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KX-DGC4E22+

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  目前高校大多数《数字电子技术基础》教材中作为核心内容的组合/时序电路的分析与设计技术,其实是诞生于上世纪60年代、成熟于70年代、淘汰于80年代初的数字电路手工设计技术。这显然与当今高速大规模数字系统设计技术格格不入的,这些内容在高速发展的数字技术背景下早已没有了容身之地;此外这些传统数字技术中的许多观念、方法和思路在今天看来也都是不恰当、低效、甚至是非常错误的。这显然会误导学生或至少会降低学生的知识层次,导致他们未来以过低的起点去面对以此为基础的许多十分重要的后续课程,从而严重影响了应有的教学质量和就业竞争力。此类教材的主要问题有:

1异化的教学模式现在此课程已基本退化或被异化为依赖题海战术的普通基础课了,例如搞试题库、习题集、标准答案、联校统考等。殊不知这一切恰恰埋没了这门作为当今电子科技领域最富变化,最具活力,最贴近实践,最需创新的学科的鲜明特质,偏离了此课程真正的教学目标和教学要求,特别是抹杀了此课程作为创新意识启蒙这一重要目标。

2陈旧的教学内容教材把那些根本无法与现代数字技术接轨的,早已经过时的低速小规模数字电路的分析与设计的纯手工技术作为核心内容来讲授。例如其设计时序电路的经典5步骤,毫无一般化的实用意义。例如模7计数器的设计,根本无法推广到更实用的诸如模70、模700乃至模7000等多变量的同类计数器的设计,从而使学习者严重偏离工程实际,并限制了创造力的培养。又如一直在教材中推广使用的所谓国标逻辑符号,实际上是上世纪90年代初就在国际上完全淘汰不用的ANSI/IEEE-1984标准。其结果是,迫使已完成现在的数字电路课程学习的学生,不得不从新学习和熟悉ANSI/IEEE-1991标准的逻辑符号。

3脱离工程实际教材充斥着偏离工程实际的伪命题和伪技术。例如,当今的TTL 74LS系列器件原本可毫无问题地与CMOS器件相互接口的,包括3.3v I/O电平的器件也能可靠地接口TTL和CMOS器件,然而教材中无不推荐使用诸如要加上拉电阻、三极管电路或是插入专用驱动器件(如40109)等多种所谓“接口技术”,来解决这些无中生有脱离实际的“电平不匹配”命题;或者介绍要用三个CMOS驱动一个TTL器件之类的所谓“技术”;再如对于毛刺脉冲的解决方案,工程上原本应该选择时序电路,然而书中却罗列了许多脱离实际甚至十分错误的方法,如改变逻辑结构的“冗余技术”、端口接电容的滤波技术等!

4知识体系的结构性缺陷 1) 仅罗列枝节性知识,却不把这些知识上升为一般性理论和实践依据。例如,罗列了各种时序电路应用模块,如各类计数器,给出了诸如状态变量、状态图、状态表等重要概念,却始终没有迈上“一切同步时序电路都是状态机的特殊形式”的关键台阶,导致了缺胳膊少腿的知识,使得多数学习者除了仅能完成基于笔头的“书面实践”外,根本无法再向前多跨一步。例如无法用这些知识来控制A/D采样;2)尽管教材都安排了存储器、模数数模等实用器件的介绍,但都仅限于对它们的结构和原理的介绍,却不介绍它们的实用方法,完全违背了技术基础类教材的基本要求。结果导致教材对A/D、D/A、ROM、RAM这些在数字技术中极其重要的内容却仅停留在结构原理的简单介绍上,使得本来以推介“技术”为目标的教科书沦为了“器件说明书”。其根本原因是在于教材主干内容有硬伤和缺失,它在课文中所介绍的所谓“数字技术”根本无法用来对付诸后文的诸如A/D等器件的控制,而不得不将这些知识让位于后续课程来讲授!

5技术理念落后教材充斥着陈旧的低速小规模电路理念。例如甚至在最新版的权威教材中仍有这样很不专业的文字:“在数字系统中,常常需要用到一些脉冲信号的产生和变换电路”,“单稳态电路也是数字系统中常用的一种脉冲整形电路”。事实上,即使现代最小规模的数字系统设计中也不会包含任何脉冲信号变换或诸如单稳态类涉及阻容元件的电路,这是因为现代数字系统的普通工作频率都高达数十至上千MHz,而涉及阻容元件模拟电路的脉冲变换或单稳态电路的频率根本无法超过百kHz。一个如此低频率的电路怎么可能出现在数字系统设计中呢 ?显然真正了解和认识现代数字系统的设计是多么重要!

