數(shù)字電路實驗教學平臺的設計與實現(xiàn)

陳 藝，王懷登，陳 娟

（南京大學金陵學院 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210089）

隨著科技的不斷進步，社會發(fā)展日新月異，迎來了數(shù)字化時代。為了更好地培養(yǎng)滿足社會需求的人才，教學起著至關重要的作用。而數(shù)字電路實驗這門課程作為電子信息類的專業(yè)基礎課，其作用不言而喻，因此如何開展該課程、培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力成為一個難點[1]。現(xiàn)有教學的實施結合了傳統(tǒng)教學與電子設計自動化技術[2,3]，每個實驗要求在面包板上搭建電路的同時還需在CPLD開發(fā)板上實現(xiàn)相應的功能，但是仍存在以下幾點問題：一是器件老舊，面包板老化，CPLD芯片已停產(chǎn)；二是器件繁雜，實驗需要CPLD開發(fā)板、面包板以及各種元器件，增加管理難度；三是實驗大多數(shù)為驗證性實驗，內容比較單一。綜合實驗室與學生的實際情況，我們設計了新的實驗平臺，該平臺整合了面包板與EDA的資源，保留了基本的按鍵、撥碼開關、發(fā)光二極管、數(shù)碼管等實驗，覆蓋了數(shù)字電路實驗的基本知識點，同時增添了AD/DA、程控放大器等實驗，激發(fā)學生的積極主動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。通過該平臺的設計，實現(xiàn)了該課程在教學模式與教學方法上的研究與改革[4]。

1 新實驗教學平臺構成

新實驗教學平臺的結構如圖1所示，該教學平臺主要分為兩部分：一是傳統(tǒng)實驗方法，基于面包板用分立元件搭建電路，直觀地向學生展現(xiàn)硬件電路；另一部分則是采用EDA技術的實驗，選取FPGA為實驗載體，用HDL語言編程實現(xiàn)功能。EDA技術的加入彌補了傳統(tǒng)方法的不足，使得學生能夠更全面地了解數(shù)字電路。

圖1 新教學平臺結構圖

1.1 傳統(tǒng)實驗方法

傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗箱一般由IC插座、發(fā)光LED、電平開關、數(shù)碼管等器件組成，實驗內容多是基礎驗證實驗，側重點在于儀器的使用、電平的認識以及芯片的應用，實驗內容過于單一。實驗內容受限于實驗平臺，這樣的教學同樣也限制了學生的思維，學生無法進行創(chuàng)新性設計，在一定程度上制約了學生學習能力的培養(yǎng)。因此新的實驗平臺采用分立元件在排母上搭建電路完成傳統(tǒng)的教學內容。在平臺固有外設的基礎上，連接FPGA的可用接口，可完成課外實驗，激發(fā)學生的創(chuàng)造力，為后續(xù)課程的學習奠定了基礎，同時也增加了FPGA的靈活性。

1.2 EDA設計

該部分包含了基本的按鍵、LED燈、數(shù)碼管模塊，在此基礎上，增加了雙積分A/D轉換器、逐次逼近型A/D轉換器、D/A轉換器、程控放大器，且巧妙地利用了復用的概念，將D/A轉換器、逐次逼近型A/D轉換器及程控放大器集中在了同一個模塊中。這樣的設計使得該課程更全面地契合了理論課程的知識點，加深了學生對理論知識的理解。

2 教學平臺設計原理

該部分主要介紹新實驗教學平臺的原理設計，著重介紹FPGA設計。傳統(tǒng)實驗方法中增添了數(shù)碼管譯碼模塊，該模塊由74LS47譯碼器及共陽極數(shù)碼管組成。學生只需將顯示的值接入該模塊，即可完成數(shù)碼管顯示，方便學生完成實驗。顯示部分由共陽極數(shù)碼管、三極管以及限流電阻組成，其中三極管起開關作用。在課堂講解時，學生既鞏固了數(shù)字電路知識，又回顧了模擬電路知識，一舉兩得。

2.1 雙積分型A/D設計

雙積分型A/D轉換器原理圖如圖2所示，該電路由雙通道4選1的選擇器74HC4052、積分器以及比較器組成。相較于教材上的電路，該模塊選用模擬開關來代替手動開關的切換，使得整個過程更加智能化；同時充放電回路選擇不同RC電路，使得放電更加充分快速。通過FPGA控制模擬開關的選通通道，OP端與Y3相連，X0接待轉換電壓，X1接參考電壓。

