适应专业认证的数字逻辑电路实验改革与实践

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 适应专业认证的数字逻辑电路实验 改革与实践 【摘 要】针对开展工程教育专 业认证背景下，分析了目前数字逻辑实 验存在的问题；通过分析开展工程教育 专业认证的标准，提出适应专业认证的 数字逻辑电路实验的改革方案，包括优 化实验内容，加强实验预习环节管理， 加大 EDA 实验技术内容，优化网络资 源，改革考核方式等。实践结果表明， 改革方案是可行的。 中国论文网 /8/view-12932840.htm 【关键词】数字电路；专业认证； 教学内容；EDA 技术 中图分类号： TN791-4 文献标 识码： A 文章编号： 2095- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 2457（2017）26-0082-003 The Experimental Reform and Practice of Digital Logic Circuit Adapted to Professional Certification CAI Chun-Xiao ZHOU Wei MENG De-Ming LI Yan-Long （National Demonstration Center for Experimental electronic circuit Education （Guilin University of Electronic Technology） ，Guangxi Guilin，541004，China） 【Abstract】In view of the development of engineering education background of professional certification， analyzes on the problems existing in the digital logic experiment； through the analysis of the development of engineering education accreditation standard proposed to adapt to the reform scheme of the professional certification of digital logic circuit experiment， including the -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 optimization of the experimental content， to strengthen the management of experiment preview link， increase the content of EDA technology， optimize the network resources， reform the examination mode. The practical results show that the reform scheme is feasible. 【Key words】Digital circuits； Professional certification；Teaching content；EDA S 着高等工程教育改革不断推 进，工程教育专业认证已成为一种趋势。 工程教育专业认证标准重视考察学生综 合运用所学科学理论和技术手段，分析 并解决工程问题的基本能力；除了要求 学生掌握必要的工程基础知识，接受本 专业的实验技能工程实践、计算机应用、 科学研究与工程设计方法的基本训练外， 还应该具有创新意识，对新产品、新工 艺、新技术和新设备进行研究、开发和 设计的初步能力。实践教学不仅对学生 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 理论联系实际、加深对理论的感性认识 有着非常重要的作用，同时也是实现应 用型人才培养目标的主要途径，对学生 整体工程素养、工程知识、工程能力的 提高起着重要作用。在工程教育专业认 证通用标准中列出了实验环节的评估指 标，从更加贴近工程实践、贴近企业界 人才需求的角度对教学内容、教学方法、 考核等方面进行了详细规定。因此，依 托工程教育专业认证标准，对电子信息 类实验课程进行改革，加强实验环节对 产业发展的适应性，使学生更贴近企业 和社会的需求，是保证工程应用型人才 培养质量的必然趋势。本文介绍适应专 业认证的数字逻辑电路实验改革与实践 经验。 