数字电路实验教学平台的设计与实现

陈 艺，王怀登，陈 娟

（南京大学金陵学院 信息科学与工程学院，江苏 南京 210089）

随着科技的不断进步，社会发展日新月异，迎来了数字化时代。为了更好地培养满足社会需求的人才，教学起着至关重要的作用。而数字电路实验这门课程作为电子信息类的专业基础课，其作用不言而喻，因此如何开展该课程、培养学生实践创新能力成为一个难点[1]。现有教学的实施结合了传统教学与电子设计自动化技术[2,3]，每个实验要求在面包板上搭建电路的同时还需在CPLD开发板上实现相应的功能，但是仍存在以下几点问题：一是器件老旧，面包板老化，CPLD芯片已停产；二是器件繁杂，实验需要CPLD开发板、面包板以及各种元器件，增加管理难度；三是实验大多数为验证性实验，内容比较单一。综合实验室与学生的实际情况，我们设计了新的实验平台，该平台整合了面包板与EDA的资源，保留了基本的按键、拨码开关、发光二极管、数码管等实验，覆盖了数字电路实验的基本知识点，同时增添了AD/DA、程控放大器等实验，激发学生的积极主动性，培养学生的创新能力。通过该平台的设计，实现了该课程在教学模式与教学方法上的研究与改革[4]。

1 新实验教学平台构成

新实验教学平台的结构如图1所示，该教学平台主要分为两部分：一是传统实验方法，基于面包板用分立元件搭建电路，直观地向学生展现硬件电路；另一部分则是采用EDA技术的实验，选取FPGA为实验载体，用HDL语言编程实现功能。EDA技术的加入弥补了传统方法的不足，使得学生能够更全面地了解数字电路。

图1 新教学平台结构图

1.1 传统实验方法

传统的数字电路实验箱一般由IC插座、发光LED、电平开关、数码管等器件组成，实验内容多是基础验证实验，侧重点在于仪器的使用、电平的认识以及芯片的应用，实验内容过于单一。实验内容受限于实验平台，这样的教学同样也限制了学生的思维，学生无法进行创新性设计，在一定程度上制约了学生学习能力的培养。因此新的实验平台采用分立元件在排母上搭建电路完成传统的教学内容。在平台固有外设的基础上，连接FPGA的可用接口，可完成课外实验，激发学生的创造力，为后续课程的学习奠定了基础，同时也增加了FPGA的灵活性。

1.2 EDA设计

该部分包含了基本的按键、LED灯、数码管模块，在此基础上，增加了双积分A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器、D/A转换器、程控放大器，且巧妙地利用了复用的概念，将D/A转换器、逐次逼近型A/D转换器及程控放大器集中在了同一个模块中。这样的设计使得该课程更全面地契合了理论课程的知识点，加深了学生对理论知识的理解。

2 教学平台设计原理

该部分主要介绍新实验教学平台的原理设计，着重介绍FPGA设计。传统实验方法中增添了数码管译码模块，该模块由74LS47译码器及共阳极数码管组成。学生只需将显示的值接入该模块，即可完成数码管显示，方便学生完成实验。显示部分由共阳极数码管、三极管以及限流电阻组成，其中三极管起开关作用。在课堂讲解时，学生既巩固了数字电路知识，又回顾了模拟电路知识，一举两得。

2.1 双积分型A/D设计

双积分型A/D转换器原理图如图2所示，该电路由双通道4选1的选择器74HC4052、积分器以及比较器组成。相较于教材上的电路，该模块选用模拟开关来代替手动开关的切换，使得整个过程更加智能化；同时充放电回路选择不同RC电路，使得放电更加充分快速。通过FPGA控制模拟开关的选通通道，OP端与Y3相连，X0接待转换电压，X1接参考电压。

