數字邏輯電路設計實踐精選(九篇)

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第1篇：數字邏輯電路設計實踐范文

關鍵詞：教學改革；實驗；數字邏輯電路；計算機專業

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）29-6570-02

數字邏輯電路實驗課程是電氣、電子信息類和部分非電類專業本科生在電子技術方面入門性質的技術課。它在電類專業中深受青睞，但在非電類專業中的教學沒引起足夠的重視。長期以來，在我校計算機專業類數字邏輯電路實驗的實驗教學中，出現實驗教師難教學生厭學的現象。我們從學生學習該課程的現狀著手，通過對該課程的先導課程及后續課程進行調查分析，了解相關理論課學習的狀態，并據此提出了相應的實驗教學改革措施，分三個階段對學生的學習能力及動手能力進行培養，我們稱之為數字邏輯電路實驗課程“過三關”[1]。

1 數字邏輯電路實驗的教學改革思路

數字邏輯電路實驗在計算機類專業都把它作為一門主干必修課程，但相比專業課來說，非電類專業對該課程地位認識和重視程度是不一樣的，普遍存在的一種現象是“重軟件輕硬件”[2]。我校計科專業、網工專業的“數字邏輯電路實驗”課，安排在第三學期，并具有第二學期的“模擬電子技術”課程的基礎。而軟工專業的“數電”課安排在第二學期，并沒有提前開設“模電”課程，缺乏電路知識的先導。在總課時數壓縮的情況下，由于理論課和實驗課安排在同一學期，并在第一周同時開課，實驗課嚴重滯后于理論課的進度，造成學生想要學好又覺得心有余而力不足[3]。

第一關：克服對數字電路實驗課的心理恐懼關

對計算機專業的學生來說，模擬電子技術和數字邏輯電路都很難學，更難于精。適合計算機專業的專用教材很少，更沒有比較適合的實驗教材。不得已沿用電類專業的教材，理論偏多偏深。單純的數字邏輯分析抽象、枯燥、乏味，遇到復雜的邏輯現象更容易讓人感到無從下手，產生畏難情緒。例如：教材[4][5]的第二章邏輯門電路，是學生們共同認為最難于理解、頭疼困難的內容。在講解TTL（Transistor-Transistor Logic）基本邏輯門涉及到很多的電路基礎知識、基本電路元件（電阻、二極管、三極管等元件）、電路及結構、半導體工藝、以及它們的電流、電壓、元件參數等內部電氣參數的計算等。對電路原理的理解和對電子元器件認識存在困難。然而，計算機專業學習的重點并不在這些電路的內部原理和前端設計，實驗所必需的電路基礎知識在課程中的應用暫時不用十分深入，可以不用刻意去理解邏輯器件的內部結構。重點應放在：一是掌握器件輸入和輸出之間的邏輯功能；二是外部的電氣特性其主要參數。相應的基本門電路實驗，目的包括掌握TTL基本邏輯門的邏輯功能驗證與參數測試；掌握TTL器件的使用規則；進一步熟悉數字邏輯電路實驗裝置的結構、基本功能和使用方法。“輕里重外”，將集成電路視為“黑匣子”，這樣電路基礎知識不再構成計算機專業的學生學習的障礙。

在實驗教學中，改善實驗條件，增強實驗教學的趣味性。讓生活走進實驗、貼近生活。理論實驗化，實驗生活化。例如： 邏輯門實驗是認識數字電路的基本實驗，電子門鈴的原理就是利用與非門構成振蕩器，使輸出端的鈴聲信號輸出，從而驅動喇叭發出鬧鈴聲的。除此之外，實驗還能進行趣味游戲如乒乓球游戲機等的設計。通過增加實驗內容、改變實驗方法，多做實驗來改變學生怕做實驗的恐懼心理。

根據現在的理論課學時、教學計劃和實驗設備，改編有關內容。以“與非門”邏輯為例說明改革實驗教學方法。采用先理論講解，以邏輯代數為基本數學工具，從基本邏輯門電路入手。實驗使用傳統標準數字邏輯器件四2輸入與非門74LS00，，用它構成傳統的與非門驗證實驗。再用硬件描述語言VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）[6]和復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device） [7]實驗實現“與非門”邏輯。這樣就建立了同一實際邏輯問題用多種不同層次方法進行實驗的模式：數字邏輯單元理論設計，以門電路為基本單元電路構成各種組合邏輯電路和時序邏輯電路，使用標準數字邏輯器件中的中（MSI）、小規模（SSI）的TTL集成電路驗證；利用通用集成電路模塊產品，主要是用中（MSI）大規模（LSI）集成電路模塊，構成預定功能的邏輯電路；再用VHDL和CPLD構成復雜的電路系統，步步推進，穿行融合。

第二關：培養動手能力關

從數字邏輯電路實驗課程的知識結構和特點分析，數字邏輯電路實驗主要由基本邏輯門電路，由門電路組成的基本組合邏輯電路和時序邏輯電路及通用集成電路模塊構成。

在第一階段為數字邏輯電路基礎實驗（芯片級實驗）。由“一門而入”，選用傳統典型標準數字邏輯器件與非門，進行基本門電路邏輯功能測試與驗證，通過實驗使學生熟練掌握數字電路實驗箱的結構和使用方法，使用示波器記錄描述邏輯功能的波形圖，實驗基本儀器測試集成電路外部電氣特性參數。掌握用與非門組成其它邏輯門及邏輯門之間的互換、解決不同門電路之間相互連接匹配問題。對集成門電路外形建立感性認識，熟悉芯片的外形封裝、芯片的引腳數量和分布情況。通過基礎實驗，訓練了學生的數字邏輯設計的基本功，為綜合設計性實驗打下良好的基礎。

第二階段為綜合設計實驗（單元級實驗）。主要有基本技能測試性綜合實驗、組合電路設計性綜合實驗、時序電路設計性綜合實驗、存儲器和D/A或A/D轉換電路的綜合實驗。

綜合設計性實驗主要是小系統邏輯設計實驗[8]，每一個實驗系統可以由多片標準數字邏輯器件MSI、MSI的門電路組成。也可以用通用集成電路中的MSI、LSI的TTL集成電路芯片組成。實驗者可根據自己的設計做出不同種類的電路，培養對單元功能電路的理解和靈活運用能力。例在傳統數字邏輯電路實驗中，最為經典的例子是“三人表決器實驗電路的設計” [9]。其中SSI門電路設計最為靈活，可以選擇一種與非門構成“與非-與非式”、一種或非門構成“或非-或非式”、與非門+或非門構成“與或非式”。也可以采用通用集成電路模塊譯碼器、數據選擇器和加法器分別設計多種三人表決器實驗電路。

第三關：VHDL及CPLD實驗提高復雜電路設計能力關

從第一、第二階段實驗的效果來看，這些實驗是在掌握SSI、MSI電路分析和設計的基礎上進行，達到預定的邏輯功能。這種方法設計的邏輯系統規模不宜太大，否則，系統需要很多芯片，連接線和接點復雜，導致可靠性下降、功耗增加，系統占用空間擴大。為此，可以采用大規模集成和超大規模集成技術，把完成復雜功能的眾多芯片集成到一個芯片內。可以克服上述問題。這種能夠完成特定功能的集成電路芯片稱之為專用集成電路。用VHDL語言設計后，在CPLD中實現，這已經成為數字系統設計的主流。

將新技術和新型電路設計的方法充實到教學中去，以體現實驗與時俱進的先進性。第三階段的可編程器件的應用與可編程電路的EDA設計實驗（系統級實驗），要求學生用CPLD芯片重現第一階段的基礎實驗和第二階段綜合設計性實驗中的電路設計。訓練學生通過閱讀資料掌握可編程器件的功能及規范的使用方法。掌握EDA軟件的使用方法和設計語言。最終達到“了解一種器件，熟練使用一種設計工具，掌握一門設計語言，能夠設計較復雜的數字系統”的目的。

通過三個不同階段的實驗過程，將一種數字邏輯器件的基礎理論，用傳統器件實驗驗證或實現，再用VHDL及CPLD實驗復現，三者融合循環，螺旋式上升。實現數字邏輯電路實驗的教學改革，幫助學生突破在學習道路上的三道難關。

