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數字電路設計知識范文1
【關鍵詞】射頻直采；GNSS；FPGA；DDR3；濾波
【Abstract】This paper puts forward a multi-frequency signal acquisition system based on sampling technology of RF satellite signals， simplifying RF front-end， increasing the sampling bandwidth， without mixing， multi-frequency signals can be sampled simultaneously. And then enter the FPGA sampling again to finish digital down conversion， shunts filtering， finally the procedure will be cached into DDR3， using Ethernet to realize the multi-channel signal synchronous acquisition. This method not only makes the RF system simple and flexible， but also reduces the interference caused by the RF front-end， achieving the integrity of the signals， improving the quality of sampling signal. The result of the experiment shows that the system is able to collect data from multiple bands continuously， and verifies the validity of this system through capturing the signals of GNSS.
【Key words】Direct-RF； GNSS； FPGA； DDR3； Filter
0 引言
隨著電子技術和用戶需求的快速增長，衛星導航技術已廣泛應用于國計民生、社會發展的各個領域，并顯現出巨大應用潛力。國際四大系統都開始運營，我國的北斗系統建設發展已經有十幾年之久，目前只是覆蓋亞太區域的東南亞地區，為以后的全球系統建設奠定基礎，北斗系統逐漸進入到各個領域，具有重要的軍事戰略意義和顯著的經濟效益。
利用多系統進行導航將有效地減小電離層時延誤差，提高定位精度，在有遮擋的區域可以提高導航的連續性和有效性。傳統的導航接收機，射頻前端需要多級混頻、放大、濾波，混頻器和放大器設計難度較大，如果在多頻點和多系統接收機中，這個難度就更大，針對此問題，本文設計研究了射頻直接采樣GNSS數字電路，規避混頻，簡化系統結構，增加了系統的靈活性，在接收不同頻段信號時，接收機只需要調整前端的濾波器和AD采樣率。
1 硬件平臺設計
在衛星導航接收機硬件思想描述上，為了保證信號完整性、實時性，按照軟件無線電的設計思路，盡量讓AD靠近天線端口。若AD具有高增益、高靈敏度、高動態范圍，那么前端的設計就可以簡化，首先在射頻前端用低噪放對信號進行放大、帶通濾波，然后對多頻信號進行分路濾波，再將濾波后的信號送至高速AD進行采樣，通過FPGA進行緩沖和數據處理（FIR數字濾波及抽?。詈髮祿庋b成幀通過以太網口將數據打包送至上位機，上位機在物理層捕獲以太網數據包，解析MAC地址將需要的數據存儲到硬盤之中，最后通過軟件利用采集到的數據進行捕獲跟蹤及定位解算，圖1（a）為系統整體硬件平臺的結構。
1.1 射頻前端設計
目前，射頻直接采樣和數字下變頻主要有 2 種實現方式：一種是選擇較高采樣率對接收信號直接采樣，利用抽取濾波（在FPGA上實現）方法降采樣率的多系統多頻點接收機，可以選用 1600MHz 的 A/D 采樣速率（時鐘上下沿同時采樣可以達到3.2GHZ），由于受到硬件和布線水平的限制，此方法實現難度大；另一種是選擇較低的采樣率，對幾個窄帶信號通過射頻直接帶通采樣完成簡單的數字下變頻，而直采技術具備與模擬射頻前端進行多級下變頻具有一樣的性能。本文將采用前一種設計思路，選擇合適的采樣率對接收的多路導航信號進行直采，然后利用多相濾波器結構、積分梳狀濾波器、半帶濾波器與高階FIR 濾波器等技術設計抽取濾波網絡，降低信號采樣率，實現多頻信號的分離和下變頻。
ADC采樣時鐘來自于頻率合成器輸出的時鐘，為了滿足ADC對于采樣時鐘的相位噪聲，本設計使用了10MHz的原子鐘作為頻率合成器輸入，通過FPGA將頻率配置成需要的頻率，也可以由外部時鐘源直接倍頻輸出。前端需要將信號放大至ADC可以采樣的電平，接收到的衛星導航信號能量約為-141dB，GNSS天線增益為50dB，前端的增益足夠對信號采樣。
1.2 基于射頻直接采樣的采樣頻率選擇
帶通采樣定理在頻分多路信號的編碼、數字接收機的中頻采樣數字化中有重要的應用。
在系統設計中，使用帶通采樣定理對射頻信號進行采樣。根據帶通采樣定理，采樣率將只與信號帶寬有關，與載波頻率無關，這將使采樣率大大降低。采樣率最低應不小于兩倍頻率，也可以說成要求是不低于各頻帶帶寬和的兩倍，計算公式如下：
