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基于EDA技术辅助数字电子技术基础教学

作者：肖顺文

来源：《数字技术与应用》2010年第12期

摘 要:针对在数字电子技术基础教学实践过程中存在的问题,结合计算机辅助教学的经验,在教学实践过程中引入EDA技术辅助课程教学,改进理论课教学、实验教学、课程设计等教学工作。优化了数字电子技术基础教学,实现了教学手段的创新。 关键词:EDA 数字电子技术基础

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2010)12-0097-02 1 前言

数字电子技术基础是一门发展迅速、实践性和应用性很强的技术基础课程,已成为电类各专业不可缺少的一门必修技术基础课,是学习“单片机技术”、“数字信号处理”等专业(基础)课必需的先修课程。传统的的教学内容和教学方法生硬抽象缺乏感性认识,已经不能满足技术发展的需求。提高课堂教学效果,改进教学手段势在必行。

随着计算机及微电子技术的发展,数字技术领域中的新概念和新方法不断涌现,计算机辅助教学已进课堂。EDA(Electronic Design Automation电子设计自动化)技术就是以计算机为工具,它的开发工具QuartuslI具有强大的元器件库,提供了丰富的电路元器件,其原理图符号与教材接近,教师及学生可根据教、学需要任意搭建实验模型。依靠EDA软件,电路验证(或电路设计)可以脱离硬件直接通过软件仿真即可实现。

在长期的教学实践过程中,引入EDA技术辅助数字电子技术基础课程教学,实现了教学手段的创新。

2 应用EDA技术的仿真环境丰富课堂教学

EDA技术工具软件MAX+PLUSII或QuartuslI提供设计校验的仿真器,其中包括功能仿真和时序仿真,仿真器的灵活性很强。电路设计完成后,需要验证电路设计的逻辑功能是否正确。这是一项简单的逻辑检查,可采用功能仿真,这对于初步的逻辑功能检测非常方便。功能检查完成,可进行时序仿真。EDA技术工具软件的时序分析程序可以计算点到点的器件延时,确定器件引脚上的建立时间和保持时间要求,还可计算最高时钟频率。

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在课堂教学过程中利用多媒体教学环境,采用EDA技术工具软件进行实际操作演示,可以起到事半功倍的效果。它作图快捷,修改方便,仿真结果直观具体,提高课堂讲授效率,将抽象的逻辑教学形象化和直观化,取得了较好的教学效果。

二选一数据选择器真值表为:当s=0时y=a;当s=1时y=b,选择器电路结构如图1所示,通过MAX+PLUSII软件仿真,仿真波形图如图2所示。

通过以上波形的分析,学生可以很清楚地观察到数据选择过程:当s=0时,电路输出a波形,当s=1时,电路输出b波形。通过仿真可以使学生感性地理解电路的特性,对学习起到了很好的辅助作用。而演示这些实例,在课堂上并不需要花费太多时间。课堂教学中,很多内容都可以利用EDA技术工具软件直观地演示出来,比如中规模集成电路的功能和使用、异步二进制计数器的工作、移位寄存器的移位操作等等,可以将理论教学与实验验证同步进行,加深了学生对理论的理解,激发了学生的学习兴趣,扩展了学生的思维空间,教学效果良好。

3 应用EDA技术构建学生个人的数字电路仿真实验室

数字逻辑电路课程是一门实践性很强的专业基础课程,实验作为学习该课程的一个重要环节,对巩固课堂教学内容,提高学生的动手能力都具有重要的作用。在教学过程中因为相应的实验课程滞后开设,学生无法在学习过程中马上做实验,导致学习热情下降,对相关的基本理论知识理解不深,特别是对一些具体的数字集成块的使用更感到抽象难懂。

EDA工具软件具有强大的元器件库,提供了丰富的实验元器件,使用户能根据教、学需要任意搭建实验模型。利用它,学生完全可以在课下利用计算机随时进行电路仿真实验,可以很快知道电路的工作情况,从而增加学生的感性认识和学习兴趣。

学生的“仿真实验室”具有开放、灵活的特点,体现了学生的个性,更适合于“做中学”,边学边实验。“家庭实验室”主要是为学生创造一个形成感性认识的近乎进行真实实验的效果,学生通过软件仿真操作,培养学生综合应用理论知识与分析解决问题的能力。同时,“仿真实验室”倡导思维的开放性,能突破学生的思维定式,有效地培养学生的创新精神。

4 应用EDA技术实现“硬件设计软件化”

随着集成电路技术迅速发展,可编程逻辑器件(PLD,Programmable Logic Device)和硬件描述语言(HDL,Hardware Description Language)的出现,对数字电路和系统的设计思想、设计方法产生了很大的影响,其中一个重要的变化是设计者更加注重对描述方法的理解,而不是把重点放在具体器件的结构上。把硬件描述语言作为数字电子技术基础的内容之一是现代数字电子技术发展的必然趋势,学生可以借助HDL语言,设计出符合要求的硬件系统。

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VHDL语言作为标准化的硬件描述语言已广泛应用于设计电子电路模块,VHDL语言功能强大、设计方式多样,VHDL语言具有强大的硬件描述能力,只需采用简单明确的程序就可以描述十分复杂的硬件电路,具有多层次的电路设计描述功能。VHDL语言设计方法灵活多样,既支持自顶向下的设计方式,也支持自底向上的设计方法;既支持模块化设计方法,也支持层次化设计方法。

四选一数据选择器真值表如表1所示。 四选一数据选择器的VHDL描述如下: ENTITY mux4 IS

PORT (a,b,c,d: IN STD_LOGIC;

sel: IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); y: OUT STD_LOGIC); END mux4;

ARCHITECTURE rtl OF mux4 IS BEGIN y

b WHEN sel=”01”ELSE c WHEN sel=”10”ESLE d; END rtl;

由上段程序可见VHDL语言的设计描述与器件无关,采用VHDL语言描述硬件电路时,设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化,而不需要考虑其他的问题。当硬件电路的设计描述完成以后,VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。 5 结语