数字电路课程教学中仿真技术的层次化应用

韩芳

【摘 要】分析了数字电路课程教学存在的问题，提出了立足于仿真设计工具的层次化教学模式，从基础层、综合层、创新层，解决数字系统的分析、设计问题。仿真技术在课程中的合理应用，能够优化教学手段，填补教学内容和实际应用之间的鸿沟，为学生广泛参与设计实践以及创新研究提供了平台。

【关键词】数字电路；教学；仿真；层次化

仿真技术使用计算机来完成使电路设计过程中的大部分繁琐的底层工作，为电子工程师提供了理想的设计工具[1]，也为课程教学提供了资源丰富的仿真平台。立足于仿真工具的应用，根据教学内容的深度以及学生的能力水平，构建“多层次”的立体化教学平台，有助于数字电路课程教学和学生实践能力发展。

1 数字电路的教学

讲授法和例举法是数字电路课程中两种常用的教学方法，教师对基本定理、方法进行系统的解释和详细分析论证或以典型例题说明元器件和芯片的功能和应用。这两种方法对于学生理解和掌握知识要点是必要的，但目前单纯依赖多媒体课件的教学手段，很难使学生提起兴趣。

数字电路是一门应用型课程，但是课程内容的安排上，侧重于功能相对单一的、孤立的基本逻辑单元的分析和设计，而没有建立系统的观念，大多数学生感觉不能学以实用，在利用具体芯片设计实际电路时束手无策，影响了学习积极性。

传统数字技术中的许多观念、方法和思路已经跟不上日新月异的电子技术的发展步伐，有些甚至是不恰当、低效的，学生把过多的精力投入到这些落伍的知识、失当的理念，在后续课程又要重新纠正，造成效率低下。

在当前 “数字系统设计”方法不断变革的背景下，有必要将新的设计理念融入到教学中[3]，将教学内容用更生动的形式展现出来，从而调动学习兴趣，增强实践能力，提高学习效率，以更高的起点、开阔的视野去学习十分重要的后续课程。

2 仿真技术的层次化应用

2.1 基础层

基础层次，主要在数字电路理论课上展开，基于Multisim仿真平台完成验证性实验以及一些中小规模集成电路的分析与设计。Multisim提供了丰富的、标准化的元器件库以及种类齐全的仿真仪器仪表，可以实现门电路、编译码、显示驱动、触发器、计数器、555定时等典型数字电路的设计和仿真[2]。下面是讲解TTL 与非门工作原理的课堂实例，如图1。

1）Vi=0.296V，即输入接低电平，那么 Q1 导通，Q2、Q4 截止，Q3、D2 导通。Vo=3.954V，输出高电平。

2）通过按键C，不断增加输入电压，可以发现输出缓慢下降但仍为高电平，阀值电压出现在Vi=1.279V时，输出发生跳变至0.849V，输出低电平。

3）当输入大于阀值vth，输出迅速下降，直到0.123V不再变化，输出低电平。

此例中，通过仿真可以验证反相器的输入输出逻辑关系，并进一步测试反相器的传输特性曲线。在Multisim仿真平台上动态演示所学的芯片、电路，能够使知识形象化，学生在课堂上观察电路行为，加深了对教学内容的理解，进而体会应用方法，初步掌握分析设计电路的能力，为后续课程打下坚实基础。

2.2 综合层

在学生掌握课程基本教学内容的基础上，进一步综合培养。在综合性实验、设计性实验、课程设计以及毕业设计等教学活动中，基于EDA开发工具QuartusII仿真设计平台，设计和实现数字系统。

QuartusII是Altera公司在 windows环境下开发的可编程逻辑器件（PLD）综合设计平台，能够提供从设计输入到器件编程的全部功能，以硬件描述语言（HDL）为主要输入工具，实现系统逻辑仿真和时序分析，同时下载到可编程逻辑器件上进行实际的硬件测试和验证，从而完成数字系统的设计[3]。

以“交通灯控制系统”为例，说明教学过程。首先采用经典的设计方法，即通用的集成芯片搭建系统，这是一个集分频器、BCD译码器、计数器、动态扫描电路、多路选择器等常用中小规模集成器件的综合性运用，学生可以熟悉集成器件在系统中的应用，掌握算法状态机设计控制单元电路并且转换系统状态的方法。然后基于可编程逻辑器件分别进行结构级和寄存器级设计。结构级的设计首先将系统根据不同功能划分出多个单元模块，用硬件描述语言描述每一个单元模块，组合起来构成顶层模块，见图2，这种设计方法风格接近实际的硬件结构，是相对抽象的行为级描述的一个合理的衔接，寄存器传输级HDL描述属于行为级描述，根据操作顺序描述系统，由于不涉及具体硬件结构，更加体现了现代数字系统设计的优越性[4]。

在系统的HDL描述中，只在设计的关键点引入有用的硬件描述语言语法构造，采用规范的语言，清晰易懂的设计流程，力图达到举一反三的教学效果。教学效果表明，这种综合性设计课题，使学生能够了解大规模集成器件，通过比较各种设计方法，体会到随着数字系统复杂性的增加EDA软件表现出的强大的电路综合能力，进而探索先进的电路设计构思手段，激发学生实践兴趣。

2.3 创新层

创新层面向有创新思维的学生，依托开放性实验课程、学科竞赛的赛前训练、学生创新基金立项、参与教师科研项目以及校级、国家级电子竞赛等各类课外学术科技活动，以团队协作的形式展开，属于电子类课程体系的提高内容。在学习了模拟电路、单片机、C语言、传感器技术等多门电子技术专业课程的基础上，结合多种仿真设计工具的综合应用，进行有特定工程背景的课题设计。

以全國大学生电子设计大赛赛题“正弦信号发生器”为例，一种方案的系统框图如图3所示。该设计方案，在单片机开发平台上实现主控制部分的设计；在QuartusII平台上实现直接数字频率合成技术（DDS），并且在数字域设计AM、FM、ASK、PSK四类调制信号；滤波及放大电路的设计中为了达到设计目的，先在multisim平台上通过波特仪仿真出电路在截止频率附近的衰减情况，反复调整参数直到符合设计要求，再搭建硬件电路[5]。各种电子电路仿真设计工具的综合使用，缩短了系统设计周期，硬件电路设计的软件化，也便于电路的升级。

实践表明，研究这些开拓性课题，能够使学生学会用系统的眼光、创新的思路去解决复杂问题，这一过程获得的项目开发经验是在课堂上无法学习到的。

3 结论

数字电路课程不能局限于有限时间内的理论、实验教学，一方面，要在课堂时间内扩展内容，一方面，把学习延伸到课堂外，面向不同层次的学生提供自学和创新的空间。电子设计仿真平台在数字电路课程中的应用，将课内教学、课外自学进行有机结合，使之相互补充，形成相互衔接、灵活配置的教学体系，在坚实基础的同时，注重实践能力和创新意识的培养，适应了当前电子技术的飞速发展对电类课程教学提出的新要求。

【参考文献】

[1]朱娜，张金保，王志强，等.EDA技术实用教程[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2]李娜.虚拟仿真技术在数字电路课程改革实践中的应用研究[J].现代教育技术，2010，20（7）：147-150.

[3]赵艳华，曹丙霞，张睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4]康华光.电3子技术基础﹒数字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

张新，王立伟.基于专业需求的数字电路与逻辑设计课程教改实践[J].西安邮电学院学报，2011，16（11）：25-27.

[5]Stephen Brown，Zvonko Vranesic.数字逻辑基础与Verilog设计[M].夏宇闻，等，译.北京：机械工业出版社，2007.

[责任编辑：田吉捷]