2 結論

侯建軍教授提出了“厚理博術，知行相成”的教育理念。通過數字邏輯電路實驗，既要加強知識的學習，又要踐行所學的知識，提高實踐動手能力和創新能力。根據學生的特點確定教學目標，組織教學內容，制定教學方法，以學生為主體，“教法”適應“學法”培養學生的學習興趣。倡導以啟發、探索和創新性實驗為核心的研究式學習方式，鼓勵學生參與國家級和校級的大學生創新創業項目，并參加各種國家電子技能大賽，取得很好的效果。

參考文獻：

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第2篇：數字邏輯電路設計實踐范文

關鍵詞： 組合邏輯電路；電路設計；Multisim；仿真；交通信號燈；監控器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）29-6625-04

1 概述

數字電子技術已廣泛應用于各個專業技術領域，組合邏輯電路是數字電路重要的組成部分，也是時序邏輯電路設計的基礎，在實踐中被廣泛應用。組合邏輯電路的輸出僅與當前的輸入狀態有關，而與輸入之前的信號狀態無關，因此組合邏輯電路沒有記憶功能，在其電路中沒有反饋延遲電路[1-2]。

Multisim的前身是EWB（Electronics Workbench）軟件，是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的交互式SPice仿真和電路分析軟件，專用于原理圖捕獲、交互式仿真、電路板設計和集成測試[3-5]。Multisim軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

本文以交通信號燈監控器為例，分別運用與非門74LS00、中規模集成數據選擇器74LS151和中規模集成譯碼器74LS138為主要元件設計三種實現監控交通信號燈狀態的控制電路，并利用Multisim 12.0軟件進行仿真測試。

2 組合邏輯電路的設計

2.1 組合邏輯電路設計的一般步驟

組合邏輯電路設計主要是將用戶的具體設計要求用邏輯函數加以描述，再用具體的電路加以實現的過程。組合邏輯電路的設計可分為小規模集成電路、中規模集成電路、定制或半定制集成電路的設計[6]。其設計的一般步驟可用圖1來表示：

1）首先對命題要求進行分析，確定輸入變量、輸出變量的個數和狀態，并以真值表的形式列出；

2）根據真值表寫出邏輯函數表達式；

3）通過邏輯化簡，寫出最簡的邏輯函數表達式；

4）根據邏輯功能要求以及實際情況，選擇合適的門器件，把最簡的表達式轉換為相應的表達式；

5）根據表達式畫出該電路的邏輯電路圖。

2.2 組合邏輯電路的設計方法

組合邏輯電路可以采用分立元件實現，隨著微電子技術的迅速發展和集成電路工藝水平的提高，單塊芯片的集成度越來越高，價格越來越便宜，也可用通過小規模集成電路SSI，中規模集成電路MSI、定制或半定制集成電路等來實現[7]。

本文以監控交通信號燈工作狀態的監控器為例分析組合邏輯電路的設計方法。交通信號燈是交通信號中的重要組成部分，是道路交通的基本語言，每一組交通信號燈由紅、黃、綠三盞燈組成。正常工作情況下，任何時刻必有一盞燈點亮，而且也僅有一盞燈亮。當出現其他狀態時，電路發生故障，這時監控器發出故障信號以提醒維護人員前去修理。

2.2.1 命題分析

根據交通信號燈監控器的工作原理，確定紅、黃、綠三盞燈的狀態為輸入變量，分別用A、B、C表示；取故障信號為輸出變量，用F表示。

假設：A、B、C取1時，表示燈亮，A、B、C取0時，表示燈不亮；F為1時，表示工作狀態正常，F為1時表示發生故障。

2.2.2 列寫真值表

根據命題分析列出邏輯真值表，如表1所示。

計算機工程應用技術＼jxy02.jpg> （1）

運用卡諾圖化簡，可得簡化的邏輯函數表達式：

2.2.4把最簡的表達式轉換為相應的表達式

邏輯電路圖是根據邏輯函數表達式得出的，因此畫邏輯電路圖之前要根據邏輯功能要求以及實際情況確定元件，將最簡的表達式轉換為與所選用元件相對應的表達式。

1）選用與非門實現

選用集成與非門74LS00、74LS20實現交通信號燈監控器，將輸出與輸入之間的邏輯關系轉換為與非表達式。通過表達式變換，得到式3。

數據選擇器是一種多路輸入、單路輸出的邏輯部件。它在控制信號作用下，從多個輸入數據中選一個送到輸出端。式4給出了數據選擇器輸出與輸入的邏輯關系，其中，A0、A1、……Ak表示控制信號，Y表示輸出信號，Di為數據輸入信號，mi為控制信號的最小項表示，2k=n。

從表達式4中可以看出，其輸出實際上是數據輸入與地址輸入的最小項相與的關系，所以數據選擇器可以實現各種組合邏輯功能。選用中規模集成數據選擇器74LS151可實現交通信號監控器。74LS151是八選一數據選擇器，對式1進行變換，可得式5：

[F =ABC+ABC+ABC+ABC+ABC =m0+m3+m5+m6+m7 =m0?1+m1?0+m2?0+m3?1+m4?0+m5?1+m6?1+m7?1] （5）

由式5可以看出，選用74LS151實現交通信號監控器需使F=Y，A=A2，B=A1，C=A0，則有D0=D3=D5=D6=D7=1，D1=D2=D4 =0。

3）選用變量譯碼器實現

變量譯碼器是組合邏輯電路中一個重要的器件，它是一個將n個輸入變為2n個輸出的多輸出端的組合邏輯電路。變量譯碼器的輸出與輸入之間的邏輯關系可用式6表示：

（6）

其中，Yi 是輸出端，mi是關于輸入變量An-1，An-2，……，A0的最小項，0

由于譯碼器電路的輸出列出了該電路的所有最小項表達式，而任何一個組合邏輯電路都可以寫成最小項表達式的形式，因此我們可運用譯碼器電路實現各種組合邏輯電路。選用中規模集成譯碼器74LS138來實現交通信號燈監控器。由于74LS138的輸出是反變量形式，低電平有效，因此變換式1得：

[F=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC=m0+m3+m5+m6+m7 =m0+m3+m5+m6+m7=m0?m3?m5?m6?m7] （7）

使74LS138的三個數據輸入端分別為：A=A2，B=A1，C=A0，且三個使能端有效，則74LS138中的8個輸出可分別與交通信號燈監控器輸出的最小項一一對應。

2.2.5 根據表達式畫出邏輯電路圖

為了便于邏輯電路圖的驗證，利用Multisim 12.0設計邏輯電路圖。根據2.2.4小節中三種設計方法的相應表達式：式3、式5、式7畫出邏輯電路圖，分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2～圖4中的XLC1 為邏輯轉換儀，它是Multisim軟件的一種虛擬裝置，可以接入交通信號燈監控器的輸入與輸出端，測試與驗證其邏輯功能。通過邏輯轉換儀中的“邏輯電路轉換為真值表”的功能分別驗證了圖2～圖4的邏輯功能，得到的真值表相同，如圖5所示，該電路真值表及邏輯函數表達式與設計的要求一致。

2.3設計方法分析比較

選用不同的元件最后設計出的電路形式雖然差別很大，但是實現的邏輯功能卻相同。選用如本文選用的74LS00、74LS20等SSI來實現電路，所用的集成電路芯片數量多，線路復雜，通用性不強，僅能夠適應某一特殊的函數要求。在用SSI設計電路時，要力求邏輯門電路的數量、種類以及輸入端的數量均應達到最少。

選用MSI設計組合邏輯電路，如本文選用的74LS151、74LS138，可以減少元件的數目，具有較強的通用性，可靠性高，易于設計、生產、調試和維護[8]。

3 組合邏輯電路的仿真

對于設計好的組合邏輯電路，不僅可以通過 Multisim中的邏輯轉換儀來驗證，還可以在Multisim窗口中搭建電路來仿真。從Multisim元件庫在已經繪制好的邏輯電路圖中添加電源、地、電阻、發光二極管等電器元件并進行連線，得到仿真電路圖。由于篇幅有限，文中只給出了用74LS138實現交通信號燈監控器的仿真電路圖，如圖6所示。

