数字电子技术课程教学改革

李兆光

(中北大学 信息与通信工程学院国家级电工电子实验教学示范中心，山西 太原 030051)

我校的电子信息工程专业是全国高等学校的特色专业。该专业主要培养掌握电子与信息技术，具有较强的电子设计与研制、计算机应用、信息采集与传输等能力的高级工程技术人才。为了更好地建设高等学校特色专业，该专业制定了新的教学计划、教学大纲和实验大纲。为了适应电子信息工程特色专业的建设，更好地配合电子信息工程专业新的教学大纲，使学生在学习数字电子技术课程的过程中，既学习到了理论基础又掌握了这些理论知识如何在实际中应用，必须进行数字电子技术课程的教学改革。

笔者根据多年的教学经验，从增加硬件描述语言的讲授、增加基于项目的课外作业和依托电子设计大赛推动新技术、新器件的使用三个方面对该课程的教学改革进行了探索。

1 数字电子技术课程中增加硬件描述语言的讲授

硬件描述语言(HDL)作为现代数字电路设计的主要方法之一，在实际应用场合得到了广泛的重视和应用。但是在数字电子技术教学过程中，尤其在逻辑电路的设计环节往往忽略硬件描述语言的重要性［1］。因此，本次的数字电子技术课程的教学改革中，应有机地融入硬件描述语言的内容，使学生建立起现代数字电路的设计思想，以培养学生的创造力为出发点。具体实施的办法是:通过一些简单、完整而典型的硬件描述语言的设计示例，使学生初步了解用硬件描述语言表达和设计电路的方法，并对由此而引出的硬件描述语言现象和语句规则加以有针对性的说明。力图使学生能迅速地从整体上把握硬件描述语言程序的基本结构和设计特点，达到快速入门的目的。然后，通过典型实例讲解硬件描述语言，通过由浅入深、层层递进的实验项目培养学生的工程设计能力。经过讨论，决定利用4个学时讲解语言概述和程序结构等基础，采用将硬件描述语言的教学内容的讲授围绕组合逻辑电路和时序逻辑电路展开。尤其需要注意的是，在介绍时序逻辑电路设计时，应引导学生加强对状态机的认识。状态机作为一种很重要的时序逻辑电路，一般用来描述数字系统的控制单元，是很多数字电路的核心部件，比如以A/D转换器或交通灯控制电路为例来说明如何利用有限状态机来实现控制电路的设计。

2 增加基于项目的课外作业

数字电子技术课程既有丰富的理论体系，又有很强的实践性，属于具有较强实践性的专业基础课程。学生通过该课程的学习，不仅应熟悉各种电子元器件的性能、结构、作用和选用，培养典型电子线路制作与检测能力，也应为后续课程的学习打下扎实的基础。目前数字电子技术课程的教学，以教师为中心，学生被动接受知识，未能有效形成师生共同参与、学生主动构建、理论与实践相结合的课程教学模式。在这种教学模式下培养出来的学生，理论有余而实践不足，很难适应实际工作的需要，极大地妨碍了学生学习的主动性和积极性，不利于培养学生的职业素质和实际工作能力［3］。为适应电子技术的飞速发展，培养宽口径、厚基础、强能力、高素质的技术应用型人才，有必要实施基于项目的课外作业的改革［3］。

具体的实施办法是教师给出基于项目的课外作业题目。比如说课堂上，讲授完时序逻辑电路的设计后，可以布置一些综合性的课外作业。如设计一个顺序开关控制电路，该开关控制电路在按钮K 第一次按下时，三盏灯X、Y、Z 同时点亮，当再次按下K 时，X 灯立刻熄灭;Y 灯15 s 后熄灭，在Y灯熄灭18 s 后，Z 灯熄灭［2］。该开关控制电路的原理框图如图1所示。

图1 开关控制电路的原理框图

根据题意，该顺序开关控制电路的状态表如表1所示。在状态转换表中，SS0 表示初始状态，在该状态下，所有灯不亮;当按钮按下K=0 时，进入状态SS1，这时三盏灯都亮;当按钮抬起K=1，进入状态SS2;当按钮再次按下K=0 时，进入状态SS3，此时X 灯灭，启动15 秒定时器;当15 秒定时器时间到，进入状态SS4，Y 灯灭，同时启动18 秒定时器;当18秒定时器时间到时，回到初始状态SS0。

