数字电路原理和设计精选(九篇)

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第1篇：数字电路原理和设计范文

关键词：EDA；数字电路课程设计；多功能数字钟

1.EDA技术[1]

EDA技术即电子设计自动化技术，英文全称Electronic Design Automation，它是以功能强大的计算机为工具，在EDA软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动完成逻辑编译、简化、分割、综合、布局布线及逻辑优化、仿真测试的电子产品自动化设计过程。

利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：

（1）用软件的方式设计硬件，且用软件的方式设计的系统到硬件系统的转换是由相关的开发软件自动完成的；

（2）设计过程可用相关软件进行各种仿真；

（3）系统可现场编程，在线升级；

（4）整个系统可以集成在一个芯片上，具有体积小、功耗低及可靠性高的特点。

2.用EDA技术改进数字电路课程设计的必要性

数字电路课程设计是建立在数字电子技术基础上的一门综合实践性课程[2]，有利于培养学生的系统综合能力和创新能力，对提高办学档次，满足社会对高素质人才的需求，培养学生对未来社会的适应能力都是受益匪浅的。通过这一课程的学习，学生能够熟练地利用EDA技术掌握较复杂数字系统的设计方法，进一步增强学生分析问题、解决问题的能力，充分挖崛和激发学生的创新潜能。

目前在数字电路实践教学中，大部分学校仍然采用中小规模的集成电路来实现设计功能，当设计的系统比较复杂，需要多个集成芯片和大量连线时，就增加了设计电路板的难度和故障调试难度，延长了设计周期，降低了学生的学习兴趣；同时，常用中小规模集成芯片的大量重复使用也大大增加了设计成本；因此，在数字电路课程设计中引入EDA技术，采用当前国际先进的设计方法和理念，改革传统的课程设计方法，已经成为一种趋势[3]。用中小规模集成电路设计的数字系统存在以上诸多缺点，而运用EDA技术、可编程逻辑器件设计数字系统就成为行之有效的方法。这种设计方法从系统总体要求出发，自上而下地将设计细化，将功能具体化、模块化；直到最低层的模块适合用硬件描述语言或原理图描述为止，最后形成数字系统的顶层文件；再经EDA软件的自动处理而完成设计。

QuartusII是Altera公司的第四代EDA开发软件，此软件提供了一种与结构无关的全集成化环境，将设计、综合、布局和布线、系统的验证都整合到一个无缝的环境中，使设计者能方便地对Altera公司的PLD系列产品进行设计输入、快速处理和器件编程。是应用广泛的EDA开发软件之一。CPLD/FPGA通称为可编程逻辑器件，其中FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。目前，QuartusII开发软件和CPLD/FPGA器件作为EDA开发工具被越来越广泛的应用到大型数字系统的设计中。

3. EDA技术在数字电路课程设计中的应用

多功能数字电子钟的设计是数字电路设计中的一个典型应用，用中小规模集成电路实现时，用到的器件较多，连线比较复杂，可靠性差。下面就以基于ALTERA公司的FPGA器件CycloneII240C8芯片和QuartusII9.0EDA开发系统进行多功能数字钟的设计为例来介绍数字电路系统的一般设计方法。运用此种方法进行课程设计时，需要先掌握QuartusII软件开发环境的使用和硬件描述语言VHDL语言的编程，掌握相关CPLD/FPGA实验开发系统的使用。

（一）数字钟的设计要求

（1）具有时，分，秒计数显示功能，以24小时循环计时，由6个7段共阴极数码管显示；

（2）能够通过手动按键实现清零和调节小时、分钟功能；

（3）具有整点报时功能，当时钟计数为59’51”、59’53”、59’55”、59’57”时，扬声器发出频率为1024Hz的声音，在59’59”即到整点时，扬声器发出最后一声整点报时，频率为4096Hz。

（4）用VHDL语言来完成上述电路功能的软件设计和软件仿真，仿真结果正确后，在实验系统上进行由硬件电路的下载和调试。

（二）数字钟的设计方案

多功能数字钟电路的系统结构框图如图1所示，由系统时钟、控制电路、秒计数器、分计数器、小时计数器、译码器、显示器和扬声器组成；控制电路负责控制计数器计时、校时和扬声器报时，译码器将各计数器输出的BCD码计数值转换成七段码送到显示器，显示器显示时、分、秒计时结果。

介于所使用的实验系统中有现成的译码器和显示器部分硬件电路，故只对图1所示控制电路和时、分、秒计数器模块进行软件设计，由VHDL语言编写源代码来实现。

（三）数字钟的实现

在设计过程中采用层次化设计方法进行设计，编写源程序，为了简化设计把控制计时和调时部分功能放到计数模块中，报时部分专门用一个模块，故将数字钟的实现分成秒、分、时三个计数模块和一个报时模块构成，报时模块同时完成对报时输入信号的分频。

通过系统分析论证后，在QuartusII9.0环境下，用VHDL硬件编程语言编写数字钟的报时模块、秒计数模块、分计数模块和时计数模块源代码，即分别对应alert.vhd、second.vhd、minute.vhd、hour.vhd文本文件，对这四个模块分别进行编译、综合和仿真测试无误后，生成这四个模块的符号图，最后通过原理图连接的方式把以上各模块生成的图形符号连在一起形成顶层的原理图，实现多功能的数字钟。下面给出通过原理图的形式所设计的顶层原理图如图2所示，顶层设计文件为clock.bdf，顶层实体图如图3所示，当然也可以通过元件例化语句来生成顶层实体。

（四）功能仿真与下载

以上各个模块设计好以后，都可以利用软件进行仿真，得到正确的功能仿真结果后，在顶层的设计中调用各功能模块，完成顶层原理图或实体的设计，最后针对顶层的实体再进行功能仿真，仿真结果如图4所示，从仿真结果的部分截图中可以得到该数字钟能够实现正常计时的功能。

仿真正确后，选定好所选用的实验系统的配置芯片，锁定引脚，完成引脚配置，重新进行编译综合后，即可生成下载文件clock.sof，将此文件下载到选定的目标芯片，接上器件，完成整个系统的设计。经过在杭州康芯电子有限公司生产的GW48EDA/SOPC实验开发系统下载验证，该设计完全符合数字钟的功能要求。

4.结束语

通过将EDA技术应用于数字电路课程设计提升了学生对数字电路的认识，在设计过程中可以预先进行仿真，仿真有误可以修改设计，在这个过程中不必搭接电路，做到有错就随时修改，不用担心设计实验失败的风险。通过EDA技术不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，从而激发他们的学习兴趣，还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本，提高设计效率，培养了他们解决问题的综合能力，因此，使用EDA技术必将是数字电路实践课程改革的新动向。

参考文献

[1] 潘松，黄继业. EDA技术实用教程.北京：科学出版社，2010.

第2篇：数字电路原理和设计范文

关键词:可编程器件;译码器;数字电路;教学

中图分类号: G642文献标识码:A

引言

数字电路是计算机专业电子技术方面入门性质的基础课程,其任务是使学生获得数字电子技术方面的基础理论、

基本知识和基本技能。通常,数字电路课程的教学是由理论教学、课程实验、课程设计等教学环节构成的。

可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)是一种数字电路,它可以由用户来进行编程和配置,利用它可以解决不同的逻辑设计问题。随着数字集成电路的不断更新和换代,特别是可编程逻辑器件的出现,使得传统的数字系统设计方法发生了根本的改变。可编程逻辑器件的灵活性使得硬件系统设计师在实验室里用一台计算机、一套相应的EDA软件和可编程逻辑芯片就可以完成数字系统设计与生产。

MAX+plus Ⅱ是一种与结构无关的全集成化设计环境,使设计者能对Altera 的各种CPLD系列方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。MAX+plusⅡ开发系统具有强大的处理能力和高度的灵活性. 其主要优点:与结构无关、多平台、丰富的设计库、开放的界面、全集成化、支持多种硬件描述语言(HDL)等。

1可编程思想在课堂理论教学中的应用

数字电路课程主要包括逻辑代数、基本门电路、组合和时序逻辑电路、可编程逻辑器件及其编程方法的介绍。传统的教学方法是按顺序讲授,组合和时序逻辑部分都采用独立元器件的思想介绍,可编程逻辑器件部分往往由于课时的缘故不讲授或者只做简要介绍。但是随着电子技术的发展,这种教学思路已经不能很好地体现数字技术的发展方向。所以对数字电路理论教学提出了一些改革思路。

逻辑代数和基本门电路部分还是采用传统的教学方法,在讲授这一部分的同时把可编程逻辑器件及其编程方法这部分内容作为课外作业布置给学生,介绍一些相关的资料供学生课外阅读,并随时检查辅导。在介绍电路设计的时候把可编程逻辑器件部分引入,并作简要介绍,关键是让学生理解可编程思想,知道整个设计的过程即可,不能花大量时间讲述编程语法。如果花过多时间介绍语法,会让学生转移学习的重心,忽略数字电路的基础知识,把数字电路当编程语言课程学习。

