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關鍵詞:市政道路;橫斷面;設計
中圖分類號: U41 文獻標識碼: A
引言
隨著經濟建設的發展,人們的物質生活水平不斷的提高,由此機動車的數量增加,這就對城市交通造成了一定的壓力。在城市交通中,道路的設計質量至關重要,在市政道路設計中,橫斷面設計是先于其他設計的,其對道路的交通功能有重要的影響,所以說為了滿足日益發展的城市化建設的需要,就要做好道路橫斷面設計工作,為城市發展打下堅實的基礎。
一、城市道路設計的特點
1、系統性
城市道路項目的前期從規劃到完成可行性研究報告,需要規劃、業主、設計部門的共同參與,是對項目的可行性進行研究;后期從設計招標到竣工驗收,需要業主、設計、施工、監理、質檢等部門的共同參與,確保項目實施順利。
2、復雜性
城市道路設計工作涉及專業多,各專業不是獨立的,是相互關聯的,在項目負責的統一協調下完成從方案到施工圖的設計工作。城市道路設計涉及到的專業包括道路、交通、橋隧、測量鉆探、排水、照明、綠化等,各專業分工不同,在不同設計階段的側重點有區別,如道路專業表達的是路線走向、平縱橫、路基處理等內容,而交通專業重在表達標志標線、信號控制等內容。
3、設計人員的主觀性
城市道路項目從方案到實施階段的過程中,設計工作總是最前面的一個環節,其它部門的工作也是圍繞著設計方案進行,各個部門對設計方案提出意見,最終的方案由設計人員確定,設計人員通過所掌握的專業知識完成設計圖紙,主觀性體現了設計人員在項目中的作用與職責,成功的設計使得各部門的工作可以高效有序地進行,使工程順利展開。
二、市政道路橫斷面的設計原則
1、市政道路橫斷面設計應在城市規劃的紅線寬度范圍內進行
橫斷面的形式、布置、各組成部分尺寸及比例應按道路類別、級別、計算行車速度(即設計車速)、設計年限的機動車與非機動車交通量和行人流量、交通特性、交通組織、交通設施、地上桿線、地下管線、綠化、地形等因素統一安排,以保障車輛和行人交通的安全、通暢。在對橫斷面的設計當中,要用發展的眼光,結合近期的規劃和長遠的發展相結合來進行,做到近期工作為遠期工程做鋪墊,同時在近期工程設計時要預留管線的位置,以便于在遠期工程建設時所用,同時在路面的寬度和標高等方面在設計時都要為長遠的發展留有余地。
2、對現有道路改建應采取工程措施與交通管理措施相結合的辦法以提高道路通行能力和保證交通安全
對道路改建時可以采取增辟車行道、展寬道路等,同時也可以采取交通管理措施,把機動車與非機動車道分隔開來,或是有兩條平行道路時,改為單向行駛,從而減輕擁護的程度,加快車速。對于在主商業街道上,可以在保證公共交通通行的同時,對其他機動車輛限行,這樣可以充分保障行人的安全。
三、市政道路橫斷面設計要點
城市道路人流和車流量較大,交通性質及組成成分都較為復雜,因此橫斷同的布置是十分關鍵的,城市道路主要有車行道、人行道、綠化帶和分車帶等部分組成,因此在對橫斷面進行設計時,主要是要根據道路的交通性質和結構還確定各部分的寬度,從而實現合理的布置。
1、機動車道與非機動車道的設計
在城市道路上的組成上,機動車道和非機動車道占主要部分,因此在設計時,需要考慮機動車道和非機動車道之間的位置設計,可以根據道路的情況設置為一個車道上行駛,也可設置為分隔開行駛的,這需要根據道路的性質來確定,同時還要針對道路的通行能力進行計算,車道的寬度和設計和條車道才能保證通行的能力,在設計時,根據不同的道路的性質所要實現的設計指標不同,快速路主要保證車速,而其他路主要保證通行能力。另外設計時還要考慮到車輛行駛的安全距離,這點每個城市都有不同。
2、人行道的設計
人行道的設計主要是從行人的舒適性和安全性時行考慮的,對于繁華的路段,還要考慮人的通行能力,同時還要留出綠化的寬度。一般認為道路總寬度與單側人行道之比在5:1~7:1的范圍內是比較合適的。為了保障人行安全,路緣石應高出路面高度10~20cm。同時人行道下面多數為管線的埋設位置,這樣一方面有利于施工的安全,另一方面對交通不會形成影響。
3、橫坡度的確定
在對道路進行設計的過程中,排水是基礎問題,如果設計的坡度不當,在路面的積水得不到有效的排除,不僅影響到行車的舒適性和安全性,同時對道路結構也有很大的影響。在對坡度進行設計的過程中,要充分的考慮到排水的速度和效率、行車的速度和車行道的寬度,將這些因素進行綜合的考慮。坡度設計的過大,排水較快,但是車輛行駛易發生打滑和傾覆。但是如果坡度設計的過小,積水無法及時的排出,也會影響到行車的安全,同時對路面保養不利。所以說在對路面的橫坡度設計的過程中,要從道路和車兩方面綜合考慮,使坡度達到一個適宜的值,保證道路的交通功能。
4、橫斷面的綜合布置
(1)一幅路是所有車輛都集中在同一個車行道上混合行駛,車行道布置在道路中央,可以采用劃分中央車道線及快慢車道線、只劃分中央車道線和不劃線三種方式靈活組織交通適應于機動車與自行車流塔較小或其中一類流量較大但兩者高峰時間錯開的道路可以應用在“潮汐式”交通特征明顯的道路。由于其造價較低組織方便。故流量不大的次于道及支路較多采用。
(2)兩幅路是利用中央分隔帶(或分隔墩、欄桿)將一幅路的車行道一分為二,使車輛對向分開行駛。它可以采用劃分快慢車道線或不劃線兩種方式組織交通,一般用于快速路、主干道、機動車流量相對較大但自行車流量不大的次干道。近年來,取消了自行車道(即不劃線方式)的兩幅路將逐漸成為城市采用最為廣泛的橫斷面布置形式。
(3)三幅路是在道路兩側用分隔帶(或分隔墩、欄桿)將一幅路的行道一分為三,中間雙向行駛機動車,兩側均單向行駛自行。它主要用于機動車和非機動車流量都較大的主、次干道,隨著自行車的減少,單獨建設的自行車道對道路用地的資源浪費和機動車道的拓寬處理方式也成為道路橫斷面改造的首要問題。
(4)四幅路是在三幅路基礎上。再利用中央分隔帶將中間的機動車道分隔為二分向行駛。它原主要適用于寬度較大機非流量都較大的主干道路,但與三幅路的原因相同,四幅路不再適合城市交通的發展需要,最終將被兩幅路所取代。
5、道路邊坡
現行工程技術規范中,道路挖方邊坡一股為1:0.1~1:1.0,填方邊坡一般為1:1.0~1:1.5,邊坡形式多是直線,這利于設計人員計算。但是,維護機械設備在l:3和更平緩的坡度上工作效率最高;l:4和更平緩的坡度能減少車輛駛離行車道時發生嚴重事故的危險性。挖方坡面上有利于車輛駕駛者實現對車輛的控制,同時,因為坡面平緩,有效的減少了沖擊力,降低了危險性。同時平緩側坡可以有效的延長視線,流線型的界面能減少風化和雪堆。
結束語
由于經濟發展速度過快外來人口在近幾年內激增,市內車輛過多致使交通擁擠市政道路中的橫斷面設計其重要性越來越被人們所意識到。由此可見,如何合理的確定市政道路橫斷面的設計寬度既能做到節約工程造價又滿足近遠期的交通需求已成為當前市政道路設計中的一個重大課題。
參考文獻
[1]張林.基于以人為本理念的城市道路交通設計[J].工程建設與設計,2009,(07).