在仿真過程中，S1、S2、S3三個開關在全部打開、全部閉合以及任意兩個閉合的情況下，發光二極管就會亮，此時表示交通信號燈出現故障。

4 結束語

本文以交通信號燈監控器為例分析了組合邏輯電路設計的過程并進行了Multisim仿真測試。可以看出組合邏輯電路設計中，要實現相同的邏輯功能可根據實際情況選用不同的設計方法；同時，借助于EDA軟件Multisim，可以顯著提高電路設計工作的效率，為組合邏輯電路的設計仿真提供了一定的借鑒方法。

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第3篇：數字邏輯電路設計實踐范文

【關鍵詞】卡諾圖；《數字邏輯電路》；教學措施

《數字邏輯電路》是計算機技術中的基礎知識，是很多中職院校的電子信息工程、電子信息科學與技術、電子科學與技術各專業必修的學科基礎課和技術基礎課。但是在教學中，如何使得數字邏輯課程學習中不借助任何實驗儀器， 從而能直觀地看到邏輯電路設計的結果，是教學中的難點與重點。隨著教學技術的發展與教學理念的概念，在《數字邏輯電路》教學中，卡諾圖的運用廣泛而靈活。本文具體探討了卡諾圖在《數字邏輯電路》教學中的運用情況，現報告如下。

一 .《數字邏輯電路》的教學特點

（一）《數字邏輯電路》的內容特點

由于《數字邏輯電路》有易于集成、傳輸質量高、有運算和邏輯推理能力等優點，因此被廣泛用于計算機、自動控制、通信、測量等領域。而《數字邏輯電路》的第一個內容特點是為了突出“邏輯”兩個字，使用的是獨特的圖形符號。當前最新教學版本的《數字邏輯電路》中有門電路和觸發器兩種基本單元電路，其是以晶體管和電阻等元件組成的。比如在 TTL 電路還是 CMOS 電路中，按邏輯功能要求把這些圖形符號組合起來畫成的圖就是邏輯電路圖。

（二）《數字邏輯電路》的教學目的

本課程的主要任務是培養學生掌握《數字邏輯電路》方面的基本理論，基本知識和基本技能；了解《數字邏輯電路》技術和實際器件的現狀與發展趨勢；培養學生獨立分析問題和解決問題的能力；與實驗課配合，通過實驗課的基本訓練，理論聯系實際。掌握典型《數字邏輯電路》的基本分析方法、設計步驟、實驗手段和調試技能；為進一步深入學習專業知識以及電子技術在相關專業中的應用奠定良好的基礎；具有較強的查閱電子技術資料的能力和從網絡上獲取有關信息的能力。

（三）《數字邏輯電路》的教學要求

在現代電子產品中，學生要想真正理解這些電子產品的工作原理，作為基礎，數字邏輯課程的學習也是必不可少的。比如在邏輯門電路中，其教學的內容主要為三種基本邏輯門（與、或、非）電路及幾種復合邏輯門電路（與非、或非、異或、與或非門）的特性、二極管及三極管的開關特點、二極管（三極管的開關特性），分立元件組成與工作原理、TTL反相器的工作原理，靜態輸入輸及輸入端負載特性與開關特性。

二.《數字邏輯電路》教學中存在的問題

長期以來，中職院校的《數字邏輯電路》教學由于受“重理論、輕實踐”的傳統觀念影響，理論教學成分居多，學生普遍不重視實驗。《數字邏輯電路》實驗設備的開發也受此因素影響，滯后于現代教學的需要。同時我們知道，數字電子技術的功能是通過邏輯函數來實現的，而邏輯函數一般是基本邏輯或、與、非的復合表達，導致教學難度加大。同時《數字邏輯電路》的理論教學教法單一，只側重于知識點的傳授，理論和實踐結合少，缺乏實物的展示，難于理解，控制邏輯電路的分析單調，而在實習操作時又要從頭學起，很難達到素質教育的要求，不但給學生的學習造成很大困難，也造成了重復教學和資源浪費，更影響了教學質量的提高和應用性、技能型人才的培養。

三. 卡諾圖在《數字邏輯電路》教學中的運用措施

（一）卡諾圖的應用價值

在《數字邏輯電路》教學中，為了實現某種復合邏輯的最簡數學表達意味著對應的技術成本較低；所以化簡邏輯函數既具有理論價值，也具有現實意義，其具體方法包括公式化簡法與卡諾圖化簡法。在教學中，為使學生正確認識卡諾圖，我們需要依據《數字邏輯電路》課程的教學特點，結合學生應具有的能力和知識結構，從卡諾圖的常規用法和特殊用法兩方面探討了卡諾圖在《數字邏輯電路》教學中的運用，為今后的教學起到更好的參考和借鑒作用。其能形象直觀地為使用者演示其工作原理，即使其面對的展示對象是毫無相關知識的相關學生，也能讓他們在短時間內 了解簡單的邏輯電路，在寓教于樂中發現數字邏輯的無限趣味和魅力，從小培養對科學熱愛和嚴謹認真處事的態度。

（二）卡諾圖在《數字邏輯電路》教學中的運用方法

力求使學生立于主體地位，教師必須進行角色的轉換和地位的改變，從傳統的講授者、灌輸者轉變為引導者、主持人，轉變為走到學生中間指導、交流、討論和共同學習的朋友；要對學生充滿信任和理解，遇到困難時，應適時點撥。在課堂上應鼓勵學生大膽設想，有發現，有創新，敢于別出心裁，標新立異。同時學生參與課堂并非只有提問一種形式，也可以采用分組討論或學生之間提出問題、解決問題等多種教學方法，在今后的教學中還需根據實際情況考慮設計。其次是積極進行職業活動導向法教學，其核心是要求學生在學習中不僅要用腦，而且要“腦、心、口、手”并用，共同參與活動來完成學習將學生認為枯燥的《數字邏輯電路》知識通過活動轉變為生動的學習內容，有利于培養學生的綜合職業能力。第三是備學生不足，多設計幾種學生回答的可能性，一定能使師生之間的溝通更好。也需要強化學生的實際訓練，比如在數字邏輯電路的控制線路中，先分析機械運動方式和電氣動作要求，再把常用數字邏輯電路的控制線路化整為零.同時靈活借助多媒體教學資源，把每個基本控制線路不同控制要求講清楚，這樣就把基本控制線路和數字邏輯電路控制有機地結合起來了，提高了學生學習興趣，而且實際訓練時間增多了，有利于教學目標的完成。

總之，卡諾圖在《數字邏輯電路》教學中的運用以實踐與實驗為線索，把理論教學內容溶于每一個活動之中，充分挖掘和激活學生的潛能，充分調動和發揮學生的積極性、主動性和參與性，培養出適應社會需要的高素質人才。

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第4篇：數字邏輯電路設計實踐范文

職業教育是教育體系中重要的組成部分，具有培養適應行業、服務社會地方經濟需求的技能型人才的重要功能。電子類、信息類專業人才的實踐操作能力、專業技能的培養過程中，數字電子技術課程具有重要的意義。課程能夠使得學生建立一般數字電子產品設計、分析、調試的方法步驟，形成獨立的產品開發、調試能力，課程對于學生專業技能的養成具有重要的基礎意義。但是由于課程具有一定的理論難度，職業學校的學生在學習過程中對于數字電路中的理論知識學習積極性不高，傳統的教學方式已經不能夠適應職業教育的特點，不能夠滿足數字電子技術課程的教學需求，因此探討并實踐符合職業教育特點的教學方案對于提升課程的教學效果具有重要的意義。

1.項目化教學與職業教育

在教育學中，項目教學法被定義為師生通過共同協作，實施一個完成的項目而進行的教學活動，其教學思想屬于行為導向教學法的范疇。教學結果是完成一個具體的教學目標，一般以實物載體的形式出現。實現項目法教學一般要經過項目任務的明確、實施計劃的制定、項目任務的實施、檢查評估以及歸檔應用等過程，項目化教學與傳統教學方案相比具有以下的特點，首先是項目化課程具有實踐性的特點，與傳統的學科體系不同，項目化教學能夠通過與實際對象的聯系，使得學生的學習具有較強的針對性與實用性;其次項目化學習具有較好的自主性，能夠更為有效突出學生在教學過程中的主體地位，開展自主學習，培養學生的創新能力;同時項目化課程教學能夠體現發展性與綜合性，使得學生在學習過程中能夠通過項目任務的完成，逐步形成綜合技能;最后項目化課程具有開放性，項目實施方式、評價方式都具有選擇性與多樣性的特點。

