，利用EDA工具，采用可編程器件，通過對芯片的設計實現功能。因此應對《數字電子技術與數字邏輯》課的教學內容進行調整。調整后的教學內容中應壓縮小規模集成電路的內容，簡單講解其設計方法。學生能讀懂器件資料，可完成相關設計實驗。增加用硬件描述語言設計數字系統的內容，使其占整個理論教學學時的一半以上。將數字電路基礎理論、設計方法與硬件描述語言VHDL相結合，用HDL設計門電路、觸發器、組合電路、時序電路等。即讓學生通過學習VHDL（超高速硬件描述語言）[2]編程，只要確定好系統的輸入和輸出信號，用程序描述其邏輯功能，再編寫管腳約束文件，借助EDA軟件就可完成數字電子系統設計。

1.2 項目化教學、提高學習興趣

首先培養學習興趣。采用案例引入的主題式教學能極大的引起學生的學習興趣，較快的讓學生掌握數字電路設計的思想和方法，教師要精心設計第一節課的教學內容，闡明數字電路課程的意義，說明數字電路課程在信息學科領域的地位、所涉及的知識技術領域發展現狀，學習課程的目的及如何學好有關知識和方法，以達到激發學生學習熱情的目的。

在講解組合邏輯電路時，可讓學生通過用VHDL編程完成“四選一數據選擇器”、“數值比較器”，掌握利用硬件描述語言完成電子電路設計的建模、仿真、驗證和綜合等過程。在講解時序邏輯電路時，可通過完成“十進制計數器”、“六十進制計數器”，掌握時序邏輯電路的設計方法，并通過EDA軟件進行波形仿真。在學完時序邏輯電路后，可以讓學生分組完成“電子秒表”設計，從而讓學生深刻體會自頂向下的設計方法，即設計人員根據用戶需求從整個系統的邏輯功能出發，導出實現系統功能的算法。按照算法進行功能級描述，將整個系統分成若干個功能模塊，各功能模塊還可以繼續向下分成若干個子模塊，并繪制系統的結構圖，最后進行邏輯設計，對各功能模塊進行行為描述和仿真驗證，完成門級描述。

目前，高校大多購買現成的FPGA實驗箱，僅能培養學生硬件描述語言的使用能力，無法從根本上了解整個數字系統的設計原理。為此，可僅向學生提供帶有主芯片FPGA的電路板，要求學生根據設計題目自行設計相應的擴展電路，最終完成數字系統的設計，使學生得到質的提高。本人在教學中采用美國Xilinx公司的ISE集成開發軟件，以Xilinx Basys2 FPGA開發板為載體，讓學生用VHDL語言編程實現“電子秒表設計”。具體實施過程是：先對學生分組，4-6人一組，每組確定一名組長，負責整體協調和分工。根據用戶對電子秒表的需求進行分析，確定系統的整體功能，并劃分成若干個功能模塊，畫出系統的結構圖。組長確定每人負責哪個模塊，完成后交給組長，組長編寫頂層文件將底層模塊連接，還要進行管腳約束。經過綜合、仿真、實現、生成二進制文件，下載到FPGA開發板上驗證。如果有問題，再返回到ISE中修改。最后以小組形式匯報，教師根據各組表現打分。

培養學生解決實際工程的能力。鼓勵和督導學生成立興趣小組，參加電子設計大賽、挑戰杯大賽等，以及提供深入工程實踐一線參觀學習的機會。加強校企合作，加強校外實習、實訓基地的建設，培養學生創新精神和實際操作能力。

2 總結

通過對《數字電子技術與數字邏輯》課程的教學方法和教學內容改革，學生對該門課的學習興趣大大提高了，特別是對EDA軟件強大的功能感興趣，嘗試利用EDA軟件設計更多的數字電路系統。另外，學校鼓勵學生參加全國電子設計大賽，從而增加學生的項目經驗，提高學生的職業競爭力。

【參考文獻】

[1]鄒彥，莊嚴等.EDA技術與數字系統設計[M].電子工業出版社，2007，04.

[2]陳學英，李穎.FPGA應用實驗教程[M].國防工業出版社，2013，05.