随着计算机的广泛应用和教学条件的改善,多媒体课件在一定程度上提高了教学效果,可以用Flash等软件制作电路的应用和工作情况,但因为工作情况非常多,所以制作课件非常麻烦,而且因为不能随时调整,学生感觉不够真实。在课堂教学过程中利用多媒体教学环境,采用MAX + plus II软件进行实际操作演示,MAX + plus II输入修改方便,仿真结果直观具体,能够增强学生对学习内容的感性认识,激发学习兴趣,提高课堂教学质量。

以2-4译码器部分为例来说明MAX+plus II在数字电路教学中的应用情况。对于译码器的定义及其译码的理解,其实刚好是硬件描述语言VHDL的行为描述方法,所以我们可以用VHDL语言把2-4译码器描述出来作为MAX+plusⅡ的输入。描述的程序如下:

entity HCT139 is

port(A2, B2, G2BAR, A1, B1, G1BAR : in std_logic;

Y20, Y21, Y22, Y23, Y10, Y11, Y12, Y13 : out std_logic);

end HCT139;

architecture VER1 of HCT139 is

begin

Y10

Y11

Y12

Y13

Y20

Y21

Y22

Y23

end VER1

写程序的过程其实就是对译码器的逻辑的理解过程,那这个程序到底能否完成我们需要的译码功能呢?可以用 MAX+plus II软件的仿真功能,让学生很清楚地观察到在控制信号的作用下译码器的实际工作情况。仿真波形如图1所示。

随着数字电子技术的发展以及可编程逻辑器件的广泛使用,中规模的集成电路的应用逐渐减少,但是对于中规模集成电路的思想以及功能还是要做介绍。对于中规模集成电路的讲授可以结合MAX + plus II的原理图输入方法。MAX + plus II的元件库里有常见的中规模集成电路,并且我们可以利用MAX + plus II软件的仿真功能,观察到各种中规模集成电路的工作情况。例如2-4译码器74139如图2所示。

课堂教学中,很多内容都可以利用MAX + plus II软件直观地演示出来,比如中规模集成电路的功能和使用、异步二进制计数器的工作、移位寄存器的移位操作等等,这些演示可以使学生感性地理解电路的特性,对理解这些知识起到了很好的辅助作用。如果教师对EDA技术熟悉,演示这些实例并不需要花费太多时间。

2基于可编程逻辑器件的实验教学

实验作为学习该课程的一个重要环节,对巩固课堂教学内容、提高学生的动手能力都具有重要的作用。

在传统的数字电路实验教学中,一般采用学生动手搭接各种电路的方法。这种方法对于锻炼学生的动手能力比较好,实际搭接线路体会更深刻,但是这种方法也有很多不足之处:由于在实验操作过程中的疏忽,很容易造成电路短路、损坏TTL芯片。教学实验中,要经常更换芯片,增加了原件的损耗;当电路复杂时,检查芯片好坏或搭接线错误是一项非常繁杂的工作,容易让学生产生厌烦感。随着计算机电路仿真及大规模集成电路的发展,传统的实验方法得到了改进,引入可编程逻辑器件及其对应的EDA技术,可以增强实验过程的灵活性,提高学生学习积极性。

基于可编程逻辑器件的实验平台在参考文献[3]做了介绍。继续选用在理论教学中采用的演示软件MAX + plus II作为实验软件,它使用简单,不需要花费太多学时讲授软件的使用。因为原理图的输入方法更简单直观,建议采用原理图的输入方法进行实验。在学生掌握原理图输入方法之前,老师可以先做好一些实验模块,让学生直接下载这些模块到实验平台进行测试,边测试边学习建立实验模块的方法。用MAX + plus II仿真数字电路实验具有很大的灵活性,掌握得比较好的学生不仅可以按照教师设计的实验模块完成实验,还可以在掌握了设计方法后,利用理论知识自行设计一些实验模块。这样会激发学生的学习兴趣,从而进一步提高了学生的综合素质和创新能力。

3基于可编程逻辑器件的课程设计

数字电子技术课程设计是实践性课程,同“数字电子技术”理论讲授课程有密不可分的关系,起着相辅相成的作用,也是在“数字电子技术实验”课的基础上,进一步深化的实践环节。其主要目的是通过本课程,培养和启发学生的创造性思维,进一步理解数字系统的概念,掌握小型数字系统的设计方法,掌握查阅有关资料的技能。基本任务是设计一个小型数字电子系统。传统的使用中小规模集成电路的方法,由于设计小型数字电子系统需要多种元件,每年的课程设计往往受元器件的限制,给的设计题目只有几个,容易出现雷同,常见的一些设计在网络上都可以找到现成的设计电路图。

将可编程逻辑器件引入课程设计,就可以灵活给定各种类型的设计题目,不受元器件的限制。即使一样的设计题目,实现的方法也可以多样化,可以采用原理图的输入方法,也可以采用硬件描述语言的输入方法来实现。同时将可编程逻辑器件引入课程设计,就可以直接在实验平台上实现,不需要专门的课程设计平台,从而节省了课程设计的成本,又由于采用了数字电子技术发展的前沿技术,让学生能了解数字电子技术的发展,真正培养学生对数字电子技术的学习兴趣。课程设计的题目难度也容易控制,可以分开档次。

例如“拔河游戏机”的设计,拔河游戏机需用9个发光二极管排列成一行,开机后只有中间一个发亮,以此作为拔河的中心线,游戏双方各持一个按键,迅速地、不断地按动产生脉冲,谁按得快,亮点就会向谁的方向移动,每按一次,亮点移动一次。移到任一方终端二极管发亮,这一方就得胜,此时双方按键均无作用,输出保持,只有经复位后才使亮点恢复到中心线;显示器显示胜者的盘数。对于这样的一个设计题目安排三个人一组,来讨论总体实现思路,但是具体的实现方式不能一样,其中一个人要求用中小规模的集成电路来实现,两个人用可编程逻辑器件实现,但是分别采用硬件描述语言和原理图的输入方法来实现。

开始安排题目的时候,选择用中小规模集成电路实现的人自信比较足,因为学生对中规模集成器件相对熟悉些,其他两人因为对可编程器件不是很熟悉,觉得有点难。但是等完成这个设计题目后,叫苦的反而变成采用中小规模集成电路实现的人。另外两人对自己的设计思想是否正确早通过仿真知道了,连线也只有输入和输出,不用反复检查线路是否接触好。随时可以修改,修改完了只需用重新下载程序即可。经过这样的对比实践,学生对数字电路的设计有了更深刻的认识,既掌握了数字电路的传统设计方法,又初步理解了最新的数字电路设计方法。

4结语

CPLD和FPGA器件在集成度、功能和性能方面已经能够满足大多数场合的使用要求。用CPLD、FPGA等大规模可编程逻辑器件取代传统的标准集成电路、接口电路和专用集成电路已成为技术发展的必然趋势。把可编程思想引入到数字电路课程的教学当中,利用计算机和仿真软件对数字电路进行模拟、仿真,会显著地提升数字电路的教学效果,让学生能够紧跟市场和技术的前沿。

Teaching of Digital Circuit Based on Programmable Thinking of Hardware

LIU Cai-hong, JI Jin-shui

(Computer Science and Information Engineering College, Northwest Minorities University,Lanzhou 730030, China)

第3篇：数字电路原理和设计范文

关键词：Multisim； 序列信号发生器；教学；仿真

中图分类号：TN794文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）03-0062-03

0引言

数字电路是通信工程、电子信息工程、计算机科学与技术等专业的一门重要专业基础课程。随着电子技术的快速发展，对数字电路的教学也提出了越来越高的要求，而数字电路本身又是一门理论性和实践性都极强的课程[1]。学生对该课程的理解掌握程度直接影响到后续课程的学习。传统的理论教学方法主要在课堂上进行，由于不能搭建具体的电路进行动态演示，遇到一些功能原理复杂的电路，学生对其理解掌握就显得力不从心了，慢慢地就会失去学习的兴趣。作者所在的学校是一个三本院校，相对于一本、二本的学生，三本院校的学生基础较差，而且学习的主动性也较差。针对上述问题，如何改进教学方法，提高教学质量、激发学生的学习兴趣，成为教师亟待解决的问题[2]。

近些年来，随着计算机仿真技术的进步，电子设计自动化已成为数字电路分析和设计的重要工具。其中Multisim仿真软件以其形象直观、简单易学的特点，尤为适用于数字电路教学。它的引入让传统教学中学生只能想象的东西变得形象直观。这样既能让学生容易理解掌握，又能激发学生的学习兴趣。还能让学生有意识地亲自动手学会一种仿真工具，从而提高其创新能力和实践能力[3]。

1Multisim简介

Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为平台的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的仿真设计。它包含电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真分析[4]。目前为止，Multisim已经推出了多种版本，本文以最新版本Multisim 13仿真软件结合课堂实例进行仿真演示。

1.1Multisim13主要特点

1） 直观的图形界面。整个操作界面就像一个电子实验台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，点击鼠标可用导线将它们连接起来，可以灵活、直观地创建和修改电路。

2）丰富的元器件。它提供了超过17000多种元件，同时能方便地对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能创建自己的元器件。

