發(fā)布時(shí)間：2023-03-21 17:07:58
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的數(shù)字電路設(shè)計(jì)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)，項(xiàng)目化教學(xué)方法，課程改革
EDA技術(shù)是以數(shù)字電子技術(shù)課程知識(shí)為基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)實(shí)踐性、工程性的專業(yè)課程。將數(shù)字電路設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單元器件單元電路設(shè)計(jì)，EWB軟件仿真提到了更高一級(jí)的可編程操作平臺(tái)上，進(jìn)一步鞏固和提高學(xué)生電子電路綜合設(shè)計(jì)能力。但是，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是將兩門課程分開，先上數(shù)字電路，后上EDA技術(shù)，分兩學(xué)期授課。這樣的教學(xué)模式存在弊端，減弱了課程之間的聯(lián)系，降低了學(xué)生對(duì)數(shù)字電路理論的認(rèn)識(shí)程度。通過對(duì)EDA技術(shù)課程的教學(xué)改革，以實(shí)訓(xùn)的方式采用項(xiàng)目教學(xué)法，使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)掌握EDA技術(shù)基礎(chǔ)及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從數(shù)字系統(tǒng)的單元電路，如譯碼器、計(jì)數(shù)器等入手，加深對(duì)數(shù)字電路基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)，逐漸完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1. EDA技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)用
1.1 EDA技術(shù)
EDA技術(shù)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic DesignAutomation)是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果而形成的一門新技術(shù)畢業(yè)論文格式，是一種能夠設(shè)計(jì)和仿真電子電路或系統(tǒng)的軟件工具。采用”自頂向下”的層次化設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。圖1為一個(gè)典型的EDA設(shè)計(jì)流程。
圖1 EDA設(shè)計(jì)流程圖
1.2 EDA技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用
在教學(xué)過程中，EDA技術(shù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，以及配有輸入輸出器件(開關(guān)、按鍵、數(shù)碼管、發(fā)光二極管等)、標(biāo)準(zhǔn)并口、RS232串口、DAC和ADC電路、多功能擴(kuò)展接口的基于SRAM的FPGA器件EDA硬件開發(fā)平臺(tái)，使得在電子設(shè)計(jì)的各個(gè)階段、各個(gè)層次可以進(jìn)行模擬驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)過程的正確性。從而使數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來更加容易，讓學(xué)生從傳統(tǒng)的電路離散元件的安裝、焊接、調(diào)試工作中解放出來，將精力集中在電路的設(shè)計(jì)上。同時(shí)，采用EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)，不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，方便學(xué)生對(duì)電路進(jìn)行修改、升級(jí)，讓實(shí)驗(yàn)不在單調(diào)的局限于幾個(gè)固定的內(nèi)容，使教學(xué)更上一個(gè)臺(tái)階，學(xué)生的開發(fā)創(chuàng)新能力進(jìn)一步得到提高。
2.課程教學(xué)改革實(shí)施
2.1課程改革思路
課程改革本著體現(xiàn)鞏固數(shù)字電路基礎(chǔ)，掌握現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的原則來處理和安排EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容。打破傳統(tǒng)的從EDA技術(shù)概述、VHDL語言特點(diǎn)、VHDL語句等入手的按部就班的教學(xué)方法，以設(shè)計(jì)應(yīng)用為基本要求，開發(fā)基于工作過程的項(xiàng)目化課程，以工作任務(wù)為中心組織課程內(nèi)容，讓學(xué)生在完成具體項(xiàng)目的過程中來構(gòu)建相關(guān)理論知識(shí)。將EDA技術(shù)分為四個(gè)方面的內(nèi)容，即：可編程邏輯器件、硬件描述語言、軟件開發(fā)工具、實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，其中，可編程邏輯器件是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體，硬件描述語言是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具,實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下載工具及硬件驗(yàn)證工具。采用項(xiàng)目化教學(xué)方法，以實(shí)訓(xùn)的方式展開，讓學(xué)生在“學(xué)中做，做中學(xué)”。
2.2課程改革措施
以電子線路設(shè)計(jì)為基點(diǎn)，從實(shí)例的介紹中引出VHDL語句語法內(nèi)容。在典型示例的說明中，自然地給出完整的VHDL描述，同時(shí)給出其綜合后的表現(xiàn)該電路系統(tǒng)功能的時(shí)序波形圖及硬件仿真效果。通過一些簡(jiǎn)單、直觀、典型的實(shí)例畢業(yè)論文格式，將VHDL中最核心、最基本的內(nèi)容解釋清楚，使學(xué)生在很短的時(shí)間內(nèi)就能有效地掌握VHDL的主干內(nèi)容，并付諸設(shè)計(jì)實(shí)踐。這種教學(xué)方法突破傳統(tǒng)的VHDL語言教學(xué)模式和流程，將語言與EDA工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果，同時(shí)大大縮短了授課時(shí)數(shù)。表1為課程具體內(nèi)容及實(shí)訓(xùn)學(xué)時(shí)分配。
能力
目標(biāo)
學(xué)習(xí)情境
項(xiàng)目載體
課時(shí)
QuartusⅡ開發(fā)工具使用能力
QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
二選一音頻發(fā)生器設(shè)計(jì)
6
VHDL語言編程能力
VHDL語言基本結(jié)構(gòu)
計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)
6
VHDL語言并行語句
8位加法器設(shè)計(jì)
8
VHDL語言順序語句
7段數(shù)碼顯示譯碼器設(shè)計(jì)
8
VHDL語言綜合運(yùn)用
數(shù)控分頻器的設(shè)計(jì)
8
層次化調(diào)用方法
4位加減法器的設(shè)計(jì)
4
綜合開發(fā)調(diào)試能力
8位16進(jìn)制頻率計(jì)設(shè)計(jì)；
十字路通燈設(shè)計(jì)；
數(shù)字鐘設(shè)計(jì)；
波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，等。
(任選一題)
20
總計(jì)
關(guān)鍵詞：脈沖與數(shù)字電路；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）10-0019-02
一、引言
《脈沖與數(shù)字電路》是電子信息、通信、計(jì)算機(jī)控制等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是面向我院很多專業(yè)的一門基礎(chǔ)課。隨著“數(shù)字時(shí)代”的到來，該課程的作用與地位與日俱增。這不僅因?yàn)槠淅碚撝R(shí)在工科專業(yè)中占有重要的基礎(chǔ)性地位，更重要的這是一門理論聯(lián)系實(shí)際非常緊密的課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握課程的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，為深入學(xué)習(xí)后續(xù)課程并與有關(guān)專業(yè)的結(jié)合打好基礎(chǔ)。
二、教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容改革
調(diào)整脈沖與數(shù)字電路課程的授課學(xué)期，建立層次化、模塊化的教學(xué)體系，對(duì)課程重新進(jìn)行整合。整合后的脈沖與數(shù)字課程包括：“理論體系”、“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”、“電路仿真”以及“課程設(shè)計(jì)”。調(diào)整了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段等方面進(jìn)行了改革，進(jìn)一步精簡(jiǎn)小規(guī)模器件和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的介紹，加強(qiáng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的討論，提高了“脈沖與數(shù)字電路”課程的教學(xué)水平，使學(xué)生了解、掌握數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展的最新知識(shí)。注重將課堂教學(xué)向課外延伸，鼓勵(lì)學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)理論知識(shí)，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室自行開展創(chuàng)新活動(dòng)，學(xué)生通過理論與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，提高了自身的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。依托綜合性大學(xué)文化優(yōu)勢(shì)，以大學(xué)生科技活動(dòng)延伸課堂教育，積極開展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)掌握的數(shù)字電路設(shè)計(jì)理論知識(shí)，在電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室開發(fā)小制作等，通過理論與實(shí)際的結(jié)合，提高了自身的實(shí)踐能力和創(chuàng)新。
1.緊跟數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，適時(shí)引進(jìn)新的教學(xué)內(nèi)容。（1）“教、學(xué)、做相結(jié)合”的教學(xué)方法。教學(xué)中每章都從最基本的應(yīng)用實(shí)例出發(fā)，由實(shí)際問題入手通過技能訓(xùn)練引入相關(guān)知識(shí)和理論，由實(shí)訓(xùn)引出相關(guān)概念及相關(guān)電路。（2）“循環(huán)式”教學(xué)方法。通過實(shí)訓(xùn)得到感性認(rèn)識(shí)、定性認(rèn)識(shí)。在簡(jiǎn)單電路的基礎(chǔ)上通過逐步完善的方式一步一步組合成復(fù)雜系統(tǒng)，通過對(duì)基本電路的多次重復(fù)，以循環(huán)向上的方式達(dá)到更高的程度。（3）“支架式”教學(xué)方法。將知識(shí)點(diǎn)分成基本邏輯器件、基本邏輯器件構(gòu)成的數(shù)字電路、基本數(shù)字電路構(gòu)成的簡(jiǎn)單數(shù)字電路應(yīng)用系統(tǒng)等模塊，每個(gè)模塊處于不同的層次，只有掌握了前面的模塊，才能學(xué)習(xí)后面的模塊，就像攀登支架一樣。
2.多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)方法。針對(duì)這門課程的教學(xué)特點(diǎn)，在授課過程中采用課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互交叉融合的教學(xué)結(jié)構(gòu)；制作《脈沖與數(shù)字電路》電子課件，利用多媒體等現(xiàn)代化教學(xué)手段教學(xué)；準(zhǔn)備建立《脈沖與數(shù)字電路》課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，充分利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所占比例高，實(shí)踐環(huán)節(jié)改革力度大。增加了軟件仿真環(huán)節(jié)，在教學(xué)內(nèi)容上更加注意體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)要求的背景知識(shí)的教學(xué)特色，將最新的知識(shí)與技術(shù)納入教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)將科研和教學(xué)改革中與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的成果引入教學(xué)過程中，通過理論與實(shí)際的結(jié)合，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。
