馬學(xué)條, 程知群, 陳 龍

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息技術(shù)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心, 浙江 杭州 310018)

數(shù)字電子技術(shù)、計算機技術(shù)、工業(yè)控制等信息技術(shù)蓬勃發(fā)展,為高校電子信息人才的培養(yǎng)帶來了強大的推動力,但是也為高層次電子信息人才的培養(yǎng)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn):

(1) 芯片設(shè)計與流片費用高,遠遠超出高校所能承受范圍；

(2) 在規(guī)模達數(shù)十萬邏輯門的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中,已不可能采用分立元器件搭建完成；

(3) 受地域環(huán)境、儀器設(shè)備和安全性等因素的限制,學(xué)生不能深入生產(chǎn)一線進行實踐鍛煉。

因此,統(tǒng)籌虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實驗室硬件資源,全面改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式與教學(xué)手段,構(gòu)建虛實結(jié)合的實驗教學(xué)體系,是實驗教學(xué)改革的重點內(nèi)容。我校數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學(xué)依托國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心和國家級教學(xué)團隊,從學(xué)生的需求出發(fā),通過在線教學(xué)管理平臺,遠程調(diào)用云端服務(wù)器上的工程仿真軟件,完成數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學(xué)[1-2]。

1 數(shù)字電路虛擬仿真實驗內(nèi)容

如表1所示,數(shù)字電路虛擬仿真實驗由基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗3個層次，并且包含軟件共享、儀器共享和遠程控制3大類共12個實驗案例組成。

表1 數(shù)字電路虛擬仿真實驗案例

基礎(chǔ)性虛擬仿真實驗注重軟件參數(shù)的設(shè)置和電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,注重基本實驗知識、方法和技能的教學(xué)與訓(xùn)練,注重工程、分析和實踐等基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)。

設(shè)計性虛擬仿真實驗是通過介紹典型實驗案例的設(shè)計思路和設(shè)計方法,給出實驗要求,讓學(xué)生去探索設(shè)計性實驗的方法。

綜合性虛擬仿真實驗是通過大量有創(chuàng)意的項目訓(xùn)練,激勵學(xué)生參加較為復(fù)雜的數(shù)字電子技術(shù)課題,通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[4]。

實驗內(nèi)容先易后難、由淺入深,逐步提升實驗設(shè)計的廣度和深度。通過基礎(chǔ)性實驗—設(shè)計性實驗—綜合性實驗3階段遞進式實驗教學(xué),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力[3]。

2 任意波形信號發(fā)生器設(shè)計

信號發(fā)生器是提供各種頻率、波形和輸出各類電測試信號的設(shè)備。在有限的教學(xué)課時內(nèi)和采用傳統(tǒng)的分立元件,很難完成信號發(fā)生器的設(shè)計實驗,即使勉強完成,其精度和穩(wěn)定性也難以保證。使用DDS(direct digital synthesizer)技術(shù)和FPGA(field-programmable gate array)實驗教學(xué)平臺,可以比較容易地設(shè)計出任意波形的信號發(fā)生器,且頻率穩(wěn)定、精度高,解決了將復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用到實際教學(xué)中所面臨的難題[5]。

2.1 實驗任務(wù)

(1) 設(shè)計一個簡易正弦信號發(fā)生器,輸出頻率為時鐘頻率的1/256；

(2) 設(shè)計一個包含正弦波、三角波、方波等任意波形信號發(fā)生器,輸出頻率可調(diào)；

(3) 設(shè)計一個李薩如圖信號發(fā)生器,并觀察不同頻率和相位成簡單整數(shù)比的李薩如圖形。

2.2 實驗原理

DDS信號發(fā)生器由加法器、寄存器、正弦波形數(shù)據(jù)存儲器和DAC轉(zhuǎn)換器4個模塊構(gòu)成。在電路仿真設(shè)計過程中可以采用多種不同的方法實現(xiàn),其原理如圖1所示。

圖1 DDS信號發(fā)生器原理圖

對于加法器,既可以調(diào)用門電路設(shè)計,也可以采用宏模塊設(shè)計。寄存器模塊主要用來存放數(shù)據(jù),既可以使用宏模塊LPM_FF,也可以使用D觸發(fā)器相連而成。寄存器模塊與加法器組成一個相位累加器。波形數(shù)據(jù)存儲器可由LPM的ROM:1-PORT構(gòu)成[6]。

完成DDS信號發(fā)生器設(shè)計,設(shè)置其為頂層電路,并進行全局編譯；結(jié)合FPGA實驗教學(xué)平臺進行波形觀察。如圖2所示,通過嵌入式邏輯分析儀文件,對DDS輸出波形的數(shù)據(jù)進行采樣和監(jiān)控。

采樣控制狀態(tài)機電路由狀態(tài)譯碼器、控制譯碼器、狀態(tài)寄存器和鎖存器構(gòu)成。狀態(tài)譯碼器根據(jù)現(xiàn)態(tài)編碼和來自ADC的轉(zhuǎn)換狀態(tài)信息決定狀態(tài)的走向；控制譯碼器負責(zé)向ADC輸出控制信號；狀態(tài)寄存器由D觸發(fā)器組成[7]。如圖3所示,基于DDS信號發(fā)生器、采樣控制模塊和鎖相環(huán)模塊進一步實現(xiàn)李薩如圖信號發(fā)生器設(shè)計。