3）强大的仿真能力。支持模拟电路、数字电路、数模混合电路以及射频电路的设计仿真，支持汇编语言和C语言，使得虚拟仿真显得更加灵活[5]。

4）丰富的测试仪器。该软件提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：如Multimeter（万用表），Function Generatoer（函数信号发生器），Oscilloscope（示波器） ，Bode Plotter（波特仪），Logic Converter（逻辑转换仪）等，这些仪器的设置和使用与真实的一样，可以动态交互显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地测试、测量及控制应用程序的仪器。

1.2Multisim在理论教学中的应用

这里通过序列信号发生器的例子说明Multisim在数字电路理论教学中的应用。从传统的教学结果来看，学生对序列信号发生器的掌握并不理想，对其序列信号产生的方法也理解得不够透彻。

序列信号是指在时钟脉冲作用下产生的一串周期性的二进制信号。序列信号发生器在数字设备中具有重要的作用，它分为2种类型：一种为计数型，它由计数器辅以组合电路组成；另一种为移存型，它由移位寄存器辅以组合电路组成[6]。

下面通过具体实例说明Multisim13在数字电路教学中的应用。

实例1：试设计一个能产生序列信号为0101101的计数型序列信号发生器。

方法1：利用计数器和组合逻辑电路实现序列信号发生器

由状态表可得输出方程。Z=Qn2Qn0。由Multisim13搭建仿真电路，如图1所示。图1中74LS160采用同步置数法构成模7计数，在计数脉冲作用下，其输出Z依次输出0101101。

为了让学生能直观地看到输出是0还是1，这里用探针指示0或1，亮为1，灭为0（下同）。仿真结果与理论分析一致。

图174LS160构成序列发生器仿真图（一）方法2：利用计数器和数据选择器来实现序列信号发生器

原理是利用计数器（74LS160）的输出作为8选1数据选择器（74LS151）的地址变量控制端，将要产生的序列依次接入74LS151的7个数据输入端，在脉冲信号的作用下，74LS151依次输出0101101。仿真电路如图2所示，仿真结果也与理论分析相符。

图274LS160构成序列发生器仿真图（二）实例2：试设计一个能产生序列为00011101的移存型序列信号发生器。

由于该序列长度为8，故考虑采用3位移位寄存器。若选用双向4位移位寄存器74LS194，则仅用其中的3位：Q0，Q1和 Q2。由于该序列最左边3位为000，故电路中必包含一个状态为Q0Q1Q2=000，设为S1，依次右移一位，得到S2=001，S3=011，……，S8=001。由此知该电路具有8个状态，其状态转移表如表2所示，表2中Y表示移位寄存器所需的右移串行输入信号（即DSR）。Q2依次输出所需序列信号00011101。

综合上述2种类型序列信号发生器的仿真演示，既能让学生直观看到仿真过程与结果，又能让学生很清晰地理解掌握以上几个电路的工作原理，并能进一步对所学过的芯片功能加深印象。在不知不觉中，激发了学生的学习兴趣，使学习不再是枯燥乏味的行为。这样长期下去，教学质量将会有很大提高。

2结语

实践表明，将Multisim 13仿真软件用于《数字电路与逻辑设计》理论课程的辅助教学，能把较为复杂难懂的电路设计过程形象直观地展现学生面前，对提高学生的学习兴趣和效果，提高教师的教学质量等方面都有重要意义。同时，促使教师不断地将理论与实践相结合，从而提高老师的教学水平。

参考文献：

[1]刘太刚，韩琳.Multisim在数字电路理论课教学中的应用[J].牡丹江大学学报，2013，22 （7）：161162，187.

[2]赵庆.三本院校EDA课程教学方法实践与思考[J].现代商贸工业，2013（7）：144145.

[3]卢厚元.multisim11在电子技术教学中的应用[J].十堰职业技术学院学报，2013，26（3） 98101.

[4]黄菊. 基于共发射极电路Multisim仿真教学的好处研究[J].中国电子商务，2013（17）：140，142

[5]肖杰，曾玢石，赵晋琴.Multisim在数字电子技术课程教学中的应用[J].当代教育论坛，2011（6）：4143.

第4篇：数字电路原理和设计范文

关键词：计算机硬件；集成电路设计；教学改革

信息系统工程教育论坛我院计算机科学与技术本科专业始建于1987年，历经20年的发展，为油田及相关企事业单位培养了大量的计算机应用人才。“具有良好的科学素养，系统地、较好地掌握计算机科学与技术包括计算机硬件、软件与应用的基本理论、基本知识和基本技能与方法，能在科研部门、教育单位、企业、事业、技术和行政管理部门等单位从事计算机教学、科学研究和应用”是本专业的培养目标。基于这个培养目标，结合目前计算机硬件技术最新发展现状及趋势，提出本硬件系列课改方案。

一、硬件系列课改的目的及意义

当前，计算机在信息社会中充当了重要角色，也是发展最为迅速的一门学科。随着这门学科的不断发展，目前，计算机核心技术愈来愈集中在集成电路芯片设计和软件设计这两项技术中，其中CPU和OS设计技术是最核心的两项技术，特别是高性能计算机技术一直是衡量国家实力的一个重要标志。在硬件系列课程里，培养学生CPU及相关硬件的设计能力，培养学生自主创新并能够设计出拥有自主知识产权的计算机部件的能力，是当前计算机硬件课程重要的改革方向，也是目前社会迫切需要的计算机硬件人才[1]。因此，适应当前计算机硬件技术的发展及社会对计算机硬件人才的需求，及时调整硬件系列课程的培养方向，既有利于学生及时掌握最新的计算机硬件技术，又有利于学生及时把所学知识转化为社会生产力，对扩大我院学生就业，树立我院计算机科学与技术专业学生良好的社会形象意义深远。

二、硬件系列教学的国内外发展现状及趋势

由于我国的制造业比较落后，一直以来，计算机硬件的核心技术未能被国内掌握。相应地，在计算机硬件教学中，像计算机组成和计算机体系结构等重要硬件课程，传统上仅仅以讲授、分析原理为主，且内容不能适应现代计算机技术的发展[2]。国外一些知名大学非常重视计算机硬件的教学，美国的许多高校本科计算机专业中都无一不是安排了CPU设计方面的课程和实验内容。例如麻省理工学院计算机专业的一门相关课程是《计算机系统设计》，学生在实验课中，须自主完成ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU乃至实现流水线32位MIPS CPU和Cache等的设计。Stanford大学计算机系的本科生也有相似的课程和实验。随着计算机硬件技术的不断发展，国内开展硬件设计技术的条件已逐渐成熟，这主要得益于计算机硬件发展中的两个重要技术，一是大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA的成熟，可以在一个芯片中通过编写硬件描述语言设计CPU和全部的相关硬件电路，减轻了硬件芯片间连接的复杂性，同时消除了硬件制造的限制。二是硬件描述语言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL语言为代表的硬件描述语言，可以通过编写程序的方式来描述极其复杂的硬件电路逻辑，大大降低了以前采用手工方式设计硬件电路的复杂性。国内的一些知名大学，在最近几年里，也相应地增加了硬件电路设计在教学中的比重，据我们了解，清华大学、电子科技大学、哈工大、哈理工等一些学校，已经修改了计算机组成原理及计算机体系结构等方面的课程教学内容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述语言设计CPU及其相关硬件电路作为重要内容加入到课程体系里，取得了良好的教学效果，大大加强了学生对计算机工作原理的理解及计算机硬件的设计能力，逐步实现了与发达国家高校计算机本科教育的接轨。

三、目前我院硬件系列教学现状及不足

计算机科学与技术本科专业硬件系列主要课程设置始于20年前，期间虽经过部分调整，但基本教学内容依然延续20年前的知识体系。按授课先后次序排列，这些课程包括：《数字逻辑与数字电路》、《计算机组成原理》、《数字系统设计自动化》、《计算机体系结构》、《单片机原理及应用》、《嵌入式系统》、《硬件课程设计》等7门。基于当前硬件课程系列教学现状，我们认为存在以下的不足：1.从整体上看，硬件系列教学内容过于强调基本原理和基本方法，缺少能够验证原理、实际实现这些原理及方法的手段，导致学生缺少动手能力，对原理和方法认识模糊，会说不会做的现象比较严重，创新能力较弱。2.《数字逻辑与数字电路》和《数字系统设计自动化》，这两门课之间存在较大的联系，在内容上存在承上启下的关系，前者是讲述数字电路的基本概念、组合及时序电路的传统分析设计方法，后者则介绍组合及时序电路的现代分析设计方法，基于目前的教学实际情况，可以合并成一门课讲述。3.《计算机组成原理》和《计算机体系结构》是计算机科学与技术本科专业非常重要的两门课，通过这两门课的学习，应使学生能够设计简单的CPU及相关的硬件电路，从而加深对基本原理、基本方法的理解，增强实际动手能力。基于现在的教学内容及教学手段还无法达到上述目的。4.《单片机原理及应用》和《嵌入式系统》两门课存在较大的内容交叉。这两门课都是讲述特定计算机在控制及嵌入式产品中的应用，《单片机原理及应用》这门课介绍的是8位机MCS-51的原理，《嵌入式系统》这门课介绍的是32位机ARM的原理，鉴于目前嵌入式领域的发展现状及趋势，建议取消《单片机原理及应用》这门课，以避免课程内容重复。5.《硬件课程设计》作为硬件系列的最后一门硬件设计课，学生已掌握了较丰富的软硬件知识，因此应该具备设计较复杂的硬件电路的能力，目前的设计内容较简单并与《数字逻辑与数字电路》课程实验存在一定交叉，建议选择有一定复杂度并较实用的设计内容。从而培养学生综合运用硬件知识及硬件设计能力。