【關鍵詞】電力信息系統;安全保障體系;建設原則;思路分析
【中圖分類號】P208 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158(2012)09-0046-01
隨著計算機技術與互聯網技術的發展,電力信息系統的安全在電力企業的正常運營、客戶營銷、財務管理以及電網調度等方面起著積極地促進作用。黑客與病毒以及安全漏洞在很大程度上威脅著電力企業的正常運營。因此,本文將從電力信息系統的安全保障體系的角度出發,對如何在電力企業中建立電力信息系統的安全保障體系的思路與原則進行有效性研究。
一、關于電力信息系統的概述
電力信息系統包括信息網絡、網絡服務系統、應用系統、安全系統、存儲與備份系統、輔助系統、終端計算機用戶設備等系統及上述系統的附屬設備。其所涉及的技術有:數據加密技術、入侵檢測技術、防火墻、訪問控制技術以及網絡掃描技術等。在網絡硬件方面,已基本實現千兆骨干網、百兆到桌面、三層交換以及VLAN等技術的普遍使用;而在軟件方面,主要包括辦公信息化系統、一體化整合平臺、安全生產管理信息系統、電力地理信息系統、營銷管理信息系統及各專業相關的應用子系統等。計算機及信息網絡系統在電力生產、調度、經營、管理等各個領域有著十分廣泛的應用,在安全生產、節能消耗、降低成本、縮短工期、提高勞動生產率等方面取得了明顯的社會效益和經濟效益。引發信息系統安全問題的因素包括安全架構在設計上出現問題與管理方面出現問題。
二、針對電力信息系統安全保障體系建設原則的研究
電力信息系統安全保障體系建設不能只是簡單地局限在電網運行安全這個方面,需要經過三個階段:一是信息安全系統的建設;二是信息安全管理的建設;三是信息安全策略的建設。隨著信息技術的發展與人們對信息安全人士的加深,電力用戶對電網的安全管理與用電需求也在發生著變化,由原先單一的產品逐漸向信息安全的管理與構建轉變。由于電力企業在社會經濟發展的特殊作用,因此在建設電力信息系統的安全保障體系的過程中,需要堅持以下四項原則:
(一)原則之一——動態性原則
在建設電力信息系統安全保障體系的過程主要堅持動態性原則,主要是因為無論哪個安全保障系統都有可能出現技術或者操作問題,不能為企業運行與管理提供真正的安全。再加上隨著黑客技術的發展,安全系統的保障能力也逐漸下降。所以,信息安全系統建設計劃要具有可擴展性,可以為電力信息系統提供安全預防與維護以及應急方案,
(二)原則之二——均衡性原則
在建設的過程中堅持均衡性原則,是因為安全保障體系是根據電力企業的安全生茶目標進行設置的,其中所涉及的各項技術都要經過成本與效益方法的分析,以降低施工成本并提升企業的經濟效益。
(三)原則之三——立體性原則
在建設的過程中堅持立體性原則,是因為安全保障體系建設不是一個簡單地系統建設。它所涉及的內容包括:人文與自然環境、管理知識、相關技術以及法律法規等。因此在建設的過程中,不僅需要從橫向的方向進行考慮,還需要從縱向的方向進行考慮,以確保電力網絡的信息安全。
(四)原則之四——法令性原則
在建設的過程中堅持法令性原則,是源于《電力二次系統安全防護規定》的相關規定。管理信息大區要訪問電力生產控制大區內的數據,需要在兩者之間安裝電力專用的橫向安全隔離設備,而且這類設備是經過國家相關部門認定的。一旦背離法令性原則的設計施工方案都會對電力企業的正常運行帶來巨大的經濟損失。
三、針對電力信息系統安全保障體系建設思路的研究
(一)思路之一——采取措施加強信息系統的安全運行與管理建設
要加強電力信息系統安全保障體系的安全運行與管理管理建設,需要做到以下三點:
一是要在電力信息系統安全保障體系的建設過程中,建立并完善多層次、動態、全方位的安全管理信息中心,有效控制因為安全技術問題所引起的混亂局面,將和體系安全有關的各項技術與方案聚合在一個具有整體性、安全性與系統性的平臺上,充分發揮人力因素、策略因素以及技術因素的優勢,從而提升安全保障體系的質量與水平。
二是要了解并掌握安全管理信息中心的基本內容:設置相關機構、完善相關的技術手段、加強基礎設施建設、明確各部門的職能、制定嚴格的規章制度以及培訓專業工作人員。
三是利用先進的計算機技術與網絡通訊技術研發信息安全的綜合管理系統,該系統除了具有分析電網運行信息、監視電網設備運行狀態以及應急響應電網運行過程中的異常事件功能之外,還有數據搜集與分析功能、可視瀏覽功能等。信息安全的綜合管理系統在電力信息系統的安全保障體系中扮演著承上啟下的紐帶作用,它可以搜集電力網絡中的各種信息,并將這些信息進行整理歸類后進行分析處理,再反饋給管理人員。其中處理的信息包括:統計數據信息、報警數據信息以及歷史數據信息等。
(二)思路之二——采取措施加強電力信息系統中的信息安全系統建設
要加強對信息安全系統的建設,需要做到以下三點:
一是要保障電力信息系統中數據對象的安全,可以采取操作系統加固、數據指紋、主機加固、安裝防病毒系統以及數據加密的歌方式對需要保護的對象進行保護,同時要加強電力信息系統安全保障體系建設過程中的周圍環境的安全保護。
二是采取措施保障系統結構的安全,其主要側重在體系的應用、網絡數據的應用以及信息數據的邊界界定,或者物理與邏輯方面的規劃,它是信息系統安全的前提條件,這種方式不僅可以有效地降低企業的施工與管理成本,同時也有助于解決數據泄密等問題。
三是保障信息系統流程的安全,其內容包括兩個方面的內容,首先是利用訪問控制與身份識別等技術手段,其次是加強流程管理等方面對信息流程的安全進行審核與風險評估,從而設計出有效進行信息流動控制的方案。
【關鍵詞】集成電路;設計方法;IP技術
基于CMOS工藝發展背景下,CMOS集成電路得到了廣泛應用,即到目前為止,仍有95%集成電路融入了CMOS工藝技術,但基于64kb動態存儲器的發展,集成電路微小化設計逐漸引起了人們關注。因而在此基礎上,為了迎合集成電路時代的發展,應注重在當前集成電路設計過程中從微電路、芯片等角度入手,對集成電路進行改善與優化,且突出小型化設計優勢。以下就是對集成電路設計與IP設計技術的詳細闡述,望其能為當前集成電路設計領域的發展提供參考。
1當前集成電路設計方法
1.1全定制設計方法