針對表 1 中列出導航信號載頻及信號帶寬分布關系，首先確定合適的射頻采樣頻率這對整個系統的設計至關重要。1）利用數字混頻的方法將采樣頻率降低到124MHz（多路信號帶寬和），為了能夠進行整數倍抽取，考慮選擇 124MHz 的整數倍頻率；2）從圖2上可以看到，低載頻的5路導航信號L2C、E5b、E5a（L5）、L2P（Y）、E6 信號的頻譜相距很近，近似看為一個信號，記為A；同理 L1C/A（E1b/c） 頻點的信號看作另一個信號，記為B；3）由于信號A的帶寬較寬，為 127.875MHz（1 166.22MHz～1 294.095MHz），用式（1）對其進行帶通采樣，然后，用相同的采樣頻率對信號B進行采樣。
用此采樣頻率進行射頻直接采樣，可達到頻譜無混疊。并且進行D=3倍抽取后，即能降采樣到124MHz。采取分級抽取降采樣率的方法可實現。降采樣后，信號A與信號B相距很遠，仍然可以當作兩個窄帶信號來處理。
1.3 降采樣率抽取濾波器的選擇
在FPGA上實現降采樣抽取濾波，濾波器選擇窄帶濾波器具有尖銳的截止特性（窄帶電調濾波器）。只有將帶寬參數趨近于信號帶寬，這樣就不會發生信號混疊，影響信號質量。
AD采樣率太高，由于FPGA的工作頻率限制，必須降采樣運行。抽取就是把原來采樣點按每隔D點生成新的序列，這樣新的采樣率就降為原來的1/D（D>1），通過PLL將FIR的時鐘分出不同的頻率，用這個頻率接收FIR輸出的數據，即可以完成數字信號D倍的抽取，抽取后將大大減少數據量，降低處理難度。
設原始輸入信號為X（n），抽取后的信號為XD（m），則抽取后的信號表示為：XD（m）= X（mD）。經濾波抽取信號頻譜變為：
要不想產生混疊，可以進行如下操作，首先原始信號通過一個LDP數字低通濾波器（帶寬為π/D），對原始信號進行濾波，使原始信號的頻譜中只含有小于π/D的頻譜存在，再進行D倍抽取，那么抽取后的頻譜就不會發生混疊。
常用的抽取濾波器包括半帶（HB）濾波器、積分梳狀（CIC）濾波器。HB濾波器是一種特殊的低通FIR數字濾波器，特別適合2倍抽取（D=2），并且HB濾波器的長度為奇數，其沖激響應h（k）為實數且為偶對稱。當實際的抽取倍數不是2的冪次方，此時就需要用到積分梳狀濾波器進行3倍抽取。
1.4 抽取濾波器的設計
針對圖（b）所示經直接采樣后的導航信號頻譜示意圖，要實現多系統多頻點的分離并且降采樣。由于信號A與信號B頻譜相距較遠遠，采樣后信號利用一級CIC濾波器級聯實現3倍抽取，濾掉A信號，并且采樣率變為124MHz。將L2C信號頻譜搬移到零頻，再用一個FIR低通濾波器，濾除帶外信號。L1 C/A信號的分離與降采樣率實現同L2C信號。對于A信號，將帶通采樣后的信號經過一個3階高通濾波器后，濾除B信號，并進行抽取。同理將E6信號頻譜搬移到零頻，使用一級CIC濾波器實現1倍抽取，再經過一級HB濾波器實現1倍抽取，再用FIR低通濾波器低通濾波，此時E6信號分離并且采樣率降低為124MHz。
數字信號處理中濾波器是核心，單級CIC濾波器的旁瓣電平是比較大，低于主瓣13.46dB，通帶紋波對主瓣的影響，阻帶截止特性不夠明顯。如果采用3級CIC濾波器級聯，帶通特性明顯，阻帶衰減可達到40dB以上。幾百兆或者幾十兆的高速信號經過CIC濾波器抽取不會發生頻譜混疊。HB濾波器具有良好的通帶抑制紋波小和阻帶截止滾降特性明顯。以上兩種濾波器的幅頻特性由抽取次數和級聯級數決定，濾波和降采樣同時進行。
1.5 其他核心器件
兩個DDR3即雙倍速率同步動態隨機存儲器。為了適應高速信號的采集存儲，保證采集信號的完整性和存儲的連續性。系統使用了兩片MICRON公司的高存儲密度和高帶寬的數據存儲應用的理想選擇。
在多頻高速信號數字電路中，時鐘電路是整個系統的最關鍵部件。采樣時鐘的抖動和相位噪聲會完整地傳遞給采樣輸出，從而影響系統的載噪比。同步時鐘依賴的時鐘穩定度取決于時鐘芯片的電源相噪。本系統采樣時鐘由外部時鐘源提供LVDS電平，因此不需要對輸入時鐘源進行電平轉換及電路匹配設計，可以達到ADC的時鐘輸入要求。選用TI公司的芯片對時鐘電路進行管理，芯片傳輸延時75ps，周期間抖動0.5ps，可滿足時鐘分配及傳輸要求。
本系統采用MICREL公司的千兆以太網芯片，通過BEL公司的網口接插件（自帶電平變壓器），將采集的高速數據上傳至PC上位機或者至下級的DSP處理實現面向對象的人機交互和顯控。以太網的PHY是直接連接到FPGA的內部ARM核，將采集處理數據封裝成幀以MAC地址進行發送。以太網參考時鐘是25MHZ，可以倍頻到千兆。而到上位機進行數據獲取時，FPGA發送數據時僅使用以太網的物理層，所以在PC主機抓包時僅需關注數據包的 MAC 地址信息即可，不需要再對 TCP/IP 協議進行分析和處理。
2 仿真實驗
通過配置不同采樣率，對實際衛星信號進行采集存儲，利用快速捕獲算法，對采集到的數據進行捕獲處理，獲得信號相關峰，如圖3所示。分析頻率與碼相位在二維搜索的影響，對1ms信號進行時域和頻域的捕獲，并且噪聲系數和信號頻譜譜峰相差很大。因此，本文設計的直采系統適合GNSS系統。
3 結論
本文介紹了基于射頻直接采樣的GNSS多頻點數字系統的設計。論文從硬件平臺入手，主要有射頻前端、數字信號處理、以太網與上位機互傳等，對多系統多頻點采樣率選擇和FPGA采樣數據的抽取，利用半帶濾波和CIC濾波抽取方法實現中頻下變頻。該系統在靈活性和可擴展性方面都要優于傳統的下變頻采集系統，具備很好的通用性。
【參考文獻】
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[2]楊亮，郭佩，秦紅磊.射頻直接采樣多頻GNSS信號采集系統的實現[J].電訊技術，2011，8，51（8）.