3.全新的考試方式。期末考試采用純理論試卷考試，占60%的成績(jī)；平時(shí)采用階段考試和實(shí)驗(yàn)考核結(jié)合的方式，分別給出成績(jī)，結(jié)合平時(shí)的出勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)等方面給出40%的平時(shí)成績(jī)。
三、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革
在教學(xué)方法上，改變傳統(tǒng)的“滿堂灌”的教學(xué)模式，倡導(dǎo)并采用研究型學(xué)習(xí)。如針對(duì)“計(jì)算機(jī)輔助邏輯化簡(jiǎn)”、“計(jì)算機(jī)輔助狀態(tài)化簡(jiǎn)”等專題讓學(xué)生查閱資料、撰寫小論文，開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。并讓學(xué)生走上講臺(tái)介紹各自的研究結(jié)果，鍛煉了學(xué)生的綜合素質(zhì)，取得了很好的效果。為了使學(xué)生學(xué)習(xí)、了解器件的基本知識(shí)和使用方法，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，自己到市場(chǎng)選擇器件，使學(xué)生在實(shí)際工作中了解器件的價(jià)格，掌握器件選購(gòu)的方法和注意事項(xiàng)，為今后走向社會(huì)打好基礎(chǔ)。教師注重將科研成果轉(zhuǎn)化成本科教學(xué)的內(nèi)容，一方面體現(xiàn)在編寫的教材中，另一方面將自己的科研成果、工程設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)融入課堂教學(xué)中。如各種集成電路的特點(diǎn)、選擇方法以及正確使用方法等，如何根據(jù)集成電路的帶負(fù)載能力，在滿足應(yīng)用需求的條件下，正確選擇拉電流負(fù)載或灌電流負(fù)載以及采取必要的驅(qū)動(dòng)方式。這種理論結(jié)合實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，取得了非常好的效果。注重將課堂教學(xué)向課外延伸。以大學(xué)生科技活動(dòng)延伸課堂教育，積極開展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)掌握的數(shù)字電路設(shè)計(jì)理論知識(shí)，通過理論與實(shí)際的結(jié)合，提高了自身的實(shí)踐能力和創(chuàng)新。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的教學(xué)手段必須體現(xiàn)在整個(gè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中。本課程的特點(diǎn)是內(nèi)容豐富、圖表較多，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)有一定的困難，而采用多媒體技術(shù)將復(fù)雜的圖表直觀、形象地展示出來，不僅便于教師的講解和學(xué)生的學(xué)習(xí)，而且還將大大增加課堂的信息量，解決課時(shí)少、內(nèi)容多的矛盾。但是課堂教學(xué)不能完全依靠多媒體課件，從調(diào)動(dòng)學(xué)生思維、加強(qiáng)師生互動(dòng)和循序漸進(jìn)講解以便學(xué)生理解等方面考慮，目前“脈沖與數(shù)字電路”課程中主要采用了PowerPoint課件和板書相結(jié)合的方法，可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，效果較好。利用脈沖與數(shù)字電路課程網(wǎng)站，將教學(xué)內(nèi)容制作成視頻資源、課件等資源鏈接等放在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)突破空間、距離限制的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生能夠最大限度地利用學(xué)習(xí)資源，自主地學(xué)習(xí)和提高，彌補(bǔ)課堂上未能及時(shí)消化吸收的部分內(nèi)容。
四、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方法的改革
在傳統(tǒng)的教學(xué)理念中，長(zhǎng)期存在著重視理論教學(xué)而輕視實(shí)踐教育的問題。教師只注重對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的講授與輔導(dǎo)，相對(duì)忽視了理論知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用，這導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力普遍偏低。此外，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是作為理論教學(xué)的補(bǔ)充，并不單獨(dú)設(shè)課，而且試驗(yàn)內(nèi)容往往都是驗(yàn)證性的，雖然能夠使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，但是會(huì)在一定程度上造成學(xué)生的思維局限于相應(yīng)的理論課程。從總體教學(xué)計(jì)劃上來說，相對(duì)于理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)較少，這讓學(xué)生沒有足夠的時(shí)間消化實(shí)驗(yàn)老師講解的內(nèi)容，只能被動(dòng)地按照要求完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而不能有效利用做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)踐能力的培養(yǎng)。
1.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效率。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上，要改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，采用多樣化的實(shí)驗(yàn)課程組織方式。在實(shí)驗(yàn)課上教師可以只對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解，對(duì)稍微復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，給學(xué)生更大的自由發(fā)揮的空間。這樣學(xué)生會(huì)根據(jù)老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，積極開動(dòng)腦筋，嘗試采用不同的試驗(yàn)方法來解決問題，從而達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。根據(jù)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的形勢(shì)，逐步改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，充分利用多媒體等現(xiàn)代化教學(xué)手段于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理化系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)與監(jiān)控系統(tǒng)，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，熟悉儀器工作原理和使用方法，從而充分利用實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和教學(xué)水平。
2.提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新型模式，建立“以人為本”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革，增加實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生的吸引力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐的積極性。改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，變以老師為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式為教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生平等開放的教學(xué)方式，提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣。鼓勵(lì)學(xué)生認(rèn)真對(duì)待電子信息類專業(yè)中的每一個(gè)基礎(chǔ)的和專業(yè)的實(shí)驗(yàn)，把那種“質(zhì)疑一切，一絲不茍，勇于探索，努力學(xué)習(xí)，大膽動(dòng)手”的精神，貫穿于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)之中。循序漸進(jìn)，通過由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由一般到個(gè)別的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的。學(xué)生在做完基本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，在學(xué)有余力的前提下，可以根據(jù)個(gè)人的興趣和愛好，選擇參加一些層次較高的具有綜合性和研究性的開放性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容大多是來源于具體的橫向的項(xiàng)目或縱向的科學(xué)研究與技術(shù)革新課題，具有先進(jìn)性、綜合性和科研性。教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)，應(yīng)發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、敢于實(shí)踐的進(jìn)取精神。同時(shí)要鼓勵(lì)學(xué)生以市場(chǎng)為導(dǎo)向，尋找科研開發(fā)群體，運(yùn)用集體的智慧和力量，進(jìn)行創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生獲得發(fā)揮創(chuàng)造才能的機(jī)會(huì)。這種開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，拓寬學(xué)生知識(shí)面，增長(zhǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的有效途徑。
五、結(jié)論
通過以上各項(xiàng)改革，提高了學(xué)生分析問題、綜合問題、解決問題的能力，既滿足學(xué)生對(duì)知識(shí)的渴求，又培養(yǎng)了獨(dú)立探索、富于創(chuàng)新、勇于開拓的精神；具有生動(dòng)、形象、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)；加強(qiáng)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的講授和討論；注重將新技術(shù)和教師的最新科研成果、工程設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)融入課堂教學(xué)中，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性；注重將課堂教學(xué)向課外延伸，積極開展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)；通過理論與實(shí)際的結(jié)合，進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;數(shù)字電路;課程改革;教學(xué)方法
【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009―8097(2010)07―0147―04
一 前言
