發(fā)布時間：2023-03-21 17:07:58
序言：寫作是分享個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)字電路設計論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)，項目化教學方法，課程改革
EDA技術(shù)是以數(shù)字電子技術(shù)課程知識為基礎，具有較強實踐性、工程性的專業(yè)課程。將數(shù)字電路設計從簡單元器件單元電路設計，EWB軟件仿真提到了更高一級的可編程操作平臺上，進一步鞏固和提高學生電子電路綜合設計能力。但是，傳統(tǒng)的教學模式是將兩門課程分開，先上數(shù)字電路，后上EDA技術(shù)，分兩學期授課。這樣的教學模式存在弊端，減弱了課程之間的聯(lián)系，降低了學生對數(shù)字電路理論的認識程度。通過對EDA技術(shù)課程的教學改革，以實訓的方式采用項目教學法，使學生在較短的時間內(nèi)掌握EDA技術(shù)基礎及其實驗系統(tǒng)，從數(shù)字系統(tǒng)的單元電路，如譯碼器、計數(shù)器等入手，加深對數(shù)字電路基礎理論的認識，逐漸完成數(shù)字系統(tǒng)設計。
1. EDA技術(shù)及其在教學中的應用
1.1 EDA技術(shù)
EDA技術(shù)即電子設計自動化(Electronic DesignAutomation)是以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術(shù)、計算機技術(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，是一種能夠設計和仿真電子電路或系統(tǒng)的軟件工具。采用”自頂向下”的層次化設計，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統(tǒng)行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。圖1為一個典型的EDA設計流程。
圖1 EDA設計流程圖
1.2 EDA技術(shù)在教學中的應用
在教學過程中，EDA技術(shù)利用計算機系統(tǒng)強大的數(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)、標準并口、RS232串口、DAC和ADC電路、多功能擴展接口的基于SRAM的FPGA器件EDA硬件開發(fā)平臺，使得在電子設計的各個階段、各個層次可以進行模擬驗證，保證設計過程的正確性。從而使數(shù)字系統(tǒng)設計起來更加容易，讓學生從傳統(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計上。同時，采用EDA技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字電路設計，不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也增強了系統(tǒng)的靈活性，方便學生對電路進行修改、升級，讓實驗不在單調(diào)的局限于幾個固定的內(nèi)容，使教學更上一個臺階，學生的開發(fā)創(chuàng)新能力進一步得到提高。
2.課程教學改革實施
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，掌握現(xiàn)代電子設計自動化技術(shù)的原則來處理和安排EDA技術(shù)教學內(nèi)容。打破傳統(tǒng)的從EDA技術(shù)概述、VHDL語言特點、VHDL語句等入手的按部就班的教學方法，以設計應用為基本要求，開發(fā)基于工作過程的項目化課程，以工作任務為中心組織課程內(nèi)容，讓學生在完成具體項目的過程中來構(gòu)建相關(guān)理論知識。將EDA技術(shù)分為四個方面的內(nèi)容，即：可編程邏輯器件、硬件描述語言、軟件開發(fā)工具、實驗開發(fā)系統(tǒng)，其中，可編程邏輯器件是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的載體，硬件描述語言是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的主要表達手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的智能化的自動設計工具,實驗開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設計的下載工具及硬件驗證工具。采用項目化教學方法，以實訓的方式展開，讓學生在“學中做，做中學”。
2.2課程改革措施
以電子線路設計為基點，從實例的介紹中引出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，同時給出其綜合后的表現(xiàn)該電路系統(tǒng)功能的時序波形圖及硬件仿真效果。通過一些簡單、直觀、典型的實例畢業(yè)論文格式，將VHDL中最核心、最基本的內(nèi)容解釋清楚，使學生在很短的時間內(nèi)就能有效地掌握VHDL的主干內(nèi)容，并付諸設計實踐。這種教學方法突破傳統(tǒng)的VHDL語言教學模式和流程，將語言與EDA工程技術(shù)有機結(jié)合，以實現(xiàn)良好的教學效果，同時大大縮短了授課時數(shù)。表1為課程具體內(nèi)容及實訓學時分配。
能力
目標
學習情境
項目載體
課時
QuartusⅡ開發(fā)工具使用能力
QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境、實驗系統(tǒng)
二選一音頻發(fā)生器設計
6
VHDL語言編程能力
VHDL語言基本結(jié)構(gòu)
計數(shù)器電路設計
6
VHDL語言并行語句
8位加法器設計
8
VHDL語言順序語句
7段數(shù)碼顯示譯碼器設計
8
VHDL語言綜合運用
數(shù)控分頻器的設計
8
層次化調(diào)用方法
4位加減法器的設計
4
綜合開發(fā)調(diào)試能力
8位16進制頻率計設計；
十字路通燈設計；
數(shù)字鐘設計；
波形信號發(fā)生器設計，等。
(任選一題)
20
總計
關(guān)鍵詞：脈沖與數(shù)字電路；實踐教學；教學內(nèi)容；教學方法
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0019-02
一、引言
《脈沖與數(shù)字電路》是電子信息、通信、計算機控制等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，也是面向我院很多專業(yè)的一門基礎課。隨著“數(shù)字時代”的到來，該課程的作用與地位與日俱增。這不僅因為其理論知識在工科專業(yè)中占有重要的基礎性地位，更重要的這是一門理論聯(lián)系實際非常緊密的課程，通過本課程的學習，使學生掌握課程的基本理論、基本知識和基本技能，為深入學習后續(xù)課程并與有關(guān)專業(yè)的結(jié)合打好基礎。
二、教學體系和教學內(nèi)容改革
調(diào)整脈沖與數(shù)字電路課程的授課學期，建立層次化、模塊化的教學體系，對課程重新進行整合。整合后的脈沖與數(shù)字課程包括：“理論體系”、“實驗設計”、“電路仿真”以及“課程設計”。調(diào)整了實驗課程的教學內(nèi)容，在教學內(nèi)容和教學手段等方面進行了改革，進一步精簡小規(guī)模器件和傳統(tǒng)設計方法的介紹，加強現(xiàn)代設計方法的討論，提高了“脈沖與數(shù)字電路”課程的教學水平，使學生了解、掌握數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展的最新知識。注重將課堂教學向課外延伸，鼓勵學生通過課堂學習掌握數(shù)字電路設計理論知識，在創(chuàng)新實驗室自行開展創(chuàng)新活動，學生通過理論與實際應用的結(jié)合，提高了自身的實踐和創(chuàng)新能力。依托綜合性大學文化優(yōu)勢，以大學生科技活動延伸課堂教育，積極開展大學生科技創(chuàng)新活動。學生通過課堂學習掌握的數(shù)字電路設計理論知識，在電子創(chuàng)新實驗室開發(fā)小制作等，通過理論與實際的結(jié)合，提高了自身的實踐能力和創(chuàng)新。
