面向基礎教學的數字電路實驗平臺研制

劉彥飛， 代永紅， 周立青， 嚴秦夢穎， 羅美露

(武漢大學 a.電子信息學院;b.大學生創新創業實踐中心，武漢 430072)

0 引 言

隨著技術發展趨向信息化、數字化，使得數字技術的應用更為廣泛[1-2]。集成電路從小規模發展到目前的超大規模集成電路，芯片功能越來越豐富，運行速度也越來越快，而且使用方法靈活。傳統的教學目標已經不能滿足社會的對數字人才的要求，所以需要進行教學方法與手段的改革與嘗試。

數字電路課程作為電子信息類專業非常重要的專業基礎課[3-4]，學生在開始課程學習的時候往往面臨基礎薄弱，概念不清，學習進度差別較大等諸多問題[5-8]，這些極大影響了專業課的教學效果。為了加強學生的實踐能力與創新能力的培養，必須從學生實際情況出發，從教學內容、教學形式全面進行教學模式與教學方法的研究與改革[7,9]。

從數字電路課程特點出發，結合電子信息類專業培養目標和要求，設計并研制了一種面向基礎課教學的數字電路實驗平臺。該平臺不僅可以滿足實驗課課堂教學的需要，覆蓋知識點全，使用靈活，還具有一定的擴展性，可以滿足課程設計、大學生科研等需求。在實際的教學應用中取得了良好的教學效果。

1 數字電路實驗課教學分析

數字電路不僅是電子信息類專業的專業基礎課，也是后續課程如單片機、計算機原理、可編程器件、數字信號處理等課程的理論基礎，對學生的專業入門、興趣培養具有關鍵作用。數字電子技術相關課程的教學內容與教學手段，直接關系到相關專業人才培養的質量[10]。

數字電路與實際技術緊密聯系，數字電路實踐環節的訓練對學生的學習起著至關重要的作用，國內很多高校在開設數字電路課時都將數字電路實驗開成獨立學分的課程[9]。實驗課作為獨立課程有助于課程的建設，包括教學內容的建設和教學方法的改進，這些舉措將有效提升教學質量。

1.1 課程內容分析

數字電路課程覆蓋的知識點涉及專業面廣，知識門類多。隨著半導體技術的發展，電子設計自動化技術(EDA)應運而生。它使集成電路設計、生產與優化以及應用在計算機的軟件與硬件配合下逐漸融合，并且技術更新不斷加快，效率不斷提升。可編程器件的出現使得高速度、大容量、小體積集成化方向兼并專用性與可擴展性。未來，器件的發展速度與更新都將進一步加快，而目前高校學時相對少，教學內容更新慢的大背景下，造成學生學習壓力大，知識面相對較窄，在認識上難以對專業課程形成整體認識[3,11]。

數字電路與數字電路實驗課雖然是兩門課程，但是在專業培養的目標上，它的地位與作用是一致的，都可以定位為“專業基礎核心課程”。在實驗內容上，在保留基本教學要求的基礎上，更需要學生盡早接觸和使用到數字電子的先進技術。在內容設置上通常根據實驗難度分為3個層次，分別是基礎驗證型、設計型、研究與探索型，按層次依次開展。

基礎驗證型包括基礎概念的建立，儀器的使用，器件的識別與應用，基礎原理與基本參數的測試與驗證。設計型實驗包括組合邏輯、時序邏輯設計，電路調試以及功能實現，這一部分屬于課程教學要求中需要理解與掌握的內容。研究與探索型實驗是設計與開發具有一定功能的完整電路系統，一般沒有明確的知識范圍界限，可能包括模擬電路、數字電路以及傳感器等。在教學要求上屬于知識拓展與拔高的內容。3個層次的實驗涵蓋的知識點是相互交叉的，相輔相成，循序漸進，不斷提升。