[3]黃杰文，李楊，禹衛東.直接射頻采樣的 L 波段星載 SAR 數字接收機設計[J].中國科學院研究生院學報，2010，7，27（4）.
[4]常高嘉，馮全源.基于 FPGA 的高速數據采集系統的設計與實現[J].電子器件，2012，10，35（5）.
數字電路設計知識范文2
關鍵詞：Pi演算；數字電路；符號仿真
中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)26-6425-01
A Checking Approach for Digital Circuit Based on Pi-Calculus
LIU Rong-Sheng
(Department of Information Engineering, Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001, China)
Abstract: Pi-calculus has been applied in many fields, such as software engineering, Web services, and a lot of research results have been got. The Pi-calculus is used to simulate and analysis the digital circuit. The paper is the base for applying Pi-calculus to designing of digital circuit and chips.
Key words: Pi-calculus; digital circuit; symbolic simulation
在具體的系統設計中，由于集成電路器件十分復雜，為便于在實際制作之前觀察設計結果，以確認電路能否滿足設計要求，需要對設計電路進行仿真分析[1]?，F在常用的數字電路系統仿真工具有Matlab、Verlog HDL、Spice和ModelSim等。但是使用這些工具對系統進行仿真分析時，準確的描述系統較為困難。MWB是一款支持Pi演算進行模型驗證的工具軟件，我們已經分別將基于MWB的驗證技術應用于Web服務、移動計算等領域，取得了不錯的驗證效果。但是猶豫軟件系統的復雜性，以及形式化驗證技術中狀態爆炸的問題，驗證問題規模非常有限，在這里我們嘗試使用MWB用于數字電路設計的驗證。
1 MWB簡介
MWB是一款基于Pi演算對移動系統進行形式化建模和驗證的工具，其中需要驗證的系統采用Pi演算進行建模，Pi演算的語法和語義分別如定義1及定義2所示。
定義1. 類型化Pi-演算語法
定義2. 類型化Pi-演算的規約語義
其中Г為進程c![y1,…,yn].R+S的類型上下文環境；
Δ為進程P+c?[x1,…,xm].Q的類型上下文環境
有關Pi演算更進一步的知識，可參考文獻[2]。
2 Pi演算在數字電路設計中的應用
我們在設計電路時，需要知道一些重要的特性是否被滿足[3]。如果用Mu演算公式描述設計人員想要的驗證的特性。當電路的結構已知時，這個問題變可轉換成Mu演算模型檢驗問題。在數字電路的設計中經常要使用的邏輯門電路有與、或、非和異或門等，為驗證方便，先將這些基本的邏輯門用Pi演算公式表示如圖1所示。
我們用模4計數器的例子說明MWB模型檢驗在數字電路設計中的應用。模4計數器數字電路的設計圖如圖2所示。
圖2所示數字電路可以用Pi演算描述如圖3所示。
系統的性質是希望v1與v0依次循環輸出序對（0,0），（0,1），（1,0），（1,1）。通過對Pi演算表達式使用Pi演算規約語義進行推演，任意給定以上四個序對中的一個作為v1與v0的初始狀態，都能依次得到上面4個序對的循環。因此設計符合設計要求。
3 總結
Pi演算已經在Web服務，軟件工程等領域有了廣泛的研究和應用，在這里我們嘗試使用Pi演算對數字電路進行仿真檢驗。通過研究為Pi演算在數字電路設計領域的應用奠定了一個基礎。
參考文獻：
[1] 李哲英,駱麗.數字集成電路設計[M].北京:機械工業出版社,2008:30-31.