1.緊跟數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，適時引進新的教學內(nèi)容。（1）“教、學、做相結(jié)合”的教學方法。教學中每章都從最基本的應用實例出發(fā)，由實際問題入手通過技能訓練引入相關(guān)知識和理論，由實訓引出相關(guān)概念及相關(guān)電路。（2）“循環(huán)式”教學方法。通過實訓得到感性認識、定性認識。在簡單電路的基礎上通過逐步完善的方式一步一步組合成復雜系統(tǒng)，通過對基本電路的多次重復，以循環(huán)向上的方式達到更高的程度。（3）“支架式”教學方法。將知識點分成基本邏輯器件、基本邏輯器件構(gòu)成的數(shù)字電路、基本數(shù)字電路構(gòu)成的簡單數(shù)字電路應用系統(tǒng)等模塊，每個模塊處于不同的層次，只有掌握了前面的模塊，才能學習后面的模塊，就像攀登支架一樣。
2.多種教學手段相結(jié)合的教學方法。針對這門課程的教學特點，在授課過程中采用課堂教學、實驗教學相互交叉融合的教學結(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)代化教學手段教學；準備建立《脈沖與數(shù)字電路》課程學習網(wǎng)站，充分利用網(wǎng)絡進行輔助教學。實踐教學環(huán)節(jié)所占比例高，實踐環(huán)節(jié)改革力度大。增加了軟件仿真環(huán)節(jié)，在教學內(nèi)容上更加注意體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)要求的背景知識的教學特色，將最新的知識與技術(shù)納入教學內(nèi)容，同時將科研和教學改革中與教學內(nèi)容相關(guān)的成果引入教學過程中，通過理論與實際的結(jié)合，進一步提高學生的實踐能力和創(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；平時采用階段考試和實驗考核結(jié)合的方式，分別給出成績，結(jié)合平時的出勤、作業(yè)、實驗、課堂表現(xiàn)等方面給出40%的平時成績。
三、教學方法和教學手段的改革
在教學方法上，改變傳統(tǒng)的“滿堂灌”的教學模式，倡導并采用研究型學習。如針對“計算機輔助邏輯化簡”、“計算機輔助狀態(tài)化簡”等專題讓學生查閱資料、撰寫小論文，開發(fā)計算機輔助設計軟件。并讓學生走上講臺介紹各自的研究結(jié)果，鍛煉了學生的綜合素質(zhì)，取得了很好的效果。為了使學生學習、了解器件的基本知識和使用方法，根據(jù)設計要求，自己到市場選擇器件，使學生在實際工作中了解器件的價格，掌握器件選購的方法和注意事項，為今后走向社會打好基礎。教師注重將科研成果轉(zhuǎn)化成本科教學的內(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、工程設計方法和經(jīng)驗融入課堂教學中。如各種集成電路的特點、選擇方法以及正確使用方法等，如何根據(jù)集成電路的帶負載能力，在滿足應用需求的條件下，正確選擇拉電流負載或灌電流負載以及采取必要的驅(qū)動方式。這種理論結(jié)合實際的教學內(nèi)容，充分調(diào)動了學生的學習興趣和積極性，培養(yǎng)了學生解決實際問題的能力，取得了非常好的效果。注重將課堂教學向課外延伸。以大學生科技活動延伸課堂教育，積極開展大學生科技創(chuàng)新活動。學生通過課堂學習掌握的數(shù)字電路設計理論知識，通過理論與實際的結(jié)合，提高了自身的實踐能力和創(chuàng)新。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新的教學手段必須體現(xiàn)在整個課程的教學環(huán)節(jié)中。本課程的特點是內(nèi)容豐富、圖表較多，傳統(tǒng)的課堂教學有一定的困難，而采用多媒體技術(shù)將復雜的圖表直觀、形象地展示出來，不僅便于教師的講解和學生的學習，而且還將大大增加課堂的信息量，解決課時少、內(nèi)容多的矛盾。但是課堂教學不能完全依靠多媒體課件，從調(diào)動學生思維、加強師生互動和循序漸進講解以便學生理解等方面考慮，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，可以相互取長補短，效果較好。利用脈沖與數(shù)字電路課程網(wǎng)站，將教學內(nèi)容制作成視頻資源、課件等資源鏈接等放在網(wǎng)絡平臺上，充分發(fā)揮網(wǎng)絡突破空間、距離限制的優(yōu)勢，讓學生能夠最大限度地利用學習資源，自主地學習和提高，彌補課堂上未能及時消化吸收的部分內(nèi)容。
四、實踐教學內(nèi)容和方法的改革
在傳統(tǒng)的教學理念中，長期存在著重視理論教學而輕視實踐教育的問題。教師只注重對學生理論知識的講授與輔導，相對忽視了理論知識在實踐中的應用，這導致學生的實際動手能力普遍偏低。此外，大多數(shù)的實驗教學都是作為理論教學的補充，并不單獨設課，而且試驗內(nèi)容往往都是驗證性的，雖然能夠使學生加深對理論知識的理解，但是會在一定程度上造成學生的思維局限于相應的理論課程。從總體教學計劃上來說，相對于理論教學實驗學時相對較少，這讓學生沒有足夠的時間消化實驗老師講解的內(nèi)容，只能被動地按照要求完成實驗任務，而不能有效利用做實驗的機會進行實踐能力的培養(yǎng)。
1.改進實驗教學方法，提高教學效率。在實驗教學方式上，要改變傳統(tǒng)的實驗教學方式，采用多樣化的實驗課程組織方式。在實驗課上教師可以只對實驗原理、實驗內(nèi)容進行適當?shù)闹v解，對稍微復雜的實驗進行現(xiàn)場演示，給學生更大的自由發(fā)揮的空間。這樣學生會根據(jù)老師布置的實驗任務，積極開動腦筋，嘗試采用不同的試驗方法來解決問題，從而達到實踐教學的目的。根據(jù)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的形勢，逐步改革傳統(tǒng)的實驗教學方法，充分利用多媒體等現(xiàn)代化教學手段于實驗教學中。完善實驗教學資源共享的網(wǎng)絡系統(tǒng)、實驗室網(wǎng)絡管理化系統(tǒng)和實驗教學指導與監(jiān)控系統(tǒng)，學生在做實驗之前可通過網(wǎng)絡系統(tǒng)對實驗進行預習，熟悉儀器工作原理和使用方法，從而充分利用實驗課堂時間，提高實驗教學的效率和教學水平。
2.提高學生學習的積極性。探索實驗教學的新型模式，建立“以人為本”的實驗教學方式，通過實驗設備的更新、實驗內(nèi)容的改革，增加實驗室對學生的吸引力，充分調(diào)動學生參與實踐的積極性。改變實驗教學方法，變以老師為中心的實驗教學方式為教師與學生、學生與學生平等開放的教學方式，提高學生做實驗的興趣。鼓勵學生認真對待電子信息類專業(yè)中的每一個基礎的和專業(yè)的實驗，把那種“質(zhì)疑一切，一絲不茍，勇于探索，努力學習，大膽動手”的精神，貫穿于每一個實驗之中。循序漸進，通過由簡單到復雜、由一般到個別的實驗訓練，達到理論聯(lián)系實際的目的。學生在做完基本的實驗項目后，在學有余力的前提下，可以根據(jù)個人的興趣和愛好，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驗。這類實驗教學的內(nèi)容大多是來源于具體的橫向的項目或縱向的科學研究與技術(shù)革新課題，具有先進性、綜合性和科研性。教師在進行實驗指導時，應發(fā)揮學生在學習中的主體作用，積極調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生勇于探索、敢于實踐的進取精神。同時要鼓勵學生以市場為導向，尋找科研開發(fā)群體，運用集體的智慧和力量，進行創(chuàng)造性實驗，使學生獲得發(fā)揮創(chuàng)造才能的機會。這種開放式的實驗教學方法，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，拓寬學生知識面，增長學生動手能力的有效途徑。
五、結(jié)論
通過以上各項改革，提高了學生分析問題、綜合問題、解決問題的能力，既滿足學生對知識的渴求，又培養(yǎng)了獨立探索、富于創(chuàng)新、勇于開拓的精神；具有生動、形象、操作性強的特點；加強了現(xiàn)代設計方法的講授和討論；注重將新技術(shù)和教師的最新科研成果、工程設計方法和經(jīng)驗融入課堂教學中，充分調(diào)動了學生的學習興趣和積極性；注重將課堂教學向課外延伸，積極開展大學生科技創(chuàng)新活動；通過理論與實際的結(jié)合，進一步提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。
參考文獻：
[1]李曉輝，許先番.電子信息科學與工程類專業(yè)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐與探索[D].2008年全國高等學校電子信息科學與工程類專業(yè)教學協(xié)作會議論文集，北京郵電大學出版社，2008.