图2 双积分A/D转换器原理图

在转换开始前，电容通过电阻R33构成放电回路，为了让放电时间短，该电阻选择比较小的值。放电完成后，模拟开关接通X0通过R31进行第一次积分。当比较器输出电平发生翻转时，模拟开关将接通X1进行第二次积分。通过FPGA对两次积分时间进行计数，计算出待转换电压对应的数字量。

2.2 逐次逼近型A/D转换器与程控放大器的复用

逐次逼近型A/D的电路如图3所示，该电路包含了D/A转换器、比较器以及FPGA编程部分。其原理是由FPGA产生数字量，经过D/A转换器转换成模拟量并与待转换值进行比较，FPGA根据比较结果再修改数字量，如此循环，直至找到最接近待转换电压的数字量。

图3 逐次逼近型A/D原理图

程控放大器的电路如图4所示，该电路通过FPGA控制D/A转换器数字量的输入，从而改变信号的增益。

图4 程控放大器原理图

由图可知，增益计算如下：

由DAC0830芯片手册可知

式中，R为芯片内部的标称阻值；D为输入的数字量，其范围为[0，255]。

由式（1）~式（3）可得

对比逐次逼近型A/D转换器与程控放大器电路图可以发现，两者在结构上只差了一个运算放大器，而DAC0830的与端口的区别仅在于端口有一个内置反馈电阻，此电阻在复用时，能作为程控放大器电路中的。基于上述原因，在设计时将两者复用，这样做的目的一是节约了PCB空间；二是在实验操作时，学生能清楚地了解两者的原理及差异。

3 教学平台成果展示

将上述原理图经过PCB设计，最终得出数字电路实验平台。该平台左侧为FPGA部分，核心板采用Altera公司EP4CE6E22C8N为主芯片，拓展出多个外设供教学使用，其中包括基本LED、拨码开关、按键以及上述电路；右侧为传统的电路搭建部分，其内部连接与通用面包板类似，设计两个数码管的译码电路以供日常实验使用。

3.1 双积分型A/D转换器测试结果

根据双积分A/D转换器原理，选取参考电压为-5 V，由比较器输出控制FPGA的计数，最终将结果显示在数码管上。在输入3.2 V的直流电压情况下，由FPGA计数显示的结果为3.192 V，其相对误差仅为0.25%。

用示波器同时观测积分器反相输入端及比较器输出，波形如图5所示。从图中可明显看到双积分型A/D转换器的两次积分过程，同时伴随着比较器输出高低电平的转换，验证了双积分型A/D转换器的原理。这样学生在做实验时能够充分理解两次积分的过程以及硬件电路与FPGA之间的关联，为后续课程的学习奠定了扎实的基础。

图5 双积分A/D工作波形

3.2 逐次逼近型A/D转换器与程控放大器的复用结果

逐次逼近型A/D转换器参考电压选用-5 V，通过FPGA控制数字量输出不同的电压并与需要转化的电压值进行比较，再根据比较结果来调整数字量，从而得到最终结果。在测试时，选用输入电压为2 V。此时FPGA从规定的数字量初值1000_0000经过8次比较得到最终的数字量，这个过程是一直在重复的，因此用示波器观测DAC0830的电压输出，可以看到当转换的电压值不变时输出波形为周期信号。

图6 程控放大器工作波形

经过对电路的测试，可以看到设计的电路能够实现逐次逼近型A/D转换器和程控放大器的复用，且测试结果准确率高，与理论一致。通过进行实验，既巩固了学生的理论知识，培养了学生的动手能力，同时又扩宽了学生的知识面。

4 结束语

根据教学对象、教学目标的不同以及社会对人才需求的变化，教学过程需要不断地更新完善。文中针对数字电路实验课程教学中存在的问题及现有平台的缺陷设计了新的实验平台，取长补短，保留了传统方法的电路搭建，融合了FPGA技术，新添加的实验内容为后续课程奠定了良好的基础。从结果可以看出，新平台能满足设计需求，十分适合数字电路实验课程。■