用硬件描述语言描述该顺序开关的控制电路，并用QUARTUSⅡ仿真，得到该顺序开关控制电路的仿真时序图如图2所示。图2 中，clk1是一个周期为1s的脉冲信号，而q15和q18 分别为15 进制计数器和18 进制计数器的状态输出，而td15和td18是15 进制计数器和18 进制计数器的进位输出端，K、X、Y、Z的含义具体见图1。从仿真波形图可以看到，第一次按下按钮后，X、Y、Z 三盏灯都为高电平;第二次按下按钮后，灯X 立即为低电平，灯Y 在延时15s 后也为低电平，灯Z 在延时18s 后才为低电平;满足设计要求，至此完成了顺序开关装置控制电路的设计。

表1 顺序开关装置的状态表

图2 顺序开关装置控制电路的时序图

通过以上设计过程可以得出:用可编程逻辑器件(PLD)来实现复杂的数字系统可以极大地丰富教学内容，改善和提高教学手段、方法和效果。另外，学生在完成该课外作业的过程中，可在理解和把握该课程的理论知识基础上，培养和锻炼分析问题、解决问题、组织实施等专业能力、方法能力和社会能力，掌握解决问题的方法思路，充分开发创造潜能［3］。

3 依托电子设计大赛推动新技术、新器件的使用

全国大学生电子设计竞赛是教育部和信息产业部主办的大学生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技活动，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风，为优秀人才的脱颖而出创造条件［4］。为了更好地培养创新型人才，在数字电子技术的教学与实践中，应依托大学生电子竞赛，除保留必要的基础理论实验，应加强新技术、新器件的使用。

比如2011 年全国大学生电子设计竞赛试题(E 题)要求设计一个简易数字信号传输性能分析仪，实现数字信号传输性能测试;同时，设计三个低通滤波器和一个伪随机信号发生器(需产生最高数据率为10Mbps的伪随机信号)用来模拟传输信道。

根据题目要求，本系统采用FPGA 产生不同频率的M 序列伪随机信号。而后将该信号送入二阶低通滤波电路进行滤波，滤波后的信号通过FPGA 实现的加法器与信道噪声(由FPGA 生成的伪随机信号模拟)叠加，作为信号分析部分的最终输入信号。经过初步的电路设计与调试，最终完成了整个题目的设计。由于FPGA是完全封装的可靠性高的芯片，减少了组装、焊接、调试的环节，验证设计的正确性也只需要测量芯片，有效地节约了设计和调试的时间。对于上述的设计题目，如果采用单片机进行数字信号的产生，必然会存在产生的频率不高且设计复杂等缺点。

大学生电子设计竞赛这项赛事目前在我校得到了高度的重视，通过每一届指导电子设计竞赛，电工电子实验教学示范中心全体教师也在不断地积累和总结经验，不断把新的技术和新的器件引入到平时的教学中，旨在提高学生电子电路设计能力。

4 结束语

笔者通过对2011 学年电子信息工程专业的数字电子技术课程的教学进行了改革实践，教学质量得到提高，而且在全国电子设计大赛中取得了优异的成绩，仅2011 年全国电子设计大赛我校就获得了8个国家奖和20个省级奖的好成绩。这些都表明，通过对该课程的改革与探索，学生自身能力与素质全面提高，更好地引导了学生掌握数字电子技术的基础知识和基本方法，增强了课程的教学效果，将理论教学与工程应用紧密地联系起来，提高了学生学以致用的能力。

［1］黄震，韩佩富，常丹华，等.硬件描述语言—数字电路教学的必要补充［D］.全国高等学校电子技术研究会论文集，2009，19(sup):13－14.

［2］夏路易.基于EDA的电子技术课程设计［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［3］湛年远，周思思.基于项目教学的电子技术课程设计［J］.广西社会科学，2009(1):79－81.

［4］王亚飞，杨曙辉，李学华，等.电子设计竞赛促进通信工程专业人才培养［J］.实验科学与技术，2010(5):130－131.