1 目前存在的问题 实验室于 2005 年配置了 ALTERA 公司的 ED2 开发板，并于同 年投入本科生和研究生教学活动中，在 这些年本科生的教学活动中数字逻辑电 路实验主要存在如下几方面的矛盾与不 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 足： （1）虽然 DE2 开发板上集成了 丰富的外设，但是要使用这些外设要求 学生具备相当的专业知识，某些专业即 使具备相应的知识，但是由于学时数限 制在 2 个学时甚至是 4 个学时的时间段 内绝大部分同学不可能完成一个比较完 整的小系统级电路的设计与调试； （2）虽然数字逻辑电路实验加 强了实验的预习情况的检查，但是在实 际过程中还是发现相当一部分同学的实 验预习流于表面不够深入； （3）虽然已经加大了实验开放 的力度，也存在相当一部分学有余力的 学生“吃不饱 ”，这主要表现在需要更多 的开放时间和更加有“ 挑战性 ”的实验项 目。 2 改革思路 通过解读专业认证的标准以及目 标，发现目前数字逻辑电路实验的内容 和结构不太适应专业认证的要求。主要 表现为：现有的数字逻辑电路实验的开 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 设方式以 74 系列数字芯片为主要目标 器件的硬件实验和以 DE2 开发板为主 要平台的 EDA 实验两个部分相结合， 但硬件实验为主、EDA 实验为辅的方 式；受教学时数的限制，EDA 实验的 目的主要是让学生了解业界新技术新方 法，所以这部分实验开设得较浅显不够 深入；74 系列数字芯片在业界的使用日 趋减少，而 EDA 技术的使用范围和深 度都在扩大，从实验内容看学生所学知 识、技能和业界主流技术之间的差距在 不断加大。因此为使得数字逻辑电路实 验更加适应于专业认证的要求，拟通过 增加 EDA 实验在整个实验课程中的比 重为主来进行相应的教学改革。 针对卓越班的学生进一步增设基 于 EDA 的实验项目，使得课程能够与 当前业界新技术接轨，加大系统级电路 实验的数量，同时在项目中注重引导学 生对功耗、性能、可靠性的等系统性能 方面的关注，使学生在实验中能获得系 统级设计的初步感性认识，使得专业基 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 础类实验教学更加贴近工程性。 3 实践方案 3.1 对实验内容的整合与拓展 数字逻辑电路是电子信息类专业 一门重要的专业技术基础课程。该课程 中基本门电路的实现原理以模拟电子技 术为基础；555 时基电路及其应用以模 拟电子技术和电路分析为其基础；组合 逻辑电路中的编码器、译码器、数据选 择器、全加器半加器等是学习微机原理、 接口技术等课程的重要基础；集成触发 器组成的锁存器，移位寄存器等和时序 电路的计数器等也是学习后续计算机类 课程的基础；数字逻辑电路中还包括了 计算机通信等领域广泛应用的 A/D 和 D/A 转换的硬件实现原理和过程。因此， 数字逻辑电路是一门承前启后的技术基 础课。近年来，随着新技术发展，数字 逻辑电路理论教学相应增加了可编程器 件的内容。 结合理论课程的特点，我们对实 验的内容进行了整合与拓展。具体如下： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 第一、保留了 TTL 和 CMOS 集 成逻辑门的逻辑功能于参数测试，时基 电路 555 的功能及应用。该两个实验内 容涉及到电路分析和模拟电子线路的知 识比较多，又具有数字逻辑电路自身的 特点。同时理论课讲述原理性的较多， 涉及到逻辑器件电物理特性参数的内容 少，该实验有助于学生了解工程应用中 逻辑器件的使用范围和条件。这是俩个 传统的实验内容，我们保留并作了适当 的强化，例如要求学生对比 CMOS 和 TTL 门电路的特性；要求学生对由 555 构成的单稳态触发器和多谐振荡器作理 论的分析和实验结果的对比，并找出实 验结果和理论分析存在差异的原因，目 的是为了更好的和理论联系，激发学生 的学习热情和兴趣。 第二、新增了 A/D，D/A 实验， 保留并修改了集成触发器的应用内容及 计数器的应用内容。这是后续课程如计 算机组成原理，接口技术等计算机类课 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 程的电路基A，对这些内容安排实验， 加深其体会，有利于学生后续课程的学 习与理解。A/D，D/A 属于新设实验， 集成触发器的应用和计数器的应用属于 原有实验项目。考虑到学生学习后续课 程的需要，加深加宽了实验内容。 第三、增加了组合逻辑中的竞争 冒险观察实验和基本逻辑门的延时测量 实验。