【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;數(shù)字電路;課程改革;教學方法
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)07―0147―04
一 前言
數(shù)字電子技術(shù)是計算機及通信類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎課,其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是培養(yǎng)學生的實踐能力和解決問題的能力,因此,生動形象的課堂教學和全面的實驗體系對教學效果和知識的應用能力有著非常重要的作用。然而,由于實驗儀器的的老舊,數(shù)量有限,使得實驗的開出率以及實驗內(nèi)容的擴展都受到限制。為順應現(xiàn)代教育的發(fā)展,實施的現(xiàn)代化遠程開放教育,將計算機虛擬仿真技術(shù)應用于數(shù)字電路教學中。其中理論教學結(jié)合多種教學方法和現(xiàn)代化的教育技術(shù),將基礎知識和理論形象地表現(xiàn)出來,有助于學生理解。課堂教學和實驗教學都利用計算機虛擬仿真軟件將所學理論聯(lián)系實際,并加以應用,在此研究基礎上提出了基于虛擬仿真技術(shù)的所有電子技術(shù)課程教學的新模式。
二 計算機虛擬仿真技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù),簡稱VR,涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個領(lǐng)域。它由計算機硬件、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)境進行交互[1]。
計算機虛擬仿真技術(shù),是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎上,利用計算機技術(shù)將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合,是一種更高級的仿真技術(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)眾多的實體。實體可以是模擬器,也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng),更多的是計算機。實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)客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡化的特征,可以滿足現(xiàn)代教育的發(fā)展需求[1]。
三 課程教學的若干問題及改革研究
對于理論教學環(huán)節(jié),首先是教學內(nèi)容陳舊。當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際應用中已經(jīng)被淘汰,真正是學的沒用,用的沒學。現(xiàn)在的學生在學習中,非常關(guān)注所學知識的實用性,如果不能學以致用,就影響到學習興趣和學習積極性。因而在課程教學中要及時更新教學內(nèi)容,講解傳統(tǒng)芯片的同時多介紹一些現(xiàn)在普遍使用的芯片,當然也要根據(jù)學生學習程度,最大可能激發(fā)學生的興趣[3]。
其次是教學方法。常用的教學方法無非就是這幾種:講授法、討論法、談話法、閱讀指導法。根據(jù)課程的特點和教學要求,不能一成不變的套用傳統(tǒng)的教學方法。這些方法對有些課程很有效,但是對計算機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方法。筆者在教學中通常有如下幾種方法:講授法,這是傳統(tǒng)的教學方法,教師口述基本事實、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定理或元件的應用,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際應用,有些是針對某部分內(nèi)容的很典型的例子,這些例子對于學生理解和掌握此部分知識非常有用。任務驅(qū)動法,就是教師布置一些運用某個知識點的題目,要求學生在課堂上有限的時間里做出來,并檢查完成情況。這樣學生對該節(jié)課所學知識從理論到應用有了一個全方位的認識,而且對每個知識點掌握得都比較透徹,這是近年來比較流行的一種教學方法,也是計算機專業(yè)課程特有的一種教學方法,對提升教學效果有顯著作用。
再次是教學手段,不是單純的使用多媒體課件,而是結(jié)合計算機專業(yè)特點引入現(xiàn)代化教育技術(shù)和手段,很多典型例題用計算機仿真軟件在課堂驗證,讓學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用。
對于實驗教學環(huán)節(jié),首先是實驗設備簡陋。很多高校數(shù)字電路實驗設備包括我校仍然使用老式實驗箱,即由固定數(shù)字電路芯片搭建的實驗,學生只能按實驗教材設計的實驗按步驟做固定的實驗,實驗內(nèi)容都是以芯片講解為主,目的是對芯片功能進行驗證。因此學生把實驗課當完成任務,實驗環(huán)節(jié)沒有促進教學,相反影響了教學效果。很多新的芯片不能認識和實踐,使得實驗教學方法與實際應用的要求嚴重脫節(jié)。其次在實驗教學過程中,由于實驗設備老化,個別元件被損壞或接觸不良,導致學生實驗中,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)果費了很多時間去排除故障,這樣做實驗當然激發(fā)不了學生的興趣,相反還會阻礙他們進一步探索。再次,由于實驗條件的限制,實驗項目只能停留在驗證性實驗層次,學生的設計能力和綜合應用能力都得不到提高,利用電子電路的計算機虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個問題,利用這個軟件可以自行設計集成電路,綜合應用各種芯片,完成所有的數(shù)字電路實驗[4]。在教學實施中,根據(jù)學生情況分驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三個層次完成實驗教學目標。
四 計算機虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的應用
1 課堂教學中的應用
在課堂講到門電路的工作原理或集成電路的應用時,可以現(xiàn)場用計算機仿真軟件演示電路的工作過程,使學生更好地理解門電路的工作原理和芯片的工作情況。從而掌握電路的應用。這樣,教學過程是由原理到應用,由簡單到復雜,由抽象到現(xiàn)實,循序漸進地完成理論知識的學習。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,但是此部分對于大部分同學來說都是難點,如何突破這個難點呢?利用軟件建立仿真電路,真實地展現(xiàn)輸出電壓隨輸入電壓的變化情況,就會獲得很好的效果。下面是利用仿真軟件說明TTL與非門工作原理的課堂實例:
(1) Vi=0V,輸入接低電平。那么Q1導通,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,導致Q2、Q5導通。由于Vc2=0.886V,Q4、Q5截止。輸出Vo=0.018V。其電路仿真如圖2:
2 實驗教學中的應用
大學生需要有獨立的設計能力和對電子器件的綜合應用能力,這就決定了本課程的實驗體系應該是三個層次,在簡單的驗證性實驗的基礎上必須開設有創(chuàng)造性的設計性實驗和綜合性實驗。然而實驗室有限的數(shù)字電路實驗箱只能做幾個簡單的驗證性實驗,無法滿足設計性實驗和綜合性實驗的設備要求。但是,利用電子電路的計算機仿真軟件就可以擴展實驗室,提供所需要的一切電子元件和芯片,搭建任意難度,任意復雜的電路,并驗證其正確性。同時利用仿真軟件的可配置性,配合適當?shù)碾娐房勺龀龆喾N不同的應用。在實驗課程中,提前給出了三種實驗的一些題目和內(nèi)容,要求驗證性實驗必須都完成,設計性實驗可選做一至兩個,綜合性實驗選做一個。下面簡要說明學生利用仿真軟件選做的數(shù)字電子鐘邏輯電路的設計實例。
要求用中、小規(guī)模集成電路設計一臺能顯示日、時、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算機若干臺,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。
提示設計方案,包括數(shù)字電子鐘的電路框圖和四個主要模塊的實現(xiàn)細節(jié),學生依據(jù)電路框圖和提示信息設計邏輯電路圖,并將其在虛擬實驗環(huán)境中用仿真電路實現(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,但是通過這個實例可以看出虛擬仿真技術(shù)在課程實驗中的重要作用。不但節(jié)省很多設備購置費用,不受地點和環(huán)境的限制,而且和真實實驗具有相同的效果。既然如此,為什么不廣泛應用呢?