1.2 教學方法改革

伴隨著計算機、互聯網和多媒體技術的發展，數字電路的教學模式也發生了巨大的變化[3,12]。從MOOC、翻轉課堂、項目驅動式，到強調師生交流的雨課堂，形成了各種各樣的教學方法。數字電路課程最大的挑戰是如何在有限的學時讓學生理解掌握各種抽象的概念、方法以及復雜的器件。所以在教學方法上需要根據專業培養目標，學生的實際情況進行合理安排。從經驗上來看，讓剛開始接觸數字技術概念的學生，通過一兩次動手就理解并也會應用課程中的概念是不現實的，在學習過程中需要設計成螺旋深入式的認知過程，即通過課本了解知識點，通過驗證型實驗進步一學習概念，通過設計型實驗鞏固知識點，通過研究探索型實驗將各個知識點整合為統一的知識體系。以項目主導式的探索型教學，對學生而言收獲往往是較大的。

不管是哪種教學方式，其目的都是為了促進教學效果的提升。要保證教學效果，除了需要考慮教學形式還需要考慮課程之間的銜接，授課對象的知識掌握程度，課程內容，實驗效果，師生教學的溝通以及中間環節的質量控制等。良好的教學質量離不開優秀的教學人員的參與和投入，良好的人才隊伍與高質量的教學保障在人才培養中一樣處于很重要的地位。

近年來電子信息學院通過采用課外開放實驗、課程設計、電子競賽以及大學生課外科研等方式，在人才培養中逐漸形成了自己的特色。在教學中不斷擴展學生的專業認識，使他們及時地接觸到專業方面的前沿，培養對專業的興趣，在教學中取得了良好的教學效果。

2 面向基礎教學的實驗平臺設計

對國內數字電路課程教學情況進行了調研，總結電子信息學院數字電路實驗課程組多年積累的實踐經驗，以擴展學生學習深度與廣度，培養學生學習專業知識的興趣為出發點，設計了數字電路教學實驗平臺。平臺主要包括：邏輯開關、邏輯電平顯示、芯片功能驗證、三態邏輯筆、可編程器件、數字脈沖發生、單脈沖發生、模/數，數/模轉換、數碼管顯示、通用面包板以及開關電源等模塊組成。

2.1 實驗平臺的組成結構

平臺設計結構如圖1所示，圖中涵蓋了平臺的功能模塊及其布局。

圖1 數字電路實驗平臺結構圖

(1) 邏輯開關與邏輯電平顯示模塊。數字電路使用開關量(邏輯的“0”與“1”)作為電路的信號形式，也是處理問題的手段。所以學習數字電路首先要建立開關量的認識。數字信號中表示“0”與“1”的方法有很多，不同的電路結構，不同的通信體制往往會有不同的電平標準，比如基帶信號通信一般使用的電平標準有，TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS-232、RS-485等，還有一些速度比較高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等[13]。學生在掌握這個內容時需要了解不同電平標準有其對應的適用背景；不同結構的電路如果需要通信時，電平之間需要設計電平轉換電路，很多時候有專門的集成電路芯片完成該接口的工作。

實驗平臺提供了數字電路教材中常用的TTL電平8位邏輯開關。為了方便測量與調試，邏輯開關同時提供了正邏輯與負邏輯的輸出，這樣可以提高使用的靈活性。電平顯示也是8位，采用LED小燈做顯示。每一位邏輯顯示有3種狀態，高電平對應“紅色”，低電平對應“綠色”，高阻態對應“黃色”。這樣的設計在學生剛開始接觸數字信號的時候提供很直觀而且方便的認識。

(2) 芯片功能驗證模塊。芯片驗證功能模塊是將常用的數字電路芯片，包括555芯片、計數器、編碼器、譯碼器、數據選擇器、觸發器、門電路等，連接即相對獨立又互有聯系的一個模塊電路。所有的芯片都放置在固定焊接的芯片座上，在使用的時候，如果芯片功能正常，對應的LED小燈就會依次閃爍。這個模塊電路不僅可以用來演示芯片的邏輯功能，還可以用來驗證實驗中集成電路功能是否完好。

芯片驗證功能模塊的原理圖如圖2所示。整個驗證電路的時鐘信號由555電路提供，模塊中設計了2個555電路，1個用來驗證555本身，1個用來提供時鐘。 時鐘信號通過計數器轉換為并行的二進制數，然后依次完成后面的驗證功能。該功能的設計不僅可以提供給初學者對芯片功能的直觀了解與認識，還可以在實踐教學中對芯片進行篩選，使用方便(已授權專利)。