集成電路,即通過光刻、擴散、氧化等作業方法,將半導體、電阻、電容、電感等元器件集中于一塊小硅片,置入管殼內,應用于網絡通信、計算機、電子技術等領域中。而在集成電路設計過程中,為了營造良好的電路設計空間,應注重強調對全定制設計方法的應用,即在集成電路實踐設計環節開展過程中通過版圖編輯工具,對半導體元器件圖形、尺寸、連線、位置等各個設計環節進行把控,最終通過版圖布局、布線等,達到元器件組合、優化目的。同時,在元器件電路參數優化過程中,為了滿足小型化集成電路應用需求,應遵從“自由格式”版圖設計原則,且以緊湊的設計方法,對每個元器件所連導線進行布局,就此將芯片尺寸控制到最小狀態下。例如,隨機邏輯網絡在設計過程中,為了提高網絡運行速度,即采取全定制集成電路設計方法,滿足了網絡平臺運行需求。但由于全定制設計方法在實施過程中,設計周期較長,為此,應注重對其的合理化應用。
1.2半定制設計方法
半定制設計方法在應用過程中需借助原有的單元電路,同時注重在集成電路優化過程中,從單元庫內選取適宜的電壓或壓焊塊,以自動化方式對集成電路進行布局、布線,且獲取掩膜版圖。例如,專用集成電路ASIC在設計過程中為了減少成本投入量,即采用了半定制設計方法,同時注重在半定制設計方式應用過程中融入門陣列設計理念,即將若干個器件進行排序,且排列為門陣列形式,繼而通過導線連接形式形成統一的電路單元,并保障各單元間的一致性。而在半定制集成電路設計過程中,亦可采取標準單元設計方式,即要求相關技術人員在集成電路設計過程中應運用版圖編輯工具對集成電路進行操控,同時結合電路單元版圖,連接、布局集成電路運作環境,達到布通率100%的集成電路設計狀態。從以上的分析中即可看出,在小型化集成電路設計過程中,強調對半定制設計方法的應用,有助于縮短設計周期,為此,應提高對其的重視程度。
1.3基于IP的設計方法
基于0.35μmCMOS工藝的推動下,傳統的集成電路設計方式已經無法滿足計算機、網絡通訊等領域集成電路應用需求,因而在此基礎上,為了推動各領域產業的進一步發展,應注重融入IP設計方法,即在集成電路設計過程中將“設計復用與軟硬件協同”作為導向,開發單一模塊,并集成、復用IP,就此將集成電路工作量控制到原有1/10,而工作效益提升10倍。但基于IP視角下,在集成電路設計過程中,要求相關工作人員應注重通過專業IP公司、Foundry積累、EDA廠商等路徑獲取IP核,且基于IP核支撐資源獲取的基礎上,完善檢索系統、開發庫管理系統、IP核庫等,最終對1700多個IP核資源進行系統化整理,并通過VSIA標準評估方式,對IP核集成電路運行環境的安全性、動態性進行質量檢測、評估,規避集成電路故障問題的凸顯,且達到最佳的集成電路設計狀態。另外,在IP集成電路設計過程中,亦應注重增設HDL代碼等檢測功能,從而滿足集成電路設計要求,達到最佳的設計狀態,且更好的應用于計算機、網絡通訊等領域中。
2集成電路設計中IP設計技術分析
基于IP的設計技術,主要分為軟核、硬核、固核三種設計方式,同時在IP系統規劃過程中,需完善32位處理器,同時融入微處理器、DSP等,繼而應用于Internet、USB接口、微處理器核、UART等運作環境下。而IP設計技術在應用過程中對測試平臺支撐條件提出了更高的要求,因而在IP設計環節開展過程中,應注重選用適宜的接口,寄存I/O,且以獨立性IP模塊設計方式,對芯片布局布線進行操控,簡化集成電路整體設計過程。此外,在IP設計技術應用過程中,必須突出全面性特點,即從特性概述、框圖、工作描述、版圖信息、軟模型/HDL模型等角度入手,推進IP文件化,最終實現對集成電路設計信息的全方位反饋。另外,就當前的現狀來看,IP設計技術涵蓋了ASIC測試、系統仿真、ASIC模擬、IP繼承等設計環節,且制定了IP戰略,因而有助于減少IP集成電路開發風險,為此,在當前集成電路設計工作開展過程中應融入IP設計技術,并建構AMBA總線等,打造良好的集成電路運行環境,強化整體電路集成度,達到最佳的電路布局、規劃狀態。
3結論
綜上可知,集成電路被廣泛應用于計算機等產業發展領域,推進了社會的進步。為此,為了降低集成電路設計風險,減少開發經費,縮短開發時間,要求相關技術人員在集成電路設計工作開展過程中應注重強調對基于IP的設計方法、半定制設計方法、全定制設計方法等的應用,同時注重引入IP設計技術理念,完善ASIC模擬、系統測試等集成電路設計功能,最終就此規避電路開發中故障問題的凸顯,達到最佳的集成電路開發、設計狀態。
參考文獻
[1]肖春花.集成電路設計方法及IP重用設計技術研究[J].電子技術與軟件工程,2014,12(06):190-191.
[2]李群,樊麗春.基于IP技術的模擬集成電路設計研究[J].科技創新導報,2013,12(08):56-57.
關鍵詞:混合動力;重型汽車;電路設計;可靠性
中圖分類號:TB文獻標識碼:Adoi:10.19311/ki.16723198.2016.14.100
混合動力汽車就是有兩種或兩種以上儲能器作為驅動能源的汽車。由于混合動力重型汽車的結構更加復雜,因此電路變得更為復雜,如何優化電路設計,提高電路相應速度是發展新能源汽車的關鍵技術。
1混合動力重型汽車電路設計原則
混合動力重型汽車相比傳統的燃油汽車而言其增加了驅動電機和動力電池組,而且重型汽車由于行駛的震動量較大、防水性較差,因此對電路設計提出了更高的要求:首先要滿足汽車行駛功能的要求;其次要具有可靠性和安全性,電路作為混合動力汽車信號和動力傳輸通道,一旦出現故障就會造成嚴重的安全事故,因此電路設計需要將安全與可靠性作為設計的核心原則;最后是具有實時性。電路系統的特點就是及時將各種事件進行相應。總之,汽車的電路系統只有在所有子回路都正常運行的情況下才能夠正常運行,因此相比普通汽車電路,混合動力汽車的電路多出了高壓電路。
2混合動力重型汽車電路設計
2.1高壓電路可靠性設計
高壓電路可靠性設計主要包括:一是高壓導向的可靠性分析與設計。高壓導線是高壓電路的重要組成部分,基于傳輸功率的考慮,需要選擇絕緣的材料,以某型號的混合環衛汽車為例,該車處于純電機驅動的時候,峰值電流達到280A,電路電流達到208A,再加上其它設備的應用,其電流瞬間可以達到210A,因此為降低能源損耗,避免因為電路過大而導致出現電路短路問題,需要選擇電阻小的導向。二是插座器的可靠性分析。線路連接需要插座器的作用,插座器主要是將線束分段進行連接,以此便于后期的拆裝與維修等。插座器主要有端子和護套組成。混合動力重型汽車流經插座器的電路比較大,因此類似于針狀的端子可能會出現“熱點”現象,進而導致端子的融合出現損壞,而且可能會在汽車時候過程中因為外部因素而導致短路,因此在插座器的設計中需要做好防水性設計,具體就是將插座器侵入5%的NaCl液體中,以此提高防水性能。另外還需要進行絕緣設計、安裝橡膠護套。三是繼電器的可靠性設計。混合動力汽車的繼電器屬于電磁式,因此設計的繼電器觸頭額定電流比較大,一般選擇晶閘管。
2.2低壓電路設計