數字電路設計知識范文3
【關鍵詞】數字電路 模擬電路 發展
1 前言
隨著國民經濟的快速增長，科學技術的快速進步，電子信息產業得到快速發展，逐漸滲透到國民經濟生活的各個領域，使人們的生活發生了翻天覆地的變化。電子信息產業對軍事領域也有著深遠的影響，改變了傳統戰爭的作戰模式，在現代國防中發揮著越來越重要的作用，其在其在國防領域的應用也彰顯了一個國家的綜合國防水平。
作為高新技術產業，知識、技術和資本是電子信息技術產業得以快速發展的三個重要因素，它彰顯了一個國家或地區制造業的整體水平，也是一個國家或地區科學技術和制造業綜合實力的重要標志。就我國目前的社會經濟現狀而言，我國正處于傳統產業結構轉型時期。如何平衡新的產業結構，達到經濟的穩定快速發展，解決目前政府資本過剩、內需不足、市場疲軟等宏觀經濟問題是我國目前經濟社會發展面臨的一個重要挑戰。而加速電子信息產業的建設與發展，對于促進傳統產業變革、改變傳統產業結構、增加就業率、提升就業水平具有重要作用是應對這一挑戰的最好辦法。
電子電路是電子信息產業的技術支撐。是電子信息產業的發展重要限制因素。電子信息產業的快速發展離不開電子科學技術的發展及應用。生產技術的提高及加工工藝的改進加快了集成電路的更新速度，也為電子信息產業注入了蓬勃的朝氣以及更加旺盛的生命力，使其得以快速發展。根據其結構、功能的不同，電子電路可以分為模擬電路和數字電路。
2 模擬電路
模擬電路是一種針對模擬信號（幅值隨時間連續變化的信號）行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對真實信號進行模擬，使其等比例的再現。如調幅/調頻的收音機，接收處理無線電廣播信號，然后經過一系列的混頻、放大、解調等過程，最終完成音樂的播放和新聞等的報道。模擬電路在生活中的應用非常廣泛，如晶體管小信號放大器，低頻功率放大器，負反饋放大器，MOS 集成運放，諧振放大器，直流穩壓電源等。都是用模擬電路制作的。
模擬電路的設計過程比較復雜，其設計的重點在于電路參數的實現。其設計的基本流程主要包括以下幾個方面：
2.1 系統定義
系統定義是模擬電路設計的基本前提。根據設計要求，模擬電路設計工程師需要對電路系統及子系統做出相應的功能定義，并確定面積、功耗等相關性能的參數范圍。
2.2 電路設計
電路結構的選擇是電路設計的重要環節。模擬電路設計工程師需要根據模擬電路需要實現的功能要求、設計規范及相應的參數指標選擇合適的電路結構，并在此基礎上確定元器件的組合方式等。針對模擬電路的設計，目前暫時沒有可以利用的比較成熟的設計軟件，因此，只能是有工程師根據自己的經驗手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設計的難度，限制了模擬電路的發展速度。
2.3 電路仿真
電路仿真是模擬電路的設計過程中必不可少的一個環節，是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達到設計要求的一個重要依據。工程師根據仿真結果，不斷對電路進行修改和調整，直到模擬電路的仿真結果可以達到設定的指標及相應的功能要求。常用方法主要有參數掃描法，直流和交流分析法、蒙特卡羅分析等
2.4 版圖實現
版圖將電路設計轉化生產的重要橋梁。在由前面的設計及仿真結果確定了模擬電路的結構及相關參數后，設計工程師對設計的模擬電路進行物理幾何性的描述，將其轉換成圖形格式，以便于模擬電路后續的加工與制作。
2.5 物理驗證
在物理驗證階段，需要對設計的模擬電路進行設計規則檢查（DRC）。設計規則檢查是在給定的設計規則的基礎上對其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進行檢查，衡量版圖工藝實現上的可行性。此外，還要對版圖與電路圖的一致性進行檢查（LVS）。可以利用LVS工具提取版圖的參數，將得到的電路圖與原電路設計圖進行比較，保證版圖與原電路設計的一致性。
2.6 寄生參數提取后仿真
在版圖之前進行的電路設計的仿真稱之為“前仿真”，“前仿真”都是比較理想的仿真，沒有考慮到連線的電阻、電容等寄生參數。將寄生參數加入版圖后進行的電路仿真稱之為“后仿真”，只有當后仿真的仿真結果達到設計指標及系統功能要求，電路的設計工作才算完成。寄生參數對模擬電路的影響較大，前仿真的仿真結果滿足的情況下，后仿真結果卻無法滿足要求。因此，設計工程師需要根據后仿真結果不斷進行晶體管參數的修改，有時甚至要進行電路結構的調整，直至后仿真結果達到系統設計要求。
目前，模擬電路設計難度高且比較復雜，使用的EDA工具的功能和系統配套性又相對落后，且在設計過程中需要進行頻繁的人工干預，對寄生參數等比較敏感等，這些都在一定程度上限制了模擬電路的發展，導致模擬電路發展速度相對緩慢。