6教学目标定位过低在长期延续下来的低速小规模理念的引导下,仅满足于纯笔头的书面考核外,其动手能力的训练基本仍停留在几十年一贯制的基于74系列器件的译码器、计数器、抢答器和交通灯控制之类极低层次简单设计训练上。这势必使学生以过低的起点和过窄的视野去面对大量重要的后续课程的学习。相比于此领域的教学改革先行者的成就,这些传统教材表现出的差距是巨大的。如Stanford大学将数字电路课放在本科第2学期;清华大学电子系本科生从一入学就能人手获得一块Altera FPGA实验开发板开始学习数字技术;该校计算机本科一年级学生就能自主设计出各种极具创新特色的数字系统(如右上图所示的FPGA控制点阵液晶显示的俄罗斯方块游戏,用PS2键盘控制);美国Michigan大学本科一年级学生就能设计数字电子琴,其中FPGA控制VGA显示五线谱,PS/2键盘作为琴键(右图);东南大学在一次省级数字电路课程电子设计竞赛中,有一组同学完成了指纹识别数字锁的设计而获一等奖;杭州电子科技大学的本科一年级完成数字电路课程学习的同学都能圆满地完成十万门以上的大规模数字系统设计的自主课程设计项目(图1)。

7课程安排的时间太晚目前此课程绝大多数情况下仍被放在本科第4或第5学期。这在30年前没有什么不妥,因为那时数字技术刚起步,还没有什么上规模的数字产品,与数字技术相关的课程极罕见,因此那时的数字电路课对后续课程或就业的影响甚微。此外那时的数字技术尚处于低速小规模手工技术阶段,这使得数字电路与模拟电路常同时出现于同一电路结构中,从而要求学习者较多地关注脉冲及数字信号的产生与处理上,这就要求读者具备更多的数学、半导体器件和模拟电子线路的知识,于是使得此课程根本无法提前安排。但在今天,随着基于数字技术基础的大量相关课程的爆炸式涌现,该课程已成为许多重要后续课程必不可少的基础课。然而过晚的课程安排导致本79D1学业余下过短的时间(已不到1年)使学生难以应付大量的后续课程的加入,更没有足够的时间通过有效的实践来消化它们,这直接导致本科生的就业竞争力大幅下降,这是因为相关课程(如EDA技术,DSP技术、嵌入式系统等)

多数与未来的就业或可能的深造关系密切。

    

 针对以上情况的解决, 杭州电子科大潘松陈龙黄继业等教授推出了两本教材:《实用数字电子技术技术》《数字电子技术基础,它们分别由电子工业出版社和科学出版社出版。教材的特点有:

1将传统数字技术与现代数字技术有机融合为了改变内容过于陈旧的现状,不少新版教材也增加了诸如硬件描述语言、FPGA应用等内容,但除了机械地增加几个章节外,并没能将传统与现代的内容之间进行“无缝接轨”加工。即在加入的现代数字技术章节中体现不出对前期教学内容的传承性、延续性和奠基性,其结果只是在教学上机械地增加了更多的学时数而已。有鉴于此,此教材的做法是,在对于组合电路的介绍,首先仍旧按照传统的方法,介绍了组合电路的性质、分析方法和设计技术等。但在最后,将前文所列的诸如编译器、编码器、加法器、… 等器件做一归纳和升化,提出任何组合电路的本质是相同的,于是引入一些新的概念,使读者对组合电路的认识和处理方法上升到一个一般化的层面。同理,在介绍时序电路,特别是在对各类计数器及相关集成器件功能的分析设计按传统方式介绍后,便将它们抽象为一个万变不离其中的同步时序一般模型。其实它是由一个广义译码器和一个简单的寄存器构成的,而从广义译码器又概括了组合电路的全部内容,从而将基于传统方式繁复而不具一般意义的时序电路设计回归为一个组合电路普通译码器的设计!再前进一步,证明了一切时序电路,包括计数器,都不过是状态机的特殊形式;进而证明,构成状态机中的广义译码器本质上就是一个状态译码器,而这部分电路模块是现代自动设计技术中最容易解决的部分!由此便水到渠成地引导读者学会了利用传统知识来设计各类有限状态机,乃至任何形式的组合与时序电路功能模块。达到了将传统手工数字技术与现代自动化数字技术的基础理论和工程实践有机融合的目的,实现了从学习传统数字技术向现代数字技术的平滑过渡!