四、硬件系列教学新课改方案

针对我院计算机科学与技术专业的实际情况，在保证总的硬件教学学时不变的前提下，对硬件系列教学提出如下建议：1.课程合并：《数字系统设计自动化》是计算机组成原理等的先修课，为保证能及时开课，同时该课和《数字逻辑与数字电路》这门课有密切的联系，合并为一门课，仍称为《数字逻辑与数字电路》，并适当增加学时，建议在大二上学期开课，取消《数字系统设计自动化》这门课。2.《计算机组成原理》：这门课改为《计算机组成及设计》，增加CPU及相关硬件电路设计内容，在讲清楚组成原理的基础上，以设计为重点，建议在大二下学期开课。 3.《计算机体系结构》：适当增加设计内容，原学时保持不变，建议在大三上学期开课。4.《单片机原理及应用》：本课程取消，鉴于目前嵌入式系统涉及软硬件知识较多，难以在一门课程中全面系统学习，因此另开设一门《嵌入式软件开发》课程，重点讲述如何设计编写嵌入式软件程序，建议在大三下学期开课。5.《嵌入式系统》：这门课作为《嵌入式软件开发》的先修课，重点讲述嵌入式系统的基本概念及方法、ARM处理器的硬件工作原理、接口、汇编语言等，而相关操作系统及其程序设计等知识暂不涉及，建议在大三上学期开课。6.《硬件课程设计》：在设计题目中，引入嵌入式系统、FPGA及计算机组成等知识，适当增加设计的综合性和复杂性，建议在大四上学期开课。基于新的硬件系列课程体系，能够有效理顺课程之间的先后关系，并把硬件课程均匀分散到大学四年的学习中，同时对重要的课程及相关的知识进行了加强，例如数字电路设计贯穿在整个硬件系列课程中；舍弃了过时的技术，增加了新技术的份量，例如去掉了单片机，加强了嵌入式系统。因此，我们认为：调整后的硬件系列课程是较合理的，它吸收了当前先进的硬件设计技术，保证了知识的实用性，有一定的前瞻性。

五、结束语

高等教育是为学生提供专业技能和生存本领、服务社会的最后一站，教学内容及方法直接关系到学生的未来发展。通过不断教学改革，保持教学的先进性和实用性一直是高教课改的目标之一。通过这次课改，理顺了我院硬件系列课程的教学关系，增强学生未来服务社会的竞争力，因此很有实际意义。

作者:李军 崔旭 李建平 单位:1.东北石油大学 2.大庆市萨东第二小学

参考文献

第5篇：数字电路原理和设计范文

关键词：集成电路专业；实践技能；人才培养

中图分类号：G642.0 文献标志码： A 文章编号：1002-0845（2012）09-0102-02

集成电路产业是关系到国家经济建设、社会发展和国家安全的新战略性产业，是国家核心竞争力的重要体现。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确将集成电路作为新一代信息技术产业的重点发展方向之一。

信息技术产业的特点决定了集成电路专业的毕业生应该具有很高的工程素质和实践能力。然而，目前很多应届毕业生实践技能较弱，走出校园后普遍还不具备直接参与集成电路设计的能力。其主要原因是一些高校对集成电路专业实践教学的重视程度不够，技能培养目标和内容不明确，导致培养学生实践技能的效果欠佳。因此，研究探索如何加强集成电路专业对学生实践技能的培养具有非常重要的现实意义。

一、集成电路专业实践技能培养的目标

集成电路专业是一门多学科交叉、高技术密集的学科，工程性和实践性非常强。其人才培养的目标是培养熟悉模拟电路、数字电路、信号处理和计算机等相关基础知识，以及集成电路制造的整个工艺流程，掌握集成电路设计基本理论和基本设计方法，掌握常用集成电路设计软件工具，具有集成电路设计、验证、测试及电子系统开发能力，能够从事相关领域前沿技术工作的应用型高级技术人才。

根据集成电路专业人才的培养目标，我们明确了集成电路专业的核心专业能力为：模拟集成电路设计、数字集成电路设计、射频集成电路设计以及嵌入式系统开发四个方面。围绕这四个方面的核心能力，集成电路专业人才实践技能培养的主要目标应确定为：掌握常用集成电路设计软件工具，具备模拟集成电路设计能力、数字集成电路设计能力、射频集成电路设计能力、集成电路版图设计能力以及嵌入式系统开发能力。

二、集成电路专业实践技能培养的内容

1.电子线路应用模块。主要培养学生具有模拟电路、数字电路和信号处理等方面的应用能力。其课程主要包含模拟电路、数字电路、电路分析、模拟电路实验、数字电路实验以及电路分析实验等。

2.嵌入式系统设计模块。主要培养学生掌握嵌入式软件、嵌入式硬件、SOPC和嵌入式应用领域的前沿知识，具备能够从事面向应用的嵌入式系统设计能力。其课程主要有C语言程序设计、单片机原理、单片机实训、传感器原理、传感器接口电路设计、FPGA原理与应用及SOPC系统设计等。

3.集成电路制造工艺模块。主要培养学生熟悉半导体集成电路制造工艺流程，掌握集成电路制造各工序工艺原理和操作方法，具备一定的集成电路版图设计能力。其课程主要包含半导体物理、半导体材料、集成电路专业实验、集成电路工艺实验和集成电路版图设计等。

4.模拟集成电路设计模块。主要培养学生掌握CMOS模拟集成电路设计原理与设计方法，熟悉模拟集成电路设计流程，熟练使用Cadence、Synopsis、Mentor等EDA工具，具备运用常用的集成电路EDA软件工具从事模拟集成电路设计的能力。其课程主要包含模拟电路、半导体物理、CMOS模拟集成电路设计、集成电路CAD设计、集成电路工艺原理、VLSI集成电路设计方法和混合集成电路设计等。此外，还包括Synopsis认证培训相关课程。

5.数字集成电路设计模块。主要培养学生掌握数字集成电路设计原理与设计方法，具备运用常用的集成电路EDA软件工具从事数字集成电路设计的能力。其课程主要包含数字电路、数字集成电路设计、硬件描述语言、VLSI测试技术、ASIC设计综合和时序分析等。

6.射频集成电路设计模块。主要培养学生掌握射频集成电路设计原理与设计方法，具备运用常用的集成电路EDA软件工具从事射频集成电路设计的能力。其课程主要包含CMOS射频集成电路设计、电磁场技术、电磁场与

天线和通讯原理等。

在实践教学内容的设置、安排上要符合认识规律，由易到难，由浅入深，充分考虑学生的理论知识基础与基本技能的训练，既要有利于启发学生的创新思维与意识，有利于培养学生创新进取的科学精神，有利于激发学生的学习兴趣，又要保证基础，注重发挥学生主观能动性，强化综合和创新。因此，在集成电路专业的实验教学安排上，应减少紧随理论课开设的验证性实验内容比例，增加综合设计型和研究创新型实验的内容，使学有余力的学生能发挥潜能，有利于因材施教。

三、集成电路专业实践技能培养的策略

1.改善实验教学条件，提高实验教学效果。学校应抓住教育部本科教学水平评估的机会，加大对实验室建设的经费投入，加大实验室软、硬件建设力度。同时加强实验室制度建设，制订修改实验教学文件，修订完善实验教学大纲，加强对实验教学的管理和指导。

2.改进实验教学方法，丰富实验教学手段。应以学生为主体，以教师为主导，积极改进实验教学方法，科学安排课程实验，合理设计实验内容，给学生充分的自由空间，引导学生独立思考应该怎样做，使实验成为可以激发学生理论联系实际的结合点，为学生创新提供条件。应注重利用多媒体技术来丰富和优化实验教学手段，如借助实验辅助教学平台，利用仿真技术，加强新技术在实验中的应用，使学生增加对实验的兴趣。

3.加强师资队伍建设，确保实验教学质量。高水平的实验师资队伍，是确保实验教学质量、培养创新人才的关键。应制定完善的有利于实验师资队伍建设的制度，对实验师资队伍的人员数量编制、年龄结构、学历结构和职称结构进行规划，从职称、待遇等方面对实验师资队伍予以倾斜，保证实验师资队伍的稳定和发展。

