面向基础教学的数字电路实验平台研制

刘彦飞， 代永红， 周立青， 严秦梦颖， 罗美露

(武汉大学 a.电子信息学院;b.大学生创新创业实践中心，武汉 430072)

0 引 言

随着技术发展趋向信息化、数字化，使得数字技术的应用更为广泛[1-2]。集成电路从小规模发展到目前的超大规模集成电路，芯片功能越来越丰富，运行速度也越来越快，而且使用方法灵活。传统的教学目标已经不能满足社会的对数字人才的要求，所以需要进行教学方法与手段的改革与尝试。

数字电路课程作为电子信息类专业非常重要的专业基础课[3-4]，学生在开始课程学习的时候往往面临基础薄弱，概念不清，学习进度差别较大等诸多问题[5-8]，这些极大影响了专业课的教学效果。为了加强学生的实践能力与创新能力的培养，必须从学生实际情况出发，从教学内容、教学形式全面进行教学模式与教学方法的研究与改革[7,9]。

从数字电路课程特点出发，结合电子信息类专业培养目标和要求，设计并研制了一种面向基础课教学的数字电路实验平台。该平台不仅可以满足实验课课堂教学的需要，覆盖知识点全，使用灵活，还具有一定的扩展性，可以满足课程设计、大学生科研等需求。在实际的教学应用中取得了良好的教学效果。

1 数字电路实验课教学分析

数字电路不仅是电子信息类专业的专业基础课，也是后续课程如单片机、计算机原理、可编程器件、数字信号处理等课程的理论基础，对学生的专业入门、兴趣培养具有关键作用。数字电子技术相关课程的教学内容与教学手段，直接关系到相关专业人才培养的质量[10]。

数字电路与实际技术紧密联系，数字电路实践环节的训练对学生的学习起着至关重要的作用，国内很多高校在开设数字电路课时都将数字电路实验开成独立学分的课程[9]。实验课作为独立课程有助于课程的建设，包括教学内容的建设和教学方法的改进，这些举措将有效提升教学质量。

1.1 课程内容分析

数字电路课程覆盖的知识点涉及专业面广，知识门类多。随着半导体技术的发展，电子设计自动化技术(EDA)应运而生。它使集成电路设计、生产与优化以及应用在计算机的软件与硬件配合下逐渐融合，并且技术更新不断加快，效率不断提升。可编程器件的出现使得高速度、大容量、小体积集成化方向兼并专用性与可扩展性。未来，器件的发展速度与更新都将进一步加快，而目前高校学时相对少，教学内容更新慢的大背景下，造成学生学习压力大，知识面相对较窄，在认识上难以对专业课程形成整体认识[3,11]。

数字电路与数字电路实验课虽然是两门课程，但是在专业培养的目标上，它的地位与作用是一致的，都可以定位为“专业基础核心课程”。在实验内容上，在保留基本教学要求的基础上，更需要学生尽早接触和使用到数字电子的先进技术。在内容设置上通常根据实验难度分为3个层次，分别是基础验证型、设计型、研究与探索型，按层次依次开展。

基础验证型包括基础概念的建立，仪器的使用，器件的识别与应用，基础原理与基本参数的测试与验证。设计型实验包括组合逻辑、时序逻辑设计，电路调试以及功能实现，这一部分属于课程教学要求中需要理解与掌握的内容。研究与探索型实验是设计与开发具有一定功能的完整电路系统，一般没有明确的知识范围界限，可能包括模拟电路、数字电路以及传感器等。在教学要求上属于知识拓展与拔高的内容。3个层次的实验涵盖的知识点是相互交叉的，相辅相成，循序渐进，不断提升。

