基于虚拟仿真技术的数字电路实验教学探索

马学条, 陈　龙

(杭州电子科技大学 国家级电子信息技术虚拟仿真实验中心, 浙江 杭州　310018)



基于虚拟仿真技术的数字电路实验教学探索

马学条, 陈龙

(杭州电子科技大学 国家级电子信息技术虚拟仿真实验中心, 浙江 杭州310018)

针对数字电路实验教学中存在的问题,以“李萨如图信号发生器”项目设计为例,探讨了基于虚拟仿真技术的数字电路实验课程改革。数字电路实验室借助国家级电子信息技术虚拟仿真实验中心教学平台,在数字电路实验中引入虚拟仿真教学环节,在培养学生的工程创新能力等方面取得良好的教学效果。

虚拟仿真； 数字电路； 实验教学； 课程改革

数字电路实验课程在电子信息类课程体系中占有重要的地位。随着数字电子技术的发展,TTL器件的5 V工作电压发展为0.6 V的芯核电压,靠手工设计的基于74系列器件的“板上系统”发展为基于EDA技术的“片上系统”[1]。然而,在数字电路实验教学中,一些高校的实验教学内容和模式仍以手工数字设计技术为主要内容。针对数字电路实验教学的局限性,杭州电子科技大学在实验教学中引入了基于虚拟仿真技术的现代数字电路自动设计内容,采用软硬件结合的方式进行实验教学,在培养学生创新思维、提高学生的工程创新能力等方面取得了良好的教学效果。

1　教学模式探索

经过实践和优化,杭州电子科技大学现在开出的数字电路实验课程包含验证性实验、设计性实验和探索性实验,实验总学时数为32学时。实验课程安排为“3+4+1”模式。“3”是指在实验箱上完成3次硬件电路搭建实验,侧重学生动手能力的锻炼；“4”是指通过实验室在线教学与虚拟仿真平台完成4次虚拟仿真实验设计,逐步加深实验设计的难度；“1”是指以项目设计为导向,完成1次大作业,提高学生的工程创新能力。具体安排如表1所示。

表1　“3+4+1”模式安排

表1(续)

数字电路实验课程的内容紧跟时代步伐,对以往实验教学中难以开展的设计性实验和探索性实验,借助虚拟仿真技术得以实现,改变了单一的教学模式,激发了学生的学习兴趣和创新欲望[2]。

2　实验室在线教学及虚拟仿真平台建设

为了更好地支持各学科开展虚拟仿真实验教学工作,给师生预约实验室资源提供方便,我校国家级电子信息技术虚拟仿真实验中心开发了实验室在线教学与虚拟仿真平台，用以辅助开展实验教学工作。实验室在线教学与虚拟仿真平台主要分为实验安排、远程实验和教务管理3个模块。

2.1实验安排模块

实验安排模块是平台中最主要的功能模块。该模块主要依据教师的实际开课情况,在虚拟仿真实验库中添加实验项目,在实验室开放的时间选择实验项目、进行虚拟仿真教学。该模块主要有以下功能[3]:

(1) 预约实验室。教师通过该功能,查看本学期实验室的所有预约情况,其中包括已预约的时间段、节假日预约情况、可预约时间段、实验室最多能容纳的人数等信息。教师根据自己的开课情况选择一个或多个时间段进行预约,进行预约时需填写预约课程名称、学生人数等信息[4]。

(2) 实验项目库管理。利用该功能,教师能方便地查看各门实验课程下的实验项目安排情况。教师可根据实际需要向实验项目库中添加新的实验项目,也可引用原有的实验项目开展实验教学。

(3) 实验报告批改。通过实验报告批改功能,教师可在线查看学生提交的实验报告并进行批改,还能实现报告导出、成绩发布和成绩导出。

2.2远程实验模块

远程实验模块主要对学生用户开放。学生通过该模块可进行实验选课和远程虚拟实验操作,其主要功能包括:

(1) 学生选课。学生通过选课功能,可以方便地查看本学期可选的实验课程、实验开放的时间段、可预约的实验配额数等信息。

(2) 远程虚拟实验。学生用户无需在本地计算机安装教学软件,而是通过远程虚拟实验功能进行实验课程的网络化学习。学生按照实验项目的具体要求进行实验操作,并将实验结果在线提交给实验课教师。

3　虚拟仿真实验项目设计的实现

实验项目设计是虚拟仿真教学活动的关键环节,项目的设计需综合考虑各知识点的联系和层次递进,给学生留有创新发挥的空间[5]。所设计的实验项目可以源于实际项目的内容,也可依据教学大纲设立虚拟的实验项目。实验项目的选取要遵循循序渐进的原则,尽可能涵盖组合逻辑电路和时序逻辑电路的相关知识点；实验项目的设立还应充分考虑学生已掌握的知识和接受能力[6]。