3 數字電路
數字電路設計知識范文4
關鍵詞：數字電路；教學改革；能力培養
中圖分類號：G431文獻標識碼：A
數字電路與系統這門課是理工科大部分專業的重要專業基礎課，培養學生數字邏輯的基本概念和數字系統的設計能力。我校作為一所民辦本科院校，以培養應用型人才為目標，數字電路與系統課程也不例外。我們在多年教學過程中總結了一套適用于該層次學生的教學思路和方法，并啟動了數字電路與系統課程教學改革項目，對取得的研究成果進行總結，主要分為以下幾個方面。
1.課程教學內容研究
1.1 弱化陳舊過時的內容
隨著數字集成電路及大規?？删幊踢壿嬈骷陌l展，中小規模電路應用已經逐漸減少，而傳統的授課思路過多注重中小規模的應用。且在大規?？删幊踢壿嬰娐吩O計過程中，邏輯化簡已經有開發工具取代，很少需要手工化簡。故而數字電路與系統課程在教學內容上要做相應調整。有些內容課程教學內容化簡只介紹化簡的原理和方法，不講化簡技巧，考試也不做深入要求。
1.2 刪減原理性內容的講解，注重應用技巧和分析思路
為了配合應用型人才培養目標，在授課過程中適當減少原理性講解，比如邊沿JK觸發器工作過程分析教材上一般有詳細的分析過程，但授課中只要分析一兩種工作情況，并借此介紹分析思路，有興趣的同學可以課下自己分析，而大部分同學只要弄懂使用方法就可以了。時序邏輯電路應作為重點內容，講授時應注重時序邏輯電路的分析過程，使學生深入理解相關概念，對于狀態化簡等要求要降低，只掌握方法即可。
1.3 教學內容在順序上的調整
此外，考慮到數字電路是嵌入式系統、FPGA、DSP及IC設計等課程的先修課程，為了方便這些后續課程的安排，所以把數電課程提前，跟模電統一學期開設，為后續課程提供足夠的時間。這就造成數電中邏輯門電路一章的內容受到影響，因此在授課時把這一章的內容往后移，等模電三極管基本放大電路學完之后再講授這部分內容，可以解決數電和模電安排在同一學期的問題。
2.課程教材建設
由于數電教學內容作了一定的調整，因此教材的選取要能適應這種調整。而現有教材大部分是按照老的教學體系編寫的，內容難免陳舊、過時，為了適應新形勢的需要，我們根據應用型人才培養的要求，分別編寫了本科和專科適用的教材。
本科的教材編寫思路是采用弱化傳統的邏輯代數公式化簡和器件內部結構原理等內容，對中小規模集成電路重點介紹其使用方法和數字邏輯的基本概念，使學生建立起數字邏輯的研究方法和設計思想，同時在傳統內容之上增加了大規?？删幊踢壿嬈骷陀布枋稣Z言方面的內容，傳達了自頂至底的數字系統設計方法和理念，為運用大規?？删幊踢壿嬰娐吩O計數字系統打下良好基礎。
?？频慕滩膭t更加弱化原理講解，對于集成邏輯門和觸發器等著重介紹器件功能和使用方法，原理只做最基本的講解。除此之外，每一章都增加電路設計和調試及錯誤排查方法等內容，對學生進行電路設計的技能訓練，再結合實驗和綜合課程設計，使學生動手能力得到提高。目前本科教材已經在我校使用了三屆，專科教材也使用了一屆，使用效果良好。
3.課程教學方法和手段
課堂教學作為重要的教學環節，采用合適的方法和手段至關重要。在數字電路教學過程中，重點做到以下幾方面：
3.1 注重學生主觀能動性的發揮
學生在課堂學習過程中如果只是被動接受知識，會導致填鴨式教學，必然會導致學生學習興趣下降，學習效果大打折扣。因此在課堂上要注意引導學生主動思考，對學生的預習情況進行干預，以預留作業的形式讓學生預習必要的知識，然后再課堂上再就預留的問題請學生分組討論，每組闡述討論的結果。雖然開始的時候學生做的不是很好，但是只要堅持這種做法，討論時加強引導，就會收到良好的效果。
3.2 注重習題課和平時測驗
筆者在教學中發現學生對所學知識不會靈活運用，體現在作業中就是對沒接觸過的類型題目不知道該怎么做，自己沒有思路。其實這些題目如果對知識點理解的話是可以獨立完成的，不會做說明知識點理解的不好，所以不會應用。這種情況下就要有針對性的設置習題課，講一些典型的例題，并著重題目的解決思路和方法的培養，使學生遇到類似的問題能夠靈活運用。然后再通過一些課堂測驗了解學生的學習情況，及時對測驗結果進行總結，并反映在后續的教學中。
3.3 注重實驗教學
數字電路應該是一門理論和實驗相結合的課程，兩者相輔相成。因此在理論課之外設置了兩種形式的動手環節：一種是跟理論課緊密配合的電子技術實驗，實驗的設置以理論教學進度為依據，讓學生能夠在剛學完某一知識點時就能通過實驗進行驗證，通過實驗理解理論知識和培養基本的分析和測試實驗結果的能力；另外一種是在學期末的電子技術綜合課程設計，給學生布置合適的題目，讓學生從方案設計、芯片選擇、電路布局、焊接查錯等方面得到訓練，同時撰寫課程設計報告，切實培養學生分析和解決問題的能力，寫總結文檔的能力，提高學生的綜合素質。
4.結束語