數(shù)字電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)及通信類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力,因此,生動(dòng)形象的課堂教學(xué)和全面的實(shí)驗(yàn)體系對(duì)教學(xué)效果和知識(shí)的應(yīng)用能力有著非常重要的作用。然而,由于實(shí)驗(yàn)儀器的的老舊,數(shù)量有限,使得實(shí)驗(yàn)的開出率以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展都受到限制。為順應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展,實(shí)施的現(xiàn)代化遠(yuǎn)程開放教育,將計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路教學(xué)中。其中理論教學(xué)結(jié)合多種教學(xué)方法和現(xiàn)代化的教育技術(shù),將基礎(chǔ)知識(shí)和理論形象地表現(xiàn)出來,有助于學(xué)生理解。課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)都利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件將所學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際,并加以應(yīng)用,在此研究基礎(chǔ)上提出了基于虛擬仿真技術(shù)的所有電子技術(shù)課程教學(xué)的新模式。
二 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù),簡(jiǎn)稱VR,涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境――虛擬環(huán)境,可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界(甚至是不存在的)的事物和環(huán)境,人投入到這種環(huán)境中,立即有“親臨其境”的感覺,并可親自操作,與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互[1]。
計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù),是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征,并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實(shí)體。實(shí)體可以是模擬器,也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng),更多的是計(jì)算機(jī)。實(shí)體在虛擬仿真軟件所提供構(gòu)建的環(huán)境中相互作用,以表現(xiàn)客觀世界的真實(shí)特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征,可以滿足現(xiàn)代教育的發(fā)展需求[1]。
三 課程教學(xué)的若干問題及改革研究
對(duì)于理論教學(xué)環(huán)節(jié),首先是教學(xué)內(nèi)容陳舊。當(dāng)前大中專院校所用的教材內(nèi)容都是十幾年前的,即便是近幾年出版的教材,也只是內(nèi)容的深淺不同,體系結(jié)構(gòu)基本相同。比如教材中主要說明的74LS系列的芯片在目前實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)被淘汰,真正是學(xué)的沒用,用的沒學(xué)?，F(xiàn)在的學(xué)生在學(xué)習(xí)中,非常關(guān)注所學(xué)知識(shí)的實(shí)用性,如果不能學(xué)以致用,就影響到學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。因而在課程教學(xué)中要及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容,講解傳統(tǒng)芯片的同時(shí)多介紹一些現(xiàn)在普遍使用的芯片,當(dāng)然也要根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)程度,最大可能激發(fā)學(xué)生的興趣[3]。
其次是教學(xué)方法。常用的教學(xué)方法無非就是這幾種:講授法、討論法、談話法、閱讀指導(dǎo)法。根據(jù)課程的特點(diǎn)和教學(xué)要求,不能一成不變的套用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。這些方法對(duì)有些課程很有效,但是對(duì)計(jì)算機(jī)課程不一定全部適合,因此需要探索適合本課程需求的新的教學(xué)方法。筆者在教學(xué)中通常有如下幾種方法:講授法,這是傳統(tǒng)的教學(xué)方法,教師口述基本事實(shí)、原理和推理過程。部分定理,原理及產(chǎn)品采用講授法。例舉法,就是以典型例題說明某個(gè)定理或元件的應(yīng)用,這是本課程用的最多的一種方法。在數(shù)字電路課程中有很多芯片的實(shí)際應(yīng)用,有些是針對(duì)某部分內(nèi)容的很典型的例子,這些例子對(duì)于學(xué)生理解和掌握此部分知識(shí)非常有用。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法,就是教師布置一些運(yùn)用某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的題目,要求學(xué)生在課堂上有限的時(shí)間里做出來,并檢查完成情況。這樣學(xué)生對(duì)該節(jié)課所學(xué)知識(shí)從理論到應(yīng)用有了一個(gè)全方位的認(rèn)識(shí),而且對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)掌握得都比較透徹,這是近年來比較流行的一種教學(xué)方法,也是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程特有的一種教學(xué)方法,對(duì)提升教學(xué)效果有顯著作用。
再次是教學(xué)手段,不是單純的使用多媒體課件,而是結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)特點(diǎn)引入現(xiàn)代化教育技術(shù)和手段,很多典型例題用計(jì)算機(jī)仿真軟件在課堂驗(yàn)證,讓學(xué)生直觀形象地了解電路的工作情況,從而掌握電路或芯片的應(yīng)用。
對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),首先是實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)陋。很多高校數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括我校仍然使用老式實(shí)驗(yàn)箱,即由固定數(shù)字電路芯片搭建的實(shí)驗(yàn),學(xué)生只能按實(shí)驗(yàn)教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)按步驟做固定的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是以芯片講解為主,目的是對(duì)芯片功能進(jìn)行驗(yàn)證。因此學(xué)生把實(shí)驗(yàn)課當(dāng)完成任務(wù),實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)沒有促進(jìn)教學(xué),相反影響了教學(xué)效果。很多新的芯片不能認(rèn)識(shí)和實(shí)踐,使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)際應(yīng)用的要求嚴(yán)重脫節(jié)。其次在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化,個(gè)別元件被損壞或接觸不良,導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)中,出現(xiàn)一些問題,電路連接完全正確,但是就是得不到正確結(jié)果,結(jié)果費(fèi)了很多時(shí)間去排除故障,這樣做實(shí)驗(yàn)當(dāng)然激發(fā)不了學(xué)生的興趣,相反還會(huì)阻礙他們進(jìn)一步探索。再次,由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)層次,學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合應(yīng)用能力都得不到提高,利用電子電路的計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個(gè)問題,利用這個(gè)軟件可以自行設(shè)計(jì)集成電路,綜合應(yīng)用各種芯片,完成所有的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)[4]。在教學(xué)實(shí)施中,根據(jù)學(xué)生情況分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。
四 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用
1 課堂教學(xué)中的應(yīng)用
在課堂講到門電路的工作原理或集成電路的應(yīng)用時(shí),可以現(xiàn)場(chǎng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件演示電路的工作過程,使學(xué)生更好地理解門電路的工作原理和芯片的工作情況。從而掌握電路的應(yīng)用。這樣,教學(xué)過程是由原理到應(yīng)用,由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由抽象到現(xiàn)實(shí),循序漸進(jìn)地完成理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。數(shù)字電路的基本單元是門電路,那么理解其工作原理非常重要,但是此部分對(duì)于大部分同學(xué)來說都是難點(diǎn),如何突破這個(gè)難點(diǎn)呢?利用軟件建立仿真電路,真實(shí)地展現(xiàn)輸出電壓隨輸入電壓的變化情況,就會(huì)獲得很好的效果。下面是利用仿真軟件說明TTL與非門工作原理的課堂實(shí)例:
(1) Vi=0V,輸入接低電平。那么Q1導(dǎo)通,Vb1=0.8V,Ib5
(2) Vi=3.6V,輸入高電平。那么Q1的發(fā)射極電流從發(fā)射極(0.852mA)流入,從集電極流出,Q1的發(fā)射極和集電極倒置狀態(tài)。Vb1=2.443V,Vb5=0.843V,Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V,導(dǎo)致Q2、Q5導(dǎo)通。由于Vc2=0.886V,Q4、Q5截止。輸出Vo=0.018V。其電路仿真如圖2:
2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
大學(xué)生需要有獨(dú)立的設(shè)計(jì)能力和對(duì)電子器件的綜合應(yīng)用能力,這就決定了本課程的實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)該是三個(gè)層次,在簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上必須開設(shè)有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)室有限的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱只能做幾個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),無法滿足設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)備要求。但是,利用電子電路的計(jì)算機(jī)仿真軟件就可以擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)室,提供所需要的一切電子元件和芯片,搭建任意難度,任意復(fù)雜的電路,并驗(yàn)證其正確性。同時(shí)利用仿真軟件的可配置性,配合適當(dāng)?shù)碾娐房勺龀龆喾N不同的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)課程中,提前給出了三種實(shí)驗(yàn)的一些題目和內(nèi)容,要求驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)必須都完成,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可選做一至兩個(gè),綜合性實(shí)驗(yàn)選做一個(gè)。下面簡(jiǎn)要說明學(xué)生利用仿真軟件選做的數(shù)字電子鐘邏輯電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。
要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分秒的數(shù)字電子鐘,選用器材主要有:安裝有仿真軟件的計(jì)算機(jī)若干臺(tái),集成電路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248),晶振、電阻、電容若干,數(shù)碼顯示管,三極管、開關(guān)若干。
提示設(shè)計(jì)方案,包括數(shù)字電子鐘的電路框圖和四個(gè)主要模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),學(xué)生依據(jù)電路框圖和提示信息設(shè)計(jì)邏輯電路圖,并將其在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中用仿真電路實(shí)現(xiàn)。下面給出數(shù)字電子鐘的電路框圖。
篇幅所限,參考電路就不給出,但是通過這個(gè)實(shí)例可以看出虛擬仿真技術(shù)在課程實(shí)驗(yàn)中的重要作用。不但節(jié)省很多設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用,不受地點(diǎn)和環(huán)境的限制,而且和真實(shí)實(shí)驗(yàn)具有相同的效果。既然如此,為什么不廣泛應(yīng)用呢?