一是傳導干擾設計。傳導干擾是電氣設備之間產生的干擾信號通過公共電源線相互產生的,具體在混合動力汽車中傳導干擾主要包括:電源線、共開關量抖動干擾等,由于受到線路設計的不同,其可以分為感性負荷開路瞬變干擾和觸點回路的抖動干擾。二是耦合干擾可靠性設計。耦合干擾就是電子設備產生的干擾信號通過空間耦合傳遞給另一電子設備。其主要包括感性耦合干擾和容性耦合干擾。
2.3電路布局設計
混合動力汽車的電路數量比較多,優化線路布局是提高電器元件使用壽命,增強電氣系統工作可靠性的重要舉措,而各個控制器與電氣設備的安裝位置影響線束的走向,因此需要合理布局各個電氣設備。一是電氣模塊布局的設計。由于汽車行駛的震動比較大,因此在安裝電氣模塊時需要考慮以下因素:振動、散熱、防水以及安全。二是線束的走向設計。線束走向是電氣設備安裝的前提,合理的走向不僅有助于降低線路故障的檢測效率,而且還可以提高其使用壽命。在進行線束的走向布局前需要對線束進行包扎,這樣做的目的就是提高線束的耐磨性和抵御高溫性。結合實踐我們經常使用的包扎材料有熱縮管、膠帶以及紋波管等。具體走向就是:將整車的線路固定在混合動力汽車的車架上,按照車架右縱梁凹槽進行布線。
2.4基于CAN總線的設計
在混合動力重型汽車中CAN總線有著廣泛的應用,使用CAN總線能夠有效減少各個部件之間的線路連接,降低回路的數量,進而避免出現線路短路故障。CAN總線一般使用雙絞線作為傳輸介質,這樣可以避免信號干擾。
3混合動力重型汽車電路設計可靠性實驗
基于上述的電路設計,通過運用相關實驗對設計的電路進行檢測以此判定電路的可靠性:首先依據相關實驗規定對汽車的車身控制器和IC儀表的CAN總線進行通信實驗,通過實驗數據,該電路具有較強的抗傳導干擾和耦合干擾能力;其次對整車的可靠性實驗。將實驗汽車按照不同的路況進行實驗,并且按照啟動、行駛、制動以及車速等環節的控制記錄相關的數據,通過對相關數據的統計分析:整車的電路設計可靠性符合汽車安全行駛的要求,對于出現的細微故障主要是因為電氣元件受到振動而引起的,由此可見,振動是混合動力重型汽車可靠性的重要因素。
4結束語
總之,混合動力重型汽車的電路設計工作尤為重要,隨著汽車技術的不斷發展,尤其是新能源汽車在社會中普及,我們要科學設計電路,優化電路布局,以此提高我國新能源汽車制造業的健康發展。
參考文獻
模擬電路課程支撐的能力包括:閱讀電子元器件技術文件和電原理圖的能力、單元電路設計能力、電路綜合設計能力、計算機輔助設計能力、編寫設計文件的能力。依據能力目標的不同,可以劃分不同的任務類型,并據此確定任務目標,設計任務結構。
關鍵詞:模擬電路電路設計教學模式
以大規模集成工藝為依托的各種數字電路問世以來,由于其相對模擬電路的高可靠性和靈活性,逐漸取代了各種傳統的模擬電路的應用領域。但是現實的物理世界畢竟是模擬的,因此,任何數字化系統都包含有模擬電路部分,模擬電路并沒有因數字電路的興起而被完全取代。模擬電路課程仍然是電子工程、電氣工程、自動控制、通信等涉電類專業的核心課程之一。
模擬電路課程的重要性還在于無論從工程技術還是專業能力結構而言,模擬電子技術都處于較為底層的位置,通過該課程的學習獲取的知識、經驗、工程技術方法是順利學習上述專業幾乎所有其它專業課程的基礎。
模擬電路是教學難度相對較大的課程。其學習的困難性在于,學生是第一次接觸以半導體器件為核心的有源電路;模擬電路“數字化”、結構化程度低,表現出的物理現象和涉及的數學工具又較為復雜;模擬電路的工程技術方法很難實現程序化,常常需要依賴經驗知識解決問題。
電路設計是電子技術人員的工作鄰域和具有典型性的工作過程,模擬電路設計過程相當完整地體現了模擬電路技術應用能力的內容和要求。構建基于模擬電路設計的學習任務,依據設計工作過程組織教學活動,能夠較好地實現培養模擬電子技術應用能力的教學目標。
1、工作過程、能力與任務類型
一個較完整的電子系統電路設計的工作過程,包括:技術指標分析,方案設計,單元電路設計與參數調整,電路綜合聯調與性能測試。通過對模擬電路設計工作內容和過程的分析,完成電路原理設計過程必須具備的、應由模擬電路課程支撐的能力包括:閱讀電子元器件技術文件和電原理圖的能力、單元電路設計能力、電路綜合設計能力、計算機輔助設計能力、編寫設計文件的能力。因此模擬電路課程的學習任務有4種類型:識讀電原理圖和技術資料、單元電路設計與電路綜合、計算機仿真測試、編制設計文件。
單元電路設計與電路綜合是基本任務,它引領其它類型任務和整個項目的實施完成。
不同類型的任務可以根據設計任務的需要和本身的復雜程度,作為單獨的任務存在,與相關的設計任務共同組成學習項目,也可以作為完成設計的準備知識存在于設計任務之中。例如,反饋放大器設計可以作為一個學習項目,由識讀反饋放大電路原理圖、反饋放大電路性能分析、反饋放大電路設計3個關聯的任務組成。
識讀電原理圖和閱讀元器件技術文件是基本能力。電路設計,特別是在原理設計和電路結構設計時,極少原理性的創新,絕大多數是對已有電路的適用性改進和重新組合,這種改進和組合需要閱讀已有的設計資料,借鑒他人的技術經驗和成果;為提高電路性能,降低成本,提高工作效率,往往需要在電路中采用新出現的電子元器件,例如集成電路芯片,需要閱讀生產方提供的產品規格書及典型應用電路。識讀電原理圖和技術文件對于形成和提高電路設計能力具有基礎性的意義。
目前,電子電路計算機輔助設計(EDA)包括電子工程設計的全過程,例如系統結構模擬、電路特性分析、在系統可編程器件開發、繪制電路圖和制作PCB。在電子工程設計中有著不可替代的重要作用,是電子工程技術人員必須具備的專業技術能力之一。在模擬電路課程的學習任務中,主要是指應用計算機完成電路圖繪制、電路性能和參數的仿真測試與分析、編制設計文件等工作。
在電路設計的實際工作過程中,編寫設計文件是重要的工作內容和不可缺少的環節。沒有設計文件,無法進行初步設計完成以后的后繼工作。對于學習任務而言,編寫設計文件,是一個總結和提高的過程,有利于培養交流溝通能力和養成嚴謹的工作態度。設計文件也是判斷和評價項目或任務完成情況的重要依據。
2、任務目標