職業教育與普通教育在人才培養目標、培養對象方面都具有本質的不同，因此職業教育要采取符合職業教育特點以及教學課程特點的授課方式進行課程的教學。項目化教學的特點適應了職業教育人才培養的特點，同時也符合數字電子技術這樣的專業課程，因此在職業學校的數字電子技術課程中推進項目化教學對于提升課程的教學效果，提升人才培養質量具有重要的意義。

2.數字電子技術項目化教學實施方案

在教學過程中，通過對于學生專業能力、典型工作崗位的調研分析，結合了學生的認知規律，采用了朱祥賢主編的《數字電子技術項目教程》作為教材，應用項目化的教學方案進行了課程的教學。本書以項目為單元，以應用為主線，將理論知識融入到實踐項目中。全書共有8個項目，包括三人表決器電路、搶答器電路、數碼顯示電路、計數分頻電路、觸摸式防盜報警電路、溫度檢測電路、數字鐘電路等的設計與裝調以及用FPGA實現計數器等。通過項目任務的完成，提高學生對數字電子技術的理解，使之能綜合運用所學知識完成小型數字系統應用電路的設計制作，包括查閱資料、確定電路設計方案、計算與選擇元器件參數、安裝與調試電路，能使用相關儀器進行指標測試和編寫實訓報告。教學過程中，老師明確項目任務，學生與教師、學生與學生之間以項目團隊的形式進行合作，通過教師的指導，自主完成項目產品的開發，學生完成項目的方式可以自行選擇，最后要能夠將項目完成成果進行匯報，通過小組自評、學生互評以及教師評價分析項目任務完成的效果，提出項目優化的方案以及可行性措施，通過這樣的方案組織實施數字電子技術課程的教學。

3.數字電子技術項目化教學舉例

數字電子技術中項目1的教學內容是三人表決器電路設計與裝調，要求學生能夠掌握組合邏輯電路的基本設計方法與實際電路的裝接調試。本項目中學生為了能夠進行邏輯輸入量與輸出量的設計首先需要能夠正確理解數字信號的準確含義，能夠掌握不同數制之間的轉換（尤其是二進制的意義），能夠掌握邏輯狀態的定義與表示方法，建立客觀世界的控制對象的邏輯模型。通過通過本項目的學習，學生能夠掌握組合邏輯電路設計的一般步驟，掌握真值表的定義方法以及根據真值表進行邏輯表達式定義與化簡的基本方案，最后實現邏輯電路的安裝與調試。通過這樣的一個實際項目，學生能夠積極主動學習組合電路中必要的知識能力，學習效果良好。

首先將多人表決器的輸入輸出進行邏輯定義，定義表決的三個人為ABC，同意為1，不同意為0，輸出為Y，Y=1為表決通過。根據多人表決器邏輯關系，在教學過程中可以應用NI仿真軟件中的邏輯轉換儀進行設計，對于提升設計效率具有較大的作用。

應用軟件制定真值表如圖1所示。

圖1 多人表決器真值表

圖2 多人表決器電路原理圖

根據多人表決器的真值表，學生要能夠寫出邏輯表達式，本項目的邏輯表達式為：

在項目進行中，為了能夠簡化邏輯電路，就需要進行邏輯的化簡，學生可以自行選擇化簡的方案，可以選擇公式化簡、卡洛圖化簡或者是軟件化簡的方案實施，在此過程中培養學生自主解決實際問題的能力，經過化簡的表達式為Y=AC+AB+BC，最后將邏輯關系通過基本的門電路實現，可以采用與門與或門實現，同時可以鼓勵學生簡化硬件電路設計方案，培養學生的創新意識與創新能力，可以講邏輯表達式進行邏輯轉換，采用單一的與非門實現，這樣設計的硬件電路使用的門電路就比較單一，成本有所降低。多人表決器電路原理圖如圖2所示。

完成電路原理圖設計后，下面就要硬件實現，根據原理圖購買相應的電路元件，根據原理圖進行實際電路的裝配以及調試，并檢測電路的邏輯功能。學生要能夠完成電路基本功能的實現，在此基礎上完成電路性能的檢測與調試。在項目的實際完成過程中，要能實現這樣的邏輯控制關系需要使用或門以及與門電路，在實際硬件電路實現過程中不符合工程的要求。因此要求學生進行邏輯的轉換，采用單一的門電路實現，因此根據電路的邏輯關系以及反演定律將多人表決電路的邏輯關系式轉換為單一的與非關系，這樣通過一個與非門芯片74LS00就可以實現控制功能，學生通過這樣的轉換能夠理解工程案例設計的要求。

同時學生要能夠完成掌握74LS00芯片的性能以及引腳定義才能夠完成多人表決器項目中電路的連接。在此過程中教師指引學生進行數據手冊的學習，通過閱讀器件手冊理解器件的特性以及使用方法。由數據手冊中可以了解器件的功能以及電氣特性。識讀器件手冊也是學生必要的專業能力之一，多人表決器項目中74LS00四與非門芯片的電氣特性如圖3所示。

圖3 74LS00芯片的電氣特性

焊接過程中，為了能夠培養學生電路板的布局能力，采用萬用板進行，學生要能夠根據器件的種類以及信號的流程合理進行元件的布局以及導線的連接，同時要能夠正確完成產品的焊接以及調試，多人表決器設計實物如圖4所示。

圖4 多人表決器設計實物

通過這樣一個完成項目的鍛煉，學生能夠建立起完成的組合邏輯電路的分析與設計方案，能夠進行邏輯關系的表達以及轉換，能夠掌握簡單邏輯電路的設計、安裝與調試。在項目化的教學過程中，教師制定了教學目標，對學生進行必要的引導，讓學生自主完成項目的設計，以此提升學生的學習積極性與主動性，鼓勵學生在此過程中積極創新，培養學生動手能力、實踐能力以及專業技能。

第5篇：數字邏輯電路設計實踐范文

關鍵詞 單片機；數字電路；FPGA；實驗平臺

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）22-0054-03

Multi-Function Experimental Teaching Platform based on MCU

and FPGA//ZHOU Wenhui， DENG Chunjian

Abstract To overcome the difficulty of cramming teaching in the courses of digital circuits and single-chip microcomputer （SCM）， a dual core experiment teaching platform based on SCM and FPGA is designed. In this platform， logical circuit and SCM are designed by FPGA programming to realize the seamless joining of these two courses， by which the innovative ability of students is enhanced and teaching reform idea of teachers is broadened.

Key words single chip microcomputer； digital circuit； FPGA； expe-riment platform

1 引言

由于數字邏輯電路和單片機在實際工程應用中的重要性，目前，全國大多數理工類院校自動化專業把以上兩門課程列為重點課程，并配以28學時以上的教學實驗，以提高學生的動手與設計能力。受到傳統實驗設備的限制，兩門課程的實驗只能單獨開展，但在實際的電子設備設計過程中，單片機控制和數字邏輯電路設計具有不可分割的特點，造成學生對課程知識點的掌握無法融會貫通[1]。

基于單片機/FPGA雙核心實驗教學平臺的研制和應用是解決上述問題的有效途徑。實驗教學平臺以硬件實驗軟件化的設計思想，通過對可編程邏輯器件FPGA的編程，實現數字邏輯電路的設計與驗證以及單片機的開發與控制。實驗教學平臺既能夠支持數字電路實驗，也能支持單片機實驗教學，并通過實驗教學平臺實現兩課程教學與實踐的無縫銜接，將大幅提高教師課程教學的效率和學生的實踐創新能力。