五 總結(jié)
論文對數(shù)字電子技術(shù)課程教學提出很多問題,在實際的教學實踐中對這些問題進行了探索,將計算機虛擬仿真技術(shù)引入教學中,采用現(xiàn)代化教育手段進行課程改革。課堂教學提出了很多適合本課程并行之有效的教學方法,重要電路工作情況的計算機仿真演示,部分例題的計算機仿真驗證,增強其直觀性和真實性,加強學生的理解。實驗教學也利用計算機仿真軟件,采用虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合的方式,擴充建立了虛擬實驗室,擴展了實驗內(nèi)容,在無需花費很大代價的情況下,滿足了設計性實驗和綜合性實驗的條件,從而完成三個層次實驗體系的建設。在本文的研究基礎上,可將虛擬仿真技術(shù)推廣應用到所有電子技術(shù)課程教學中,引發(fā)電子技術(shù)課程改革的新局面。
參考文獻
[1] 呂,鄧春健等.利用EDA技術(shù)全面改進數(shù)字電路課程教學[J].福建電腦,2008,(6).
[2] 劉靜,邊曉娜等.基于EDA平臺的虛擬電子實驗研究與實踐[J].計算機教育,2007,(7).
[3] 黃培根等著.multisim 10 計算機虛擬仿真實驗室[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.
[4] 黃荻.融入EDA技術(shù),深入數(shù)字電路課程改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2008,(2).
[5] 江曉安等編著.數(shù)字電子技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.
[6] 房建東,李巴津等.關(guān)于改進電子技術(shù)相關(guān)課程教學的思考[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學學報(社會科學版),2004,(1).
合理設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，黑龍江大學集成電路設計與集成系統(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年黑龍江大學開展的教學計劃及人才培養(yǎng)方案的修訂工作中進行了再次的改進和完善。首先，在課程設置與課時安排上進行適當?shù)恼{(diào)整。對于部分課程調(diào)整其所開設的學期及課時安排，不同課程中內(nèi)容重疊的章節(jié)或相關(guān)性較大的部分可進行適當刪減或融合。如：在原來的課程設置中，“數(shù)字集成電路設計”課程與“CMOS模擬集成電路設計”課程分別設置在教學第六學期和第七學期。由于“數(shù)字集成電路設計”課程中是以門級電路設計為基礎，所以學生在未進行模擬集成電路課程的講授前，對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知識都是一知半解，因此對門級電路的整體設計分析難以理解和掌握，會影響學生的學習熱情及教學效果；而若在“數(shù)字集成電路設計”課程中添加入相關(guān)知識，與“CMOS模擬集成電路設計”課程中本應有的器件、工藝和版圖的相關(guān)內(nèi)容又會出現(xiàn)重疊。在調(diào)整后的課程設置中，先開設了“CMOS模擬集成電路設計”課程，將器件、工藝和版圖的基礎知識首先進行講授，令學生對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)字集成電路設計”課程的學習中，對于應用各器件進行電路構(gòu)建時會更加得心應手，達到較好的教學效果，同時也避免了內(nèi)容重復講授的問題。此外，這樣的課程設置安排，將有利于本科生在“大學生集成電路設計大賽”的參與和競爭，避免因?qū)W期課程的設置問題，導致學生還未深入地接觸學習相關(guān)的理論課程及實驗課程，從而出現(xiàn)理論知識儲備不足、實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，本科生通過秋季學期中基礎理論知識的學習以及實踐操作能力的鍛煉，在參與春季大賽時能夠確保擁有足夠的理論知識和實踐經(jīng)驗，具有較充足的參賽準備，通過團隊合作較好地完成大賽的各項環(huán)節(jié)，贏取良好賽果，為學校、學院及個人爭得榮譽，收獲寶貴的參賽經(jīng)驗。其次，適當降低理論課難度，將教學重點放在掌握集成電路設計及分析方法上，而不是讓復雜煩瑣的公式推導削弱了學生的學習興趣，讓學生能夠較好地理解和掌握集成電路設計的方法和流程。第三，在選擇優(yōu)秀國內(nèi)外教材進行教學的同時，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內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣，實時了解前沿動態(tài)，使學生能夠積極主動地學習。
二、變革教學理念與模式
CDIO（構(gòu)思、設計、實施、運行）理念，是目前國內(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]。在實際教學過程中，結(jié)合黑龍江大學集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“數(shù)模混合集成電路設計”課程，基于“逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SARADC）”的課題項目開展教學內(nèi)容，將各個獨立分散的模擬或數(shù)字電路模塊的設計進行有機串聯(lián)，使之成為具有連貫性的課題實踐內(nèi)容。在教學周期內(nèi)，以學生為主體、教師為引導的教學模式，令學生“做中學”，讓學生有目的地將理論切實應用于實踐中，完成“構(gòu)思、設計、實踐和驗證”的整體流程，使學生系統(tǒng)地掌握集成電路全定制方案的具體實施方法及設計操作流程。同時，通過以小組為單位，進行團隊合作，在組內(nèi)或組間的相互交流與學習中，相互促進提高，培養(yǎng)學生善于思考、發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，鍛煉學生團隊工作的能力及創(chuàng)新能力，并可以通過對新結(jié)構(gòu)、新想法進行不同程度獎勵加分的形式以激發(fā)學生的積極性和創(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的數(shù)據(jù)報告，鍛煉學生撰寫論文、數(shù)據(jù)整理的能力，為接下來學期中的畢業(yè)設計打下一定的基礎。而對于教師的要求，不僅要有扎實的理論基礎還應具備豐富的實踐經(jīng)驗，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、專業(yè)講座、企業(yè)實習、項目合作等途徑分享和學習實踐經(jīng)驗，同時還應定期邀請校外專家或?qū)I(yè)工程師進行集成電路方面的專業(yè)座談、學術(shù)交流、技術(shù)培訓等，進行教學及實踐的指導。
三、加強EDA實踐教學
首先，根據(jù)企業(yè)的技術(shù)需求，引進目前使用的主流EDA工具軟件，讓學生在就業(yè)前就可以熟練掌握應用，將工程實際和實驗教學緊密聯(lián)系，積累經(jīng)驗的同時增加學生就業(yè)及繼續(xù)深造的機會，為今后競爭打下良好的基礎。2009—2015年，黑龍江大學先后引進數(shù)字集成電路設計平臺Xilinx和FPGA實驗箱、華大九天開發(fā)的全定制集成電路EDA設計工具Aether以及Synopsys公司的EDA設計工具等，最大可能地滿足在校本科生和研究生的學習和科研。而面對目前學生人數(shù)眾多但實驗教學資源相對不足的情況，如果可以借助黑龍江大學的校園網(wǎng)進行網(wǎng)絡集成電路設計平臺的搭建，實現(xiàn)遠程登錄，則在一定程度上可以滿足學生在課后進行自主學習的需要[5]。其次，根據(jù)企業(yè)崗位的需求可合理安排EDA實踐教學內(nèi)容，適當增加實踐課程的學時。如通過運算放大器、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、分頻器、數(shù)顯鍵盤控制等各種類型電路模塊的設計和仿真分析，令學生掌握數(shù)字、模擬、數(shù)模混合集成電路的設計方法及流程，在了解企業(yè)對于數(shù)字、模擬、數(shù)模混合集成電路設計以及版圖設計等崗位要求的基礎上，有針對性地進行模塊課程的學習與實踐操作的鍛煉，使學生對于相關(guān)的EDA實踐內(nèi)容真正融會貫通，為今后就業(yè)做好充足的準備。第三，根據(jù)集成電路設計本科理論課程的教學內(nèi)容，以各應用軟件為基礎，結(jié)合多媒體的教學方法，選取結(jié)合于理論課程內(nèi)容的實例，制定和編寫相應內(nèi)容的實驗課件及操作流程手冊，如黑龍江大學的“CMOS模擬集成電路設計”和“數(shù)字集成電路設計”課程，都已制定了比較詳盡的實踐手冊及實驗內(nèi)容課件；通過網(wǎng)絡平臺，使學生能夠更加方便地分享教學資源并充分利用資源隨時隨地地學習。