隨著科學技術的不斷發展，數字電路教學也必然面臨著教學內容和模式的不斷改革，以適應新形勢的需要。因此授課教師應不斷充實自己，不斷總結和積累經驗，抓住教學重點，使學生切實學懂這門課，掌握數字邏輯設計的重要概念和基本方法，為后續課程和今后走上工作崗位打好基礎。筆者在教學中所采用的內容改革和教學方法創新通過多輪教學實踐證明，是切實可行的，能夠很好的反應當前數電教學的新形勢，教學效果良好。
參考文獻
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[2]楊志忠，趙航等.數字電子技術及應用[M].北京：高等教育出版社，2012，1
數字電路設計知識范文5
關鍵詞：數字電路；教學內容；教學手段；考核方式
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0084-02
數字電路是電子信息類專業的一門重要的專業基礎課，學生通過對該課程的學習，應能正確掌握數字電路的基本理論和設計方法，并具備一定的實踐應用能力。數字電路課程內容較豐富，但學時卻在不斷減少，使得學生在課堂上沒有過多的時間去理解所學知識，難以跟上教師的節奏，導致他們失去了學習的興趣。而且，隨著電子技術的迅猛發展和電子行業對人才的需求，高校數字電路課程傳統的教學內容和模式已遠遠不能滿足社會的需要，因此，有必要在教學內容、教學方法和考核方式等方面做些改革和研究，探索以培養學生創新意識和創新能力為目標的教學新理念、新模式和新手段，以獲得更好的教學效果。
一、課程教學內容的改革
數字電路課程理論體系非常豐富，內容較多，在教學中存在的問題主要有兩方面。問題一是部分教師過分強調理論教學，對集成芯片的內部原理分析過于煩瑣，以至于忽視了芯片的外部應用和數字電路設計中不斷出現的新技術，導致學生疲于芯片電路原理的學習，疲于應付考試，而缺少時效性，不能將所學知識與實際應用相結合，畢業后不能適應企業的發展需求。問題二是部分教師教學體系安排不合理，過分強調開發工具的使用，而忽視基礎理論的教學，這樣使得學生對開發工具的應用操作能力較強，但不具備完整的知識體系，一旦遇到問題不能舉一反三。因此，在實際教學中應體現課程的基礎性、系統性和先進性，能夠與時俱進，在教學內容的安排上，既要重視基礎知識，又要緊跟時代的發展介紹開發工具的應用。在基礎理論教學上，應該以集成電路為主線，對邏輯代數基礎、門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路和脈沖電路六大模塊加以介紹，以小規模集成電路為基礎，引入中、大、超大規模集成電路，逐步學習各類集成電路的芯片，教學中要著重強調各類電路的邏輯功能及應用。另外，要將基礎理論與EDA技術相結合，使學生熟練掌握VHDL語言，熟練使用Quartus II軟件，能夠應用EDA技術設計數字電路，以培養學生的創新能力。
二、采用啟發式教學
在傳統的課堂教學中，往往都是課堂上教師講授，課后學生做練習，課堂教學的信息量較大，學生難以接受，因此如何調動學生的學習積極性至關重要。而啟發式教學，就是以教師為主導，在教學中不斷引入實例，增強課堂上與學生的互動性，充分調動學生的主動性和創造性，引導學生能夠舉一反三，培養學生的自學能力和創新能力。
三、采用對比法介紹相關內容
在數字電路中，很多知識模塊是相關的。例如，在介紹時序電路的設計時，可與組合電路的設計做對比。時序電路是在組合電路的基礎上增加了記憶元件-觸發器，因此兩者的設計在步驟上是相近的。首先定義輸入、輸出變量是共同點，不同之處在于時序電路還需要定義不同的邏輯狀態；其次要列寫關于輸出與輸入變量的真值表，而時序電路還要表示出輸出與輸入變量、次態與初態之間的關系，因此對應的表稱為狀態轉換表；然后需要寫出關于輸出與輸入變量的邏輯函數式并化簡，而時序電路要通過卡諾圖化簡寫出狀態方程、輸出方程及驅動方程；最后都要畫出邏輯電路圖，但時序電路還要驗證能否能自啟動。
四、借助于網絡，優化教學手段
目前，數字電路的課堂教學多采用課件，這樣能夠大大減輕教師板書的工作量，增加信息量，但是部分教師過分依賴于課件，不再寫板書，這樣雖然教學速度變快，但是學生難以與教師保持同步，很難做到互動，無法提高教學質量。因此，在課堂教學中應以“翻轉課堂”為核心，以學校的網絡教學平臺為依托，建設數字電路課程教學資源，包括課程介紹、教學大綱、教學課件、試題庫、在線測試[1]、錄制教學微視頻等內容，完善課程教學資源網站，使得學生在課堂教學的基礎上能夠借助于網絡和多媒體技術完成課程基礎知識的學習。在課堂教學中，教師可以針對不同的內容采用不同的教學方式。對知識性較強的章節可采用課件教學，如用卡諾圖化簡邏輯函數；對內容淺顯的章節可以通過老師的指導，及與同學之間的交流，協助其完成知識的內化，如門電路內容；對于一些難點，可采用板書與課件相結合的方式，如異步時序電路的分析與設計、脈沖電路的分析與設計。