(1)電路識讀任務,是對針對設計任務收集技術資料(主要是可供設計參考的電路)并進行分析,屬于電路設計的準備工作,任務的目的是為完成設計任務建立必要的知識儲備。大致分為互相關聯的3個層次:1)識別元器件符號、功能和主要技術指標。依據符號識別電路中的元器件是讀圖的基礎,作為專業入門課程,對此應該給與一定程度的注意,要能夠識別和了解符號的含義、主要器件功能和技術指標。根據電路中使用的核心器件,往往可以判斷電路的功能。2)區分電路單元,判斷電路功能。較復雜的電路系統都由單元電路構成,功能單一的單元電路也可以進一步分解為部分電路,例如放大器可分為輸入級、中間級和輸出級;穩壓器可分為整流和穩壓部分。對部分電路功能的分析,得出對整個系統功能的判斷,并作為下一步工程估算的基礎。3)指出電路的結構特點,估算分析電路技術指標。分析電路形式與結構,可以得出電路大致的技術性能指標,定性判斷元器件參數對電路性能的影響。例如對放大器輸入級、輸出級電路形式和結構的分析,可以大致得出放大器的輸入、輸出特性;對中間級的分析,可以大致判斷放大能力;依據級間耦合方式,可以判斷放大器頻率響應范圍;甚至電源電壓也可以據以分析放大器輸出信號幅值。
(2)設計任務目標包括典型單元電路設計與電子線路綜合設計,在定性分析的基礎上實現定量估算,自頂向下完成初步的設計。依據設計工作過程,可以分解為以下階段目標。1)正確理解任務要求,分析各項技術指標的含義。仔細研究任務的工程背景和要求,正確分析和理解各項技術指標的含義,分析實現任務要求的技術途徑,這是完成設計的前提條件。2)設計總體框圖,分配技術指標。參考與任務相同或相近的電路方案,選用能夠滿足技術指標要求的核心器件,完成方案論證。對于同一個任務,實現的方案可以有多個,應具備將不同方案加以分析、比較的能力,從中確定一種相對較優的方案。
依據選定的方案按照功能劃分成若干個互相聯系的模塊,將技術指標和功能分配給各個模塊。3)單元電路設計。依據模塊的功能和技術指標要求,參考典型電路,確定電路結構,計算元器件參數完成單元電路的初步設計。4)仿真測試。模擬電路,比如放大器、濾波器等的參數比較繁瑣,需要進行多次調整才能達到技術指標要求。要能夠在計算機上對單元電路仿真測試,修改電路參數,觀測性能指標,直至滿足技術指標要求。5)電路聯調,測試技術指標。在單元電路完成逐步設計的基礎上,通常依據信號流向,逐級完成級聯和調試直至全部電路調試完成,系統技術指標達到設計要求。這個過程是電路綜合的過程,也可以在計算機上模擬仿真實現。
(3)仿真測試調整任務的目標是在電子電路設計過程中實現較為精確的量化分析。其作用主要表現在3個方面。[3]1)驗證電路方案設計的正確性。當要求的系統功能確定之后,首先采用系統仿真或結構模擬的方法驗證系統方案的可行性,進而對構成系統的各單元電路結構進行模擬分析,以判斷電路結構設計的正確性及性能指標的可實現性。2)電路特性的優化設計。分析惡劣溫度條件下的電路特性,計算分析器件容差對電路的影響量,用于確定最佳元器件參數、電路結構以及適當的系統穩定裕度,實現電路的優化設計。3)實現電路的模擬測試。電子電路的設計過程中大量的工作是元器件參數計算、各種數據測試及特性分析。在工程估算的基礎上,通過仿真測試與分析加以調整,能有效提高設計工作的效率。4)技術文件編寫要求在完成電路設計的同時編寫盡可能詳細的符合工程標準的技術文件,包括方案設計說明、原理框圖、電原理圖、原理與技術說明、元器件參數計算、技術指標與特性測試數據、元器件清單等。
3、任務結構及實施
一個典型的電路設計任務由工程背景描述、任務要求、基礎知識學習、設計方法與步驟、電路設計等學習單元組成。
3.1工程背景描述
工程背景描述的內容主要包括電路功能、工程應用背景、技術發展背景介紹。工程背景描述的實質是“提出問題”,工程背景描述盡可能選擇具有典型性的電子工程問題為實例,解決關于學習目標的問題。
3.2 任務要求
設計任務必須具備明確的工程應用背景,必須提出具體的設計要求(技術指標)。例如交流放大器設計任務,應明確提出工作頻率、信號源、輸出特性、輸入特性、工作穩定性等要求等技術指標。提出任務要求,應依據由淺入深循序漸進的原則,從體現基本功能的一兩個技術指標開始,逐步增加技術指標數量,提高設計難度。
3.3基礎知識學習
基礎知識學習包括任務分析、相關理論知識學習、參考方案與參考電路分析及相應的基礎練習等。基礎知識的學習包括理論知識、技術知識、經驗知識和經驗技能的學習。理論知識是重要的,因為它是能力的組成部分,同時對于學生的發展能力起到更為持續和關鍵的作用。在工程實踐中學習和使用的理論知識才能被真正掌握并形成能力,因此應該以實現電路設計任務為依據,確定理論知識的學習內容和學習深度,力求將理論與實踐、數學方法與物理概念更緊密地結合起來。
提供設計參考的電路必須是工程電路,但學習是一個循序漸進的過程,基礎知識的學習會使用原理電路為學習對象,原理電路不能僅有電路結構和元器件標號,也要標注元器件主要參數,使學生在定性分析階段就能對電路參數有直觀的影像,逐步建立數量觀念,這對于初次接觸模擬電路的學生是十分重要的。
3.4設計方法與步驟
不同功能和結構的電路,具體的設計內容、方法與步驟各不相同。甚至同樣功能的電路,技術要求不同,設計時考慮的重點、設計依據、電路結構等均有區別,但工程估算是貫穿整個設計過程始終的基本方法。
以反饋放大器為例,設計步驟如下:
選擇反饋組態,選擇反饋深度,選擇反饋級數,確定放大級數,確定輸入級、中間級、輸出級的電路結構,計算電路參數,仿真測試和參數調整。容易理解,上述步驟都必定建立在必要的工程估算的基礎之上。
3.5 電路設計
這是學生在相對獨立的情況下,完成電路設計的過程。盡量采用與前面4個學習單元及撰寫設計文件交叉進行的方式實施。
不同類型的學習任務,其結構不盡相同。但區別主要是在(4)、(5)兩部分。
不同類型的學習任務以“定性分析、工程估算與仿真測試調整相結合”的方法實現。
4、結語
電路設計在知識的運用上不同于單純的電路分析與計算,依據模擬電路原理設計過程構建學習任務,組織和實施教學過程,不僅能夠有效控制理論知識學習深度,促使學生較為自主地獲取經驗知識,并在獲取知識的同時實現知識轉換為技術應用能力,更有利于實現培養學生模擬電路技術應用能力的教學目標。
參考文獻
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近年來,我國電子技術獲得突飛猛進發展,新型元器件和集成電路得以廣泛應用,電集成化與復雜化顯然已成為新時期電路設計的發展趨勢。為更好滿足當代電路設計需求,利用電子線路CAD技術取代傳統的手工操作很有必要。在電子線路CAD技術的輔助下,電路設計的精密度將獲得可靠保障。電子線路CAD技術的應用,其實是電路設計者在電路設計理論上具有可行性的基礎上,通過計算機繪圖、設計軟件等工具,完成實際的設計工具。在電子線路CAD技術的幫助下,電路設計工作的效率與質量均將得以顯著提升。目前,電子線路CAD技術在電子設計中的應用主要包括以下內容:
1.1電路圖的設計。作為電子設計中的重要環節,設計結構完善、功能全面的電路圖很有必要,這是確保電子設計最終產物能夠正常使用的根本保障。在電子設計者進行電路原理圖的設計工作時,完全可以借助Protel工具,實現原理圖的輸入。Protel蘊藏著資源豐富的電子器件庫,在Protel的輔助下,設計者在繪圖期間能夠結合設計需求,靈活使用各類電子器件,大大簡化了設計的工作量,同時提高了電路原理圖的精密度。譬如,使用者繪制完成元器件后,可以根據自己的想象,將其放在任何一個位置,僅需通過拖動就能實現,無需進行其他調整參數等操作。
1.2模擬數據。電子線路CAD技術還能起到模擬數據的作用,以便設計者根據模擬電路運行產生的數據,檢驗電路設計有無異常。同時,可結合模擬數據,對電路進行更深層次的分析。Protel軟件本身自帶多種模擬功能,設計者可通過模擬功能的運用,對電子設計在通電情況下的溫度、瞬態、靈敏度等情況有一個初步的了解,以確保該電路的功能是否達到預期效果。另外,還可利用數據模擬,了解電路各環節的運行情況,以便設計者及時察覺線路異常,并盡快采取措施進行調整。
1.3設計PCB板。利用Protel軟件,將電路設計圖進行布線,最終形成的電路板即為PCB板。PCB板的設計,離不開電路原理圖的導入,而電路原理圖的導入工作,勢必需要借助Protel軟件的數據模擬功能。同時,為確保PCB板的設計達到理想效果,電路原理圖與PCB板中的各類元器件的電氣特點務必要保持一致。只有這樣,設計者才能借助Prote軟件的布線功能完成布線工作,并在后期,通過人工調整的方式,進一步改善布線工作的效果,使電路布線更加精確、整潔。
2運用電子線路CAD技術提高電子設計課程教學質量的有效建議
電子線路CAD課程是一門理論與實際結合性很強,具有一定實踐性的新興課程,是當代電子信息技術專業的核心課程之一。電子線路CAD課程的主要目的,是幫助鍛煉學生PCB板的設計能力,能夠結合設計需要,完成各種類型的PCB板布局與布線。作為電子信息技術專業的高職學生,務必要掌握:CAD軟件的應用能力、原理圖繪制能力、原理圖元件制作能力。PCB板設計能力、新元件封裝制作能力、單面PCB板設計與編輯。雙面PCB板設計與編輯,并了解一定的有關多層PCB板設計與編輯以及電子線路仿真知識。結合電子線路CAD技術在電子設計中的應用情況來看,為能有效完成電子線路設計工作,全面落實電子線路CAD技術的教學很有必要。然而,從目前教學工作開展情況來看,在高職電子設計課程的教學工作中,電子線路CAD技術的應用并沒有達到理想效果。學生在對電子線路CAD技術始終無法真正掌握電子線路CAD技術,也不能通過靈活應用該技術,順利完成電子設計工作。學生對該技術的學習,往往只是停留在對理論知識的理解,對實踐操作方面的內容,多呈現出臨時性記憶的特點,一旦離開教師的輔導或一定時間未接觸,就會出現無從下手的情況。針對這一問題,結合發達國家成功經驗,發現運用以行動為向導的項目教學法效果更佳。告知電子設計課程在教學過程中,應遵循以下基本原則:
(1)先整體后具體。在開展CAD技術的教學工作時,教師應提前對該技術的應用價值與學習意義進行介紹,告知學生這一知識要點的學習難度與學習目的,使學生做好充分的心理準備后,再進行各項目的教學與實踐;
(2)循序漸進。學生初步接觸CAD技術時,教師注意引導學生進行簡單嘗試,帶領學生運用該技術進行難度系數低的電子設計,然后不斷增減難度,由淺入深,加強學生運用該技術的能力。比如說,相較于高頻電子產品,低頻電子產品的電路設計更為簡單,教師在帶領學生進行學習時,應從低頻電子產品的設計入手,待學生完全掌握操作技能后,再逐漸轉向高頻電子產品的電路設計;
(3)鼓勵創新。在使用CAD技術進行電子設計時,教師應在學生CAD技術掌握到一定程度時,鼓勵學生積極創新,進一步增強學生電子線路CAD技術應用的靈活性;
(4)要求學生將理論落實到實踐。子在學生運用CAD技術完成電子設計任務時,教師應要求學生將設計轉化為成品,而不是停留在電腦的設計。將設計轉化為成品,能有效激發學生學習成就感,使學生更加直觀的感受到CAD技術的魅力,今后愿意更加專注地投入學習。
3結束語
關鍵詞:項目教學;數字電路;課程設置;教學實例
項目教學是將某門專業課程按類別分為若干知識和技能單元,每個知識和技能單元作為一個教學項目,每個教學項目都以應用該項知識和技能完成一個具體的項目任務作為目標,所以,項目教學是將理論與實踐融于一體的教學模式。把理論知識和實踐知識較好的融于到具體項目是搞好項目教學的關鍵,所以,數字電路課程結構必須按照項目教學模式來重新設置,本文結合作者項目教學實踐經驗和研究工作對基于項目教學模式的數字電路課程設置進行淺顯探討。
一、課程的性質與作用
《數字電路》是高等職業院校電子信息專業、通信專業等電類專業的一門核心職業技術基礎課,是實踐性較強的課程。
本課程主要針對企業生產第一線產品裝配、調試、檢驗、維修、生產管理等崗位。通過基于工作任務的項目式教學,培養學生的邏輯電路分析能力、邏輯電路設計能力(即用中小規模集成電路設計具有一定功能的邏輯電路,而不是設計一個編碼器、譯碼器、計數器等)、常用儀器儀表使用能力(如雙蹤示波器、穩壓電源、信號源、計數器、頻率計、萬用表等儀器儀表使用能力)、邏輯電路制作能力、故障排除能力、仿真工具使用能力、自學能力、設計報告編寫能力及職業素質養成,本課程培養的核心能力是邏輯電路分析能力、邏輯電路設計能力。
二、課程結構整體設計
課程教學設計的理念:以項目教學開展課程教學;實現理論實踐一體化教學;以職業能力培養為主線,以應用為目的。依據此理念設計出的課程教學內容體系如圖1所示。
項目實驗包括單元實驗、仿真實驗、設計實驗3個方面。“單元實驗”訓練常用電子儀器的使用方法和數字電路的基本測試方法,它所涉及的內容與課堂教學內容緊密相關,充分體現課程的實踐性。“仿真實驗”主要利用EWB平臺進行實驗,使學生掌握仿真工具的使用方法,并能利用仿真工具對一些設計實驗、項目實訓內容進行仿真。“設計實驗”是通過常用的數字集成電路實現簡單功能的邏輯電路。
項目實訓采用EWB仿真設計+實物制作相結合的手段,項目實訓內容主要利用中小規模集成電路實現具有一定功能的數字系統。在項目實訓中鼓勵學生將課外科技活動、數字電路制作大賽納入教學活動中來,課內外學習相互結合,使學生視野開闊、能力增強。
理論教學與實踐教學時間比例為1∶1;并安排2周課程設計進行綜合實踐訓練。
(一)項目設計的思路