2 平臺設計

總體結構 實驗教學平臺總體結構如圖1所示。采用底板和核心板組成的模塊化結構，底板通用，核心板為FPGA和單片機雙核心模式，主要包括三個部分。

1）FPGA/單片機實驗核心板。選擇ALTERA Cyclone II或更高級，I/O口兼容3.3 V/5.0 V TTL電平的FPGA芯片作為主控板，在EDA軟件設計好的硬件電路可以通過下載電纜（AS和JTAG下載接口）下載到核心板，實現對功能底板各外設的控制；單片機選擇具有16 KB系統內可編程Flash的8位AVR微控制器ATmega16，也可根據教材內容選型。

2）功能底板。設計多個設備作為核心板的控制對象，包括10 M或100 M以太網接口、VGA接口、串口、PS/2鍵鼠接口、紅外接口、I2C接口、SD卡媒體接口、液晶屏接口、A/D和D/A、七段碼顯示器、LED點陣顯示器、矩陣鍵盤、撥碼開關、555電路、RAM、蜂鳴器和步進電機驅動等。

3）BBII下載電纜。實現計算機上設計的硬件電路下載到核心板的數據傳輸功能。

系統功能 實驗平臺的創新主要體現在它的綜合教學功能，既可作為數字電路的實驗教學平臺，又可用作單片機的教學開發板。可開設的數字邏輯電路實驗包括門電路、撥碼開關、編碼器、譯解碼器、多路復用器、比較器、加法器、移位寄存器、計數器、數字鐘、A/D和D/A轉換等。學生通過QuartusII進行形象的數字電路設計并定義FPGA的引腳后，將程序下載到FPGA，即可直觀地觀察實驗結果，有利于提高學生的學習興趣。

進入單片機學習階段，通過實驗平臺進行以單片機為核心、電子電路為設備的應用實例實驗，將單片機的知識點和數字電路知識點貫通起來，有利于提高學生對課程知識的綜合運用能力。平臺可進行單片機的最小系統實驗，包括發光二極管試驗、流水燈、七段數碼管靜態與動態顯示、單片機定時器運用、單片機中斷、矩陣鍵盤檢測、溫度顯示、紅外收發、步進電機驅動等。此外，學生還可根據個人特點，發揮主動性和創造性，依托實驗平臺設計以單片機為核心，結合數字邏輯電路和設備的綜合性控制實驗，進一步鍛煉創新能力。

3 實驗案例

數字邏輯電路綜合實驗 采用74LS90構成模10計數器，通過顯示譯碼器74LS47和七段數碼管組成的一位數碼顯示電路，顯示0～9的十進制計數過程。該實驗綜合運用了組合邏輯電路和時序邏輯電路的基礎知識，具有較強的代表性。但在以往的實驗教學中，該實驗完成的情況一直不太理想。究其原因，主要是實驗涉及的電路模塊和芯片較多，在傳統的數字電路實驗箱上完成，學生需要在實驗面板上大量連線。這些導線縱橫交錯，容易出現錯接、漏接，接觸不良等問題，學生課堂實驗時間往往耗費在查線、查漏等非專業知識問題上，實驗效果受到極大影響。

本實驗平臺綜合了仿真實驗和硬件實驗的優勢，實驗箱提供了CP計數脈沖產生電路、七段共陰數碼管顯示電路等硬件模塊，在所設計電路的輸入和輸出兩個關鍵位置給予學生直觀的操作和結果顯示。而計數器、譯碼器等容易損耗的器件芯片以及連線較為復雜的電路部分，則通過計算機仿真軟件來實現電路的設計和連接，充分體現了實驗平臺在數字電路實驗教學中的優越性。具體實驗步驟如下。

在QuartusII中建立一個工程，把異步計數器74LS90的QA輸出端連接到CLKB輸入端，然后把計數脈沖CP加到CLKA輸入端，同時SET9A、SET9B、CLRA和CLRB引腳接地，即可實現十進制計數功能；顯示譯碼器74LS47把8421BCD碼轉換為低電平有效的譯碼信號，驅動七段共陽數碼管，顯示0～9十個數字。把74LS47的A、B、C、D輸入引腳分別與74LS90的QA、QB、QC、QD輸出引腳相連，同時74LS47的LTN、RBIN、BIN引腳接高電平，OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG引腳分別與數碼管的A、B、C、D、E、F、G引腳相連，從而構成一位數碼顯示電路[2]。

電路設計完成后，即可點擊QuartusII菜單中的“Processing|Start ComPilation”進行編譯，并對FPGA中的I/O相應的輸入和輸出管腳進行定義。單擊QuartusII菜單中的“Assignments|Pinplanner”，根據圖2所示各引腳對應關系完成電路輸入和輸出的定義。對定義好引腳的電路重復一次編譯工作，再通過ByteBlasterII下載電纜的Jtag口下載編譯好的sof文件到FPGA電路板中，即可開始實驗操作[3]。

單片機溫度檢測與顯示實驗 實驗平臺集成了具有I2C接口的LM75A溫度傳感器，在-55～+125 ℃的溫度范圍內將溫度直接轉換為數字信號，顯示精度可達0.125 ℃。單片機通過I2C總線直接讀取其內部寄存器的數據，并通過I2C接口對4個數據寄存器進行操作，以設置為不同的工作模式[4]。平臺設置了LM75A的SDA和SCL引腳與單片機的P1.3和P1.4引腳硬件相連，七段數碼管的片選引腳與4-16線譯碼器74HC154的輸出端硬件相連，當74HC154的選通端（OE1、OE2）均為低電平時，可將地址輸入端（ABCD）的二進制編碼在譯碼器對應的輸出端以低電平有效的形式譯出，則電路可通過地址端（ABCD）實現對七段數碼管的片選控制。

由于在實驗平臺中，數碼管顯示模塊的A～G引腳與FPGA的相應引腳是硬件相連的，因此，本實驗最小系統只要按圖3所示對FPGA的相應引腳進行分配，即可進行單片機程序的燒寫和實驗。

4 小結

實驗教學平臺的成功研制和應用，克服了傳統數字電路實驗箱和單片機實驗箱只能單獨開出本門課程實驗，兩門課程教學無法實現有效關聯的缺點，為電類各專業學生提供了一個創新實驗平臺。目前，實驗平臺已在計算機學院嵌入式專業開展示范應用，并逐步推廣到自動化、電子信息工程等多個專業。通過平臺實訓，學生的學習和動手能力大幅提高，為后續專業課程的學習打下良好的基礎。

近年來，在校學生積極參加科技競賽活動，獲得國家級獎勵50余項，省級獎勵40余項。其中，示范應用的嵌入式專業學生獲得國家獎勵15項，省級獎勵26項。此外，通過實驗平臺進行教學的專任教師，教學效果備受同行和學生的好評。其中，2名教師獲得省級優秀教師稱號，5名教師獲得市級優秀教師稱號。實驗平臺無論是在提升學生綜合設計和創新能力，還是在教師教學手段的改變和教學能力的提升方面，均取得令人滿意的效果。■

參考文獻

[1]熊正鵬.基于PLC與單片機雙平臺控制的開放式機電教學實驗設備的研制[J].實驗室研究與探索，2004，23（12）：

40-41.

[2]鄧元慶，關宇，賈鵬.數字設計基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

第6篇：數字邏輯電路設計實踐范文

關鍵詞:狀態機;Mealy型狀態機;VHDL語言

中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9599 (2012) 13-0000-02

數字電路分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路的輸出只與當前輸入有關,時序邏輯電路的輸出不僅與當前輸入有關,還與過去的輸入有關。狀態機是一種廣義的時序電路,它的輸出不僅與當前輸入信號有關,還與當前的狀態有關。

一、狀態機有三個基本要素:狀態、輸入、輸出

狀態是狀態機中最根本的要素。狀態機的最基本特點就是寄存器中存儲的狀態按照一定的條件或規律進行轉移,并輸出特定信號。

輸入信號作為狀態機狀態轉移的條件,即狀態機根據輸入信號和當前狀態決定下一個轉移的狀態。

輸出信號一般由當前狀態和當前輸入信號決定,也可只由當前狀態決定。

二、狀態機的特點

(1)狀態機的結構模式相對簡單,設計方案相對固定。

(2)狀態機的VHDL設計層次分明,結構清晰,易讀易懂。

(3)就運行速度而言,狀態機的每一個狀態中可以完成許多并行的運算和控制操作。

(4)就可靠性而言,狀態機也具有明顯的優勢。

三、狀態機的分類

狀態機可分為有限狀態機和無限狀態機,在這里只討論有限狀態機。按照輸出信號是否與輸入信號有關,可將有限狀態機分為Moore型和Mealy型。Moore型狀態機的輸出只與當前狀態有關,Mealy型狀態機的輸出不僅與當前狀態有關,還與當前輸入有關。Moore型和Mealy型狀態機示意圖分別如圖一和圖二所示。