五、加強與完善實踐環節
數字電路作為一門電子技術課程，具有很強的實踐性，必須有相應的實踐環節配合，進而加深學生對理論知識的理解，并能具體應用到實際生活中。因此，實踐教學是數字電路教學中必不可少的一個重要環節。在實驗課教學中，實驗電路題目的設置要與課堂理論知識相對應，實驗課進度要配合理論課的教學，讓學生做實驗時能夠有的放矢。首先以驗證性實驗為基礎，讓學生熟悉實驗儀器的操作，加深對數字電路集成芯片的認識，掌握如何解決實際問題；然后側重于綜合設計性實驗，包括用譯碼器及數據選擇器設計任意形式的組合電路，用觸發器設計同步及異步時序電路，用集成計數器芯片設計電子秒表，基于譯碼器和計數器設計八路彩燈控制器，基于A/D和D/A轉換器設計簡易的數據采集系統等。另外，學生可以選做部分實驗，在開學初就發給學生每人一塊面包板和一套實驗用元器件，讓他們可以在課后根據教學進度完成實驗電路的設計、調試等工作。還有部分實驗，學生需要在EDA實驗箱上完成，這樣大大增加了學生的興趣，提高了學生學習的自主性。在課程設計環節，設置每人一題，在期中就安排課設題目。因為實驗課教學往往是針對某一個或幾個知識點，具有局限性，恰巧課程設計環節可以彌補這個不足。課程設計題目的選擇應具有一定的應用背景，與實際生活緊密聯系，例如設計電風扇控制電路、酒店客房控制電路、彩燈控制電路、音量控制電路、全自動洗衣機控制電路等。在課堂教學中不斷啟發學生如何設計相應電路，用仿真軟件Multisim設計、調試電路，最終在面包板上實現電路的功能。在整個課設過程中，學生的興趣在不斷提升，同時也培養了學生在“工程”設計、制作和組織管理等方面的創新能力[2]。
六、改革考核方式，重視能力的培養
目前，數字電路課程的考核方式還局限于傳統的應試教育模式，只是以期末考試成績作為評定學生的依據，導致教師僅為了提高及格率安排教學，而不注重學生創新能力的培養；反過來，學生僅為了考試及格而學，而不注重自身能力的提高。這種考核方式嚴重背離了高等學校教學的目標，因此在實際考核時既要重視知識的考核又要重視能力的培養[3]，其中以期末試卷形式的知識考核著重考查學生對基礎知識和電路原理及應用的掌握程度，期末試卷的成績占總成績的60%―70%，其他部分則是對能力的考核。能力考核包括日常小測驗及綜合能力的測試，例如在實踐環節的教學中，首先在課堂上提出綜合設計性實驗和課程設計的題目，學生在課間可以自由組合，提出電路設計的思路，再由教師引導學生思考各方案的利弊及改進方法，給出綜合能力測試的成績，最后以實際教學證明這種方法能夠大大調動學生的積極性，促使學生踴躍發言，開闊思路，提升能力。
七、與留學生交流，互通有無
數字電路課程的教學對象除了國內學生，還包括來自多個國家的留學生，這些留學生性格迥異，學習能力也不同。在課堂教學中應采用自愿的原則，國內學生及留學生可以到對方課堂上學習、交流。由于學校國內學生和留學生教學進度不一樣，而且國內學生基礎知識要扎實一些，因此教師可以安排部分優秀的國內學生作為助教，到留學生課堂聽課、指導實驗和課程設計。實踐證明這種交互的教學方式非常有效，學生進一步掌握了數字電路課程的基本理論和應用，提高了英語水平，促進了不同國家間學生的文化交流。通過近幾年的教學改革與實踐，不斷完善多種教學手段，改革教學內容和考核方式，使得課堂教學質量得到提高，學生的學習興趣得到提升。在今后的教學中，還要與時俱進，緊隨數字電路發展的潮流，緊跟科技發展的前沿，不斷改革教學方法與手段，培養高素質的應用型創新人才。
參考文獻：
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[3]王帥.數字電路設計課程教學改革研究[J].中國科技信息，2010，（19）：270-271.
Teaching Reform and Research of Digital Circuit Course
XU Jin-li，GE Wen
（Institute of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，
Shenyang，Liaoning 110136，China）
數字電路設計知識范文6
Abstract: EDA technique is the development tendency of modern electronic design, this article expounds the development and characteristic of the development of EDA Experiment System in colleges and universities, and proposes the prospect of the future development tendency.