五 總結(jié)
論文對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)提出很多問題,在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中對(duì)這些問題進(jìn)行了探索,將計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)中,采用現(xiàn)代化教育手段進(jìn)行課程改革。課堂教學(xué)提出了很多適合本課程并行之有效的教學(xué)方法,重要電路工作情況的計(jì)算機(jī)仿真演示,部分例題的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證,增強(qiáng)其直觀性和真實(shí)性,加強(qiáng)學(xué)生的理解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也利用計(jì)算機(jī)仿真軟件,采用虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,擴(kuò)充建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室,擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在無需花費(fèi)很大代價(jià)的情況下,滿足了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的條件,從而完成三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)。在本文的研究基礎(chǔ)上,可將虛擬仿真技術(shù)推廣應(yīng)用到所有電子技術(shù)課程教學(xué)中,引發(fā)電子技術(shù)課程改革的新局面。
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合理設(shè)置課程體系和課程內(nèi)容，是提高人才培養(yǎng)水平的關(guān)鍵。2009年，黑龍江大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)制定了該專業(yè)的課程體系，經(jīng)過這幾年教學(xué)工作的開展與施行，發(fā)現(xiàn)仍存在一些不足之處，于是在2014年黑龍江大學(xué)開展的教學(xué)計(jì)劃及人才培養(yǎng)方案的修訂工作中進(jìn)行了再次的改進(jìn)和完善。首先，在課程設(shè)置與課時(shí)安排上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)于部分課程調(diào)整其所開設(shè)的學(xué)期及課時(shí)安排，不同課程中內(nèi)容重疊的章節(jié)或相關(guān)性較大的部分可進(jìn)行適當(dāng)刪減或融合。如：在原來的課程設(shè)置中，“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程與“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程分別設(shè)置在教學(xué)第六學(xué)期和第七學(xué)期。由于“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程中是以門級(jí)電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，所以學(xué)生在未進(jìn)行模擬集成電路課程的講授前，對(duì)于各種元器件的基本結(jié)構(gòu)、特性、工作原理、基本參數(shù)、工藝和版圖等這些基礎(chǔ)知識(shí)都是一知半解，因此對(duì)門級(jí)電路的整體設(shè)計(jì)分析難以理解和掌握，會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及教學(xué)效果；而若在“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程中添加入相關(guān)知識(shí)，與“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程中本應(yīng)有的器件、工藝和版圖的相關(guān)內(nèi)容又會(huì)出現(xiàn)重疊。在調(diào)整后的課程設(shè)置中，先開設(shè)了“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程，將器件、工藝和版圖的基礎(chǔ)知識(shí)首先進(jìn)行講授，令學(xué)生對(duì)于各器件在電路中所起的作用及特性能夠熟悉了解；在隨后“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程的學(xué)習(xí)中，對(duì)于應(yīng)用各器件進(jìn)行電路構(gòu)建時(shí)會(huì)更加得心應(yīng)手，達(dá)到較好的教學(xué)效果，同時(shí)也避免了內(nèi)容重復(fù)講授的問題。此外，這樣的課程設(shè)置安排，將有利于本科生在“大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”的參與和競(jìng)爭(zhēng)，避免因?qū)W期課程的設(shè)置問題，導(dǎo)致學(xué)生還未深入地接觸學(xué)習(xí)相關(guān)的理論課程及實(shí)驗(yàn)課程，從而出現(xiàn)理論知識(shí)儲(chǔ)備不足、實(shí)踐操作不熟練等種種情況，致使影響到參賽過程的發(fā)揮。調(diào)整課程安排后，本科生通過秋季學(xué)期中基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐操作能力的鍛煉，在參與春季大賽時(shí)能夠確保擁有足夠的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有較充足的參賽準(zhǔn)備，通過團(tuán)隊(duì)合作較好地完成大賽的各項(xiàng)環(huán)節(jié)，贏取良好賽果，為學(xué)校、學(xué)院及個(gè)人爭(zhēng)得榮譽(yù)，收獲寶貴的參賽經(jīng)驗(yàn)。其次，適當(dāng)降低理論課難度，將教學(xué)重點(diǎn)放在掌握集成電路設(shè)計(jì)及分析方法上，而不是讓復(fù)雜煩瑣的公式推導(dǎo)削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能夠較好地理解和掌握集成電路設(shè)計(jì)的方法和流程。第三，在選擇優(yōu)秀國(guó)內(nèi)外教材進(jìn)行教學(xué)的同時(shí)，從科研前沿、新興產(chǎn)品及技術(shù)、行業(yè)需求等方面提取教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)時(shí)了解前沿動(dòng)態(tài)，使學(xué)生能夠積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。
二、變革教學(xué)理念與模式
CDIO（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行）理念，是目前國(guó)內(nèi)外各高校開始提出的新型教育理念，將工程創(chuàng)新教育結(jié)合課程教學(xué)模式，旨在緩解高校人才培養(yǎng)模式與企業(yè)人才需求的沖突[4]。在實(shí)際教學(xué)過程中，結(jié)合黑龍江大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的“數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)”課程，基于“逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SARADC）”的課題項(xiàng)目開展教學(xué)內(nèi)容，將各個(gè)獨(dú)立分散的模擬或數(shù)字電路模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，使之成為具有連貫性的課題實(shí)踐內(nèi)容。在教學(xué)周期內(nèi)，以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的教學(xué)模式，令學(xué)生“做中學(xué)”，讓學(xué)生有目的地將理論切實(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，完成“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)踐和驗(yàn)證”的整體流程，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握集成電路全定制方案的具體實(shí)施方法及設(shè)計(jì)操作流程。同時(shí)，通過以小組為單位，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，在組內(nèi)或組間的相互交流與學(xué)習(xí)中，相互促進(jìn)提高，培養(yǎng)學(xué)生善于思考、發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)工作的能力及創(chuàng)新能力，并可以通過對(duì)新結(jié)構(gòu)、新想法進(jìn)行不同程度獎(jiǎng)勵(lì)加分的形式以激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新力。此外，該門課程的考核形式也不同，不是通過以往的試卷筆試形式來確定學(xué)生得分，而是以畢業(yè)論文的撰寫要求，令每一組提供一份完整翔實(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)告，鍛煉學(xué)生撰寫論文、數(shù)據(jù)整理的能力，為接下來學(xué)期中的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。而對(duì)于教師的要求，不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)還應(yīng)具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此青年教師要不斷提高專業(yè)能力和素質(zhì)。可通過參加研討會(huì)、專業(yè)講座、企業(yè)實(shí)習(xí)、項(xiàng)目合作等途徑分享和學(xué)習(xí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還應(yīng)定期邀請(qǐng)校外專家或?qū)I(yè)工程師進(jìn)行集成電路方面的專業(yè)座談、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)等，進(jìn)行教學(xué)及實(shí)踐的指導(dǎo)。
三、加強(qiáng)EDA實(shí)踐教學(xué)
首先，根據(jù)企業(yè)的技術(shù)需求，引進(jìn)目前使用的主流EDA工具軟件，讓學(xué)生在就業(yè)前就可以熟練掌握應(yīng)用，將工程實(shí)際和實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密聯(lián)系，積累經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)增加學(xué)生就業(yè)及繼續(xù)深造的機(jī)會(huì)，為今后競(jìng)爭(zhēng)打下良好的基礎(chǔ)。2009—2015年，黑龍江大學(xué)先后引進(jìn)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)平臺(tái)Xilinx和FPGA實(shí)驗(yàn)箱、華大九天開發(fā)的全定制集成電路EDA設(shè)計(jì)工具Aether以及Synopsys公司的EDA設(shè)計(jì)工具等，最大可能地滿足在校本科生和研究生的學(xué)習(xí)和科研。而面對(duì)目前學(xué)生人數(shù)眾多但實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)不足的情況，如果可以借助黑龍江大學(xué)的校園網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成電路設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄，則在一定程度上可以滿足學(xué)生在課后進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的需要[5]。其次，根據(jù)企業(yè)崗位的需求可合理安排EDA實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加實(shí)踐課程的學(xué)時(shí)。如通過運(yùn)算放大器、差分放大器、采樣電路、比較器電路、DAC、邏輯門電路、有限狀態(tài)機(jī)、分頻器、數(shù)顯鍵盤控制等各種類型電路模塊的設(shè)計(jì)和仿真分析，令學(xué)生掌握數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計(jì)方法及流程，在了解企業(yè)對(duì)于數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)以及版圖設(shè)計(jì)等崗位要求的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行模塊課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的鍛煉，使學(xué)生對(duì)于相關(guān)的EDA實(shí)踐內(nèi)容真正融會(huì)貫通，為今后就業(yè)做好充足的準(zhǔn)備。第三，根據(jù)集成電路設(shè)計(jì)本科理論課程的教學(xué)內(nèi)容，以各應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體的教學(xué)方法，選取結(jié)合于理論課程內(nèi)容的實(shí)例，制定和編寫相應(yīng)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課件及操作流程手冊(cè)，如黑龍江大學(xué)的“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”和“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程，都已制定了比較詳盡的實(shí)踐手冊(cè)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容課件；通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使學(xué)生能夠更加方便地分享教學(xué)資源并充分利用資源隨時(shí)隨地地學(xué)習(xí)。