四、搭建校企合作平臺
研究性教學是種需要教師將講授與實驗、引導與自學、教材與擴展閱讀有機結(jié)合，并達到完整、和諧、統(tǒng)的新型教學方法。對大學期間逐步培養(yǎng)學生的研究興趣和能力具有十分重要的作用?。課程實驗作為研究性教學個非常重要的環(huán)節(jié)，有不可替代的作用。尤其是在HDL所占教學比例很小的情況下，學生的知識掌握和能力提高需要靠實驗環(huán)節(jié)和課程實踐來實現(xiàn)。
本文根據(jù)教學實踐，通過研究研究性教學方法中實驗課的特點，針對語言在數(shù)字電路課程中的具體特點，提出了種數(shù)字電路課程中語言的實驗方法，并給出了具體的例子。
1 研究性教學中的實驗課特點
傳統(tǒng)的實驗教學模式通常是根據(jù)教學大綱，設定些固定的實驗項目，學生必須在課程規(guī)定的學時內(nèi)完成這些實驗。對實驗方法和實驗儀器的使用，實驗前指導教師進行講解，實驗指導書上也有這些實驗的原理、電路及步驟等。這種以教師為主導的教學模式，使學生養(yǎng)成了做實驗只動手而不動腦的習慣，嚴重制約學生的創(chuàng)新思維，不利于培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。而且只注重實驗結(jié)果的傳統(tǒng)考核方式也影響學生創(chuàng)新能力和動手能力的培養(yǎng)。
具備研究性教學性質(zhì)的實驗課應具備以下些特點：
(1)實驗題目的研究性。實驗題目應具備一定的研究性質(zhì)。學生應通過對課程的研究自己解決問題，綜合地利用所學知識才能完成實驗。
(2)實驗課前研究的必要性。學生必須在實驗課前準備實驗，進行研究，才能完成實驗。
(3)教師的引導性。教師起引導作用而不是大包大攬。教師在實驗的過程中起到指導和糾錯的作用，而不是給出全部的解決方案。
(4)驗成績的綜合性。實驗成績不僅要根據(jù)最終的結(jié)果，還要依據(jù)學生的設計開發(fā)過程。
2 硬件描述語言的實驗特點
實驗是教學基礎上的實驗。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 上學期開設了C語言課程，學生對語法類似C的Verilong HDL比 VDHL更容易掌握。
而在64個學時的數(shù)字電路課程中留給進行教學的時間不超過個學時。因此，課堂上的知識傳授只能是初步的基礎知識’實驗和課后課程設計環(huán)節(jié)就占據(jù)了重要的地位。
我校數(shù)字邏輯課程中 教學具體目標定位為在學生遇到復雜的數(shù)字電路設計時，可 以 使用 語言編寫代碼對 FPGA等器件進行合理的硬件編程，編程并通過下載實現(xiàn)邏輯。 通過整個數(shù)字電路課程的學習，學生應該知道采用HDL編程實現(xiàn)的硬件的基本結(jié)構(gòu)。因此，HDL在數(shù)字電路教學中絕對不是孤立的，與其他章節(jié)是相輔相成的關(guān)系，這和單獨學習一門Verilog HDL 或VHDL是不同的。
針對 的實驗題目， 應具備以下 種特點：
(1)應結(jié)合學生所學內(nèi)容，難度由淺人深，并能引導學生進行研究。實驗的內(nèi)容不能脫離開教學大綱的要求，在課程設計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的作用。
(2)仿真和實際硬件操作相結(jié)合。根據(jù)HDL的開發(fā)工具，很容易實現(xiàn)波形仿真，波形仿真能驗證設計的真確性，給學生一個直觀的人士。在這個基礎上
再過渡到硬件的下載和運行，輔助以示波器等設備觀察波形和仿真結(jié)果進行比較。
(3)學生的實驗過程要有自己的開發(fā)設計。如果抄寫代碼進行實驗，實驗的效果就打了折扣，也不利于學生能力的提高，不符合研究性教學的要求。學生的實驗題目需要自己在實驗之前進行設計和開發(fā)，査找資料，進行討論，包含足夠的研究性學習過程。
3 實驗環(huán)節(jié)設計
3.1給出實驗題目
選題是重要的環(huán)節(jié)，題目的復雜性和難度對實驗的結(jié)果起了決定性的作用。應該在相關(guān)課程和書上或參考資料上例題雷同，但又和教學內(nèi)容緊密結(jié)合。
題目與普通習題相比較，還要具備一定的復雜性，應能實現(xiàn)比較復雜的功能。否則太簡單也起不到效果。
在學生學習了基本的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，實現(xiàn)74X138 的功能，并進行波形仿真和下載到硬件進行功能驗證。
(2)題目： 在Quartus 下， 使用 Verilog HDL
編寫硬件描述語言，設計實現(xiàn) 個有 個裁判的仲裁電路使用 實現(xiàn)組合邏輯)， 并進行波形仿真和下載到硬件進行功能驗證。
很明顯， 題目(1)過于簡單， 學生可以抄寫書上代碼， 沒有研究性過程，不利于知識的鞏固和能力的培養(yǎng)。題目(2) 實際上要用到使用74X138 實現(xiàn)邏輯函數(shù)功能這常考的知識點， 需要學生從真值表做起’ 一步一步完成設計。表1 列出兩種題目 的主要區(qū)別。
學生開發(fā)過程對于題目，學生應在課后進行設計開發(fā)，最終編寫出代碼。這過程對培養(yǎng)學生解決問題的育巨力是不可低估的。在這過程中，教師應對學生的設計結(jié)果(代碼)進行查看和指導。學生的層次不，如果終驗之前不能完成設計，實驗的過程也將失敗。因此另外，將學生編隊為幾個人個研究組也是種可行的方法。學生在團隊中協(xié)作，互相幫助取長補短，培養(yǎng)團隊的協(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。在實驗課上首先介紹開發(fā)工具，然后引導學生創(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，引導學生設置輸入波 形。 如個裁判設置為輸人端口即 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，并如實地展現(xiàn)了毛刺現(xiàn)象。波形仿真正確后，即可進入下一階段。
下載到開發(fā)板運行與測試 仿真成功之后， 在教師的指導下，通過設定芯片類型、管腳定義等過程，對整個工程重新進行編譯。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。學生可以在 將譯好 件載到 ? 就可以觀察指示燈的現(xiàn)實規(guī)律和使用示波器等設備進行測試。整個過程如圖所示。 設置芯片類型 餅
驗報告除包含以往實驗報告的基本內(nèi)容外，還應在實驗報告的開頭增加學生設計部分的內(nèi)容，以體現(xiàn)學生的設計過程。并在結(jié)尾增加項總結(jié)。該設計和實驗的過程學生可寫成篇小論文。教師應制定嚴格的評分標準，根據(jù)學生實驗的設計過程和實驗報告的完成情況給出綜合評分。
【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的應用日益廣泛，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及控制任務的需要，A/D轉(zhuǎn)換器的高速與高精度的設計要求越來越高，結(jié)構(gòu)多樣、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換電路應運而生。A/D轉(zhuǎn)換器的市場前景非常開闊，研制A/D轉(zhuǎn)換器具有十分重要的意義。當前A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的設計主要采用的結(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)點是原理簡單、便于實現(xiàn)、不存在延遲的問題，由于這些優(yōu)勢，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用于白色家電控制、生物醫(yī)學儀器以及便攜式設備中。