圖2 數字集成電路功能驗證模塊

(3) 三態邏輯筆模塊。三態邏輯筆電路是數字電路實驗教學中非常實用的一個工具。本方案采用了一種結構簡單、性能穩定，實用性強的邏輯筆電路，電路結構如圖3所示。

圖3 三態邏輯筆電路圖

邏輯比電路采用3個比較器，5 V供電，探頭接口可以由外接的探測表筆來實現電平測試。探頭筆的探測電平信號與窗口比較器進行比較，最終輸出電平判斷結果。電路中設定的窗口比較電平為0.6～2.3 V，探頭筆使用普通的萬用表筆，接口直接做在實驗箱平臺上，非常方便使用。

(4) 可編程器件模塊。實驗平臺在設計上一定要滿足教學要求，對教學內容要有較全面的覆蓋。數字電路教學中可編程邏輯器件的使用是一個關鍵的環節，學生可以在實踐中建立自己對器件、數字信號的認識。

可編程模塊中采用Altera公司的Cyclone系列FPGA可編程芯片，型號為EP1C6Q240C6，FPGA模塊電路結構如圖4所示。FPGA可編程系統采用了AS與JTAG配置模式，通過撥碼開關將FPAG輸出口控制六位LED燈的顯示。多余的I/O口通過接口插針預留給后續設計使用，FPGA還配置了ADC與DAC轉換芯片，可以方便學生完成模擬、數字混合設計。同時接口都是可切換的，保證每個芯片使用的獨立性與靈活性。

圖4 FPGA可編程器件模塊

FPGA可編程模塊是學生學習的一個重要的內容，對后續課程以及行業的理解有著重要的價值，在低年級可以開設一些基礎的演示、驗證實驗，為他們后續的設計性實驗以及課程設計做前期的實踐準備。

(5) 單脈沖與數字脈沖發生模塊。實驗箱中提供了兩位可以獨立提供正、負脈沖跳變的單脈沖發生器，在時序電路調試時非常方便。脈沖發生電路是由一片74LS122實現的，如圖5所示。可以輸出兩路正負單脈沖。調節CEXT與RCET之間的電容可以改變輸出的脈沖寬度。

圖5 單脈沖發生電路

除了單脈沖實驗平臺還提供了四位并行二進制BCD碼。這個功能可以為時序電路設計中提供并行數字信號。可以實現的實驗演示包括數字信號的串并轉換，計數與編碼，譯碼顯示等等。數字電路的實驗中，數字信號的認識是一個非常重要的內容。實驗中如果可以將數字系統中的信號變化通過實驗內容具體化，這樣將是非常便于學生理解的。

(6) 其他模塊。除了之前介紹的各個功能模塊之外，實驗平臺還為學生提供了模/數，數/模轉換模塊、數碼管顯示模塊、通用面包板模塊，以及平臺供電的開關電源模塊。

模/數、數/模轉換模塊不僅為學生了解器件原理、參數提供了便利，還為后續完成綜合探索型實驗提供了必要的數模接口。數碼管顯示模塊是為學生設計譯碼器、計數器提供結果的顯示部分。面包板模塊與電源模塊都是為實驗及課程設計提供必要的輔助部分。

作為基礎課程實驗設備，既要滿足基礎教學需求，也要滿足學生做課程設計與探索型實驗需求。各模塊間都留有接口方便設計、方便過程檢查與結果測試。

2.2 實驗內容

針對不同的教學要求，教學內容可以有相對靈活的調整。實驗內容分為3個層次，分別是基礎驗證型實驗、設計型實驗與研究探索型實驗。

對于電子信息類專業的學生，學時在36～54學時左右，主要學習目標在于全面具體地了解課程的基本概念、原理，掌握器件應用方法，學會邏輯電路設計與調試。在課程教學中宜采用根據學生的掌握程度指定實驗內容，壓縮基礎驗證型實驗的課內學時，將課程重點放在設計型實驗內容上，對于個別學生可以選擇研究與探索型實驗。