四、搭建校企合作平臺(tái)
研究性教學(xué)是種需要教師將講授與實(shí)驗(yàn)、引導(dǎo)與自學(xué)、教材與擴(kuò)展閱讀有機(jī)結(jié)合，并達(dá)到完整、和諧、統(tǒng)的新型教學(xué)方法。對(duì)大學(xué)期間逐步培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和能力具有十分重要的作用?。課程實(shí)驗(yàn)作為研究性教學(xué)個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，有不可替代的作用。尤其是在HDL所占教學(xué)比例很小的情況下，學(xué)生的知識(shí)掌握和能力提高需要靠實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課程實(shí)踐來實(shí)現(xiàn)。
本文根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，通過研究研究性教學(xué)方法中實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，針對(duì)語言在數(shù)字電路課程中的具體特點(diǎn)，提出了種數(shù)字電路課程中語言的實(shí)驗(yàn)方法，并給出了具體的例子。
1 研究性教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)課特點(diǎn)
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通常是根據(jù)教學(xué)大綱，設(shè)定些固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生必須在課程規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)完成這些實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器的使用，實(shí)驗(yàn)前指導(dǎo)教師進(jìn)行講解，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上也有這些實(shí)驗(yàn)的原理、電路及步驟等。這種以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，使學(xué)生養(yǎng)成了做實(shí)驗(yàn)只動(dòng)手而不動(dòng)腦的習(xí)慣，嚴(yán)重制約學(xué)生的創(chuàng)新思維，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力。而且只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果的傳統(tǒng)考核方式也影響學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。
具備研究性教學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)課應(yīng)具備以下些特點(diǎn)：
(1)實(shí)驗(yàn)題目的研究性。實(shí)驗(yàn)題目應(yīng)具備一定的研究性質(zhì)。學(xué)生應(yīng)通過對(duì)課程的研究自己解決問題，綜合地利用所學(xué)知識(shí)才能完成實(shí)驗(yàn)。
(2)實(shí)驗(yàn)課前研究的必要性。學(xué)生必須在實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行研究，才能完成實(shí)驗(yàn)。
(3)教師的引導(dǎo)性。教師起引導(dǎo)作用而不是大包大攬。教師在實(shí)驗(yàn)的過程中起到指導(dǎo)和糾錯(cuò)的作用，而不是給出全部的解決方案。
(4)驗(yàn)成績(jī)的綜合性。實(shí)驗(yàn)成績(jī)不僅要根據(jù)最終的結(jié)果，還要依據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。
2 硬件描述語言的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)
實(shí)驗(yàn)是教學(xué)基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)。HDL語言不止一種 其中常用的有Verilong HDL和VDL,我校選擇了Verilong HDL。相比較，由于我校在大一 上學(xué)期開設(shè)了C語言課程，學(xué)生對(duì)語法類似C的Verilong HDL比 VDHL更容易掌握。
而在64個(gè)學(xué)時(shí)的數(shù)字電路課程中留給進(jìn)行教學(xué)的時(shí)間不超過個(gè)學(xué)時(shí)。因此，課堂上的知識(shí)傳授只能是初步的基礎(chǔ)知識(shí)’實(shí)驗(yàn)和課后課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就占據(jù)了重要的地位。
我校數(shù)字邏輯課程中 教學(xué)具體目標(biāo)定位為在學(xué)生遇到復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)，可 以 使用 語言編寫代碼對(duì) FPGA等器件進(jìn)行合理的硬件編程，編程并通過下載實(shí)現(xiàn)邏輯。 通過整個(gè)數(shù)字電路課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該知道采用HDL編程實(shí)現(xiàn)的硬件的基本結(jié)構(gòu)。因此，HDL在數(shù)字電路教學(xué)中絕對(duì)不是孤立的，與其他章節(jié)是相輔相成的關(guān)系，這和單獨(dú)學(xué)習(xí)一門Verilog HDL 或VHDL是不同的。
針對(duì) 的實(shí)驗(yàn)題目， 應(yīng)具備以下 種特點(diǎn)：
(1)應(yīng)結(jié)合學(xué)生所學(xué)內(nèi)容，難度由淺人深，并能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容不能脫離開教學(xué)大綱的要求，在課程設(shè)計(jì)中可以有定比例的內(nèi)容是教材中沒有的。教師在過程中要起到積極引導(dǎo)的作用。
(2)仿真和實(shí)際硬件操作相結(jié)合。根據(jù)HDL的開發(fā)工具，很容易實(shí)現(xiàn)波形仿真，波形仿真能驗(yàn)證設(shè)計(jì)的真確性，給學(xué)生一個(gè)直觀的人士。在這個(gè)基礎(chǔ)上
再過渡到硬件的下載和運(yùn)行，輔助以示波器等設(shè)備觀察波形和仿真結(jié)果進(jìn)行比較。
(3)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程要有自己的開發(fā)設(shè)計(jì)。如果抄寫代碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的效果就打了折扣，也不利于學(xué)生能力的提高，不符合研究性教學(xué)的要求。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)題目需要自己在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，査找資料，進(jìn)行討論，包含足夠的研究性學(xué)習(xí)過程。
3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
3.1給出實(shí)驗(yàn)題目
選題是重要的環(huán)節(jié)，題目的復(fù)雜性和難度對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果起了決定性的作用。應(yīng)該在相關(guān)課程和書上或參考資料上例題雷同，但又和教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合。
題目與普通習(xí)題相比較，還要具備一定的復(fù)雜性，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。否則太簡(jiǎn)單也起不到效果。
在學(xué)生學(xué)習(xí)了基本的Verilong HDL 和組合邏輯中的譯碼器74X138之后，我們可以擬以下2種題目。
(1) 題目：在Quartus 下，使用Verilog HDL 編寫硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)74X138 的功能，并進(jìn)行波形仿真和下載到硬件進(jìn)行功能驗(yàn)證。
(2)題目： 在Quartus 下， 使用 Verilog HDL
編寫硬件描述語言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 個(gè)有 個(gè)裁判的仲裁電路使用 實(shí)現(xiàn)組合邏輯)， 并進(jìn)行波形仿真和下載到硬件進(jìn)行功能驗(yàn)證。
很明顯， 題目(1)過于簡(jiǎn)單， 學(xué)生可以抄寫書上代碼， 沒有研究性過程，不利于知識(shí)的鞏固和能力的培養(yǎng)。題目(2) 實(shí)際上要用到使用74X138 實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)功能這?？嫉闹R(shí)點(diǎn)， 需要學(xué)生從真值表做起’ 一步一步完成設(shè)計(jì)。表1 列出兩種題目 的主要區(qū)別。
學(xué)生開發(fā)過程對(duì)于題目，學(xué)生應(yīng)在課后進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，最終編寫出代碼。這過程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的育巨力是不可低估的。在這過程中，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果(代碼)進(jìn)行查看和指導(dǎo)。學(xué)生的層次不，如果終驗(yàn)之前不能完成設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)的過程也將失敗。因此另外，將學(xué)生編隊(duì)為幾個(gè)人個(gè)研究組也是種可行的方法。學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中協(xié)作，互相幫助取長(zhǎng)補(bǔ)短，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力。波形仿真雖然教師可以査看代碼的正確性，但仿真結(jié)果更能說明問題。在實(shí)驗(yàn)課上首先介紹開發(fā)工具，然后引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)建工程，新建 文件，最后將編寫好的代碼輸人，直到編譯無誤。之后建立波形仿真文件，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置輸入波 形。 如個(gè)裁判設(shè)置為輸人端口即 的值為 查看輸出f。
波形仿真結(jié)果以圖形方式直觀地顯示了結(jié)果，并如實(shí)地展現(xiàn)了毛刺現(xiàn)象。波形仿真正確后，即可進(jìn)入下一階段。
下載到開發(fā)板運(yùn)行與測(cè)試 仿真成功之后， 在教師的指導(dǎo)下，通過設(shè)定芯片類型、管腳定義等過程，對(duì)整個(gè)工程重新進(jìn)行編譯。需要注意將管腳配置為 上連接 了指示燈的引腳以便于觀察。學(xué)生可以在 將譯好 件載到 ? 就可以觀察指示燈的現(xiàn)實(shí)規(guī)律和使用示波器等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。整個(gè)過程如圖所示。 設(shè)置芯片類型 餅
驗(yàn)報(bào)告除包含以往實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本內(nèi)容外，還應(yīng)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的開頭增加學(xué)生設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容，以體現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)過程。并在結(jié)尾增加項(xiàng)總結(jié)。該設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的過程學(xué)生可寫成篇小論文。教師應(yīng)制定嚴(yán)格的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況給出綜合評(píng)分。
【關(guān)鍵詞】A/D轉(zhuǎn)換器；逐次逼近；全差分；阻容混合；自調(diào)節(jié)比較器
Abstract：A 12 bit CMOS fully differential SAR ADC is presented in this paper.The principle and structure of the circuit are analyzed，and the impact of each part of the circuit on the properties of the ADC was mentioned.The new type of DAC_SUB resistor string and self adjusting comparator structure was put forward.The influence of VCM jitter on the circuit was calculated.Based on TSMC 0.18 μm 1.8V/3.3V CMOS process，the fully differential resistor capacitor hybrid structure was adopted in order to realize the ADC circuit design.The device occupied a layout area of 390um×780um.Test results show that under 1 Ms/s sampling rate，when the frequency of input signal is 31.37kHz，the ENOB is 10.76 bit，and the power consumption is about 2mW.