2.CMOS全差分SAR ADC設計
2.1 SAR ADC原理
逐次逼近式ADC又稱為二進制搜索ADC，由DAC產(chǎn)生一個模擬信號并與輸入信號進行比較，同時比較的結(jié)果也反饋給SAR，通過SAR輸出的控制信號來調(diào)節(jié)DAC的輸出，使其逐漸逼近模擬輸入信號，直到SAR最后一位控制信號確定，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
DAC主要有電壓定標型、電荷定標型、混合型結(jié)構(gòu)。電阻串DAC組成的電壓定標型最大的優(yōu)勢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)進行擴展。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，本設計DAC高八位采用電容，低四位采用電阻。低四位用電阻實現(xiàn)良好的單調(diào)性，高八位用電容達到高位的精度要求。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（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的第一個轉(zhuǎn)換點在1LSB處，量化噪聲（rms）比較大，該電路的量化噪聲為：
（1）
對圖3（1）傳統(tǒng)電阻串結(jié)構(gòu)進行改進，將每個電阻串中的電阻R分成兩個1/2R電阻，然后將這兩個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。本設計通過改進傳統(tǒng)全差分電阻串DAC，ADC的第一個轉(zhuǎn)換點在1/2LSB處，可以減小量化噪聲。
為說明改進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；采樣階段一個電容陣列下極板接VIN，另一個電容陣列下極板接VINB，兩個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，此時改進電阻串的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VIN處的電容陣列有：
（2）
解得：
（3）
同理對VINB端的電容陣列有：
（4）
在比較過程中兩個電容陣列的上極板電壓分別為：
（5）
（6）
計算可得兩輸入端的電壓差為：
（7）
于是可知ADC的第一個轉(zhuǎn)換點在1/2LSB處，其量化噪聲為：
（8）
通過改進傳統(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 時間自調(diào)節(jié)比較器
本設計采用時間自調(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LATCH拉高，并且通過LATCH信號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過程最有效的利用整個時鐘周期，使得電荷重新分配既靈活又充分。
圖4 時間自調(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上升沿時刻LATCH信號拉低，比較器中VIN+與VIN-開始進行比較，產(chǎn)生的比較結(jié)果VOUT-與VOUT+可導致LATCH信號重新拉高，于是此次比較過程結(jié)束。而比較器的結(jié)果和控制信號LATCH又可使得SAR結(jié)構(gòu)確定當前位并將下一位置為零，于是開始進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，而是通過一個中間產(chǎn)生的信號LATCH來控制，使得電荷重新分配的時間從半個時鐘周期增加到半個多時鐘周期，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抖動對電路的影響
VCM為（VREFP+VREFN）/2，用DAC電阻串分壓得到，為了準確得出VCM抖動對電路的影響，用圖5的n時刻電容陣列示意圖進行推導。假設接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時刻（第n位轉(zhuǎn)換完成，為方便說明，設n
圖5 n時刻電容陣列示意圖
Fig.5 The capacitor array at n time
下面根據(jù)電荷分配的基本原理，推導n+1時刻電容陣列的轉(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抖動產(chǎn)生的ΔVCM導致V（n+1）+和V（n+1）―的變化量相等，都為：
（15）
由以上的推導結(jié)果可知VCM的抖動并不會改變V（n+1）+和V（n+1）―的大小關(guān)系，即不會導致電路產(chǎn)生錯誤的輸出結(jié)果。
3.版圖繪制
本文的版圖布局是按照TSMC工藝規(guī)劃設計的。由于對電容的容差要求非常嚴格，在版圖設計中，充分考慮了電容之間的匹配問題。本設計高八位有八個電容，外加一個耦合電容，分別給他們進行編號，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。本設計版圖雖然浪費了一些面積，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)中兩支路對稱的管子需要盡量做到匹配，本設計采用的是中心對稱的多叉指結(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.仿真及流片測試結(jié)果
本設計在TSMC 0.18μm標準CMOS工藝下實現(xiàn)，并用spectre進行仿真，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，對比較器進行蒙特卡洛分析，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所示板級電路進行測試，得到SAR ADC的測試結(jié)果，輸入信號頻率為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
測試結(jié)果總結(jié)如表1所示：
表1是本設計SAR ADC的基本（下轉(zhuǎn)第64頁）（上接第21頁）性能總結(jié)，電路工作的溫度范圍是-40℃到125℃，仿真及測試條件為VDD=3.3V，VSS=0V，VREFP=3.3V，VREFN=0V。
表1 SAR ADC動態(tài)性能測試結(jié)果
Table1 The dynamic performance of SAR ADC
參數(shù) 測試結(jié)果
采樣頻率 1MS/s
信號頻率/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性能對比
Table2 Comparison of performance of SAR ADC
文獻 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)果進行對比，本文將采用優(yōu)質(zhì)因數(shù)（figure-of-merit―FOM）作為衡量標準。
（16）
其中P代表ADC的功耗，測得有效位數(shù)（ENOB）時的采樣頻率為。
表2列出了與近期文獻的結(jié)果對比。對比結(jié)果顯示，本文所設計的ADC擁有更高的性能指標。
5.結(jié)論
本設計SAR ADC采用一種新型電阻串結(jié)構(gòu)的子DAC和時間自調(diào)節(jié)比較器，并推導和分析了VCM抖動對電路的影響。通過成功流片并制作板級樣品驗證了該電路設計的正確性。此A/D轉(zhuǎn)換器將嵌入MCU，應用于便攜式設備中。
參考文獻
[1]GINSBURG B P，CHANDRAKASAN A P.500 MS/s 5 bit ADC in 65 nm CMOS with split capacitor array DAC[J].IEEE J Sol Sta Circ，2007，42（4）：739-747.