1.2 教学方法改革

伴随着计算机、互联网和多媒体技术的发展，数字电路的教学模式也发生了巨大的变化[3,12]。从MOOC、翻转课堂、项目驱动式，到强调师生交流的雨课堂，形成了各种各样的教学方法。数字电路课程最大的挑战是如何在有限的学时让学生理解掌握各种抽象的概念、方法以及复杂的器件。所以在教学方法上需要根据专业培养目标，学生的实际情况进行合理安排。从经验上来看，让刚开始接触数字技术概念的学生，通过一两次动手就理解并也会应用课程中的概念是不现实的，在学习过程中需要设计成螺旋深入式的认知过程，即通过课本了解知识点，通过验证型实验进步一学习概念，通过设计型实验巩固知识点，通过研究探索型实验将各个知识点整合为统一的知识体系。以项目主导式的探索型教学，对学生而言收获往往是较大的。

不管是哪种教学方式，其目的都是为了促进教学效果的提升。要保证教学效果，除了需要考虑教学形式还需要考虑课程之间的衔接，授课对象的知识掌握程度，课程内容，实验效果，师生教学的沟通以及中间环节的质量控制等。良好的教学质量离不开优秀的教学人员的参与和投入，良好的人才队伍与高质量的教学保障在人才培养中一样处于很重要的地位。

近年来电子信息学院通过采用课外开放实验、课程设计、电子竞赛以及大学生课外科研等方式，在人才培养中逐渐形成了自己的特色。在教学中不断扩展学生的专业认识，使他们及时地接触到专业方面的前沿，培养对专业的兴趣，在教学中取得了良好的教学效果。

2 面向基础教学的实验平台设计

对国内数字电路课程教学情况进行了调研，总结电子信息学院数字电路实验课程组多年积累的实践经验，以扩展学生学习深度与广度，培养学生学习专业知识的兴趣为出发点，设计了数字电路教学实验平台。平台主要包括：逻辑开关、逻辑电平显示、芯片功能验证、三态逻辑笔、可编程器件、数字脉冲发生、单脉冲发生、模/数，数/模转换、数码管显示、通用面包板以及开关电源等模块组成。

2.1 实验平台的组成结构

平台设计结构如图1所示，图中涵盖了平台的功能模块及其布局。

图1 数字电路实验平台结构图

(1) 逻辑开关与逻辑电平显示模块。数字电路使用开关量(逻辑的“0”与“1”)作为电路的信号形式，也是处理问题的手段。所以学习数字电路首先要建立开关量的认识。数字信号中表示“0”与“1”的方法有很多，不同的电路结构，不同的通信体制往往会有不同的电平标准，比如基带信号通信一般使用的电平标准有，TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS-232、RS-485等，还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等[13]。学生在掌握这个内容时需要了解不同电平标准有其对应的适用背景；不同结构的电路如果需要通信时，电平之间需要设计电平转换电路，很多时候有专门的集成电路芯片完成该接口的工作。

实验平台提供了数字电路教材中常用的TTL电平8位逻辑开关。为了方便测量与调试，逻辑开关同时提供了正逻辑与负逻辑的输出，这样可以提高使用的灵活性。电平显示也是8位，采用LED小灯做显示。每一位逻辑显示有3种状态，高电平对应“红色”，低电平对应“绿色”，高阻态对应“黄色”。这样的设计在学生刚开始接触数字信号的时候提供很直观而且方便的认识。

(2) 芯片功能验证模块。芯片验证功能模块是将常用的数字电路芯片，包括555芯片、计数器、编码器、译码器、数据选择器、触发器、门电路等，连接即相对独立又互有联系的一个模块电路。所有的芯片都放置在固定焊接的芯片座上，在使用的时候，如果芯片功能正常，对应的LED小灯就会依次闪烁。这个模块电路不仅可以用来演示芯片的逻辑功能，还可以用来验证实验中集成电路功能是否完好。

芯片验证功能模块的原理图如图2所示。整个验证电路的时钟信号由555电路提供，模块中设计了2个555电路，1个用来验证555本身，1个用来提供时钟。 时钟信号通过计数器转换为并行的二进制数，然后依次完成后面的验证功能。该功能的设计不仅可以提供给初学者对芯片功能的直观了解与认识，还可以在实践教学中对芯片进行筛选，使用方便(已授权专利)。

