数字电路虚拟仿真实验教学改革研究

马学条, 程知群, 陈 龙

(杭州电子科技大学 电子信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心, 浙江 杭州 310018)

数字电子技术、计算机技术、工业控制等信息技术蓬勃发展,为高校电子信息人才的培养带来了强大的推动力,但是也为高层次电子信息人才的培养带来了严峻的挑战:

(1) 芯片设计与流片费用高,远远超出高校所能承受范围；

(2) 在规模达数十万逻辑门的数字系统设计中,已不可能采用分立元器件搭建完成；

(3) 受地域环境、仪器设备和安全性等因素的限制,学生不能深入生产一线进行实践锻炼。

因此,统筹虚拟技术、网络技术、实验室硬件资源,全面改革传统的实验教学模式与教学手段,构建虚实结合的实验教学体系,是实验教学改革的重点内容。我校数字电路虚拟仿真实验教学依托国家级虚拟仿真实验教学中心和国家级教学团队,从学生的需求出发,通过在线教学管理平台,远程调用云端服务器上的工程仿真软件,完成数字电路虚拟仿真实验教学[1-2]。

1 数字电路虚拟仿真实验内容

如表1所示,数字电路虚拟仿真实验由基础性实验、设计性实验和综合性实验3个层次，并且包含软件共享、仪器共享和远程控制3大类共12个实验案例组成。

表1 数字电路虚拟仿真实验案例

基础性虚拟仿真实验注重软件参数的设置和电路参数的优化设计,注重基本实验知识、方法和技能的教学与训练,注重工程、分析和实践等基础能力的培养。

设计性虚拟仿真实验是通过介绍典型实验案例的设计思路和设计方法,给出实验要求,让学生去探索设计性实验的方法。

综合性虚拟仿真实验是通过大量有创意的项目训练,激励学生参加较为复杂的数字电子技术课题,通过实验培养学生的创新意识和创新能力[4]。

实验内容先易后难、由浅入深,逐步提升实验设计的广度和深度。通过基础性实验—设计性实验—综合性实验3阶段递进式实验教学,激发学生的学习兴趣、增强学生的创新创造能力[3]。

2 任意波形信号发生器设计

信号发生器是提供各种频率、波形和输出各类电测试信号的设备。在有限的教学课时内和采用传统的分立元件,很难完成信号发生器的设计实验,即使勉强完成,其精度和稳定性也难以保证。使用DDS(direct digital synthesizer)技术和FPGA(field-programmable gate array)实验教学平台,可以比较容易地设计出任意波形的信号发生器,且频率稳定、精度高,解决了将复杂数字系统应用到实际教学中所面临的难题[5]。

2.1 实验任务

(1) 设计一个简易正弦信号发生器,输出频率为时钟频率的1/256；

(2) 设计一个包含正弦波、三角波、方波等任意波形信号发生器,输出频率可调；

(3) 设计一个李萨如图信号发生器,并观察不同频率和相位成简单整数比的李萨如图形。

2.2 实验原理

DDS信号发生器由加法器、寄存器、正弦波形数据存储器和DAC转换器4个模块构成。在电路仿真设计过程中可以采用多种不同的方法实现,其原理如图1所示。

图1 DDS信号发生器原理图

对于加法器,既可以调用门电路设计,也可以采用宏模块设计。寄存器模块主要用来存放数据,既可以使用宏模块LPM_FF,也可以使用D触发器相连而成。寄存器模块与加法器组成一个相位累加器。波形数据存储器可由LPM的ROM:1-PORT构成[6]。

完成DDS信号发生器设计,设置其为顶层电路,并进行全局编译；结合FPGA实验教学平台进行波形观察。如图2所示,通过嵌入式逻辑分析仪文件,对DDS输出波形的数据进行采样和监控。

采样控制状态机电路由状态译码器、控制译码器、状态寄存器和锁存器构成。状态译码器根据现态编码和来自ADC的转换状态信息决定状态的走向；控制译码器负责向ADC输出控制信号；状态寄存器由D触发器组成[7]。如图3所示,基于DDS信号发生器、采样控制模块和锁相环模块进一步实现李萨如图信号发生器设计。