項目設計的思路:設計的項目應覆蓋整個工作領域和承載這個工作領域所需要的知識和技能;項目結構劃分應體現工作體系的特征;在以項目劃分為線索進行工作分析的基礎上,合理設計項目結構。
項目內容設計具體原則:項目應覆蓋知識點和技能要求;知識點的內容應最大限度地融于項目教學之中;項目大小要根據學習內容進度和要求來確定;項目內容設計要考慮教學組織的可行性和合理性。
(二)課程教學實施思路
課程教學實施思路:理論教學主要結合在項目實驗、項目實訓中進行教學。
課程的教學以項目作為核心實例帶動知識點講授,以工作任務完成過程為主線選擇和組織課程內容,以完成工作任務為主要學習方式,每一個項目分解為若干個工作任務,通過每一個工作任務使學生掌握必要的理論知識和技能。大部分內容教學實施在實驗室中進行理論實踐一體化教學,可先分析再實踐,或先實踐再分析理論知識,或隨講隨練,講練結合,工學交替,理論教學與實踐教學同步進行。教學實施過程中突出“以職業能力培養為主線,以應用為目的”原則,重點加強對學生實踐能力的培養,通過對項目設計制作訓練,培養學生綜合應用知識的能力。
(三)實踐教學的4個層面
本課程教學模式是基于工作過程的項目式教學,借助這種教學模式和項目實驗、項目實訓、課程設計3個實踐平臺,構建了由基礎訓練、應用訓練、創新訓練和綜合訓練組成的“四個層面”的實踐教學體系,為學生實踐能力培養提供強有力保障,能使學習者在實踐活動中主動學習和有效應用知識,極大提高教學效果和學生職業能力培養的效率。
三、教學內容的選取與規劃
(一)教學內容選取依據
教學內容要集中體現課程教學目標,內容的選取應該以企業對崗位知識能力要求和學生適應崗位變化的可持續發展能力要求為依據。這就要求數字電路課程組的教師經常到企業進行知識和能力要求的調研,對企業所要求的知識點和能力進行分析,根據調研結果及時調整教學內容,使數字電路的內容符合行業企業發展的需要。另外,教學內容的選取還要考慮能較好地解決“基礎知識、技能與學生適應崗位變化的可持續發展能力”的關系,“基礎知識與應用能力”的關系,“理論與實踐”的融合關系、比例關系等關系,使《數字電路》課程內容體系具有高等職業教育的針對性,適應電子信息職業崗位能力的培養。
(二)教學內容具體規劃
1、理論教學內容。必修模塊:數字電路基礎,邏輯門電路,組合邏輯電路,觸發器,時序邏輯電路,脈沖電路;選修模塊:半導體存儲器與可編程器件,數/模轉換與模/數轉換;拓展模塊:MAX+PLUSII軟件操作訓練,用VHDL語言設計功能模塊(拓展模塊不納入正常教學,利用課余時間結合數字電路設計制作競賽開展教學,滿足部分學生需求)。
2、項目實訓內容。項目實訓內容體系如圖2所示,具體實訓內容:加法計算器的設計與制作包括邏輯門電路功能的測試和加法計算器的設計兩個項目。涉及相關知識:與、或、非邏輯運算,復合邏輯運算,TTL門電路,OC門,三態門,TTL門電路、CMOS門電路的分類及其比較,TTL與CMOS數字集成電路的使用規則,邏輯代數的基本定律及規則,組合邏輯電路的描述,組合邏輯電路的分析,最小項與最大項,常用數制與BCD碼;邏輯函數的化簡,組合電路設計方法,數字信號與模擬信號,組合邏輯電路中的競爭-冒險現象。搶答器的設計與制作包括譯碼器功能的測試、編碼器功能的測試、鎖存器功能的測試和搶答器電路設計等4個項目。涉及相關知識:LED顯示器,顯示譯碼器,譯碼器,使用變量譯碼器實現組合邏輯函數;編碼器,二進制優先編碼器功能擴展;D 鎖存器;搶答器的組成框圖(包括編碼器、譯碼器、鎖存器)。計數器的設計與制作包括觸發器邏輯功能測試、簡單計數器邏輯功能測試、集成計數器功能測試和計數器的設計與調試等4個項目。涉及相關知識:基本RS觸發器,同步觸發器,邊沿D觸發器,邊沿JK觸發器;時序邏輯電路的組成,計數器的類型,計數器的分頻功能,同步時序電路分析;集成四位二進制加法計數器 74LS161,集成四位二進制同步加法計數器 74LS163,集成異步十進制計數器74LS290,可逆計數器74193;計數器模數的變化,振蕩器。數字鐘的設計與制作完成有一定功能數字鐘(能顯示小時分鐘基本功能)設計制作,這一個項目是對前面所有相關知識的綜合運用和檢驗。
四、教學組織與實施
教學組織與實施的思路:教學內容結構以項目和案例作為單元展開教學內容,教學組織形式采取實際操作與講解相結合,單元學習時間為4課時;教學過程中正確處理知識學習與工作任務的關系,做到知識學習為完成任務服務,知識學習為技能形成服務;最后,學生通過學習獲得報告、圖紙、工藝文件、作品等學習成果。
項目的具體組織實施過程中,重點考慮如何通過設計恰當的工作任務引入相關理論知識。例如通過“三人表決電路設計”、“簡單加法計算電路設計”兩項工作任務,引入組合電路設計方法、邏輯函數化簡方法等知識點;通過這兩個任務,學生容易理解化簡后結果盡可能用相同芯片去實現它,因此“與或式”結果不如“與非與非式”,“與或式”就意味著要用與門和或門,再簡單的邏輯函數至少要兩個芯片,“與非與非式”只用與非門,如果邏輯函數不復雜,一個芯片可解決問題。又如通過“用74160及簡單門電路構成八進制計數器(0-7)”和“數字鐘中分鐘指示電路設計與調試”兩個工作任務,引入N進制計數器的構成方法:串接法(即級聯法)、復 位法、置數法。
五、教材編寫與選擇
項目式教學教材選用應該是以主、輔兩本教材結合使用的選用原則。為了保證項目教學的順利實施,應該以自編校本教材為主教材,選擇理論知識順序與校本教材基本一致的規劃教材為輔助教材。校本教材在章節順序上,以項目和工作任務為主線來編排內容順序,兼顧學生的認知規律,并將知識和能力有機地融入到完成工作任務的具體過程中;在內容編排上,按先基本邏輯電路后邏輯部件、先單元電路后系統電路、先數字電路后脈沖電路的原則編排,實踐與理論在內容上相互充實、相互補充,邊學邊做。
采用兩本教材的目的是滿足部分自學能力較強學生擴展知識的需要,對一些內部電路的分析、原理的分析,自學能力較強學生可通過自學獲得知識,培養學生的自學能力。
六、項目教學實例
以“智力競賽搶答器的設計”這一項目為例說明項目教學的具體實施過程。這個項目的實施過程包括4個階段:
第一階段:任務布置。第一步是教師布置工作任務,講解必要的相關知識,如原理框圖;第二步是分小組討論,按強弱搭配原則分小組討論,教師參與學生的討論,提出要解決的關鍵問題,即如何實現數碼管顯示與按鍵數字相對應的數碼,如何實現閉鎖功能,學生展開對這兩個問題的討論,教師逐步啟發學生,得到解決問題的基本方法。
第二階段:仿真設計。第一步是利用仿真平臺在仿真實驗室中進行仿真設計,搭接電路并激活仿真軟件,查看所設計的電路能否實現工作任務所要求的技術指標;第二步是教師對學生仿真設計結果進行考核。