4.保障实习基地建设，增加就业竞争能力。开展校内外实习是提高学生实践技能的重要手段。

实习基地是学生获取科学知识、提高实践技能的重要场所，对集成电路专业人才培养起着重要作用。学校应积极联系那些具有一定实力并且在行业中有一定知名度的企业，给能够提供实习场所并愿意支持学校完成实习任务的单位挂实习基地牌匾。另外，可以把企业请进来，联合构建集成电路专业校内实践基地，把企业和高校的资源最大限度地整合起来，实现在校教育与产业需求的无缝联接。

5.重视毕业设计，全面提升学生的综合应用能力。毕业设计是集成电路专业教学中最重要的一个综合性实践教学环节。由于毕业设计工作一般都被安排在最后一个学期，此时学生面临找工作和准备考研复试的问题，毕业设计的时间和质量有时很难保证。为了进一步加强实践环节的教学，应让学生从大学四年级上半学期就开始毕业设计，因为那时学生已经完成基础课程和专业基础课程的学习，部分完成专业课程的学习，而专业课教师往往就是学生毕业设计的指导教师，在此时进行毕业设计，一方面可以和专业课学习紧密结合起来，另一方面便于指导教师加强对学生的教育和督促。

选题是毕业设计中非常关键的环节，通过选题来确定毕业设计的方向和主要内容，是做好毕业设计的基础，决定着毕业设计的效果。因此教师对毕业设计的指导应从帮助学生选好设计题目开始。集成电路专业毕业设计的选题要符合本学科研究和发展的方向，在选题过程中要注重培养学生综合分析和解决问题的能力。在毕业设计的过程中，可以让学生们适当地参与教师的科研活动，以激发其专业课学习的热情，在科研实践中发挥和巩固专业知识，提高实践能力。

6.全面考核评价，科学检验技能培养的效果。实践技能考核是检验实践培训效果的重要手段。相比理论教学的考核，实践教学的考核标准不易把握，操作困难，因此各高校普遍缺乏对实践教学的考核，影响了实践技能培养的效果。集成电路专业学生的实践技能培养贯穿于大学四年，每个培养环节都应进行科学的考核，既要加强实验教学的考核，也要加强毕业设计等环节的考核。

对实验教学考核可以分为事中考核和事后考核。事中考核是指在实验教学进行过程中进行的质量监控，教师要对学生在实验过程中的操作表现、学术态度以及参与程度等进行评价；事后考核是指实验结束后要对学生提交的实验报告进行评价。这两部分构成实验课考核成绩，并于期末计入课程总成绩。这样做使得学生对实验课的重视程度大大提高，能够有效地提高实验课效果。此外，还可将学生结合教师的科研开展实验的情况计入实验考核。

7.借助学科竞赛，培养团队协作意识和创新能力。集成电路专业的学科竞赛是通过针对基本理论知识以及解决实际问题的能力设计的、以学生为参赛主体的比赛。学科竞赛能够在紧密结合课堂教学或新技术应用的基础上，以竞赛的方式培养学生的综合能力，引导学生通过完成竞赛任务来发现问题、解决问题，并增强学生的学习兴趣及研究的主动性，培养学生的团队协作意识和创新精神。

在参加竞赛的整个过程中，学生不仅需要对学习过的若干门专业课程进行回顾，灵活运用，还要查阅资料、搜集信息，自主提出设计思想和解决问题的办法，既检验了学生的专业知识，又促使学生主动地学习，最终使学生的动手能力、自学能力、科学思维能力和创业创新能力都得到不断的提高。而教师通过考察学生在参赛过程中运用所学知识的能力，认真总结参赛经验，分析由此暴露出的相关教学环节的问题和不足，能够相应地改进教学方法与内容，有利于提高技能教学的有效性。

此外，还应鼓励学生积极申报校内的创新实验室项目和实验室开放基金项目，通过这些项目的研究可以极大地提高学生的实践动手能力和创新能力。

参考文献：

[1]袁颖，等.依托专业特色，培养创新人才[J]. 电子世界，2012（1）.

[2]袁颖，等.集成电路设计实践教学课程体系的研究[J]. 实验技术与管理，2009（6）.

[3]李山，等.以新理念完善工程应用型人才培养的创新模式[J]. 高教研究与实践，2011（1）.

[4]刘胜辉，等.集成电路设计与集成系统专业课程体系研究与实践[J]. 计算机教育，2008（22）.

第6篇：数字电路原理和设计范文

Abstract： Digital circuit is an important professional basic course in electrical engineering， in which the key point is to cultivate students' practical ability and problem-solving ability. The introduction of Multisim simulation in the experimental teaching content and the using of e-learning class throughout the experimental teaching process make the combination of theory and practice， enhance students' self-learning and innovation ability； improve teaching efficiency and teaching effectiveness.

关键词： Multisim；极域电子教室；数字电路实验教学

Keywords： Multisim； E-learning class； Digital circuit experiment teaching

中图分类号： G642.1 文献标志码：B

数字电路是高等院校电气、电子信息类和部分非电子类专业本科生在电子技术方面入门的必修基础课程，该课程既有抽象的理论分析又有较具体的实践应用。因此，生动形象的课堂教学和全面的实验体系对教学效果和知识的应用能力有着非常重要的作用[1-2]。所以在实验内容中引入Multisim软件仿真，学生通过运行仿真软件^察电路的功能和特性，加深对电路的理解，更容易掌握所学的内容，从而提高学习兴趣。同时实验室组建了极域电子教室系统，教师通过灵活应用 “远程命令”、“屏幕广播”、“文件分发”、“考试”等功能，使知识讲解更直观生动，使教学效果能及时反馈、及时评价，真正实现了教师为引导、学生为主体的教学思想，优化了教学效果，提高了教学质量。

一、 Multisim仿真使数字电路知识形象化

（一） Multisim软件简介

Multisim是一个用于电路设计和仿真的EDA工具软件，其功能强大，具有形象生动的仿真效果，是电子类专业课程教学的首选软件。Multisim10界面友好，操作方便，而且为数字电路仿真提供了丰富的元器件模型，如时钟信号、各类门电路、各种集成组合逻辑门、时序逻辑门等；同时提供了种类齐全的虚拟仪器，如字符发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪等。利用Multisim进行电路仿真实验，把理论知识和实验结果加以对照、分析，可以提高课堂教学效果[2]。

（二）Multisim软件仿真的应用

以“编码器和译码器”实验为例，使学生掌握74LS148和74LS138集成电路的应用。在此之前，学生对数字电路的认识只是抽象的理论知识，难于理解器件的逻辑功能，较难掌握器件的外部特性，尤其是涉及到如何应用器件，如何利用所学器件设计实用电路时显得不知所措。因此，教师首先利用Multisim软件来仿真图1所示的编码器和译码器的联合工作电路，将数字电路的基本知识和工作过程直观的展示给学生。

74LS138是低电平输出有效的“3线8线译码器”，只有当3个使能输入端 且 时译码器才能正常工作，即将输入端C、B、A（C为高位）接收到的二进制码译成对应的十进制数i且以低电平的形式送给输出端Yi，其它输出端都为高电平。74LS148是低电平有效的“8线3线优先编码器”，当使能输入端 =0时，编码器处于工作状态，即只要有一个输入 为0， 就输出对应的二进制码的反码。

电路采用三个不同频率的方波信号源为74LS138提供连续的二进制输入，通过软件自带的虚拟示波器可以观察C、B、A的 值；译码器的输出送给74LS148作为输入，同时用小灯显示结果；编码器的输出经过反向器连接数码管显示。两个芯片的使能输入端G1和 由单刀双掷开关接5V电源（VCC）或地（GND）来控制其值为1或0，从而决定集成电路是否工作。仿真运行时，开关J1打向VCC（高电平1），开关J2打向GND（低电平0），两个集成电路正常工作，即小灯随着C、B、A值的变化从右向左依次灭，使得数码管依次显示7～0。开关J1打向GND（低电平0），则74LS138芯片不工作，小灯全亮，导致数码管一直显示“7”。开关J1、J2都打向VCC（高电平1），74LS148芯片不工作，即使小灯循环改变，数码管的显示保持不变。

通过该实例的运行，使学生直观的理解了数字电路的高、低电平等基本概念及与实物的对应关系，编码和译码电路的工作原理及具体集成电路的应用，为接下来在实验箱上进行实物连接做好了充分准备。而且把Multisim软件的作用和使用方法介绍给学生，使学生摆脱实验地点和实验时间的限制，可以随时验证学到的理论知识，还可以尝试通过仿真软件对电路进行局部改进或设计简单电路，提高创新能力。

二、极域电子教室优化数字电路实验教学过程

（一）极域电子教室简介

极域电子教室是多媒体教学网络平台，利用它可以在网络电脑教室中实现屏幕广播、远程控制、文件分发、考试等功能，打破了传统教学方式的限制，既实现了传统教学中教室和学生，学生和学生之间的交流，又符合多媒体教学效率高、互动性好的特点，是教学方法和教学手段重大的技术突破[4-5]。

极域电子教室由教师机、学生机和路由器M成。随着国家对教育信息化的倡导，本校的电工电子实验室配置了电脑、交换机等信息化设备，而且网络通畅。在此基础上，只需在电脑上安装适当的软件即可完成极域电子教室的组建。