[2]LIN ZJ，YANG H G，Zhong L G.Modeling of capacitor array mismatch effect in embedded CMOS CR SAR ADC[A].6th Int Conf ASIC[C].Shanghai，Chin 2005，2.9822986.
[3]SCHOLTENS P C S，VERTREGT M.A 6 bit 1.6 Gsample/s flash ADC in 0.18μm CMOS using averaging termination[J].IEEE J Sol Sta Circ，2002，37（12）：1599-1609.
[4]YUAN C，LAM Y Y H.An ultra-low energy capacitive DAC array switching scheme for SAR ADC in biomedical applications[C].Int Conf IC Des & Techno1.Taiwan， China.2011：1-4.
[5]ROBERT H.Analog-to-digital converter survey and analysis[J].IEEE J Selected Areas in Commun，1999，17（5）：539-540.
[6]楊銀堂，佟星元，朱樟明，管旭光.一種10位200kS/s65nm CMOS SAR ADC IP核[J].電子與信息學報，2010（12）.
[7]佟星元，陳劍鳴，朱樟明，楊銀堂.A high performance 90 nm CMOS SAR ADC with hybrid architecture[J].半導體學報，2010（01）.
[8]周文婷.數(shù)字CMOS工藝下10位580kSps逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器設計[D].上海交通大學2007.
作者簡介：
黃玲（1988―），女，湖南瀏陽人，碩士研究生，研究方向：集成電路設計。
姜巖峰（1972―），男，甘肅人，北方工業(yè)大學教授，碩士生導師，主要研究方向：集成電路設計。
清華大學研究生院對研究生教育質(zhì)量進行了三次較大規(guī)模的調(diào)查，結(jié)果表明，我國研究生教育質(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)新意識差、參與創(chuàng)新研究的機會少、有影響的創(chuàng)新成果少[1]。萇慶輝以的學術(shù)成長歷程為例，闡述了端正的學習動機是創(chuàng)新能力形成的內(nèi)在基礎，量身訂做的計劃是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的基本前提，獨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，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，高校或者老師如何去培養(yǎng)呢？我們認為創(chuàng)新能力表現(xiàn)為運用已有的知識和經(jīng)驗等，產(chǎn)生某種獨特、新穎、有價值的產(chǎn)品。在這樣的觀點下，創(chuàng)新能力首先表現(xiàn)為能獲取豐富的知識，并能對已有知識進行改組和運用，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，特別是豐富的知識儲備，沒有良好的知識儲備，就不可能有創(chuàng)新。對研究生來說，良好的知識包括基礎知識、專業(yè)知識、工具性知識或方法論知識以及綜合性知識等。根據(jù)我校計算機研究生的調(diào)查分析，部分研究生屬于跨專業(yè)報考，很大一部分研究生程序設計能力有待進一步提高。因此我們認為研究生的培養(yǎng)主要在制定良好的培養(yǎng)計劃，為研究生打下良好的基礎，其次在于培養(yǎng)學生的靈活運用的工程能力，知識只有通過實踐、運用，才能發(fā)揮作用，才能產(chǎn)生創(chuàng)新。
2.培養(yǎng)計劃的制定
創(chuàng)新能力的培養(yǎng)絕不是一朝一夕的事情，必須從學生進校開始的全過程進行整體架構(gòu)設計，使“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”三年不間斷。學生在三年中，基本安排是第一年完成課堂教學，打下堅實的基礎，并完成兩個綜合應用案例，其中一個是軟件類綜合案例（如移動互聯(lián)案例、大數(shù)據(jù)處理案例、圖像處理系統(tǒng)案例），另一個是硬件類綜合案例（如機器人的設計案例、各種監(jiān)控系統(tǒng)的設計案例、智能控制系統(tǒng)的設計案例），讓學生達到初步的知識運用的能力。并組織部分學生參加各類專業(yè)比賽，如物聯(lián)網(wǎng)大賽、機器人大賽、大數(shù)據(jù)比賽等，讓學生通過這種專業(yè)的比賽來提高動手能力、強化創(chuàng)新意識；第二學年學生跟隨導師參與科研項目或者實際到企業(yè)實習鍛煉，參與工程項目的開發(fā)；第三學年回學校完成總結(jié)報告或論文，深化理論，提升創(chuàng)新能力。如圖1所示。在這個過程中，特別強調(diào)工程實踐，工程實踐是創(chuàng)新能力的基礎。對于計算機專業(yè)而言，工程實踐能力就是以建模能力為代表的算法設計能力和以編程能力為基礎的實現(xiàn)能力。例如，計算機專業(yè)研究生研究了一個模型，或者一個體系結(jié)構(gòu)，但如果不去實踐，沒有寫一行代碼，如何知道這個模型能否實現(xiàn)，如何實現(xiàn)，算法復雜度是多少？如何測試？
3.創(chuàng)新能力訓練與提升過程
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)的工程案例庫的構(gòu)建。根據(jù)計算機專業(yè)研究生的能力培養(yǎng)要求，提取必須掌握的基本知識，形成知識素材庫，包括單片機技術(shù)、數(shù)字電路、電路設計、程序設計方法、圖像處理、傳感器原理與檢測、網(wǎng)絡通訊、無線通信、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。根據(jù)這些知識素材，設計相應的案例，歸于工程項目庫，其中包括軟件類的項目，也包括硬件類的項目，項目數(shù)量逐步增加，學生在研究生一年級選修一個軟件類和一個硬件類的項目。每個項目中有詳細的設計與實現(xiàn)過程，學生在完成這些項目過程中獲得新的知識，提升知識在工程中的運用能力。項目庫是一個基于云架構(gòu)的多應用綜合集成的可擴展系統(tǒng)，可以將教師的研究課題或?qū)嶋H工程項目進行裁剪并規(guī)范化，以各個應用或模塊的形式掛在校園云平臺上，如可根據(jù)教師的科研方向提供物聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控和信息檢索等模塊，學生、教師或其他用戶可以通過各種終端服務接口（如手機、平板、電腦等）來訪問這些應用或模塊，各個應用或模塊以案例的形式作為研究生創(chuàng)新能力訓練項目，模塊可以根據(jù)教師和學生的研究情況逐步擴展。