(2)优化教材结构,使此课程能大幅提前从杭电使用此教材多年进行的教学情况(授课放在本科一年级)及参与的学生后期学业与能力培养来看,证明具有良好的可行性。此教学在总体上并不减少传统和现代数字技术必备的基本知识,且保证教学成效的前提下,此教材在前期知识中大幅减少逻辑门底层电路结构和脉冲电路的介绍,最大限度地降低对前期基础知识的依赖(如高等数学、模拟电子线路)及对此课程的学习门槛。事实上,现在多数国外同类教材都不对门电路的结构做深入说明,至多介绍器件的电气特性。因为在现代电子系统设计中,对于深入底层结构的理解与否并不会影响系统集成的设计水平。这一安排的一个好处是,能大幅提前此课程设置时段,减少教学课时数,这有利于将更多的课时数让位于实验与工程设计训练。

(3)有利于与其他后续课程构成创新能力教学课程体系    基础理论和技能的教学固然重要,但培养学生的自主学习能力,激发学生的创新思维,鼓励学生的创造性实践则更重要,这是授人以渔的久长之计!因此,此教材并非作为孤立的数字电子课程本来构建,而是兼顾其后续课程的衔接,包括基本知识的衔接、实验内容的过渡、设计项目的可延伸性,以及对创新能力培养的铺垫等,尽可能为后续课程营建良好的接口。由此便可将数字电路、单片机技术、EDA技术、SOC、DSP、嵌入式系统等具有较大相关性的课程构建一个课程体系有机体。杭州电子科大对此课程体系的解读和实施如上页中图所示:从本科一年级的第一或第二学期就开始授课,在完成数字电路课程后,相关课程紧随其后。无疑,这样的课程设置将比传统情况整整提前约3个学期。这优化了相关专业的课程设置,让学生能提前进入理论与工程实际相结合的高效学习和训练阶段,提前激发创造欲望,提前具备进入自主设计性空间的能力,提前为未来的学习和实践打开充裕的时间空间、自主学习空间和就业准备空间。杭州电子科大本科学生参与的各类电子设计竞赛活动的成绩对此课程体的教学效果给出了有说服力的证明:以2011年的全国大学生电子设计竞赛和“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛项目为例,前一项目的成绩是3个全国一等奖、6个全国二等奖、30个省级奖;后一项的成绩是1个全国特等奖、4个全国一等奖、2个全国二等奖、12个省级奖。值得注意的所有获奖队的参赛队员中,80%是本科二年级同学!显然他们都参与了如图所示的课程体系的学习。

◆ 由于系统的各实验功能模块可自由组合、增减,故不仅可实现的实验项目多,类型广,更重要的是很容易实现形式多样的创新设计;

◆ 由于各类实验模块功能集中,结构经典,接口灵活,对于任何一项具体实验设计都能给学生独立系统设计的体验,甚至可以脱离系统平台;

◆ 面对不同的专业特点,不同的实践要求和不同的教学对象,教师,甚至学生自己可以动手为此平台开发增加新的实验和创新设计模块;

◆ 由于系统上的各接口,以及插件模块的接口都是统一标准的,提供了所有接口电路图,因此此系统可以通过增加相应的模块而随时升级;

特别要强调的是,KX_DGC55系统在除了适用于此二教材中涉及的所有数字电路和数字系统实验和创新实践外,还能很专业地包涵诸如EDA技术实验、硬件描述语言应用实验、单片机技术实验、SOPC开发、各类IP的应用、SOC片上系统设计、计算机组成实验和微机原理与接口技术实验等。整个课程体系的实验和设计都可以在此实验系统上完成。

◆ 由于各类实验模块功能集中,结构经典,接口灵活,对于任何一项具体实验设计都能给学生独立系统设计的体验,甚至可以脱离系统平台;

◆ 面对不同的专业特点,不同的实践要求和不同的教学对象,教师,甚至学生自己可以动手为此平台开发增加新的实验和创新设计模块;

◆ 由于系统上的各接口,以及插件模块的接口都是统一标准的,提供了所有接口电路图,因此此系统可以通过增加相应的模块而随时升级;

特别要强调的是,KX_DGC55系统在除了适用于此二教材中涉及的所有数字电路和数字系统实验和创新实践外,还能很专业地包涵诸如EDA技术实验、硬件描述语言应用实验、单片机技术实验、SOPC开发、各类IP的应用、SOC片上系统设计、计算机组成实验和微机原理与接口技术实验等。整个课程体系的实验和设计都可以在此实验系统上完成。