图2 数字集成电路功能验证模块

(3) 三态逻辑笔模块。三态逻辑笔电路是数字电路实验教学中非常实用的一个工具。本方案采用了一种结构简单、性能稳定，实用性强的逻辑笔电路，电路结构如图3所示。

图3 三态逻辑笔电路图

逻辑比电路采用3个比较器，5 V供电，探头接口可以由外接的探测表笔来实现电平测试。探头笔的探测电平信号与窗口比较器进行比较，最终输出电平判断结果。电路中设定的窗口比较电平为0.6～2.3 V，探头笔使用普通的万用表笔，接口直接做在实验箱平台上，非常方便使用。

(4) 可编程器件模块。实验平台在设计上一定要满足教学要求，对教学内容要有较全面的覆盖。数字电路教学中可编程逻辑器件的使用是一个关键的环节，学生可以在实践中建立自己对器件、数字信号的认识。

可编程模块中采用Altera公司的Cyclone系列FPGA可编程芯片，型号为EP1C6Q240C6，FPGA模块电路结构如图4所示。FPGA可编程系统采用了AS与JTAG配置模式，通过拨码开关将FPAG输出口控制六位LED灯的显示。多余的I/O口通过接口插针预留给后续设计使用，FPGA还配置了ADC与DAC转换芯片，可以方便学生完成模拟、数字混合设计。同时接口都是可切换的，保证每个芯片使用的独立性与灵活性。

图4 FPGA可编程器件模块

FPGA可编程模块是学生学习的一个重要的内容，对后续课程以及行业的理解有着重要的价值，在低年级可以开设一些基础的演示、验证实验，为他们后续的设计性实验以及课程设计做前期的实践准备。

(5) 单脉冲与数字脉冲发生模块。实验箱中提供了两位可以独立提供正、负脉冲跳变的单脉冲发生器，在时序电路调试时非常方便。脉冲发生电路是由一片74LS122实现的，如图5所示。可以输出两路正负单脉冲。调节CEXT与RCET之间的电容可以改变输出的脉冲宽度。

图5 单脉冲发生电路

除了单脉冲实验平台还提供了四位并行二进制BCD码。这个功能可以为时序电路设计中提供并行数字信号。可以实现的实验演示包括数字信号的串并转换，计数与编码，译码显示等等。数字电路的实验中，数字信号的认识是一个非常重要的内容。实验中如果可以将数字系统中的信号变化通过实验内容具体化，这样将是非常便于学生理解的。

(6) 其他模块。除了之前介绍的各个功能模块之外，实验平台还为学生提供了模/数，数/模转换模块、数码管显示模块、通用面包板模块，以及平台供电的开关电源模块。

模/数、数/模转换模块不仅为学生了解器件原理、参数提供了便利，还为后续完成综合探索型实验提供了必要的数模接口。数码管显示模块是为学生设计译码器、计数器提供结果的显示部分。面包板模块与电源模块都是为实验及课程设计提供必要的辅助部分。

作为基础课程实验设备，既要满足基础教学需求，也要满足学生做课程设计与探索型实验需求。各模块间都留有接口方便设计、方便过程检查与结果测试。

2.2 实验内容

针对不同的教学要求，教学内容可以有相对灵活的调整。实验内容分为3个层次，分别是基础验证型实验、设计型实验与研究探索型实验。

对于电子信息类专业的学生，学时在36～54学时左右，主要学习目标在于全面具体地了解课程的基本概念、原理，掌握器件应用方法，学会逻辑电路设计与调试。在课程教学中宜采用根据学生的掌握程度指定实验内容，压缩基础验证型实验的课内学时，将课程重点放在设计型实验内容上，对于个别学生可以选择研究与探索型实验。