對于其他類專業學時在18～24左右，可以依次采用基礎驗證型實驗、部分設計型實驗。在實驗課程開設中要盡可能做到學生選擇實驗方案，完成實驗操作，鞏固實驗操作對課程基本概念的認識與理解。

(1) 基礎驗證型實驗。基礎驗證型實驗主要作用是課程內容的理解、概念的演示、基本操作的練習等。開設的實驗內容有器件的認識與驗證，包括基本門電路、編碼器、譯碼器、全加器、數據選擇器及其應用；集成觸發、MSI計數器等。

(2) 設計型實驗。設計型實驗主要目的在于加強學生對課程概念的理解與應用，通過設計型實驗學生可以更好地理解數字電路的設計過程以及實際電路與理論分析的差別，從而更好地做到對實驗過程、理論方法的掌握。設計型實驗可以開設的內容主要有：分別用門電路、3-8譯碼器設計全加器比較方法的差異；用與非門設計電機報警電路；利用門電路設計4-2線編碼器(不帶使能端，輸入變量高電平有效)；利用觸發器設計3進制計數器、16進制計數器；用555電路設計鐘脈沖信號發生器，要求20 Hz～20 kHz范圍頻率可調；用555電路設計單穩態觸發器；用2進制計數器設計24進制計數器等。

設計型實驗可以例舉很多，并且可以針對數字信號的概念設計各種實驗方案。數字電路本身具有非常高的靈活性，學習也具有一定的挑戰性。

(3) 研究與探索型實驗。為了使低年級電子信息類專業學生能對專業課程有一個統一、全面的認識，需要對學有余力的學生進一步提高學生動手實踐能力。通過開設研究與探索型實驗可以很好地契合學生動手能力不足與課程技術目標存在的需求。研究與探索型實驗的知識點是交叉的，也沒有明顯的課程界限，可能是包含多個課程的一個系統的探索型實驗。

可以開設的研究與探索型實驗包括：分別使用分離器件、FPGA可編程器件完成多功能數字鐘實驗；溫度測量與顯示實驗；8位并行數字幸好的串行傳輸設計；用于語音信號音調的LED陣列顯示實驗等。研究探索型實驗可以很好地打開學生專業學習的興趣以及體現課程的教學效果。

3 平臺應用效果分析

教學的過程是一個不斷完善、不斷更新的過程，教學過程同樣也是一個靈活的過程。每一次教學活動中，針對不同的學生，不同教學目標都會在教學計劃上做出相應的調整。課程同樣也會申請一些開放學時，方便學生完成研究探索型實驗。

實驗平臺包含的模塊豐富、全面，涵蓋了分離器件、可編程器件、模數、數模轉換器件、三態邏輯筆等功能，方便使用在教學中不僅可以全覆蓋數字電路的知識體系，還可以對多學科進行知識交叉應用。

實驗平臺提供了分離器件功能驗證與演示模塊，對于器件篩選，數字電路概念演示具有非常直觀、方便的功能。基本門電路、觸發器芯片等驗證實驗可直接在功能驗證與演示模塊進行，學生無需再在面包板上進行繁雜的電路搭建。對于數字分頻器等利用可編程邏輯電路實現。學生通過接觸可編程邏輯器件的實驗開始了解硬件描述語言。隨著實驗內容深入進行，學生可利用實驗箱的A/D、D/A模塊、LED點陣模塊等與傳感器器件相結合，自主設計綜合性實驗,如智能時控開關、控溫系統等，完成EDA技術的相關學習。

課程教學中學生不僅需要接觸到例如數字式秒表、多模式彩燈、道路交通燈、數控分頻器等課程實例，了解數字電子類產品的相關應用，還了解了數字電子技術與信號處理等前沿技術，對當前數字電子技術的發展趨勢也有了一定的了解。

4 結 語

本實驗教學平臺在完成數字電路教學內容的基礎上，更加注重與EDA技術相關的可編程邏輯器件的綜合性設計實驗，并且考慮到數字電子技術在現代發展中的應用，更好地彌合了數字電路課程教學與現代科技發展之間的銜接。該教學平臺在實際的教學應用中，取得了較好的教學效果。