以“李萨如图信号发生器”实验为例,介绍采用Quartus Ⅱ软件进行虚拟仿真实验的全过程。

3.1实验任务

设计李萨如图信号发生器,给出时序仿真波形,进行下载测试[7]。李萨如图信号发生器的结构框图如图1所示。

图1　李萨如图信号发生器结构框图

李萨如图是两个沿着互相垂直方向的正弦振动合成的轨迹,其核心结构是DDS信号发生器。DDS信号发生器的地址端与A/D转换器的数据端相连,通过调节A/D转换器的输入电压值,实现输出频率的可控,从而形成稳定的李萨如图。该实验内容涉及的知识点包括组合逻辑电路、时序逻辑电路、D/A与A/D转换器、现代数字电路自动设计技术等[8-9]。

3.2设计实现

(1) 利用32位加法器、32位寄存器和正弦波形数据存储器构成DDS信号发生器,并将其转化为DDS元件模块。

(2) 根据ADC0809的接口特性和控制状态机要求,利用状态译码器、控制译码器、状态寄存器构成ADC采样控制电路,并将其转化为ADC采样控制电路元件模块[10]。

(3) 调用内部锁相环、DDS元件模块和ADC采样控制模块,构成李萨如图信号发生器。

(4) 新建仿真波形文件,观察并分析仿真结果。

(5) 对输入信号、输出信号进行引脚锁定,设置编程器,对载入FPGA的数字电路进行硬件测试。

根据实验要求,在顶层设计中调用DDS元件模块、ADC采样控制元件模块和内部锁相环构成李萨如图信号发生器,其顶层设计电路如图2所示。

3.3仿真和硬件调试

对设计模块进行编译,设置仿真时间区域为75 μs,得到时序仿真波形图。

选择工程文件,对输入信号、输出信号进行引脚锁定,对编程器进行选择操作,完成对目标器件FPGA的配置下载操作。通过滑阻改变A/D转换器的输入电压值,从示波器界面观察各类稳定的李萨如图。

图2　李萨如图信号发生器顶层设计电路

4　教学成效

不同于传统的实验教学,基于虚拟仿真技术的数字电路实验教学在内容安排、教学模式、成绩考核等方面进行了调整和完善。表2是传统实验教学和基于虚拟仿真技术实验教学在验证性实验、设计性实验和探索性实验内容方面的比较[11-12]。

表2　传统实验教学和基于虚拟仿真技术实验教学内容比较

基于虚拟仿真技术的数字电路实验教学在设计实验时更具多样性,且实验选题难度有较大幅度的提升,一年级的学生就能完成数千逻辑门规模的实验项目设计。随着实验教学改革的逐步推进,数字电路实验室实行了一人一组的小班化实验教学,并实现了实验室全开放。该实验教学模式提高了学生的工程创新能力和参与各类学科竞赛的积极性。经数字电路实验室直接培养的学生,在2015年全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛和2015年全国大学生电子设计竞赛中获得了国家一等奖2组和国家二等奖4组。

References)

[1] 潘松,陈龙,黄继业.实用数字电子技术基础[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2] 陈龙,张亚君,徐丽燕.关于数字电路实验教学精品课程建设的研究[J].杭州电子科技大学学报:社会科学版,2007,3(4):73-76.

[3] 吴健斌.高校实验室开放综合管理系统的构建及实现[J].实验室研究与探索,2012,31(7):220-223.

[4] 伍燕青.基于云计算的实验室管理信息系统设计[J].实验室研究与探索,2013,32(8):291-296.

[5] 李旭,张为公.基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J].实验室研究与探索,2015,34(1):168-171.

[6] 方天红,张升义.Proteus在“数字逻辑电路”课程项目驱动教学中的应用[J].实验室研究与探索,2014,33(4):195-197.

[7] 全晓莉,周南权.基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究[J].实验技术与管理,2014,31(4):96-98.

[8] 潘松,黄继业,潘明.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2006.

[9] 丁磊,冯永晋,张海笑.数字逻辑与EDA设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[10] 许小军,龚克西,王玖.数字电子技术实验与课程设计指导[M].南京:东南大学出版社,2007.

[11] 潘晓苹,但果,陈昕,等.基于CDIO理念的数字电路实验教学改革[J].实验室研究与探索,2013,32(8):400-402.

[12] 韩桂英,李锡祚.CDIO视野下项目驱动的数字电路教学探索与实践[J].实验技术与管理,2012,29(1):168-170.

Exploration on digital circuit experimental teaching based on virtual simulation technology

Ma Xuetiao, Chen Long

(National Virtual Simulation Experiment of Electronic Information Technology Center,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

The problems in the current teaching of the course of digital circuit experiment are analysized. Taking the design of the Lissajous pattern signal generator as an example, this article illustrates the course reform of digital circuit experiment based on virtual simulation technology. With the help of the teaching platform of national virtual simulation experiment of electronic information technology center, a virtual simulation experiment is introduced into the teaching links of digital circuit courses. Practices show that the reform achieves better results in training students’ innovative capability.

virtual simulation； digital circuit； experimental teaching； course reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.032

2016-04-13

浙江省2015年高等教育教学改革项目(jg2015060)；浙江省2013年高等教育课堂教学改革项目(kg2013125)；杭州电子科技大学高教研究课题(YB201524)

马学条(1984—),男,浙江温州,硕士,助理实验师,主要研究方向为电路与系统、实验教学.E-mail：mxt@hdu.edu.cn

G462

B

1002-4956(2016)10-0127-03