结合FPGA实验教学平台,将数据下载烧录到FPGA芯片。通过示波器,观察分析不同频率和相位成简单整数比的李萨如图形,体会和理解李萨如信号的意义和应用。

图2 嵌入式逻辑分析仪测试波形截屏图

图3 李萨如图信号发生器系统框图

2.3 实验步骤

任意波形信号发生器设计实验教学为10课时,分为12个操作步骤,实验操作流程如图4所示。

图4 任意波形信号发生器实验操作流程图

实验采用工程仿真软件Quartus Ⅱ,首先完成简易正弦信号发生器设计；再完成包含正弦波、三角波、方波、锯齿波等任意波形信号发生器的设计；最后完成一个各种频率和相位成简单整数比的李萨如图形设计。实验设计由浅到深,在有限的实验教学课时内完成复杂数字系统的设计[8]。在电路功能设计中,设计方法具有多样性,可用原理图、硬件描述语言、宏模块等多种方法完成实验设计。在此基础上,学生可以根据学习兴趣进行实验功能拓展:扩展设计输出的信号波形具有调幅功能,用VGA显示观察输出的各类信号波形,用液晶显示输出频率的大小等。

2.4 实验要求

数字电路虚拟仿真实验教学通过教师的启迪,要求学生自寻实验设计技术及其创新的途径[9],并按照实验原理和实验步骤进行实验设计,完成实验后在线提交实验报告。报告内容包含摘要、引言、系统总体设计、电路原理设计及分析、时序仿真波形、电路优化方案、实验总结等。

3 实验教学方法及考核要求

数字电路实验课程借助国家级虚拟仿真实验教学中心在线教学平台,只需使用具有上网功能的电脑,即可通过网络远程共享实验资源,进行虚拟仿真实验设计和在线提交实验结果。虚拟仿真实验在提高实验的灵活性的同时,大大节省了实验成本。虚拟仿真实验在线教学流程如图5所示。

图5 虚拟仿真实验在线教学流程图

教学方法的改革旨在调动学生对科学实验的兴趣,培养学生科学、严谨的实验习惯,提高实验教学效果。数字电路虚拟仿真实验教学充分利用既有的“互联网+”和教育信息技术,采用线上线下、课内课外、理论与实验融合的混合教学方式。线上线下相结合,突破实验的时空限制,增加师生、生生互动[10]；理论与实验相融合,将有针对性地提高学生学以致用的能力。

实验教学考核注重实验的过程,不但注重学生撰写实验报告的质量,也注重学生在实验中的积极性、团队合作意识和工程创新能力。在过程性考核方面,基础性实验、设计性实验和综合性实验考核方式不同。基础性实验、设计性实验主要通过课前预习、课堂操作、实验报告等方面进行考核；综合性实验需要经过开题审核、阶段性检查、项目验收答辩等环节,根据学生的表现、团队配合以及学生提交的仿真结果、实物、报告及答辩的情况进行考核。在整个项目实施过程中,引导学生充分关注实验成本、制作工艺、操作行为规范、实验安全和环境、职业伦理等问题。如果学生在某方面表现突出,可以获得额外加分；而如有不合理、不规范的操作,则会被及时警示、诫勉谈话或单独扣分。

数字电路虚拟仿真实验教学评分比例如下:

(1) 基础性实验和设计性实验成绩占30%,综合性实验成绩占70%；

(2) 基础性实验和设计性实验=20%视频观看+20%预习测试+40%课堂操作+20%实验报告；

(3) 综合性实验成绩=40%验收+15%提问+30%报告+10%创新性得分+5%实验行为规范。

4 结语

本实验教学项目已成功应用于我校数字电路虚拟仿真实验教学,并表现出以下优点:

(1) 借助虚拟仿真中心在线教学平台,突破了时间和空间的限制,达到“处处能学,时时可学”的泛在学习,切实提升了实验教学效果[11]；

(2) 通过数字电路虚拟仿真实验设计复杂数字系统,培养了学生科学研究、系统设计、工程实践的综合能力；采用工程通用仿真软件进行电路仿真设计,无缝对接行业需求；

(3) 发挥科研的支撑与引领作用,将教师和研究生的科研成果、教研课题、学生科技创新成果引入实验教学，从科研项目和解决工程问题出发,丰富实验教学内容,拓展了实验项目的深度和广度[12]。