關鍵詞:EDA;實驗系統;模塊
Key words: EDA;experiment system;module
中圖分類號:TP315文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)28-0146-02
0引言
隨著電子技術的發展及電子系統設計周期縮短的要求,EDA技術得到迅猛發展。
EDA是Electronic Design Automation(電子設計自動化)的縮寫。EDA技術,就是以大規?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體,以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式,以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計開發工具,通過使用有關的開發軟件,自動完成電子系統設計的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優化、邏輯布局布線、邏輯仿真,直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作,最終形成集成電子系統或專用集成芯片的一門新技術[1]。
目前,幾乎所有高校的電類專業都開設了EDA課程,為加強教學效果,通常都使用專門的EDA實驗箱來輔助教學,但是實驗箱采用了一體化結構,所有的電路和器件都在一塊電路板上,在功能上難以根據需要進行擴展,不利于學生的創新設計,復雜系統難以實現;實驗箱體積較大,不便攜帶;EDA實驗箱、單片機實驗箱、DSP實驗箱、ARM實驗箱中很多功能模塊的硬件電路是相同的,但不同實驗箱上相同模塊不能共享,存在資源浪費。由于實驗箱的上述缺點,很多高校都紛紛開始設計開發自己的實驗系統,提高實驗箱的利用率,提高學生的工程創新能力[2][3]。
1EDA實驗系統開發的特點
EDA實驗系統的開發具有以下特點:
1.1 實驗內容由單一性向綜合性發展早期開發的EDA實驗系統主要是學生用來學習EDA課程、下載程序、進行仿真的工具;使用實驗系統是老師用來培養學生設計數字電路的能力、幫助學生學習和掌握開發語言的手段。因此EDA實驗系統僅在電子類專業的EDA課程中使用,系統所提供的實驗內容僅限于簡單的數字電路設計,包括計數器、編碼譯碼器的設計、數碼管的顯示等。隨著EDA技術的發展,電信、通信等專業紛紛引入EDA實驗系統,在“通信原理”等課程的實驗教學中被廣泛應用于實踐[4],實驗內容也從單一的基本數字電路的設計發展到集EDA技術實驗、單片機實驗、DSP實驗等為一體的綜合性的實驗平臺[5]。因此,EDA實驗平臺逐漸面向電子信息類相關專業的學生進行課程的學習,課外競技活動,電子類設計比賽,并逐漸用于教師進行科研。
1.2 系統結構從一體化向模塊化發展早起開發的EDA實驗系統在結構上采用一體化的實驗箱設計,所有的電路和器件都在一塊電路板上[6]。這樣,系統的使用雖然可以幫助學生掌握軟件的應用,但也使學生對硬件電路不了解;另外,系統在功能上難以根據需要進行擴展,不利于學生進行創新設計,復雜的系統則難以實現。因此在后來的EDA實驗系統的開發上,大都都采用了模塊化的結構[7][8],即FPGA、單片機等做在一塊核心板上,其IO口以插針形式引出,以方便和電路的連接;電路則以模塊的形式單獨做在不同的電路板上,比如數碼管顯示模塊、按鍵模塊、LED顯示模塊等;根據不同的實驗內容,可以選取相應的模塊與核心板搭建而成。這樣,模塊化的設計提高了學生實際動手操作的能力,增強了學生參與實驗的積極性;學生不但可以完成簡單的固定電路的實驗,也可以根據實際情況自由組合所需要的模塊搭建自己設計的電路,從而提高學習興趣,增強實驗教學的效果;此外,模塊化的設計還方便老師對學生設計的重復實現,有利于教學水平的提高。
1.3 核心芯片由單一化向豐富化發展早期開發的EDA實驗系統由于僅用于EDA課程的學習,其核心芯片大都為Altera公司的FPGA等可編程邏輯器件,開發語言環境主要為界面友好、操作簡便的MaxplusⅡ和QuartusⅡ。隨著EDA技術向不同學科不同專業的滲透,核心芯片逐漸發展為FPGA、單片機和DSP器件的綜合使用,開發語言也逐漸開始使用C語言或匯編語言等。這樣,實驗系統能提供的實驗內容和規模均有所增加,除了基本的數字電路設計實驗模塊以外,還可以增設調制解調模塊、幀同步模塊、信號波形產生模塊等,擴大了實驗系統的使用率,使實驗設備向大型化、先進化發展。
1.4 使學生的學習由被動向主動發展電子技術的發展日新月異,早期的實驗平臺由于其電路設計的封閉性,實驗內容只停留在驗證實驗上,很難加入自己設計的電路。而模塊化數字電路開放實驗平臺由于其接口電路的開放性,有能力的學生可以自行設計電路達到提高的目的,對于成功的設計還可以加到以后的實驗教學中,成為具有自主知識產權的模塊。
另外,由于整合了單片機、DSP等芯片的功能,實驗內容得到很大擴展,學生在實驗過程中可以拓寬知識面,主動去學習了解實驗所需要的知識,學習的主動性得到很大的提高,并且,由于實驗由簡單的驗證實驗向綜合的大型設計過渡,學生在實驗過程中更容易理解數字電路設計中硬件的概念以及工程的概念。
學生在設計實驗時,可能會用到一些實驗系統沒有開發出的模塊,這時,學生需要自己設計該電路模塊的電路圖以及制作PCB板,直至實際制作出該功能模塊。這樣,學生除了掌握編程、還需要去學習怎樣設計并制作電路板、學習該模塊與核心板的接口電路設計等相關知識,因此,在實驗過程中,學生的積極性和主動性得到提高。同時,由于實驗的規模逐漸增加,同學之間需要團結合作才能共同完成一個實驗,因此也鍛煉了同學之間的團結合作精神。
2結論
一個好的EDA實驗平臺,能培養學生開拓創新精神和團結協作精神、很強的實踐操作能力、工程設計能力、綜合應用能力、科學研究能力以及獨立分析問題和解決問題的能力。我國高校現階段所研制開發的EDA綜合實驗平臺,能有效整合和優化多個電子類實驗課程的功能,為單片機和EDA技術等課程提供了綜合實驗平臺,為高校培養創新性人才提供良好的實驗條件和氛圍。隨著電子技術的發展以及EDA技術的不斷深入發展,EDA實驗平臺的開發也將會日益完善:大規?？删幊唐骷⒈皇褂?實驗系統將向體積小、功耗小的便攜式嵌入式系統發展。
參考文獻:
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