对于其他类专业学时在18～24左右，可以依次采用基础验证型实验、部分设计型实验。在实验课程开设中要尽可能做到学生选择实验方案，完成实验操作，巩固实验操作对课程基本概念的认识与理解。

(1) 基础验证型实验。基础验证型实验主要作用是课程内容的理解、概念的演示、基本操作的练习等。开设的实验内容有器件的认识与验证，包括基本门电路、编码器、译码器、全加器、数据选择器及其应用；集成触发、MSI计数器等。

(2) 设计型实验。设计型实验主要目的在于加强学生对课程概念的理解与应用，通过设计型实验学生可以更好地理解数字电路的设计过程以及实际电路与理论分析的差别，从而更好地做到对实验过程、理论方法的掌握。设计型实验可以开设的内容主要有：分别用门电路、3-8译码器设计全加器比较方法的差异；用与非门设计电机报警电路；利用门电路设计4-2线编码器(不带使能端，输入变量高电平有效)；利用触发器设计3进制计数器、16进制计数器；用555电路设计钟脉冲信号发生器，要求20 Hz～20 kHz范围频率可调；用555电路设计单稳态触发器；用2进制计数器设计24进制计数器等。

设计型实验可以例举很多，并且可以针对数字信号的概念设计各种实验方案。数字电路本身具有非常高的灵活性，学习也具有一定的挑战性。

(3) 研究与探索型实验。为了使低年级电子信息类专业学生能对专业课程有一个统一、全面的认识，需要对学有余力的学生进一步提高学生动手实践能力。通过开设研究与探索型实验可以很好地契合学生动手能力不足与课程技术目标存在的需求。研究与探索型实验的知识点是交叉的，也没有明显的课程界限，可能是包含多个课程的一个系统的探索型实验。

可以开设的研究与探索型实验包括：分别使用分离器件、FPGA可编程器件完成多功能数字钟实验；温度测量与显示实验；8位并行数字幸好的串行传输设计；用于语音信号音调的LED阵列显示实验等。研究探索型实验可以很好地打开学生专业学习的兴趣以及体现课程的教学效果。

3 平台应用效果分析

教学的过程是一个不断完善、不断更新的过程，教学过程同样也是一个灵活的过程。每一次教学活动中，针对不同的学生，不同教学目标都会在教学计划上做出相应的调整。课程同样也会申请一些开放学时，方便学生完成研究探索型实验。

实验平台包含的模块丰富、全面，涵盖了分离器件、可编程器件、模数、数模转换器件、三态逻辑笔等功能，方便使用在教学中不仅可以全覆盖数字电路的知识体系，还可以对多学科进行知识交叉应用。

实验平台提供了分离器件功能验证与演示模块，对于器件筛选，数字电路概念演示具有非常直观、方便的功能。基本门电路、触发器芯片等验证实验可直接在功能验证与演示模块进行，学生无需再在面包板上进行繁杂的电路搭建。对于数字分频器等利用可编程逻辑电路实现。学生通过接触可编程逻辑器件的实验开始了解硬件描述语言。随着实验内容深入进行，学生可利用实验箱的A/D、D/A模块、LED点阵模块等与传感器器件相结合，自主设计综合性实验,如智能时控开关、控温系统等，完成EDA技术的相关学习。

课程教学中学生不仅需要接触到例如数字式秒表、多模式彩灯、道路交通灯、数控分频器等课程实例，了解数字电子类产品的相关应用，还了解了数字电子技术与信号处理等前沿技术，对当前数字电子技术的发展趋势也有了一定的了解。

4 结 语

本实验教学平台在完成数字电路教学内容的基础上，更加注重与EDA技术相关的可编程逻辑器件的综合性设计实验，并且考虑到数字电子技术在现代发展中的应用，更好地弥合了数字电路课程教学与现代科技发展之间的衔接。该教学平台在实际的教学应用中，取得了较好的教学效果。