每個應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，只是應用或模塊的知識點不同。項目庫是綜合實踐平臺的核心，只有項目庫完善，才能在學生工程能力培養(yǎng)過程中達到預定的目標。下面以“智能家居系統(tǒng)”的設計為例，詳細介紹案例的規(guī)范、作用和具體實現(xiàn)。（1）項目目標：是自主設計一款智能家居系統(tǒng)，能讀取家里的空調(diào)、安防、熱水器、燃氣等，并能進行遠程監(jiān)控。要求學生有模電、數(shù)電、視頻處理和單片機相關(guān)知識，在老師和高年級學生的指導下完成。（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、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、GPRS網(wǎng)、移動終端、PC機等硬件設備，建立九大硬件系統(tǒng)平臺模塊：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、擴展系統(tǒng)。（3）涉及到的相關(guān)知識點包括：單片機及其接口，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，電機，紅外傳感器，譯碼器、開關(guān)設計、編程、網(wǎng)絡等。該系統(tǒng)將模擬電子、數(shù)字電子、電路設計等多個核心知識交叉集成、融會貫通。并將涉及到的各相關(guān)知識點，以文檔或視頻的方式放在網(wǎng)站上，讓學生可以隨時自主查閱和學習。
4.結(jié)語
【關(guān)鍵詞】自行車 充電裝置 硬件設計
引言
電動自行車無需汽油、天然氣等一次能源，不會污染環(huán)境，具有高效率、低噪音等特點，是一種真正的綠色清潔交通工具。電動自行車比電動汽車雖然速度小，但造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單，便于維修，停放也方便；與自行車相比速度快，行駛路程遠，節(jié)省人力。從環(huán)保角度考慮，許多國家都對電動自行車給予大力支持。電動自行車已被消費者廣泛接受，但消費者們還是非常關(guān)心電動自行車的使用壽命，也既是蓄電池的使用壽命問題。對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)動時功率損耗、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電動自行車有非常重要的影響。
一、充電裝置的硬件設計
整個硬件系統(tǒng)可以分成兩部分。一部分為高頻開關(guān)電源硬件設計電路，一部分為單片機數(shù)字控制電路。
高頻開關(guān)電源硬件設計電路主要是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提供工作電壓。當確定了蓄電池類型和輸出電壓后， 單片機通過控制MOS管給蓄電池充電。
二、充電裝置中的開關(guān)電源技術(shù)
本文電動自行車充電裝置的設計中，用到了兩種開關(guān)電源拓撲結(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電路是由一個功率晶體管開關(guān)Q與負載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖1。驅(qū)動信號ub周期地控制功率晶體管Q的導通與截止，當晶體管導通時，若忽略其飽和壓降，輸出電壓uo等于輸入電壓；當晶體管截止時，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Tr導通時，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，變壓器磁心磁感應強度增加，變壓器儲能，當Tr關(guān)斷時，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，此時原邊由于開關(guān)管的關(guān)斷，電流為0，變壓器磁心磁感應強度減小，變壓器放能。
三、充電裝置的數(shù)字控制電路設計
數(shù)字電路主要由單片機ATMEGA16、BUCK電路、脈沖驅(qū)動電路、電壓采集電路、DC-DC變換電路和人機交互電路幾部分組成。其主要功能是，實時采集蓄電池的端電壓，對蓄電池進行區(qū)分，并對蓄電池進行自適應智能充電。
（一）電壓采集電路。
ATmegal6 采樣精度可達10位，8路復用的單端輸入通道，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。單片機通過自動觸發(fā)中斷源啟動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10位的數(shù)字量。最小值的二進制值代表GND，最大值的二進制值代表AREF引腳上的基準電壓再減去1LSB。差分增益和模擬輸入通道可以通過對ADMUX寄存器的MUX位進行寫入來選擇。如果選擇差分通道，通過選擇被選輸入信號對增益因子得到電壓差分放大級。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，并且用單片機片內(nèi)自帶的2.56V基準電壓源。
（二）Buck電路設計。
單片機采樣判斷蓄電池型號后，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。在對蓄電池充電時，為對Q4的控制，來實現(xiàn)脈沖充電。驅(qū)動芯片選用IR2110，它具有獨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電平進行匹配，并且功率電源地和邏輯電源地之間準許有±5V的偏移量，它的工作頻率可達500HZ，開通上升時間和關(guān)斷下降時間小，分別為120ns和94ns，以圖騰柱式電路輸出的最大峰值電流可達2A。
（三）充電控制驅(qū)動電路。
本系統(tǒng)采用圖騰柱式驅(qū)動電路，如果用TTL直接驅(qū)動MOS，TTL中的一些晶體管因為工作線性區(qū)間，達到飽和有一段較長的時間，使MOS管的性能不可能達到最佳狀態(tài)，而圖騰柱電路可減小開關(guān)的上升和下降時間。其工作過程是，當PD7輸出一個低電平時，Q3截止，Q1導通，Q2截止，Q4導通。當PD7輸出高電平時，Q3導通，Q1截止，Q2導通，因為MOS管內(nèi)自帶一個電容，所以電容通過Q2放電，Q4截止。因此導通的上升時間和下降時間會快。
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，但由于時間等因素的制約，在研究的進展過程中出現(xiàn)了一些實際問題，同時還可以進行更深層次的研究。總之，我國已是世界上電動自行車生產(chǎn)量和電動自行車蓄電池使用量最大的國家，因此，對電動自行車蓄電池進行統(tǒng)一規(guī)范化的管理能夠更好地利用蓄電池，延長其使用壽命，能夠做到更好的節(jié)能環(huán)保，低碳經(jīng)濟，所以電動自行車充電裝置的研究前景光明。
參考文獻：
[1]俞靜.鉛酸蓄電池均衡控制的研究[D].碩士學位論文，重慶大學，2007.