從輸出的時序上看,Mealy型狀態機的輸出是當前狀態和所有輸入信號的函數,它的輸出是在輸入變化之后立即發生的,不依賴時鐘的同步。Moore型狀態機的輸出僅為當前狀態的函數,狀態機的輸入發生變化還必須與狀態機的時鐘同步。由于Mealy型狀態機的輸出與時鐘不同步,因此很容易在輸出端產生毛刺,造成不可預料的結果。因此從穩定性的角度講,Moore型狀態機比較好;但是從相應時間角度講,Mealy型狀態機對輸入的響應最多可比Moore型狀態機早一個時鐘周期.在工程實踐中,具體電路有具體的設計要求,根據實際情況選擇相應的狀態機。

四、基于狀態機的8路彩燈設計

在我們的生活中,電子彩燈已成為我們裝點生活常用的電器,電子彩燈控制電路的設計要求也越來越高。要求我們設計的彩燈花燈品種更多,控制更加方便,靈活性高,可靠性高。采用傳統數字電路設計的彩燈控制器電路復雜,設計周期長,精度不高。基于FPGA的電子彩燈設計設計靈活,功能完善。

8路彩燈控制系統分為分頻模塊和花型循環控制模塊。

(1)分頻模塊:我們在這里選擇的時鐘脈沖信號是50MHz,由于時鐘脈沖的頻率太高,所以我們未分頻時看到的是8個LED燈全亮,而看不到LED燈閃爍的狀態。我們這時將50MHz分頻,達到人視覺能感覺的頻率,即可看到LED閃爍的效果。

分頻程序如下:

(2)花型循環控制模塊:花型循環控制模塊是系統的核心部分,它主控著8路彩燈的花型。循環彩燈控制模塊主要由狀態機設計,用狀態機設計靈活性強。

按設計的要求實現8種花型:00001111、10000000、01100011、01001111、11000000、11101111、11111111和10010011。用S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7來表示8種不同的狀態。狀態圖如下所示。

用狀態機設計語句type states來實現,8路彩燈控制模塊程序如下:

五、設計拓展

8路彩燈設計系統在實際應用中還可以靈活地修改。如果要改變循環燈的控制花型,可改變s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7中所設的數值;如果要改變循環燈的花型數量,可改變狀態機中s的數量,如12種花型,可改為s0—s11;還可以修改頻率來控制花型閃爍的速度。

六、小結

使用VHDL語言進行8路彩燈電路設計,思路簡單,功能明了,靈活性強。在控制電路中采用狀態機設計,電路控制靈活,功能便于實現,思路簡潔便于修改。比起用常規的單片機設計8路彩燈電路更簡單實用。此系統可在分頻前在ISE軟件下的ISE simulator上進行仿真和驗證,并可加上適當的約束條件后,在Spatan3E的開發板驗證試驗結果。

參考文獻:

[1]Kleitz.W.VHDL數字電子學[M].北京:北京希望電子出版社,2008

第7篇：數字邏輯電路設計實踐范文

關鍵詞：數字邏輯；VerilogHDL；FPGA；EDA；教學改革

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0177-02

The teaching reform and practice of digital logic taking verilogHDL as the key points

ZHAO Tian-xiang， HE Jin-zhi

（Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473000， China）

Abstract：Aiming at the backward methods and old content in the traditional digital logic course， the reform and practice of the digital logic teaching with VerilogHDL and FPGA as the key points are carried out， and the new teaching mode of the experiment drive is discussed. Not only make the students come into contact with the latest digital circuit design method， but also make it have a wide range of application prospects of the new skills. The students in the completion of this course， can really do the design， application.

Key words： Digital logic； VerilogHDL； FPGA； EDA； teaching reform

承擔《數字邏輯》這門課兩個學期了，我發現傳統的教學內容已經不適合現在社會的發展，并對此進行了教學內容的改革。在傳統的教學內容中，邏輯表達式、真值表和波形圖等這些老舊的數字電路設計方法，是教學的重點。而CPLD、FPGA和VHDL、VerilogHDL等現代化的數字電路設計方法僅僅是一個簡單的介紹。這樣的數字邏輯課程學完后，學生僅僅是對數字電路的設計有所了解，至于設計是無從談起的，現在用邏輯表達式、真值表和波形圖等去設計一個數字電路簡直是可笑的。于是，我決定把基于VerilogHDL和FPGA的現代化的設計方法作為教學的重點，這樣使學生學完這門課程后，真正能做設計，做應用。

1 VerilogHDL簡單易學

VerilogHDL是一種硬件描述語言，使用這種語言只需要把我們想設計的數字電路的功能或結構描述出來，然后由計算機輔助電路設計軟件綜合出實際可用的數字電路出來。完全不用像傳統的設計方法那樣，用邏輯表達式或真值表那樣一個邏輯門一個邏輯門的去設計。傳統的設計方法，費時費力，在門數比較少的時候還可以。但在現在動輒數億門的集成電路設計中幾乎是不可能的。使用計算機輔助電路設計軟件進行數字電路設計是時展的必然。

使用計算機輔助電路設計件進行數字電路設計就必須要用硬件描述語言，現在主流的硬件描述語言主要有兩種，一種是VHDL，一種是VerilogHDL。VerilogHDL的風格非常接近計算機軟件語言中的C語言，因此VerilogHDL比前者更容易被計算機專業的學生接受和理解。VerilogHDL和VHDL都是IEEE標準，功能和性能上沒有太大的差異，在國內使用Verilog HDL的用戶也比較多，因此我決定以VerilogHDL作為這門課的編程語言。VerilogHDL在語法，數據類型，控制語句等方面和C語言都有較多的相似性，學過C語言的計算機專業的學生很容易就可以理解和掌握這門語言。

VerilogHDL需要在計算機輔助電路設計軟件中使用，現在這種軟件已經非常成熟。我們使用的是Altera公司開發的Quartus II軟件，Altera公司是世界第二大FPGA廠商，其產品在國內有廣泛應用。FPGA是現場可編程邏輯陣列，可以通過編程變成我們想要的任意電路。我們用VerilogHDL做出設計，由Quartus II綜合出電路，如圖1所示。然后下載到FPGA，由FPGA實現驗證，最后由半導體企業生產出來使用。也可以直接使用FPGA，使用FPGA和使用專用芯片幾乎沒什么差別。

圖1 Quartus II綜合VerilogHDL設計生成的電路原理圖

2 實驗驅動的教學模式

我在教學中采用實驗驅動的教學模式，即通過大量可驗證的實驗，逐步把知識傳授給學生。在傳統的教學模式中，教師往往從基本的語法，原理講起，等語法，原理講完了，再講復雜的應用。結果，前期講理論時，學生覺得非常枯燥，后期講應用時，前面的理論又忘得差不多了，教學效果不理想。實驗驅動的教學模式即把理論教學和應用教學結合起來，穿插起來。前期不純講理論，而是以簡單的實驗，把理論融入實驗，一一驗證。每一個實驗都是一個較為完整的應用，都可以通過軟硬件驗證，這樣可以引發學生的學習興趣。由簡單到復雜，每一次實驗都會有一些收獲，跨度也不大，逐步深入，而且每一次實驗都印證了學科的實用性，增強學生學習的信心和動力。

這些實驗可以通過軟件或硬件來驗證，在Altera公司的Quartus II軟件中自帶了一個由Mentor Graphics公司為Altera定制的ModelSim-Altera軟件。ModelSim-Altera是一個仿真分析軟件。VerilogHDL包括分析測試的功能，我們寫出的實驗例程可以包含一個測試模塊。在測試模塊中，我們可以通過對輸入端口賦值，設置時間點，對實驗進行充分的測試驗證。在ModelSim-Altera仿真過程中，可以輸出虛擬示波器波形，對這些波形進行分析可以查找錯誤，驗證功能。ModelSim-Altera還提供了豐富的系統任務和系統函數幫助我們分析電路功能，可以按時間點輸出監控的參數數值。