（二）极域电子教室在数字电路实验教学中的应用

1.实验准备

教师机上的简单操作便可完成实验前的准备，而不必操作每台电脑，节省人力物力提高效率。

开启学生机：登录教师机，然后依次点击“远程命令”―“远程开机”来启动所有学生机。

运行学生机上的Multisim软件：1）编写远程命令：鼠标单击“远程命令”―“远程命令”―“新建”，在“名称”栏中填写“Multisim”，在“文件夹路径（F）”栏中填写Multisim软件在学生机中的安装位置，然后单击“保存”。只需执行一次。2）启动软件：每当需要时，单击“远程命令”―“启动远程应用程序”―“Multisim”便可启动所有学生机上的Multisim软件。

分发课件：教师可以将用到的课件或设计好的Multisim仿真电路传给每台学生机，以供学生参考。鼠标单击“文件分发”，在弹出的“文件分发”界面中，通过“目录”和“名称”栏选择目标文件，然后点击“目录”栏下的“添加 ”图标。选中出现的文件名称，然后单击“发送 ”按钮，学生便可以在“电脑桌面”上看到该文件。

2.实验过程

屏幕广播：在讲解理论课件和图1的Multisim仿真电路的设计和运行过程时，教师单击“屏幕广播”，将教师机的屏幕共享给学生，这样每个学生在实验台前就能清楚直观的看到教师的讲解、具体操作步骤和电路运行结果。在此基础上，再对应数字电路实验箱的实物，便于学生掌握实际集成电路的工作原理和使用方法。

待讲解结束，需要学生自己完成实验时，教师结束“屏幕广播”，学生可以边参考之前收到的理论课件边做实验，有利于知识的消化和应用。

3.实验考核

考试：实验前教师需先单击“试卷编辑”安排待考查的内容和正确答案；然后在预留好的考核时间内，单击“随堂小考”将考卷下发给学生。学生需在规定时间内完成试卷并提交，系统自动显示分数。

三、结论

实践证明，在数字电路实验中增加Multisim软件仿真，促进了学生更好的消化和应用数字电路知识，提高了实验效率，激发了学生的学习积极性。利用极域电子教室辅助整个实验教学过程，弥补了传统实验方式的不足，使教学更生动形象，降低教师的劳动强度，具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]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.现代教育技术，2010，20（7）：147-150.

[2] Multisim10仿真软件在数字电路教学中的应用_郭映

[1]郑兆兆，高静，李建霞. 将Multisim引入数字电路实验教学探讨 [J]. 教学研究，2014，37（2）：88-92.

[4]袁再龙，姜明涛. 极域电子教室在计算机广播教学中的应用. 应用研发，2014，11期：206-208.

[5]林国强. 高校实验室必备软件极域电子教室的应用研究. 软件透视，2015，05期：47.

第7篇：数字电路原理和设计范文

关键词：教学改革；实验；数字逻辑电路；计算机专业

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）29-6570-02

数字逻辑电路实验课程是电气、电子信息类和部分非电类专业本科生在电子技术方面入门性质的技术课。它在电类专业中深受青睐，但在非电类专业中的教学没引起足够的重视。长期以来，在我校计算机专业类数字逻辑电路实验的实验教学中，出现实验教师难教学生厌学的现象。我们从学生学习该课程的现状着手，通过对该课程的先导课程及后续课程进行调查分析，了解相关理论课学习的状态，并据此提出了相应的实验教学改革措施，分三个阶段对学生的学习能力及动手能力进行培养，我们称之为数字逻辑电路实验课程“过三关”[1]。

1 数字逻辑电路实验的教学改革思路

数字逻辑电路实验在计算机类专业都把它作为一门主干必修课程，但相比专业课来说，非电类专业对该课程地位认识和重视程度是不一样的，普遍存在的一种现象是“重软件轻硬件”[2]。我校计科专业、网工专业的“数字逻辑电路实验”课，安排在第三学期，并具有第二学期的“模拟电子技术”课程的基础。而软工专业的“数电”课安排在第二学期，并没有提前开设“模电”课程，缺乏电路知识的先导。在总课时数压缩的情况下，由于理论课和实验课安排在同一学期，并在第一周同时开课，实验课严重滞后于理论课的进度，造成学生想要学好又觉得心有余而力不足[3]。

第一关：克服对数字电路实验课的心理恐惧关

对计算机专业的学生来说，模拟电子技术和数字逻辑电路都很难学，更难于精。适合计算机专业的专用教材很少，更没有比较适合的实验教材。不得已沿用电类专业的教材，理论偏多偏深。单纯的数字逻辑分析抽象、枯燥、乏味，遇到复杂的逻辑现象更容易让人感到无从下手，产生畏难情绪。例如：教材[4][5]的第二章逻辑门电路，是学生们共同认为最难于理解、头疼困难的内容。在讲解TTL（Transistor-Transistor Logic）基本逻辑门涉及到很多的电路基础知识、基本电路元件（电阻、二极管、三极管等元件）、电路及结构、半导体工艺、以及它们的电流、电压、元件参数等内部电气参数的计算等。对电路原理的理解和对电子元器件认识存在困难。然而，计算机专业学习的重点并不在这些电路的内部原理和前端设计，实验所必需的电路基础知识在课程中的应用暂时不用十分深入，可以不用刻意去理解逻辑器件的内部结构。重点应放在：一是掌握器件输入和输出之间的逻辑功能；二是外部的电气特性其主要参数。相应的基本门电路实验，目的包括掌握TTL基本逻辑门的逻辑功能验证与参数测试；掌握TTL器件的使用规则；进一步熟悉数字逻辑电路实验装置的结构、基本功能和使用方法。“轻里重外”，将集成电路视为“黑匣子”，这样电路基础知识不再构成计算机专业的学生学习的障碍。

在实验教学中，改善实验条件，增强实验教学的趣味性。让生活走进实验、贴近生活。理论实验化，实验生活化。例如： 逻辑门实验是认识数字电路的基本实验，电子门铃的原理就是利用与非门构成振荡器，使输出端的铃声信号输出，从而驱动喇叭发出闹铃声的。除此之外，实验还能进行趣味游戏如乒乓球游戏机等的设计。通过增加实验内容、改变实验方法，多做实验来改变学生怕做实验的恐惧心理。

根据现在的理论课学时、教学计划和实验设备，改编有关内容。以“与非门”逻辑为例说明改革实验教学方法。采用先理论讲解，以逻辑代数为基本数学工具，从基本逻辑门电路入手。实验使用传统标准数字逻辑器件四2输入与非门74LS00，，用它构成传统的与非门验证实验。再用硬件描述语言VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）[6]和复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device） [7]实验实现“与非门”逻辑。这样就建立了同一实际逻辑问题用多种不同层次方法进行实验的模式：数字逻辑单元理论设计，以门电路为基本单元电路构成各种组合逻辑电路和时序逻辑电路，使用标准数字逻辑器件中的中（MSI）、小规模（SSI）的TTL集成电路验证；利用通用集成电路模块产品，主要是用中（MSI）大规模（LSI）集成电路模块，构成预定功能的逻辑电路；再用VHDL和CPLD构成复杂的电路系统，步步推进，穿行融合。

第二关：培养动手能力关

从数字逻辑电路实验课程的知识结构和特点分析，数字逻辑电路实验主要由基本逻辑门电路，由门电路组成的基本组合逻辑电路和时序逻辑电路及通用集成电路模块构成。

在第一阶段为数字逻辑电路基础实验（芯片级实验）。由“一门而入”，选用传统典型标准数字逻辑器件与非门，进行基本门电路逻辑功能测试与验证，通过实验使学生熟练掌握数字电路实验箱的结构和使用方法，使用示波器记录描述逻辑功能的波形图，实验基本仪器测试集成电路外部电气特性参数。掌握用与非门组成其它逻辑门及逻辑门之间的互换、解决不同门电路之间相互连接匹配问题。对集成门电路外形建立感性认识，熟悉芯片的外形封装、芯片的引脚数量和分布情况。通过基础实验，训练了学生的数字逻辑设计的基本功，为综合设计性实验打下良好的基础。

第二阶段为综合设计实验（单元级实验）。主要有基本技能测试性综合实验、组合电路设计性综合实验、时序电路设计性综合实验、存储器和D/A或A/D转换电路的综合实验。

综合设计性实验主要是小系统逻辑设计实验[8]，每一个实验系统可以由多片标准数字逻辑器件MSI、MSI的门电路组成。也可以用通用集成电路中的MSI、LSI的TTL集成电路芯片组成。实验者可根据自己的设计做出不同种类的电路，培养对单元功能电路的理解和灵活运用能力。例在传统数字逻辑电路实验中，最为经典的例子是“三人表决器实验电路的设计” [9]。其中SSI门电路设计最为灵活，可以选择一种与非门构成“与非-与非式”、一种或非门构成“或非-或非式”、与非门+或非门构成“与或非式”。也可以采用通用集成电路模块译码器、数据选择器和加法器分别设计多种三人表决器实验电路。