圖2 雙積分A/D轉換器原理圖

在轉換開始前，電容通過電阻R33構成放電回路，為了讓放電時間短，該電阻選擇比較小的值。放電完成后，模擬開關接通X0通過R31進行第一次積分。當比較器輸出電平發(fā)生翻轉時，模擬開關將接通X1進行第二次積分。通過FPGA對兩次積分時間進行計數(shù)，計算出待轉換電壓對應的數(shù)字量。

2.2 逐次逼近型A/D轉換器與程控放大器的復用

逐次逼近型A/D的電路如圖3所示，該電路包含了D/A轉換器、比較器以及FPGA編程部分。其原理是由FPGA產(chǎn)生數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉換器轉換成模擬量并與待轉換值進行比較，F(xiàn)PGA根據(jù)比較結果再修改數(shù)字量，如此循環(huán)，直至找到最接近待轉換電壓的數(shù)字量。

圖3 逐次逼近型A/D原理圖

程控放大器的電路如圖4所示，該電路通過FPGA控制D/A轉換器數(shù)字量的輸入，從而改變信號的增益。

圖4 程控放大器原理圖

由圖可知，增益計算如下：

由DAC0830芯片手冊可知

式中，R為芯片內部的標稱阻值；D為輸入的數(shù)字量，其范圍為[0，255]。

由式（1）~式（3）可得

對比逐次逼近型A/D轉換器與程控放大器電路圖可以發(fā)現(xiàn)，兩者在結構上只差了一個運算放大器，而DAC0830的與端口的區(qū)別僅在于端口有一個內置反饋電阻，此電阻在復用時，能作為程控放大器電路中的。基于上述原因，在設計時將兩者復用，這樣做的目的一是節(jié)約了PCB空間；二是在實驗操作時，學生能清楚地了解兩者的原理及差異。

3 教學平臺成果展示

將上述原理圖經(jīng)過PCB設計，最終得出數(shù)字電路實驗平臺。該平臺左側為FPGA部分，核心板采用Altera公司EP4CE6E22C8N為主芯片，拓展出多個外設供教學使用，其中包括基本LED、撥碼開關、按鍵以及上述電路；右側為傳統(tǒng)的電路搭建部分，其內部連接與通用面包板類似，設計兩個數(shù)碼管的譯碼電路以供日常實驗使用。

3.1 雙積分型A/D轉換器測試結果

根據(jù)雙積分A/D轉換器原理，選取參考電壓為-5 V，由比較器輸出控制FPGA的計數(shù)，最終將結果顯示在數(shù)碼管上。在輸入3.2 V的直流電壓情況下，由FPGA計數(shù)顯示的結果為3.192 V，其相對誤差僅為0.25%。

用示波器同時觀測積分器反相輸入端及比較器輸出，波形如圖5所示。從圖中可明顯看到雙積分型A/D轉換器的兩次積分過程，同時伴隨著比較器輸出高低電平的轉換，驗證了雙積分型A/D轉換器的原理。這樣學生在做實驗時能夠充分理解兩次積分的過程以及硬件電路與FPGA之間的關聯(lián)，為后續(xù)課程的學習奠定了扎實的基礎。

圖5 雙積分A/D工作波形

3.2 逐次逼近型A/D轉換器與程控放大器的復用結果

逐次逼近型A/D轉換器參考電壓選用-5 V，通過FPGA控制數(shù)字量輸出不同的電壓并與需要轉化的電壓值進行比較，再根據(jù)比較結果來調整數(shù)字量，從而得到最終結果。在測試時，選用輸入電壓為2 V。此時FPGA從規(guī)定的數(shù)字量初值1000_0000經(jīng)過8次比較得到最終的數(shù)字量，這個過程是一直在重復的，因此用示波器觀測DAC0830的電壓輸出，可以看到當轉換的電壓值不變時輸出波形為周期信號。

圖6 程控放大器工作波形

經(jīng)過對電路的測試，可以看到設計的電路能夠實現(xiàn)逐次逼近型A/D轉換器和程控放大器的復用，且測試結果準確率高，與理論一致。通過進行實驗，既鞏固了學生的理論知識，培養(yǎng)了學生的動手能力，同時又擴寬了學生的知識面。

4 結束語

根據(jù)教學對象、教學目標的不同以及社會對人才需求的變化，教學過程需要不斷地更新完善。文中針對數(shù)字電路實驗課程教學中存在的問題及現(xiàn)有平臺的缺陷設計了新的實驗平臺，取長補短，保留了傳統(tǒng)方法的電路搭建，融合了FPGA技術，新添加的實驗內容為后續(xù)課程奠定了良好的基礎。從結果可以看出，新平臺能滿足設計需求，十分適合數(shù)字電路實驗課程。■