很多理论教材对竞争冒险讲得很 少或者忽略没讲；数字逻辑门电路的延 时在理论教学和实验教学中都是容易忽 略的问题，为让实验更加接近工程实践， 培养学生的工程意识，我们新设了该实 验。 第四、增设了 EDA 实验内容。 我校现代数字逻辑电路的理论教学已包 括可编程逻辑器件的内容。开设 EDA 的硬件条件是 Altera 公司 DE2 开发学 习板。DE2 板主要是面向 Nios/SOPC 的设计与实验板，但其上也包含了 16 个 LED 指示灯， 18 路拨动开关， 8 个 数码管，4 个按键开关，适合于数字电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 路的初学者完成一些简单的数字逻辑电 路的设计。根据其结构，我们设计了 8 路抢答器、数字钟、流水灯等实验内容 供学生任选其一完成设计。同时，在该 设计性实验内容前安排了一次 Quartus软件使用及 DE2 实验板使用 实验，为学生使用该开发板提供基础。 3.2 加强预习环节管理，革新传 统预习报告和实验报告书写模式 传统的预习报告和实验报告内容 空洞，不外乎包括实验目的、实验仪器、 实验原理、实验过程等几部分，这种格 式的报告既不考虑实验类型的差别，也 不考虑实验内容的不同。由于针对性、 引导性不强，绝大多数学生不知道预习 报告和实验报告写什么，多数学生只是 把实验名称、实验目的和简单的实验原 理等书上的内容抄一遍，对于实验所涉 及的基本操作及其原理和各种关键性问 题反而没有预习，对一些必要的设计环 节应付了事。针对以上问题，根据每个 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 实验项目的具体内容设计一体化的实验 预习和实验报告格式，类型主要分验证 性实验和设计性实验，引导学生根据具 体实验内容有针对性的主动进行课外预 习，高质量的完成预习报告，把有限的 实验课有效的延伸到课外，改变学生对 实验讲解的过多依赖，以便在有限的实 验时间内更好的操作、观察、思考和总 结实验，提高学生的实验能力和思考能 力，使学生书写预习报告和实验报告不 停留于形式和应付的思想，提高学生的 积极性和自觉性。 3.3 加大 EDA 实验技术内容 措施一：研发了一款低成本的 CPLD 实验小开发板发放给学生，学生 可以利用课余时间在寝室就以达到来实 验室做实验或做预习，解决学生“吃不 饱”的问题，同时要求学生的所有实验 预习（包括基于 74 系列数字芯片的实 验）首先在该 CPLD 上完成。 CPLD 最 小板采用 Altera 公司的可编程 PLD 器 件 Max7000S 系列的 EPM7064SLC44- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 10 为核心器件，该 CPLD 器件为 PLCC-44 封装，方便学生焊接。 CPLD 器件 I/O 接口与输入输出器件（开关、 按键、发光二极管、数码管、555 多谢 震荡信号源等）全部采用固定连接，使 用时向学生提供 PLD 与外围器件管脚 对照表。学生先将给定的 CPLD 最小电 路板装配完成，并调试，使电路板能够 正常下载程序，然后自主选题，完成一 个特定项目的实验。学生可根据自己的 实验需要在 Quartus 开发软件中画符合 软件要求的电路图或编程，然后进行相 关配置（即管脚设定）及调试下载验证。 实验方法从传统的硬件搭试方式转到了 软件设计、仿真调试电路系统的实验方 式，使传统硬件设计方式用 EDA 技术 来实验。通过该环节，学生掌握了硬件 装配知识，焊接调试能力，程序设计分 析能力，激发了学生学习的自觉性和主 动性。 措施二：研发了一款同时兼容 DE2 和上述的 CPLD 实验开发板的外设 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 小模块，来开设一些适合刚学习数字逻 辑电路课程的学生完成的规模较小系统 级的实验项目，解决上述的矛盾，即 DE2 开发板丰富外设同要求学生具有相 应专业知识和对学时数的要求之间的矛 盾。A/D 转换器和 D/A 转换器是连接数 字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息 技术中具有举足轻重的作用，因此学习 AD、DA 转换原理。而 DE2 本身不具 备 AD/DA 转换模块，需要利用 DE2 预 留的扩展接口设计 AD/DA 转换模块。 A/D 转换器采用 ADC0809 芯片，D/A 转换器 DAC0832 芯片。利用 AD 转换 模块，可实现较为复杂的数字系统设计， 如电压表的实现，学习用状态机对 A/D 转换器 A