第三关：VHDL及CPLD实验提高复杂电路设计能力关

从第一、第二阶段实验的效果来看，这些实验是在掌握SSI、MSI电路分析和设计的基础上进行，达到预定的逻辑功能。这种方法设计的逻辑系统规模不宜太大，否则，系统需要很多芯片，连接线和接点复杂，导致可靠性下降、功耗增加，系统占用空间扩大。为此，可以采用大规模集成和超大规模集成技术，把完成复杂功能的众多芯片集成到一个芯片内。可以克服上述问题。这种能够完成特定功能的集成电路芯片称之为专用集成电路。用VHDL语言设计后，在CPLD中实现，这已经成为数字系统设计的主流。

将新技术和新型电路设计的方法充实到教学中去，以体现实验与时俱进的先进性。第三阶段的可编程器件的应用与可编程电路的EDA设计实验（系统级实验），要求学生用CPLD芯片重现第一阶段的基础实验和第二阶段综合设计性实验中的电路设计。训练学生通过阅读资料掌握可编程器件的功能及规范的使用方法。掌握EDA软件的使用方法和设计语言。最终达到“了解一种器件，熟练使用一种设计工具，掌握一门设计语言，能够设计较复杂的数字系统”的目的。

通过三个不同阶段的实验过程，将一种数字逻辑器件的基础理论，用传统器件实验验证或实现，再用VHDL及CPLD实验复现，三者融合循环，螺旋式上升。实现数字逻辑电路实验的教学改革，帮助学生突破在学习道路上的三道难关。

2 结论

侯建军教授提出了“厚理博术，知行相成”的教育理念。通过数字逻辑电路实验，既要加强知识的学习，又要践行所学的知识，提高实践动手能力和创新能力。根据学生的特点确定教学目标，组织教学内容，制定教学方法，以学生为主体，“教法”适应“学法”培养学生的学习兴趣。倡导以启发、探索和创新性实验为核心的研究式学习方式，鼓励学生参与国家级和校级的大学生创新创业项目，并参加各种国家电子技能大赛，取得很好的效果。

参考文献：

[1] .“模拟电子线路”的“过三关”——谈“模拟电子线路”教与学[J].电气电子教学学报，2002（11）.

[2] 杨汉祥.数字电路课程交叉知识的教学研讨与实践[J].赣南师范学院学报，2005（6）.

[3] 管冰蕾，胡家芬.计算机专业《数字逻辑》课程教学改革的研究[J].时代教育：教育教学版，2009（3）.

[4] 侯建军.数字电子技术基础[M].2版.北京：高等教育出版社，2009.

[5] 侯建军.电子技术基础实验综合设计实验与课程设计[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] Volnei A Pedroni.VHDL数字电路设计教程[M].北京：电子工业出版社，2013.

[7] 王诚，赵延宾，梁成志.Lattice FPGA/CPLD设计（基础篇）[M].北京：人民邮电出版社，2011.

第8篇：数字电路原理和设计范文

摘 要：本文从培养学生的实践能力和创新能力出发，分析了“数字逻辑”课程现代化教学模式的应用，并对课堂教学的组织与设计、实验教学改革与创新等方面作了详细的讨论，运用现代教育科学理论和方法探索和构建了一种具有时代特色的创新教育模式。

关键词：数字逻辑；教学改革；实验创新；EDA

中图分类号：G642

文献标识码：B

1 改革教学和实验环节，构建创新教育平台

数字逻辑是实践性很强的一门专业基础课，理论知识的传授是为应用服务的，培养学生的实践能力是教学的首要目的。根据数字逻辑教学大纲及指定教材的要求，我们对课堂教学内容去粗取精，提出课程章、节的结构体系，从数字电路的逻辑特性、电路特点和组合优化等方面去组织教学，突出重点，深入浅出。通过多媒体课件把文字、图形、图像、声音、动画、影像等多种媒体综合起来，创造生动、活泼、有趣的教学情景，使学生变被动学习为主动学习，以随机性、灵活性、全方位、立体化的方式把知识形象生动地呈现给学生，激发学生的学习兴趣，从而提高教学的效率和质量。

如何引导学生通过实验来加强实践，是教学中的另一个重要问题。目前我国工科类学生普遍存在重理论轻实践的倾向，缺乏解决实际工程问题的能力和协调、管理的素质。造成这种现象的原因是多方面的，既有客观的原因，也有认识上的偏差。在国外高校，数字逻辑实验很多采用了EDA技术，例如美国斯坦福大学数字电子技术实验大多是基于FPGA器件的，学生反映易学、方便，设计与实验项目成功率高，理论与实践结合紧密，教学效果好。众所周知，实验教学在现代教育中占有非常重要的地位，是高校理工科教学中的一个重要环节。对于计算机专业而言，数字逻辑实验教学更是学生学习过程中不可缺少的环节，它可以使学生通过实验加深对计算机硬件理论知识的认识和理解，对于培养学生的创新思维、综合素质和实践技能至关重要。因此在现有的实验设备和实验条件下，如何充分发挥实验教学最有效的作用，使实验教学过程达到“最优化”，一直以来是我们比较关心的问题。为了达到上述目标，学院根据高校创新型人才培养要求，按照学校办学指导思想，提出了建设计算机科学优势突出，多学科互相渗透的教学研究型学院，重点加大对学生实践能力、解决实际问题能力、组织协调和管理能力及团队合作精神等综合素质的培养，引进EDA先进的实验设备，配置充足的教学场所，教师精心编写实验教材，组织安排实验等建立了创新实验室，构建了硬件电路创新教育平台。通过一系列的教学过程，增强学生对硬件知识的理解，提高他们的操作水平和实践技能。根据最优化教学模式，强化学生的综合训练，包括问题分析、总体结构设计、电路设计的基本技能和技巧，多人合作，以致工作规范的训练和科学作风的培养这一原则。

围绕上述目标，结合数字逻辑教学实际情况，我们对教学内容和实验教学方式的改革进行了创新和实践，积极鼓励学生开展自行设计和实践，激发学生创新热情，把培养创新人才落实到实处；EDA技术是计算机科学与技术专业学生在学习硬件电路基础的重要内容，是电子技术应用能力培养的一个重要组成部分，其目的和任务是通过实践训练，要求学生初步掌握基于EDA技术的基本电路设计方法；了解常用硬件描述语言的使用特点、编程方法和仿真测试技术，特别是初步掌握VHDL的编程技术和硬件描述方法；学会使用一种EDA工具软件的设计应用、测试和综合优化；同时对硬件描述语言VHDL的发展和对FPGA/CPLD的集成规模及应用特性的发展有一个了解，从而促进数字逻辑教学效率的提高。同时，注重提高教师创新教育的指导能力，增加教师对创新教育有关内容的体验与培训。

2 激发学生创新思维，推进课堂指导教学

如何激发学生的学习兴趣是数字逻辑课程重点要考虑的问题，应围绕计算机的工作原理及实际系统工程设计，突出数字逻辑课程内容的重点分别进行讲述。例如，对基本的数字电路，重点介绍典型的逻辑门、触发器及外部逻辑特性；讲解组合电路时，着重介绍计算机中常用的基本芯片，如译码器、加法器、代码转换器等；讲述时序逻辑电路时，着重介绍同步时序电路的分析与设计方法，并介绍计算机最基本的器件――寄存器、计数器、序列检测器等；在讲述中大规模集成电路时，应重点介绍多位运算器、RAM、ROM、EPROM等电路的逻辑结构、工作原理及在计算机中的作用；在讨论可编程逻辑器件时，着重介绍PLD、CPLD和FPGA结构特点、工作原理和分类方法，以其编程原理。

在讲具体电路的操作时，可以根据数字电路的不同特点及工作原理，以及电路仿真设计的基本方法，利用Multisim 2001仿真软件进行门电路应用设计、时序逻辑应用电路设计等等电路的仿真和演示，以及通过动画演示给学生留下深刻的印象，极大地丰富了课堂教学内容，有力地促进了学生学习的积极性。

此外还要注意课后作业的重要性。课后作业不是课堂教学的简单重复，而应是课堂的扩展和深入。适量地向学生介绍一些相关的参考书目，让学生课后自学，独立钻研，充分调动学生自觉学习的积极性。

在教与学的双向互动过程中，应该积极实现以教师为中心、以课程为中心、以教材为中心向以教师为指导、以学生为中心的模式转变；积极推进启发式、讨论式、交互式、实践式、自主式等教学方法，并辅以网络课堂教育，以提高学生的学习积极性和自我获取知识的能力；从各个层面检查教学的实际效果，综合考核学生的知识、能力和素质，形成对教学过程的促进作用，保证人才培养目标的实现。

3 重视基本技能训练，鼓励创新勇于实践

在重视理论教育的同时，必须加强学生的实践操作和动手能力。理论与实践相结合历来都是基本的、重要的教育方法。为了提高学生的电子设计和工程实践能力，我们对数字逻辑电路实验教学内容和方式进行了改革。依据实验教学的目的，结合课程的培养目标，侧重在实践能力上选择和设计实验，使学生具有理解数字逻辑的基本概念、常用仪器的使用方法、利用EDA设计较复杂数字电路系统等能力。

