数字电路论文数字时钟设计论文

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数字电路虚拟实验教学方法应用研究摘要：分析了数字电路教学存在的不足，针对数字电路学习和设计中的问题，将多种流行的EDA工具集成起来，构建了集成化、网络化的虚拟实验教学平台，融入多门课程教学内容，阐述了EDA技术在平台中的应用，介绍了虚拟实验仿真教学的理论、方法和实现过程，描述了虚拟实验平台的组成结构、教学内容组织、软件系统设计和实现方法，给出了数字电路教学的应用案例。

关键词：EDA；FPGA；虚拟实验；仿真平台

数字电路在计算机专业教学和计算机应用领域占有非常重

要的地位，而数字电路的学习由于受到实验设备、实验材料、技术手段、应用环境的制约，往往收不到良好的学习效果。由于新技术、新产品不断更新，对现有的教学理念、教学资源、教学手段提出了更高的要求，现有的实验环境和资源已无法满足教学需要，面临着更新换代的压力。而更新设备需要大量的资金投入，对于办学经费本已经很紧张的高校来说，矛盾尤其突出。这种状况已经影响到了教学工作的顺利进行。因此，虚拟实验室的概念应运而生，通过虚拟实验来改善教育教学环境，提高教学质量。虚拟实验教学环境是指开展虚拟实验教学所需的环境，包括硬件和软件环境两部分。[1] EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）工具在数字电路的设计中也得到了广泛应用。EDA是以计算机大规模可编程器件的开发软件及实

验开发系统为设计工具，通过开发软件，自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的实现。[2]本文在此基础上做了数字电路虚拟实验教学方法的改革与探讨，提出了集成化、网络化解决方案，把虚拟实验室理论和EDA工具结合起来，引入EDA仿真技术，即时地以图形、数字或曲线的形式来显示理论课程中难以用语言、文字表达或难以理解的现象极复杂的变化过程。[3]将数字电路教学中涉及到的课程、理论、技术集成起来，构成一个内容丰富、技术先进，理论、实验、仿真相结合的数字电路虚拟实验教学仿真平台，丰富了教学手段。

一、教学中存在的不足

目前，许多高校数字电路教学还采用下列教学方法，但往往因受到制约而收不到良好的教学效果。

1.手工操作法

根据实验内容和要求，设计实验电路；以简单的实验板为载体，以简单门电路、电子元件、导线、开关、LED为主，搭建实验电路；通过开关的不同组合，人为地给电路提供输入信号，观察LED亮、灭的状态，判断电路设计正确与否。由于电子元件和门电路等实验材料的种类和数量有限，实验方案的设计往往受到限制；有效的实验方案，也只能通过现有的材料来实现。简单的实验方案由于涉及到的材料较少，实现起来较为方便。对于复杂的实验方案，涉及到的电子元

件、门电路、导线等数量众多，在实验板上手工进行元件布局、导线连接比较困难并且容易出错，导致实验的返工或失败，从而影响到教学实验的顺利进行，无法保证教学质量。

2.半自动操作法

采用专用实验仪器，如数字逻辑、计算机原理等的专用实验仪器。优点在于大部分的基础电路已经事先设计好了，学生做实验时可根据仪器提供的电路、材料、实验方案来完成教学内容的验证实验。由学生自己搭建的线路较少，减少了出错的机会，可以保证实验的顺利进行。正是由于大部分电路已经设计好了，同时仪器提供的实验电路有限，从而使得实验内容、方案、电路的设计受到极大制约，对于复杂的、大规模的实验电路无法实现，尤其是一些创新性、开放性的实验无法完成。

3.自动操作法

采用专用的FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实验板，如Altera 的DE0、DE2等。由于FPGA的可编程特性，通过软件设计实验方案、实验电路，并对电路进行功能仿真、时序仿真，验证通过后，根据FPGA的具体型号，手工分配引脚，确定输入、输出逻辑关系，将电路的编程文件下载到实验板，通过实验板上的开关提供输入信号，通过LED、LCD的输出状态来验证电路设计的正确性。由于FPGA的型号不同，内部的逻辑单元的种类、

数量不同，同时实验板上的开关、LED、LCD等资源有限，使实验方案的设计、电路的设计也受到限制，只能满足基本的教学需要。无法满足对大型的、复杂的、综合性的数字电路系统设计和实验要求。

以上方法都存在共同的不足之处，即实验设备、材料、资源有限。随着技术的不断发展，教学理论、实验内容的不断更新，现有设备面临着落后、被淘汰的局面，无法满足教学要求，会极大地影响教学工作。

二、虚拟实验室的建立

本文针对以上情况，提出虚拟实验教学方法，建立虚拟实验室，引入EDA仿真工具，开展虚拟和仿真实验教学理论、方法的研究与探讨，目的在于解决资源不足、技术落后的问题，可以有效地保证教学的顺利进行。

数字电路虚拟实验室由一个学习网站和相关的学习系统模

块组成。网站提供一个具有用户管理、教学资源和案例组织、学习环境建立、仿真实验等功能的平台。其中的系统模块由以下几部分组成。

1.EDA学习

平台中集成了Quartus Ⅱ、ModelSim、MATLAB、DSP Builder、SOPC Builder、Nios Ⅱ IDE等优秀的EDA仿真工具，为数字电路理论学习、实验方案设计、数字电路设计、电路的功能和时序验证提供

了良好的学习和实验的仿真环境。通过对这些工具的学习，可以提高学生数字电路设计和学习能力。

2.语言学习

数字电路的设计，除了采用原理图的形式进行描述以外，更多的是采用HDL硬件描述语言进行设计，尤其是复杂的数字电路。平台中提供了VHDL和Verilog HDL等硬件描述语言的学习环境，建立了大量的语言学习案例，给出了仿真结果，以方便学生的学习。

3.基本门电路学习

以数字电路中的基本门电路如与、或、非、与非、或非、异或、同或等为基础，为学生提供数字电路学习和设计的基本知识、基本原理和简单电路的设计方法，使其掌握数字电路的实验、仿真、验证方法，为数字电路的学习打下坚实的基础。

4.组合电路学习

以数字电路中的触发器、译码器、锁存器、寄存器、计数器、选择器、分配器、比较器、算术逻辑单元等中规模电路为基础，培养学生分析、设计、实现中规模集成电路的能力，加深对数字电路理论的理解，为设计复杂的数字电路打好基础。

5.同步时序电路学习