Key words：A/D converter；successive approximation；fully-differential；resistance capacity hybrid；self_adjusting comparator
1.引言
隨著數(shù)字電路技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，用數(shù)字電路處理模擬信號(hào)的應(yīng)用日益廣泛，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器在模擬系統(tǒng)和數(shù)字處理系統(tǒng)界面起著橋梁的作用。為滿足各種不同的檢測(cè)及控制任務(wù)的需要，A/D轉(zhuǎn)換器的高速與高精度的設(shè)計(jì)要求越來越高，結(jié)構(gòu)多樣、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換電路應(yīng)運(yùn)而生。A/D轉(zhuǎn)換器的市場(chǎng)前景非常開闊，研制A/D轉(zhuǎn)換器具有十分重要的意義。當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的設(shè)計(jì)主要采用的結(jié)構(gòu)有全并行閃爍型（flash）、折疊內(nèi)插型、過采樣Σ-型、流水線（Pipeline）型、二步式（two-step）及逐次逼近型（SAR）。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、不存在延遲的問題，由于這些優(yōu)勢(shì)，它常常與其它功能集成在一起。逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）以中等速度、中等分辨率、低功耗以及低成本被廣泛應(yīng)用于白色家電控制、生物醫(yī)學(xué)儀器以及便攜式設(shè)備中。
2.CMOS全差分SAR ADC設(shè)計(jì)
2.1 SAR ADC原理
逐次逼近式ADC又稱為二進(jìn)制搜索ADC，由DAC產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)并與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，同時(shí)比較的結(jié)果也反饋給SAR，通過SAR輸出的控制信號(hào)來調(diào)節(jié)DAC的輸出，使其逐漸逼近模擬輸入信號(hào)，直到SAR最后一位控制信號(hào)確定，則一次轉(zhuǎn)換完成。典型的逐次逼近ADC包括采樣保持器、DAC、比較器、數(shù)字控制邏輯電路及其他模擬電路。圖1為SAR ADC的結(jié)構(gòu)圖。
圖1 SAR ADC結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 The structure of SAR ADC
2.2 阻容混合型DAC電路改進(jìn)
DAC主要有電壓定標(biāo)型、電荷定標(biāo)型、混合型結(jié)構(gòu)。電阻串DAC組成的電壓定標(biāo)型最大的優(yōu)勢(shì)是能保持良好的單調(diào)性，但隨著位數(shù)增加電阻數(shù)和開關(guān)數(shù)都指數(shù)增加，所占的芯片面積也大大增加。電荷定標(biāo)型逐次逼近ADC功耗一般比較小，并且不需要額外的采樣保持電路，但是電容的精度和所需的面積都是限制位數(shù)的因素，隨著位數(shù)的增加，最大電容與最小電容的比值也大大增加，它們之間的匹配性能就不容易控制在需要的范圍以內(nèi)，而且面積也大大增加了。解決這一問題的辦法是采用混合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。圖2為全差分阻容混合式結(jié)構(gòu)DAC示意圖。
圖2 全差分阻容混合式結(jié)構(gòu)DAC的示意圖
Fig.2 The hybrid structure diagram of DAC with resistance and capacitance
如圖2所示，本設(shè)計(jì)DAC高八位采用電容，低四位采用電阻。低四位用電阻實(shí)現(xiàn)良好的單調(diào)性，高八位用電容達(dá)到高位的精度要求。傳統(tǒng)3位電阻串DAC電路如圖3所示。
圖3 傳統(tǒng)（1）和改進(jìn)（2）全差分電阻串DAC電路圖
Fig.3 The traditional and improved differential resistance string DAC circuit
圖3中的vout1和vout2分別接到兩個(gè)電容陣列的終端耦合電容上，采用圖3（1）所示傳統(tǒng)電阻串結(jié)構(gòu)ADC的第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)在1LSB處，量化噪聲（rms）比較大，該電路的量化噪聲為：
（1）
對(duì)圖3（1）傳統(tǒng)電阻串結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將每個(gè)電阻串中的電阻R分成兩個(gè)1/2R電阻，然后將這兩個(gè)電阻分別放在電阻串的兩端，圖3（2）以3位DAC為例闡述其原理。本設(shè)計(jì)通過改進(jìn)傳統(tǒng)全差分電阻串DAC，ADC的第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)在1/2LSB處，可以減小量化噪聲。
為說明改進(jìn)電路如何減小量化噪聲，在此先介紹該DAC的工作過程。放電階段電容陣列的上下極板均接VCM；采樣階段一個(gè)電容陣列下極板接VIN，另一個(gè)電容陣列下極板接VINB，兩個(gè)電容陣列的上極板電壓為（VIN+VINB）/2，上下極板壓差為（VIN-VINB）/2；保持階段電容的下極板接到VCM，耦合電容則分別接在VOUT1和VOUT2上，由于b0 b1 b2均為低電平，此時(shí)改進(jìn)電阻串的VOUT1和VOUT2電壓分別為31（VREFP-VREFN）/64和33（VREFP-VREFN）/64處，根據(jù)電荷守恒定律，對(duì)VIN處的電容陣列有：
（2）
解得：
（3）
同理對(duì)VINB端的電容陣列有：
（4）
在比較過程中兩個(gè)電容陣列的上極板電壓分別為：
（5）
（6）
計(jì)算可得兩輸入端的電壓差為：
（7）
于是可知ADC的第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)在1/2LSB處，其量化噪聲為：
（8）
通過改進(jìn)傳統(tǒng)電阻串DAC結(jié)構(gòu)，可使SAR ADC的量化噪聲減小到原來的1/4。
2.3 時(shí)間自調(diào)節(jié)比較器
本設(shè)計(jì)采用時(shí)間自調(diào)節(jié)比較器結(jié)構(gòu)，該比較器在比較過程中有一位比較結(jié)果產(chǎn)生后，將使得另一信號(hào)LATCH拉高，并且通過LATCH信號(hào)控制電荷的重新分配，這樣可以使得比較和電荷重新分配兩個(gè)過程最有效的利用整個(gè)時(shí)鐘周期，使得電荷重新分配既靈活又充分。
圖4 時(shí)間自調(diào)節(jié)比較器示意圖
Fig.4 The cycle action sketch of self_adjusting comparator
如圖4所示，在CLK上升沿時(shí)刻LATCH信號(hào)拉低，比較器中VIN+與VIN-開始進(jìn)行比較，產(chǎn)生的比較結(jié)果VOUT-與VOUT+可導(dǎo)致LATCH信號(hào)重新拉高，于是此次比較過程結(jié)束。而比較器的結(jié)果和控制信號(hào)LATCH又可使得SAR結(jié)構(gòu)確定當(dāng)前位并將下一位置為零，于是開始進(jìn)入新的電荷重新分配周期。這種比較器結(jié)構(gòu)沒有采用CLK作為電荷重新分配的控制信號(hào)，而是通過一個(gè)中間產(chǎn)生的信號(hào)LATCH來控制，使得電荷重新分配的時(shí)間從半個(gè)時(shí)鐘周期增加到半個(gè)多時(shí)鐘周期，這樣電荷分配較為充分，有利于提高ADC的采樣速率。
2.4 推算VCM抖動(dòng)對(duì)電路的影響
VCM為（VREFP+VREFN）/2，用DAC電阻串分壓得到，為了準(zhǔn)確得出VCM抖動(dòng)對(duì)電路的影響，用圖5的n時(shí)刻電容陣列示意圖進(jìn)行推導(dǎo)。假設(shè)接VREFP端的電容陣列中，有a倍單位電容值的電容接VREFP，那么還有255-a倍單位電容值的電容接n時(shí)刻（第n位轉(zhuǎn)換完成，為方便說明，設(shè)n
圖5 n時(shí)刻電容陣列示意圖
Fig.5 The capacitor array at n time
下面根據(jù)電荷分配的基本原理，推導(dǎo)n+1時(shí)刻電容陣列的轉(zhuǎn)換過程，電荷重新分配如公式（9）所示：
（9）
如果VCM（n+1）=VCM（n），則有：
（10）
如果VCM（n+1）=VCM（n）+ΔVCM，則有：
（11）
同理有：
（12）
如果VCM（n+1）=VCM（n），則有：
（13）
如果VCM（n+1）=VCM（n）+ΔVCM，則有：
（14）
比較式（11）與（14）可知由于VCM抖動(dòng)產(chǎn)生的ΔVCM導(dǎo)致V（n+1）+和V（n+1）―的變化量相等，都為：
（15）
由以上的推導(dǎo)結(jié)果可知VCM的抖動(dòng)并不會(huì)改變V（n+1）+和V（n+1）―的大小關(guān)系，即不會(huì)導(dǎo)致電路產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出結(jié)果。
3.版圖繪制
本文的版圖布局是按照TSMC工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的。由于對(duì)電容的容差要求非常嚴(yán)格，在版圖設(shè)計(jì)中，充分考慮了電容之間的匹配問題。本設(shè)計(jì)高八位有八個(gè)電容，外加一個(gè)耦合電容，分別給他們進(jìn)行編號(hào)，以0代表耦合電容，以1～8代表自低權(quán)位至高權(quán)位的8個(gè)電容，電容陣列的版圖布局如圖6所示。
圖6 電容版圖規(guī)劃示意圖
Fig.6 Layout structure of capacitances
該電容版圖規(guī)劃示意圖中的空白部分則是虛擬電容，目的是盡量使電容周邊環(huán)境相同，形成相同的刻蝕環(huán)境。本設(shè)計(jì)版圖雖然浪費(fèi)了一些面積，但是保證了最大的匹配精度。
另外，比較器和latch電路都是采用雙端輸入雙端輸出的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中兩支路對(duì)稱的管子需要盡量做到匹配，本設(shè)計(jì)采用的是中心對(duì)稱的多叉指結(jié)構(gòu)。比較器和DAC部分版圖用guarding包圍，以防止外界干擾。SAR ADC整體電路版圖如圖7所示，該版圖面積約為880um×1300um，核心版圖尺寸為390um×780um。
圖7 電路版圖
Fig.7 Layout of the circuit
4.仿真及流片測(cè)試結(jié)果
本設(shè)計(jì)在TSMC 0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)，并用spectre進(jìn)行仿真，得到電路的主要參數(shù)。
圖8 比較器的蒙特卡洛分析
Fig.8 The Monte Carlo analysis of comparator