创新实验室配备有满足数字逻辑实验的实验箱和EDA系统，并配有逻辑分析仪、示波器、计算机和设计软件等工具，学生所有的实验操作都在实验箱上完成。EDA系统的核心板主芯片采用EP1C6Q240，支持JTAG和AS下载模式。软件开发平台使用QUARTUSII 6.0，在该集成环境下，可以完成设计的不同输入。QUARTUSII支持原理图输入、VHDL、Verilog HDL以及第三方工具输入方式。利用图表模块编辑器可以实现系统的顶层设计，完成各子系统的功能划分。可以进行延时分析，进行系统仿真。最后实现下载编程文件和测试电路。

试验教学具体时序，学生首先必须在实验室完成基本实验，然后再进入设计性实验，设计性实验由学生自由选题，自由组队。一般两个人组成一个开发小组，选择一个难易适当能够及时完成的项目。确定预定目标，设计各模块电路，制作电路板，调试电路和测试电路，并进行功能演示，最后撰写实训报告。

实训报告是反映一个学生实验情况的重要材料，要求报告必须准确并且充分反映学生自己完成的工作，该报告作为与项目组成员交流的材料，同时也是自己进行项目设计的重要文档。具体的内容包括题目和文本程序、软件编译、仿真分析、硬件测试与实验过程、程序分析、仿真波形、实验分析、实验注意事项及建议，并在报告附录提供电路原理图。

由于实践教学改革的内容和方式都有较大的变化，老师和学生都有一个适应的过程。如何指导学生正确开展实践。按时完成项目计划，保证教学质量，这对教师提出了更高要求。如何做到让学生选择自己喜爱的项目进行实验，并能一举成功，使他们在实际操作过程中获得真实的感受，并学到实验操作知识，这也是一个需要认真研究、不断完善的问题。

4 结束语

在数字逻辑教学实践中，课堂教学突出重点，双语教育注重学生的个性发展，树立学生的创新意识，唤起学生的创新潜能，鼓励学生的创新尝试，应用愉快教学、互动教学、多媒体教学等教学手段，以最优的组合完成教学任务，让学生既能学到新的知识 又可掌握学习的技能，达到提高学生素质的目的。实验教学压缩了基础性、验证性实验，扩大了利用EDA技术的设计性实验，根据学生的特点因材施教，在难易程度方面要求做到量力而行，使其在掌握基本理论的基础上，结合本人的兴趣，从实际应用中选择具有应用背景的实验题目，分组进行，充分发挥学生的主动性，这样一方面锻炼了学生的动手能力，另一方面也加强了他们交流与团结协作的精神。学习是一个吸收、理解并掌握新知识的过程，学生最后是否掌握知识，体现在能不能分析和解决实际问题上。另外，理论与实际相结合，确实能大大激发学生的学习热情，巩固其所学知识。

参考文献：

[1] 何克抗.现代教育技术与创新人才的培养[J].教育部“教育技术学学科建设”高级研讨班报告,2002.

[2] 贾方芳.创新教育模式培养创新型人才[J].江苏高教,2008,(01).

第9篇：数字电路原理和设计范文

关键词：数字电子技术，EDA技术

 

1.引言

在信息社会中，数字化是电子产业发展的必然趋势，因此在电子信息及相关专业的教学中也越来越看重数字技术，《数字电子技术》是电子信息及相关信息类专业的一门重要基础课程，其基本理论及实践技能也是许多后续课程的基础。EDA(Electronic DesignAutomation)技术作为数字电子技术的延伸，已经引入到电子信息类教学中，不仅可以丰富教学摘要的意义。

2.《数字电子技术》课程教学的主要问题

教学手段单一，实验内容枯燥，学生缺乏学习兴趣。，EDA技术。在教学中仍采用理论教学与实验课分离的教学模式，在理论教学中，《数字电子技术》内容大多抽象难懂，教师采用“黑板+粉笔”的传统模式授课，不仅学生觉得枯燥乏味，而且教学效果不理想。而实验课的实验内容多为验证性实验，学生仅仅只需按照实验步骤连接电路甚至不需要了解原理也可以完成实验，设计性、综合性实验较少。数字电路的设计仅是“纸上谈兵”的设计，学生自然对这门课的实验毫无兴趣。

3. EDA技术及其功能

3.1 EDA技术的含义

EDA即电子系统设计自动化技术是由计算机辅助设计和计算机辅助工程发展而来的，它以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统设计的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统的一门新技术。它可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合与优化以及逻辑布局布线、逻辑仿真，完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射，编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯．它不仅为电子技术设计人员提供了新的设计理念，同时也为教学提供了科学而便捷的平台。

3.2 EDA技术的功能

EDA技术的开发平台QUARTUS Ⅱ是Altera公司推出的新一代FPGA／CPLD开发软件，适合于大规模复杂的逻辑电路设计。它是Altera公司的第4代可编程逻辑器件的集成开发环境，提供了从输入设计到器件编程的全部功能。“自顶向下”设计方法从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述。在功能一级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的，其对应的物理实验级可以是印刷电路板或专用集成电路。

1)EDA软件平台中具有各类元件设计数据库，同时EDA能够进行元器件的创建和编辑。为学生掌握各类电子元器件提供了坚实的基础。

2)EDA软件平台中可以完成电路原理图的设计，通过这一功能可以完成各类元器件构成的电路原理图。

3)EDA软件平台中具有综合仿真模块，可以进行多种类型的仿真分析。分析结果波形图显示出来，直观、清晰。

4 应用EDA技术授课的好处

4.1 提高授课质量

有些内容选用EDA技术授课，传授方式更直观，教师感到得心应手，学生也容易接受。例如，组合逻辑电路中的竞争与冒险这部分内容一直是学生学习的一个难点。，EDA技术。，EDA技术。在组合电路中，当输入信号改变状态时，输出端可能出现虚假信号---过渡脉冲的现象称为竞争冒险。在传统的教学中，对信号的延时只能采用一些形象的比喻，但初学者对这一概念比较模糊。现在，我们只需用QUARTUS Ⅱ模拟功能进行仿真，就可以很轻松地让学生理解这一知识点，分析结果以波形图显示出来，丰富直观的数据不但为学生提供方便，而且其得出的结论接近实践性，同时节约了时间。，EDA技术。显然，对某些章节中存在的教师难讲、学生难懂的内容，这种授课方式可以起到事半功倍的作用。由于教授方式符合客观认知规律，教学质量得以提高。

4.2 激发学生学习热情，增强学习动力

EDA软件的实验环境是一个虚拟环境，可以避免使用种类繁多的专用集成芯片，简化实验电路。学生用硬件描述语言编写程序，可以在同一可编程逻辑器件上完成各种不同的数字电路实验，避免了连线的繁琐，丰富实验内容。同时，可在实验设计构想的指导下开发一个通用的基于EDA的硬件平台，来实现所有的实验内容，缩短实验时间，提高实验效率。符合学生接受知识的客观规律，有助于调动学习的积极性，提高他们掌握所学知识的能力。课堂上师生互动、生动活泼，气氛非常活跃。学生的学习兴趣及学习动力大为增加。

4.3 以实验教学为载体。构造创新人才培养平台

采用EDA技术，那么学生必须自己在充分掌握实验理论的基础上自己编写程序，这有别于传统实验，学生仅仅只需按照实验步骤连接电路甚至不需要了解原理也可以完成实验。这将大大调动学生的主观能动性，提高知识应用能力。同时EDA工具能给学生创造优良的环境，强化了学生在教学活动中的主体地位，学生做实验时可以有针对性的选做，使学生具有更大的自由度。也可以在计算机上主动、反复设疑和实验，由不同实验结果，选择最佳设计或实验方案。通过验证、测试、设计、纠错和创新等方面进行不同形式的训练，使学生的动手实践能力得到较好的锻炼，逐步培养学生的综合设计能力、创新能力，有利于学生个性和才能的全面发展。，EDA技术。在此基础上还可以开设设计性实验，进行电子实习、电子竞赛、职业技能取证培训等。

5 结论

在《数字电子技术》的教学过程引入EDA技术，不仅可以使学生形象、直观地理解电路的相关原理和工作过程，还可以通过修改电路的形式或参数，与学生一起讨论电路中出现的各种现象，找出解决问题的方法，这样不仅可以活跃课堂气氛，提高学生的学习兴趣，学生反应易学、新颖、有趣。，EDA技术。同时理论和实验结合紧密，充分发挥了学生的积极性和创造性，达到了较好的教学效果。

参考文献

[1]阎石．数字电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，1998．

[2]赵刚，张志亮，张菁等．EDA技术简明教程[M]．成都：四川I大学出版社，2004．

[3]刘爱荣，王振成．EDA技术与CPI．D／FPGA开发应用简明教程[M]．北京：清华大学出版社，2007．

[4]贾海瀛.《数字电子技术》课应用EDA技术的研究与实践[J],高等职业教育一天津职业大学学报,第14卷第3期.