結(jié)合FPGA實驗教學(xué)平臺,將數(shù)據(jù)下載燒錄到FPGA芯片。通過示波器,觀察分析不同頻率和相位成簡單整數(shù)比的李薩如圖形,體會和理解李薩如信號的意義和應(yīng)用。

圖2 嵌入式邏輯分析儀測試波形截屏圖

圖3 李薩如圖信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖

2.3 實驗步驟

任意波形信號發(fā)生器設(shè)計實驗教學(xué)為10課時,分為12個操作步驟,實驗操作流程如圖4所示。

圖4 任意波形信號發(fā)生器實驗操作流程圖

實驗采用工程仿真軟件Quartus Ⅱ,首先完成簡易正弦信號發(fā)生器設(shè)計；再完成包含正弦波、三角波、方波、鋸齒波等任意波形信號發(fā)生器的設(shè)計；最后完成一個各種頻率和相位成簡單整數(shù)比的李薩如圖形設(shè)計。實驗設(shè)計由淺到深,在有限的實驗教學(xué)課時內(nèi)完成復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計[8]。在電路功能設(shè)計中,設(shè)計方法具有多樣性,可用原理圖、硬件描述語言、宏模塊等多種方法完成實驗設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)興趣進行實驗功能拓展:擴展設(shè)計輸出的信號波形具有調(diào)幅功能,用VGA顯示觀察輸出的各類信號波形,用液晶顯示輸出頻率的大小等。

2.4 實驗要求

數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學(xué)通過教師的啟迪,要求學(xué)生自尋實驗設(shè)計技術(shù)及其創(chuàng)新的途徑[9],并按照實驗原理和實驗步驟進行實驗設(shè)計,完成實驗后在線提交實驗報告。報告內(nèi)容包含摘要、引言、系統(tǒng)總體設(shè)計、電路原理設(shè)計及分析、時序仿真波形、電路優(yōu)化方案、實驗總結(jié)等。

3 實驗教學(xué)方法及考核要求

數(shù)字電路實驗課程借助國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心在線教學(xué)平臺,只需使用具有上網(wǎng)功能的電腦,即可通過網(wǎng)絡(luò)遠程共享實驗資源,進行虛擬仿真實驗設(shè)計和在線提交實驗結(jié)果。虛擬仿真實驗在提高實驗的靈活性的同時,大大節(jié)省了實驗成本。虛擬仿真實驗在線教學(xué)流程如圖5所示。

圖5 虛擬仿真實驗在線教學(xué)流程圖

教學(xué)方法的改革旨在調(diào)動學(xué)生對科學(xué)實驗的興趣,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴謹?shù)膶嶒灹?xí)慣,提高實驗教學(xué)效果。數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學(xué)充分利用既有的“互聯(lián)網(wǎng)+”和教育信息技術(shù),采用線上線下、課內(nèi)課外、理論與實驗融合的混合教學(xué)方式。線上線下相結(jié)合,突破實驗的時空限制,增加師生、生生互動[10]；理論與實驗相融合,將有針對性地提高學(xué)生學(xué)以致用的能力。

實驗教學(xué)考核注重實驗的過程,不但注重學(xué)生撰寫實驗報告的質(zhì)量,也注重學(xué)生在實驗中的積極性、團隊合作意識和工程創(chuàng)新能力。在過程性考核方面,基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗考核方式不同。基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗主要通過課前預(yù)習(xí)、課堂操作、實驗報告等方面進行考核；綜合性實驗需要經(jīng)過開題審核、階段性檢查、項目驗收答辯等環(huán)節(jié),根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)、團隊配合以及學(xué)生提交的仿真結(jié)果、實物、報告及答辯的情況進行考核。在整個項目實施過程中,引導(dǎo)學(xué)生充分關(guān)注實驗成本、制作工藝、操作行為規(guī)范、實驗安全和環(huán)境、職業(yè)倫理等問題。如果學(xué)生在某方面表現(xiàn)突出,可以獲得額外加分；而如有不合理、不規(guī)范的操作,則會被及時警示、誡勉談話或單獨扣分。

數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學(xué)評分比例如下:

(1) 基礎(chǔ)性實驗和設(shè)計性實驗成績占30%,綜合性實驗成績占70%；

(2) 基礎(chǔ)性實驗和設(shè)計性實驗=20%視頻觀看+20%預(yù)習(xí)測試+40%課堂操作+20%實驗報告；

(3) 綜合性實驗成績=40%驗收+15%提問+30%報告+10%創(chuàng)新性得分+5%實驗行為規(guī)范。

4 結(jié)語

本實驗教學(xué)項目已成功應(yīng)用于我校數(shù)字電路虛擬仿真實驗教學(xué),并表現(xiàn)出以下優(yōu)點:

(1) 借助虛擬仿真中心在線教學(xué)平臺,突破了時間和空間的限制,達到“處處能學(xué),時時可學(xué)”的泛在學(xué)習(xí),切實提升了實驗教學(xué)效果[11]；

(2) 通過數(shù)字電路虛擬仿真實驗設(shè)計復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng),培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)研究、系統(tǒng)設(shè)計、工程實踐的綜合能力；采用工程通用仿真軟件進行電路仿真設(shè)計,無縫對接行業(yè)需求；

(3) 發(fā)揮科研的支撐與引領(lǐng)作用,將教師和研究生的科研成果、教研課題、學(xué)生科技創(chuàng)新成果引入實驗教學(xué)，從科研項目和解決工程問題出發(fā),豐富實驗教學(xué)內(nèi)容,拓展了實驗項目的深度和廣度[12]。