如圖8所示，對(duì)比較器進(jìn)行蒙特卡洛分析，輸出失調(diào)電壓90%在6mv以下，除以增益得到的等效輸入失調(diào)電壓小于0.4mv，即小于1/2LSB，能夠滿足電路要求。流片后制作如圖9所示板級(jí)電路進(jìn)行測(cè)試，得到SAR ADC的測(cè)試結(jié)果，輸入信號(hào)頻率為31.37k與117.17k的功率譜密度（PSD）圖分別如圖10（1）與（2）所示。
圖9 測(cè)試電路板
Fig.9 The test circuit board
圖10 功率譜密度圖
Fig.10 The power spectral density
測(cè)試結(jié)果總結(jié)如表1所示：
表1是本設(shè)計(jì)SAR ADC的基本（下轉(zhuǎn)第64頁(yè)）（上接第21頁(yè)）性能總結(jié)，電路工作的溫度范圍是-40℃到125℃，仿真及測(cè)試條件為VDD=3.3V，VSS=0V，VREFP=3.3V，VREFN=0V。
表1 SAR ADC動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果
Table1 The dynamic performance of SAR ADC
參數(shù) 測(cè)試結(jié)果
采樣頻率 1MS/s
信號(hào)頻率/Hz 31.37k 117.17k
ENOB/bit 10.76 10.43
SNDR/dB 66.56 64.57
SFDR/dB 71.61 68.49
表2 SAR ADC性能對(duì)比
Table2 Comparison of performance of SAR ADC
文獻(xiàn) 工藝
CMOS fS
（MS/s） ENOB
（bit） P
（mW） FOM
（pJ/step）
[6] 65nm 0.2 9.27 0.44 3.56
[7] 90nm 2.5 9.43 6.62 3.84
[8] 180nm 0.58 9.8 2.23 4.31
本文 180nm 1 10.76 2 1.15
為了與近期的論文結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文將采用優(yōu)質(zhì)因數(shù)（figure-of-merit―FOM）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。
（16）
其中P代表ADC的功耗，測(cè)得有效位數(shù)（ENOB）時(shí)的采樣頻率為。
表2列出了與近期文獻(xiàn)的結(jié)果對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示，本文所設(shè)計(jì)的ADC擁有更高的性能指標(biāo)。
5.結(jié)論
本設(shè)計(jì)SAR ADC采用一種新型電阻串結(jié)構(gòu)的子DAC和時(shí)間自調(diào)節(jié)比較器，并推導(dǎo)和分析了VCM抖動(dòng)對(duì)電路的影響。通過成功流片并制作板級(jí)樣品驗(yàn)證了該電路設(shè)計(jì)的正確性。此A/D轉(zhuǎn)換器將嵌入MCU，應(yīng)用于便攜式設(shè)備中。
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作者簡(jiǎn)介：
黃玲（1988―），女，湖南瀏陽人，碩士研究生，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。
姜巖峰（1972―），男，甘肅人，北方工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。
清華大學(xué)研究生院對(duì)研究生教育質(zhì)量進(jìn)行了三次較大規(guī)模的調(diào)查，結(jié)果表明，我國(guó)研究生教育質(zhì)量方面存在的首要問題是創(chuàng)新能力，尤其是原創(chuàng)能力較差。具體表現(xiàn)為：創(chuàng)新意識(shí)差、參與創(chuàng)新研究的機(jī)會(huì)少、有影響的創(chuàng)新成果少[1]。萇慶輝以的學(xué)術(shù)成長(zhǎng)歷程為例，闡述了端正的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是創(chuàng)新能力形成的內(nèi)在基礎(chǔ)，量身訂做的計(jì)劃是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的基本前提，獨(dú)特的教育方法是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的關(guān)鍵所在，和諧的師生關(guān)系是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的生活基礎(chǔ)，靈活創(chuàng)新的制度是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的保障條件[2]。上述觀點(diǎn)無疑是正確的，但在一定條件下，構(gòu)成研究生創(chuàng)新能力的因素到底有哪些，高?；蛘呃蠋熑绾稳ヅ囵B(yǎng)呢？我們認(rèn)為創(chuàng)新能力表現(xiàn)為運(yùn)用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)等，產(chǎn)生某種獨(dú)特、新穎、有價(jià)值的產(chǎn)品。在這樣的觀點(diǎn)下，創(chuàng)新能力首先表現(xiàn)為能獲取豐富的知識(shí)，并能對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行改組和運(yùn)用，其次是產(chǎn)生新思想、新技術(shù)、新產(chǎn)品的研究與發(fā)明。因此創(chuàng)新能力涉及到抽象思維能力、記憶能力和想像力，特別是豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，沒有良好的知識(shí)儲(chǔ)備，就不可能有創(chuàng)新。對(duì)研究生來說，良好的知識(shí)包括基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)、工具性知識(shí)或方法論知識(shí)以及綜合性知識(shí)等。根據(jù)我校計(jì)算機(jī)研究生的調(diào)查分析，部分研究生屬于跨專業(yè)報(bào)考，很大一部分研究生程序設(shè)計(jì)能力有待進(jìn)一步提高。因此我們認(rèn)為研究生的培養(yǎng)主要在制定良好的培養(yǎng)計(jì)劃，為研究生打下良好的基礎(chǔ)，其次在于培養(yǎng)學(xué)生的靈活運(yùn)用的工程能力，知識(shí)只有通過實(shí)踐、運(yùn)用，才能發(fā)揮作用，才能產(chǎn)生創(chuàng)新。
2.培養(yǎng)計(jì)劃的制定
創(chuàng)新能力的培養(yǎng)絕不是一朝一夕的事情，必須從學(xué)生進(jìn)校開始的全過程進(jìn)行整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，使“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”三年不間斷。學(xué)生在三年中，基本安排是第一年完成課堂教學(xué)，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并完成兩個(gè)綜合應(yīng)用案例，其中一個(gè)是軟件類綜合案例（如移動(dòng)互聯(lián)案例、大數(shù)據(jù)處理案例、圖像處理系統(tǒng)案例），另一個(gè)是硬件類綜合案例（如機(jī)器人的設(shè)計(jì)案例、各種監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例、智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例），讓學(xué)生達(dá)到初步的知識(shí)運(yùn)用的能力。并組織部分學(xué)生參加各類專業(yè)比賽，如物聯(lián)網(wǎng)大賽、機(jī)器人大賽、大數(shù)據(jù)比賽等，讓學(xué)生通過這種專業(yè)的比賽來提高動(dòng)手能力、強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)；第二學(xué)年學(xué)生跟隨導(dǎo)師參與科研項(xiàng)目或者實(shí)際到企業(yè)實(shí)習(xí)鍛煉，參與工程項(xiàng)目的開發(fā)；第三學(xué)年回學(xué)校完成總結(jié)報(bào)告或論文，深化理論，提升創(chuàng)新能力。如圖1所示。在這個(gè)過程中，特別強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐，工程實(shí)踐是創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)而言，工程實(shí)踐能力就是以建模能力為代表的算法設(shè)計(jì)能力和以編程能力為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)能力。例如，計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生研究了一個(gè)模型，或者一個(gè)體系結(jié)構(gòu)，但如果不去實(shí)踐，沒有寫一行代碼，如何知道這個(gè)模型能否實(shí)現(xiàn)，如何實(shí)現(xiàn)，算法復(fù)雜度是多少？如何測(cè)試？
3.創(chuàng)新能力訓(xùn)練與提升過程
各專業(yè)的基本課程都有統(tǒng)一的要求，這里主要介紹基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的工程案例庫(kù)的構(gòu)建。根據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生的能力培養(yǎng)要求，提取必須掌握的基本知識(shí)，形成知識(shí)素材庫(kù)，包括單片機(jī)技術(shù)、數(shù)字電路、電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)方法、圖像處理、傳感器原理與檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通訊、無線通信、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。根據(jù)這些知識(shí)素材，設(shè)計(jì)相應(yīng)的案例，歸于工程項(xiàng)目庫(kù)，其中包括軟件類的項(xiàng)目，也包括硬件類的項(xiàng)目，項(xiàng)目數(shù)量逐步增加，學(xué)生在研究生一年級(jí)選修一個(gè)軟件類和一個(gè)硬件類的項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目中有詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)生在完成這些項(xiàng)目過程中獲得新的知識(shí)，提升知識(shí)在工程中的運(yùn)用能力。項(xiàng)目庫(kù)是一個(gè)基于云架構(gòu)的多應(yīng)用綜合集成的可擴(kuò)展系統(tǒng)，可以將教師的研究課題或?qū)嶋H工程項(xiàng)目進(jìn)行裁剪并規(guī)范化，以各個(gè)應(yīng)用或模塊的形式掛在校園云平臺(tái)上，如可根據(jù)教師的科研方向提供物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息檢索等模塊，學(xué)生、教師或其他用戶可以通過各種終端服務(wù)接口（如手機(jī)、平板、電腦等）來訪問這些應(yīng)用或模塊，各個(gè)應(yīng)用或模塊以案例的形式作為研究生創(chuàng)新能力訓(xùn)練項(xiàng)目，模塊可以根據(jù)教師和學(xué)生的研究情況逐步擴(kuò)展。