ModelSim-Altera雖然是一個簡單實用的好工具，但仿真還是有一些局限性的。這時候，一塊FPGA的開發板就非常重要了。我們寫的VerilogHDL設計，下載到FPGA開發板中，以硬件的方式進行驗證，親眼看到，非常有說服力。使用FPGA開發板還可以進行非常實用的應用開發，比如紅外遙控、視頻編碼、VGA輸出等。

3 FPGA應用前景廣泛

使用VerilogHDL和FPGA不僅使數字電路設計簡單方便，而且對于小規模的應用，我們根本就不需要把電路生產出來，直接把設計寫入FPGA，直接用FPGA就行了。FPGA相對于單片機等傳統控制器，有很多優點。例如：FPGA可以生成任何電路，大大簡化了控制器周邊的復雜度，一些譯碼器、編碼器等芯片不需要了，降低了成本，提高了可靠度。FPGA純硬件運行，沒有CPU執行延時，響應速度非常快。在一些實時性要求非常高的場合有著傳統控制器無法比擬的優勢。比如：實時的視頻采集，高速運動裝置的控制等。

4 結束語

以VerilogHDL和FPGA為重點的數字邏輯課程教學改革，經過我這兩個學期的實踐，使原本邊緣化的一門傳統課程，煥發出新的活力。不但使學生接觸到最新的數字電路設計方法，而且使學生掌握了一門有廣泛應用前景的新技能，為其以后的發展又增添了一條新的選擇。今后我將繼續在實用化，現代化的教學實踐中探索前進。

⒖嘉南祝

[1] 馬朝，李穎，楊明.用Verilog-HDL設計數字邏輯系統[J].計算機工程，2015，26（12）：110-112.

[2] 何清平，劉佐濂，江建鈞.Verilog語言綜合問題研究[J].廣州大學學報，2006，5（5）：58-61.

[3] 徐瑩雋. 基于開放教學模式的數字邏輯電路實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2006，28（6）：64-66.

[4] 艾明晶. 基于自動設計方法的數字邏輯課程改革研究與實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（9）：151-154.

[5] 唐志強. 計算機專業數字邏輯實驗的改革與創新[J].實驗室研究與探索，2013，32（10）：182-183.

[6] 羅杰，康華光. 兩種硬件描述語言VHDL/Verilog的發展及其應用[J].電氣電子教學學報，2002，24（4）：1-5.

第8篇：數字邏輯電路設計實踐范文

關鍵詞：合理；穩定；效率；邏輯函數

繼電控制線路的主要作用是為生產機械服務，是生產機械在生產過程中不可缺少的重要組成部分。在自動生產流水線上或機床控制方面很多都采用繼電控制方式的電氣控制線路，實際生產中，繼電控制線路設計是否可靠、合理、穩定，直接影響著生產效率和生產效益。我們在從事維修電工實踐教學和校企合作技能培訓過程中，發現很多學生和學員，甚至是有不少實際生產經驗豐富的一線電工，在如何設計出合理的繼電控制電路方面都存在著較大的欠缺，這說明，具體有效的線路設計是學生和學員學習中的較大難題。

在繼電控制線路設計中，不少設計人員采用的是經驗設計法。此法在設計比較簡單的控制線路時有較大優勢，但在設計比較復雜的控制線路時顯現出一定的局限性。第一，對設計者要求高，需要設計者熟悉工業系統中各種典型的控制線路和豐富的實踐經驗及設計技巧的積累；第二，設計效率低，在工程應用上不方便，要求設計人員在設計過程中要反復修改完善，通過不斷試驗論證來滿足生產工藝要求，耗費大量的時間和精力；第三，設計方案不可靠、不經濟，由于經驗以感性認識為主，不具理性認識的系統性，經常造成所得的方案不合理、不經濟現象出現。基于經驗設計法在實際應用中的局限性，我們在多年的一體化教學及具體實踐培訓過程中，總結出采用邏輯函數設計方法進行繼電控制線路的設計取得了較好的成效。

一、邏輯函數設計法應用基礎

數字電路研究的是開關電路，電路中對應的兩種狀態是“開通”與“關斷”，在邏輯函數中用二元常量“1”和“0”表示。而在繼電控制線路中，控制電路主要是對受控電器進行開通、關斷控制。相關交流接觸器或繼電器受電或失電引起觸點“動斷”或“動合”產生的電路邏輯狀態的變化，元器件的動作狀態類似于邏輯函數中的“1”和“0”的兩種數字狀態，故在繼電控制線路的設計中可以引用數字電路中的邏輯函數的關系進行相關繼電線路的設計。所謂繼電線路的邏輯函數設計法，就是按照生產工藝的要求，利用邏輯代數的關系來分析設計繼電控制線路。這種設計方法特別適用于較復雜的生產工藝所要求的自動生產或組合機床控制線路的設計。采用邏輯函數設計法得到的控制線路設計簡要、經濟、安全、穩定、可靠。在實際應用中應根據具體情況，盡可能減少所用器件數目和種類，這樣可以使安裝好的電路結構緊湊，達到工作可靠而且經濟的目的，所得到的電路設計結果比經驗設計法有明顯的優點，能得到生產工藝所要求的最佳設計方案。

二、邏輯函數設計的基本原理及要求

邏輯函數的理論基礎是邏輯代數，邏輯運算的三種基本形式為與（邏輯乘）、或（邏輯加）、非（邏輯反）。這三種關系的不同邏輯組合形式得到的表達式構成了繼電線路邏輯電路圖的基礎。

邏輯電路圖，是由若干個基本邏輯符號及它們之間的連線構成的圖形。實際生產中，設計者往往將電氣控制線路中元件觸點的“開通”“關斷”狀態的變化作為邏輯變量。就整體而言，繼電控制邏輯電路的輸出量與輸入量之間的關系是一種因果關系，故輸出的狀態與輸入的變量可以用邏輯表達式來描述。

1.三種基本邏輯關系表達形式

（1）邏輯與關系。

（2）邏輯或關系。

當一件事件的幾個條件中只要有一個條件得到滿足，這件事就會發生。圖1的b中使KM得電的邏輯表達式為：KM=SB1+SB2。

（3）邏輯非關系。

當一件事情的發生以其相反條件為依據，即二者之間是處于對應的邏輯關系。圖1的c中KM得電的邏輯表達式為：KM=

實際電路中，一個繼電控制電路，往往是由各種元器件不同的邏輯狀態組合而成。

2.邏輯規定

（1）各種電磁元件的線圈通電狀態的邏輯關系為“1”，失電時的邏輯關系為“0”。

（2）各種控制按鈕、開關觸頭、接觸器或繼電元件的自身觸點閉合的邏輯狀態規定為“1”，各觸點的斷開邏輯狀態規定為“0”。

（3）元件的動斷觸點的狀態均用“非”狀態表示，即。

（4）X開。

（5）X關。

能使繼電器失電的關斷信號，若此信號由“1”“0”轉變使繼電器關斷，取原變量；若邏輯狀態由“0”“1”轉變，取其反變量；當使繼電器失電的關斷信號不止一個時，這些判斷信號的邏輯關系是“或”關系。

三、邏輯函數設計法設計步驟及應用分析

現以一個企業生產應用實例進行說明：

1.生產工藝設計要求

某自動生產流水線有兩臺電機M1與M2，為實際操作方便要求能夠實現兩地控制，第一臺電機M1先行啟動，運行3分鐘后，第二臺電機M2自動啟動運行；正常生產結束時，必須第二臺電機M2要先停車，否則第一臺電機不能停車，第二臺電機M2停車3分鐘后第一臺電機M1自動停車，要求線路中有必要的電氣保護環節。

2.繼電控制線路邏輯設計步驟

在狀態表中，所有器件在初始位都不得電，上圖中狀態轉換信號包含主令信號與執行元件動作時自身輔助觸頭所引起的狀態變化信號。實際生產中，可根據具體需要設置中間繼電器為中間記憶單元，以確保設計出的繼電控制線路既可行又安全。上表中，KM1控制電機M1的通斷狀態，KM2控制電機M2的通斷狀態。