(4)注重自主创新能力培养.此教材的目标定位有两个:1传统和现代数字电子技术基础知识的传授和对应的实践能力的培养;2通过教学的启迪和教材中大量的有创意的实验项目训练,能动地激发创新意识,培养自主创新能力。从而使学生在数字电子技术的基础理论、实践能力和创新精神三方面能得到同步收获,有能力提早进入大学生课外科技活动。上页下图是杭电科大通信工程学院本科一年级生的数字电路课程作业之一:《数字电路系统自主设计论文》,题目是“自动售货机的设计与实现”。以下1杭电本科一年级(第一或第二学期进入数字电路课程学习)的同学在利用QuartusII工具和FPGA进行大规模数字系统设计;2数字电路课老师要验收每个同学的数字系统自主设计硬件项目,图中同学正在演示;3一年级同学在完成自主设计的数字系统项目后,为自己的设计进行论文答辩;4分别获得全国大学生电子设计竞赛和“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛项目一等奖的杭电二年级本科生。

 

上图是大一学年结束后,在暑假进行的课程设计作品,图7-9是设计的俄罗斯方块游戏;图7-10利用P2/2键盘进行打字游戏,VGA显示字符,字符在屏幕上不定位漂浮,在打字过关后,会出现“蜡笔小新”图像,如果没通过,则音乐响起。图7-11,根据坐标运算,从不同视角观察16种变换的三维图形;图7-12利用键盘进行控制的五子棋游戏;图7-13利用鼠标点击VGA显示屏幕上不同波形输出,在通过示波器观察实际波形是否和屏幕上点击的波形一致。 与《实用数字电子技术基础》教材配套的实验开发与创新设计的设备是:

 一、模块化数字电路实验与创新设计综合实验系统

 模块化系统的结构示意图。由于以上所示二教材中大量的实验和设计项目涉及许多不同类型的,可自由增减的扩展模块,主系统平台上有许多标准接口。以其为核心,对于不同的实验设计项目,可接插上对应的接口模块。如VGA/PS2模块、宽位数据输入输出模块、液晶模块、各类存储器模块、电机模块、各类键盘模块、数码管/发光管显示模块等等;这些模块可以是现成的,也可以根据主系统平台的标准接口和创新要求由教师或学生自行开发。   

显然类似KX_DGC的模块自由组合型综合实验系统容易成为高校目前十分流行的实践平台,其基本特点是:

◆ 由于系统的各实验功能模块可自由组合、增减,故不仅可实现的实验项目多,类型广,更重要的是很容易实现形式多样的创新设计;

◆ 由于各类实验模块功能集中,结构经典,接口灵活,对于任何一项具体实验设计都能给学生独立系统设计的体验,甚至可以脱离系统平台;

◆ 面对不同的专业特点,不同的实践要求和不同的教学对象,教师,甚至学生自己可以动手为此平台开发增加新的实验和创新设计模块;

◆ 由于系统上的各接口,以及插件模块的接口都是统一标准的,提供了所有接口电路图,因此此系统可以通过增加相应的模块而随时升级;

特别要强调的是,KX_DGC55系统在除了适用于此二教材中涉及的所有数字电路和数字系统实验和创新实践外,还能很专业地包涵诸如EDA技术实验、硬件描述语言应用实验、单片机技术实验、SOPC开发、各类IP的应用、SOC片上系统设计、计算机组成实验和微机原理与接口技术实验等。整个课程体系的实验和设计都可以在此实验系统上完成。


KX-DGC4E22+配置如下:

 一、基本平台 编号:A 主系统☆此平台最多可同时插12 块模块板。☆ KX_USB-Blaster2型双功能编程器:(1)USB-Blaster编程下载功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、对FPGA/CPLD进行配置或编程;2、对配置器件EPCSx编程;3、访问和编辑FPGA内部RAM;4、调试Nios2,完成SOPC设计;5、支持SignalTapII 嵌入式逻辑分析仪。(2)USB到UART串行通信转换:1、通过USB与FPGA串行通信,实现PC与FPGA的串行通信,且无需RS232电平转换;2、通过USB与单片机的串行通信,实现PC与通用单片机的UART串行通信;3、通过USB对STC等系列单片机进行直接编程开发,无需电平转换。☆ ByteBlasterMV编程器一个(可对isp单片机编程)。☆ 5功能智能逻辑笔:可显示高电平、低电平、中电平、高阻态、脉冲信号。注意有“高阻态”测试功能。☆ 独立的标准时钟频率20个。20MHZ-0.5HZ。☆ 电源有自动保护的+5V,+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V。☆ 8个LED放光二级管,8个乒乓开关,扬声器。☆ DDS信号输出口及幅度、偏移调谐。 