每個(gè)應(yīng)用或模塊在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中的作用是相同的，只是應(yīng)用或模塊的知識(shí)點(diǎn)不同。項(xiàng)目庫(kù)是綜合實(shí)踐平臺(tái)的核心，只有項(xiàng)目庫(kù)完善，才能在學(xué)生工程能力培養(yǎng)過程中達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。下面以“智能家居系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹案例的規(guī)范、作用和具體實(shí)現(xiàn)。（1）項(xiàng)目目標(biāo)：是自主設(shè)計(jì)一款智能家居系統(tǒng)，能讀取家里的空調(diào)、安防、熱水器、燃?xì)獾?，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。要求學(xué)生有模電、數(shù)電、視頻處理和單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，在老師和高年級(jí)學(xué)生的指導(dǎo)下完成。（2）功能描述：通過主控芯片、中央處理單元控制、無線傳感器、有線網(wǎng)絡(luò)、路由路、Zigbee協(xié)調(diào)器、數(shù)字端口、數(shù)字電路、攝像頭、遙控器、麥克風(fēng)、GPRS網(wǎng)、移動(dòng)終端、PC機(jī)等硬件設(shè)備，建立九大硬件系統(tǒng)平臺(tái)模塊：中央控制室、安防子系統(tǒng)、空調(diào)子系統(tǒng)、室內(nèi)子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)、熱水器子系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器、嗅探器、擴(kuò)展系統(tǒng)。（3）涉及到的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其接口，ARM、電阻、電容、放大電路、電源、載波發(fā)生器、振蕩電路等模電相關(guān)知識(shí)，電機(jī)，紅外傳感器，譯碼器、開關(guān)設(shè)計(jì)、編程、網(wǎng)絡(luò)等。該系統(tǒng)將模擬電子、數(shù)字電子、電路設(shè)計(jì)等多個(gè)核心知識(shí)交叉集成、融會(huì)貫通。并將涉及到的各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，以文檔或視頻的方式放在網(wǎng)站上，讓學(xué)生可以隨時(shí)自主查閱和學(xué)習(xí)。
4.結(jié)語
【關(guān)鍵詞】自行車 充電裝置 硬件設(shè)計(jì)
引言
電動(dòng)自行車無需汽油、天然氣等一次能源，不會(huì)污染環(huán)境，具有高效率、低噪音等特點(diǎn)，是一種真正的綠色清潔交通工具。電動(dòng)自行車比電動(dòng)汽車雖然速度小，但造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修，停放也方便；與自行車相比速度快，行駛路程遠(yuǎn)，節(jié)省人力。從環(huán)保角度考慮，許多國(guó)家都對(duì)電動(dòng)自行車給予大力支持。電動(dòng)自行車已被消費(fèi)者廣泛接受，但消費(fèi)者們還是非常關(guān)心電動(dòng)自行車的使用壽命，也既是蓄電池的使用壽命問題。對(duì)蓄電池壽命影響最大的是其充電過程占了大約70%，而其他的放電過程、驅(qū)動(dòng)時(shí)功率損耗、控制器能量回收等影響只占了30%。所以性能好的充電裝置對(duì)電動(dòng)自行車有非常重要的影響。
一、充電裝置的硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)硬件系統(tǒng)可以分成兩部分。一部分為高頻開關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)電路，一部分為單片機(jī)數(shù)字控制電路。
高頻開關(guān)電源硬件設(shè)計(jì)電路主要是220V交流市電經(jīng)過整流濾波電路轉(zhuǎn)變成330V直流電，再經(jīng)過反激變換電路輸出60V和12V兩路直流電。60V的輸出直流電通過一個(gè)BUCK變換電路后變成50V和60V兩種輸出，到底輸出哪種就取決于.哪種電壓類型的蓄電池了，36V的蓄電池則輸出50V， 48V蓄電池輸出60V。12V的輸出直流電主要為給單片機(jī)提供工作電壓。當(dāng)確定了蓄電池類型和輸出電壓后， 單片機(jī)通過控制MOS管給蓄電池充電。
二、充電裝置中的開關(guān)電源技術(shù)
本文電動(dòng)自行車充電裝置的設(shè)計(jì)中，用到了兩種開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是Buck變換結(jié)構(gòu)，一種是反激變換結(jié)構(gòu)。
（一）Buck變換器。
Buck電路是由一個(gè)功率晶體管開關(guān)Q與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖1。驅(qū)動(dòng)信號(hào)ub周期地控制功率晶體管Q的導(dǎo)通與截止，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，若忽略其飽和壓降，輸出電壓uo等于輸入電壓；當(dāng)晶體管截止時(shí)，若忽略晶體管的漏電流，輸出電壓為0。
圖1 Buck變換器電路 圖2單端反激電路
（二）單端反激電路。
單端反激變換器中的變壓器既有變壓器的作用，也有電感的作用。其有兩種工作方式：一是完全能量轉(zhuǎn)換方式，即電感電流斷續(xù)工作模式；二是不完全能量轉(zhuǎn)換方式，即電感電流連續(xù)工作模式。
工作過程：當(dāng)Tr導(dǎo)通時(shí)，電源電流流過變壓器原邊，i1增加，其變化為di1/dt=Vs/L1，而副邊由于二極管D的作用，i2為0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，變壓器儲(chǔ)能，當(dāng)Tr關(guān)斷時(shí)，原邊電流迅速降為0，副邊電流i2在反激作用下迅速增大到最大值，然后開始線性減小，其變化為di2/dt=V0/L2，此時(shí)原邊由于開關(guān)管的關(guān)斷，電流為0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，變壓器放能。
三、充電裝置的數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)
數(shù)字電路主要由單片機(jī)ATMEGA16、BUCK電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、電壓采集電路、DC-DC變換電路和人機(jī)交互電路幾部分組成。其主要功能是，實(shí)時(shí)采集蓄電池的端電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行區(qū)分，并對(duì)蓄電池進(jìn)行自適應(yīng)智能充電。
（一）電壓采集電路。
ATmegal6 采樣精度可達(dá)10位，8路復(fù)用的單端輸入通道，有2路可選增益為10X與200X的差分輸入通道，內(nèi)自帶2.56V參考電壓。單片機(jī)通過自動(dòng)觸發(fā)中斷源啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。16路差分電壓輸入組合，如果使用IX或10X增益，可得到8位分辨率。
ADC將輸入的模擬電壓通過用逐次逼近式的方法轉(zhuǎn)變成一個(gè)10位的數(shù)字量。最小值的二進(jìn)制值代表GND，最大值的二進(jìn)制值代表AREF引腳上的基準(zhǔn)電壓再減去1LSB。差分增益和模擬輸入通道可以通過對(duì)ADMUX寄存器的MUX位進(jìn)行寫入來選擇。如果選擇差分通道，通過選擇被選輸入信號(hào)對(duì)增益因子得到電壓差分放大級(jí)。然后放大值成為ADC的模擬輸入。本系統(tǒng)選擇差分放大模式，并且用單片機(jī)片內(nèi)自帶的2.56V基準(zhǔn)電壓源。
（二）Buck電路設(shè)計(jì)。
單片機(jī)采樣判斷蓄電池型號(hào)后，通過控制IR2110來控制Q3，使得電路能夠輸出所需要的充電電壓。在對(duì)蓄電池充電時(shí)，為對(duì)Q4的控制，來實(shí)現(xiàn)脈沖充電。驅(qū)動(dòng)芯片選用IR2110，它具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，懸浮電源采用自舉電路，其高端的工作電壓可以達(dá)到500V，15V下的靜態(tài)功率損耗只有116mW；輸出電源端電壓范圍10-20V；數(shù)字邏輯輸入的輸入電壓范圍5-15V，可方便的與TTL，CMOS電平進(jìn)行匹配，并且功率電源地和邏輯電源地之間準(zhǔn)許有±5V的偏移量，它的工作頻率可達(dá)500HZ，開通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間小，分別為120ns和94ns，以圖騰柱式電路輸出的最大峰值電流可達(dá)2A。
（三）充電控制驅(qū)動(dòng)電路。
本系統(tǒng)采用圖騰柱式驅(qū)動(dòng)電路，如果用TTL直接驅(qū)動(dòng)MOS，TTL中的一些晶體管因?yàn)楣ぷ骶€性區(qū)間，達(dá)到飽和有一段較長(zhǎng)的時(shí)間，使MOS管的性能不可能達(dá)到最佳狀態(tài)，而圖騰柱電路可減小開關(guān)的上升和下降時(shí)間。其工作過程是，當(dāng)PD7輸出一個(gè)低電平時(shí)，Q3截止，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q4導(dǎo)通。當(dāng)PD7輸出高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q1截止，Q2導(dǎo)通，因?yàn)镸OS管內(nèi)自帶一個(gè)電容，所以電容通過Q2放電，Q4截止。因此導(dǎo)通的上升時(shí)間和下降時(shí)間會(huì)快。
四、結(jié)論
本文的自行車充電裝置的研究取得了一定的成果，但由于時(shí)間等因素的制約，在研究的進(jìn)展過程中出現(xiàn)了一些實(shí)際問題，同時(shí)還可以進(jìn)行更深層次的研究?？傊覈?guó)已是世界上電動(dòng)自行車生產(chǎn)量和電動(dòng)自行車蓄電池使用量最大的國(guó)家，因此，對(duì)電動(dòng)自行車蓄電池進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化的管理能夠更好地利用蓄電池，延長(zhǎng)其使用壽命，能夠做到更好的節(jié)能環(huán)保，低碳經(jīng)濟(jì)，所以電動(dòng)自行車充電裝置的研究前景光明。
參考文獻(xiàn)：
[1]俞靜.鉛酸蓄電池均衡控制的研究[D].碩士學(xué)位論文，重慶大學(xué)，2007.