（3）根據狀態表列寫出各元器件動作的邏輯表達式。

①KM1的邏輯函數表達式。

（5）規范電路設計標準，完善電路設計功能。

根據以上步驟分析可知：在設計過程中，運用邏輯函數設計法，設計者就有一個比較系統的設計思路，大大提高線路的設計成效，從而縮短線路的設計時間；采用邏輯函數設計法，可簡化繼電控制線路，減少很多不必要的經濟費用，同時還可以極大地提高線路運行的可靠性、安全性，在較復雜的生產工藝的繼電控制線路上有較大的使用價值。

參考文獻：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

第9篇：數字邏輯電路設計實踐范文

我國于2005年開始進行CDIO模式的高校工程教育改革，改革目標是通過注重培養學生系統工程技術能力，尤其是項目的構思、設計、開發和實施能力以及較強的自學能力、組織溝通能力和協調能力，吸收世界先進的工程教育理念，建立符合國際工程教育共識的課程體系。目前，CDIO教育理念已應用于人才教育模式和課程體系建設等方面的教育或教學改革，而這些改革都是以使學生具有較強的設計和建造的能力、創新能力、較強的團隊精神和領導能力為目標。“數字電子技術”是電類專業一門核心主干基礎課程，其教學內容抽象、理論性強、實踐要求高。而本課程的教學效果不甚理想，體現在以下方面:學生普遍感覺比較枯燥，學習興趣很難持久;學生了解邏輯門電路的功能和原理，卻不清楚在現實生活中如何應用;學完課程后只會設計幾個功能簡單的數字邏輯電路，缺乏實際運用能力，無法完成一個完整實際電路的分析和設計。為了擺脫目前教與學的困境，本文借鑒CDIO教育理念，重構“數字電子技術”課程的教學模式。

二、基于CDIO教育理念的“數字電子技術”課程教學模式重構

1．課堂授課策略的重構

目前，在多數高校中“數字電子技術”課程普遍采用的是“教師講授+多媒體教學”的傳統教學形式，主要以教師講解為主，以幫助學生熟練掌握基礎知識為指導思想，一般是先利用幻燈片向學生介紹本章節涉及的邏輯單元的內部結構、工作原理和邏輯功能等，然后通過例題給學生講解組合邏輯電路或時序邏輯電路的工作原理及其實現過程。在整個課堂教學過程中，學生更多的是充當“聽眾”的角色，跟著教師的思路去理解、記憶相關的知識點，學生的“學”完全圍繞教師的“教”來進行，這種傳統的教師主動“教”的模式，只能帶來學生被動“學”的困境。不可否認，這種教學方法對學生快速掌握課程知識點具有顯著的效果，但是，也會導致學生在未來工作中面對實際的工程項目束手無策的尷尬局面。根據CDIO“做中學，學中做”的理念，教師要改變原有的教學方法，采取能培養學生的自主學習能力和創新能力的基于問題的教學方法(Prob-lembasedLearning，PBL)。PBL教學方式是先由教師在課前提出根據教學目標精心設計的具有啟發性的問題，再由學生通過查閱相關資料學習解決問題的“教與學”緊密結合的過程。在這個教學過程中，作為課堂教學主體之一的教師是學習方法的引導者、基礎知識的講授者、創新教學模式的整體設計者、學習過程的監控者、學習質量的評價者和師生互動之間的協助者;而作為教學過程中心的學生，需要自己解決學習問題，承擔自主學習的責任，成為學習過程的真正主體。“數字電路技術”課程中組合邏輯電路這部分教學內容，教師可以立足于生活引出“數字顯示搶答器”的設計問題，由學生分組討論并各抒己見，讓學生的自得到尊重，讓學生的學習興趣得以激發，在學生完成設計后，教師在現場用電子電氣設計自動化(ElectronicDesignAutomation，EDA)軟件Multisim搭接電路并仿真實效，對學生的設計做出評價，EDA軟件具體可參考文獻。這樣的教學模式，不僅能讓學生在解決問題的過程中掌握相關的知識技術和學習策略，也有利于學生更好地適應未來職場上創新性的開發工作，而于教師本身而言，也是一個教學相長的過程，對教學水平的提高和職業技能的開拓都大有裨益。

2．教學內容的重構

“數字電子技術”原有課程教學內容以數字邏輯電路的基礎知識和原理為主線，教學目標主要是讓學生了解或驗證相關的知識點。在現有教學內容和目標的框架下，學生雖然能夠掌握單一的知識點及其應用技巧，但不清楚如何在整個項目中合理地使用各類技術，形成“只見樹木，不見森林”的認知習慣，造成學生知識結構的單一性和淺薄性。筆者在教學過程中，經常遇到學生反映教學內容枯燥難懂，在未來工作中又沒有實際意義，由此形成了教學主客體的雙重尷尬局面。在CDIO特色的教學內容體系下，通過項目設計將整個課程體系有機、系統地融合起來，所有的教學內容都圍繞該項目展開;符合CDIO模式思想的“數字電子技術”教學內容，需要教師能從較高層次把握這些內容各自的地位和作用，幫助學生理清課程中各種內容之間的關系，從而凸顯設計和應用，改變過去重視原理、忽視設計、忽視應用的狀況。“數字電子技術”課程教學內容以原理、設計和應用為主線，將課程教學內容劃分成與之對應的三個部分:(1)數字電子技術原理部分，涉及邏輯門電路和觸發器等;(2)數字邏輯電子電路設計部分，涉及組合邏輯電路和有記憶功能的時序邏輯電路等;(3)數字電子技術應用部分，涉及硬件描述語言、EDA電子仿真實驗和硬件電路調試實驗等。筆者擬建立基于CDIO特色的“數字電子技術”教學內容體系，如圖1所示，虛線框的內容代表教學內容，實線框的內容代表教學內容相應教學的作用。

3．教學評價模式的重構

在傳統教學評價模式中，理論考試和實踐考試分離，課程考核基本采用單一筆試的考評方式，像大部分課程仍采用“期末成績(70%)+平時成績(30%，包括出勤和作業兩個部分)”的評價模式，該模式簡單公正，但注重的是理論知識的考核。這種考核方式僅僅反映出學生對理論知識的掌握程度，很難體現學生的實踐能力和工作態度;此外，這種只關注結果的考核評價具有較濃的功利色彩，學生也僅僅為考試而學習，沒有主動參與學習過程的熱情，根本體會不到學習的樂趣，更談不到創新能力的提高。CDIO創新教學模式的愿景是要為工科學生提供一種強調工程基礎、建立在實際工程上產品的C—D—I—O過程的環境基礎上的工程教育;而基于CDIO的教育理念構建的課程考核評價方式，應將培養符合產業界的工程師需要具備的各種能力和素質變為學生考核的主要目標。因此，我們擬建立以教師、實驗師和學生三方為主體，結合學習過程、項目結果和考試三方面的綜合評價模式，在這種評價模式下課程的成績評定，采用“結果性”考核與關注學生在學習過程中體現出的態度、素養、人際團隊能力和工程系統能力等“過程性”考核相結合的模式來決定。減少“結果性”期末理論考核在總評中所占比例，設定比例為35%，重點考查學生的知識和技術。加強“過程性”考核的力度，提高平時考核所占比例，學習過程和項目結果占的比例為65%，重點考查學生的能力和態度。學習過程考核主要由課堂表現16分和協作成績14分組成，教師評課堂表現，學生互評協作成績;項目結果考核中項目質量和創新占20分，項目答辯占10分，這兩部分成績是教師和實驗師針對項目團隊打出的，互評成績5分是根據項目組內根據對項目的貢獻程度由學生互評得出，既能使成績總體上取決于團隊成績，使學生重視團隊協作，又能衡量在一個項目組內各學生對項目貢獻的大小。然而，項目設計的結果往往不是唯一答案，因此，要重點關注有特點、亮點的設計方案，并給予大力鼓勵與表揚。總之，“結果性”和“過程性”課程的考核評價不僅注重知識和技術的評價，而且要注重能力和態度的評價。

三、結語