编号:B4、FPGA模块四


CycloneIV EP4E22F17C8N(256脚BGA封装),内部资源极其丰富:2万2千个逻辑宏单元、60万RAM bit;4个锁相环(超宽超高锁相环输出频率:1300MHz至2kHz)。接口器件有32MB SDRAM、16M配置Flash、TF卡座,CPLD3032,KSZ8021控制网口,20M有缘时钟.FPGA板包含 8051/52 IP核。提供商业级全兼容MCS-51单片机IP核。利用此核,实验者可以实现传统单片机实验系统无法达到的SOC(片上系统)设计。即将单片机CPU、RAM、ROM以及其它各类接口电路模块设计在同一片FPGA中。此类技术对于对于面向高新技术企业的就业十分必要。 8088、8086 CPU IP核。 8255A IP核模块;8255A IP核(I/O接口);8253/8254 IP核(定时器);8250 IP核(UART串行通信);8237 IP核(DMA控制器);8259 IP核(可编程中断控制器),以及基于FPGA的RAM/ROM核、锁相环核等。这些IP核与8088CPU核相结合就能在单片FPGA中构成一个微机系统,从而学习到实用的SOC设计工程技术。FPGA中的8088核与MCS-31单片机核及其中的各种模块和核都能与以下各模块结合,实现不同类型的实验开发。


编号:C5、可重构型DDS全数字函数信号发生器模块




全数字型DDS函数信号发生器模块,含FPGA、单片机、超高速DAC、高速运放等。既可用作全数字型DDS函数信号发生器,同时也可作为EDA/DSP系统及专业级DDS函数信号发生器设计开发平台。作为DDS函数发生器的功能主要包括:等精度频率计,全程扫频信号源(扫速、步进频宽、扫描方式等可数控),移相信号发生,里萨如图信号发生,方波/三角波/锯齿波和任意波形发生器,以及AM、PM、FM、FSK、ASK、FPK等各类调制信号发生器。 



编号:C84X4+8个单脉冲综合键盘模块

编号:C10、24位输出显示HEX模块

编号:C13、点阵式128X64液晶显示模块

编号:C14、字符式20X4液晶显示模块

编号:C21、SD+PS2+RS232+VGA显示接口模块

编号:C23、电机接口模块

编号:C25、语音处理+4动态扫描模块

编号:C32、交通灯模块

编号:D35传统数字电路模块,提供部分74系列实验器件及接口○ 基本软件:1Quartus II 9.0/11.0;2ModelSim;3Synplify;4IDE;58051单片机IP核;68088/8086 CPU IP核;78088/8086微机系统接口模块IP核:8253核、8237核、8259核、8255IP核和8250等IP核;8Nios II 




基于EDA技术的实验:部分)

 

13-8译码器构成1位全加器

2、基于CASE语句的3-8译码器构成1位全加器

3、1位全加器设计

4、16进制数至7段LED显示译码器

5、抖动消除电路设计

6、基于74161的12进制计数器

7、基于广义译码器的计数器

8、基于广义译码器的12进制计数器

9、基于一般模型的异步预置型12进制计数器

10、基于一般模型的抗干扰型10进制计数器

11、基于一般模型的可预置型计数器

12、基于LPM计数器模块的8位可预置型计数器

13、步进电机双向控制电路设计

14、步进电机控制

15、直流电机控制

16、简易波形发生器设计

17、基于DDS的信号发生器

18、状态机控制ADC采样

19、6位普通频率计设计

20、模型数字电子琴设计

21、乐曲自动演奏电路设计

22、乒乓球游戏电路设计

24、VGA彩条信号控制设计

25、VGA图像显示控制电路设计

26、等精度频率计设计       

28、 串行通信与频谱分析 

提供基于数字电路创新实验:

1、PS2键盘控制电子琴;

2、VGA显示游戏;

3、DDS移相信号发生器;

4、PS2控制俄罗斯方块游戏;

5、彩色液晶点灯游戏实验;

6、LCD显示超级玛丽游戏等。

7、点阵液晶游戏实验

等等



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