第三階段:電路制作。第一步是學生在面包板上搭接電路,自行排除故障;第二步是分小組進行答辯并考核。
第四階段:教師總結。可挑選1-2個電路進行演示,并講解工作原理。
通過本項目的學習,學生不僅掌握了鎖存器、編碼器、顯示譯碼器的原理,動手能力得到了很大提高,電路制作的速度、排除故障能力明顯提高。整個項目教學體現了課程整體設計的理念,應用了計算機仿真、實驗室制作教學手段,采用了項目教學式、小組討論式、啟發式等教學方法。
隨著數字技術的不斷發展,數字電路的教學內容和模式應不斷的改革,這就要求數字電路課程組老師在總結經驗的基礎上大膽創新,做到與時俱進,并在今后的教學過程中還要不斷深入研究和探索。
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關鍵詞:微電子;集成電路;課程群;親產業
中圖分類號:G642.0文獻標志碼:A文章編號:1674-9324(2019)19-0163-02
一、引言
微電子(集成電路)被稱為現代信息社會的“食糧”,是一個國家工業化和信息化的基礎。自2014年我國《國家集成電路產業發展推進綱要》,設置千億級的集成電路發展基金以來,南京、合肥、重慶、成都、武漢、廈門等地相應出臺了區域性的集成電路發展政策。廈門依據毗鄰臺灣的區位優勢,設立了500億人民幣的集成電路產業基金,并陸續了《廈門市加快發展集成電路產業實施意見》和《廈門集成電路產業發展規劃綱要》,擬形成區域性的集成電路產業集聚地,打造集成電路千億產業鏈,最終形成我國集成電路的東南重鎮。
在此背景下,廈門政府在集成電路設計、生產制造、封測以及人才儲備,全方位進行布局和規劃。設計方面:紫光集團投資40億元設立紫光展銳產業園、研發中心項目,引進展訊等國內通信芯片設計的龍頭企業。廈門優訊、矽恩、科塔等集成電路設計企業也在高速、射頻芯片領域取得可喜進展,僅2016年,廈門就新增加60余家集成電路設計企業。2017年整體產值達到140億元;生產制造方面:與臺灣集成電路巨頭聯華電子合資設立了聯芯12寸晶圓廠項目,總投資達62億美元,已于2016年12月正式投產;三安集成電路有限公司和杭州士蘭微電子股份有限公司,主攻三五族化合物半導體芯片生產;泉州晉華12寸存儲器廠則著眼于動態存儲器的生產和銷售;封測方面則引入通富微電子股份有限公司,力爭打造一小時產業生態圈;人才儲備方面:廈門政府與中國科學院微電子所共建中國科學院大學廈門微電子工程學院,輔以廈門大學、廈門理工學院、華僑大學等微電子學科,為廈門集成電路的生產和設計輸送人才。
在此背景下,我校于2016年12月建立微電子學院,聯合臺灣交通大學、元智大學等微電子老牌名校,共同探索適合廈門及周邊地區的微電子人才培養策略,力求建立較為完善的課程群體系,為在閩的微電子企業培養專業人才。
二、微電子工程專業特點
首先,微電子專業與傳統的機械、化工、電子等專業不同,是一門交叉性很強的學科,需要該專業學生系統地學習數字、物理、電子、半導體器件、集成電路設計、電路封裝、計算機等多方面的知識理論,并且能夠將各門學科融會貫通,熟練運用。其次,微電子專業入門門檻高、知識體系更新速度快,貼近產業。這就要求學生在具有堅實理論基礎的同時,實踐動手能力較強,才能在短時間內將所學理論和實踐結合,迅速融入工業界或者科學研究。第三,微電子是一個龐大的系統專業。從大類上可以分成工藝、器件、設計、封裝、測試五個大方面。但每一個大類又可分為幾個甚至數十個小門類。如設計類又可細分為模擬集成電路、數字集成電路、射頻集成電路、混合信號集成電路等四個門類。而例如數字集成電路,又可繼續分為數字前端、數字后端、驗證、測試等小方向。各個方向之間知識理論差異較大,對學生素質提出了極高的要求[1]。
三、微電子工程課程群實踐
(一)微電子工程專業培養策略
結合廈門微電子產業特點,以市場需求為導向,同時充分利用海峽兩岸交流方面的優勢,立足于我校“親產業、重應用”的辦校原則,我校微電子工程專業設置為工藝和設計兩大類方向,應對周邊產業需求,對該專業學生進行差異化培養。在本科前兩年公共課的基礎上,大三學年,根據學生興趣及教師雙向篩選,確定學生未來兩年的學習方案,分別在器件/制造、模擬/數字集成電路設計兩方面進行課程教授和實踐鍛煉,培養專業門類細化、適應企業實用化需要的高素質、實踐型人才。同時,在一些專業課程講授上,聘請臺灣方面有經驗的教師和工程師,結合產業現狀進行教授和輔導。
(二)微電子工程專業培養目標
對于我校應用型本科院校的定位,區域產業經濟和行業的發展是重要的風向標,因此在微電子專業人才培養上必須突出“工程型、實用型和快速融入型”的特點。主要培養目標如下:(1)掌握半導體器件及工藝的基本理論基礎、電子線路的基本理論與應用、計算機使用、電子系統信號處理的基本知識、集成電路及板級設計的基本技能。(2)具備半導體及集成電路設計、制造,PCB板級設計、制造、測試的基本能力,工程項目管理、品質管理、設備維護的基本素養。(3)能在半導體、集成電路設計、制造行業,從事集成電路設計、制造、研發、測試、品質管理、廠務管理、設備維護等相關工作,畢業三到五年后通過自身學習逐步成長為本領域的骨干技術人員和具有較強工作能力的核心工程師[2]。
(三)微電子工程專業課程群制定實踐
基于我校應用型本科“親產業”的學校定位,在微電子專業課程群建設中,我們首先引入CDIO的教學理念。CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate,即構思—設計—實施—運作)工程教育是以理論教學為基礎,工程實際反饋互動為主要形式的培養方案[3,4]。基于此,課程群制定從知識邏輯(課程環節)和項目實施(工程實踐)兩個角度,對學生的綜合素質進行培養、鍛煉。
【關鍵詞】Multisim10;數字電路;項目教學
一、引言
《數字電路》是高校電子信息類專業的一門重要專業基礎課,隨著集成電路制造技術的迅速發展,中、大規模和超大規模數字集成電路在各個領域獲得廣泛應用,它已成為國民經濟的強大推力,這對相關專業技術人才的培養提出了更高的要求。因此,在實際教學過程中,不宜采用傳統教學方式,應該嘗試一種新的教學方法,我們在對傳統的數字電路教學進行了深入的分析、研究之后,在數字電路教學中引入了德國“以培養關鍵能力為核心”的項目教學法。在項目教學的實施過程中,輔以仿真軟件Multisim10,通過計算機強大的輔助設計計算能力,提高電路設計的效率和準確性;通過仿真,學生可以根據需要任意調整所設計電路的各項參數,極大的提高了學生的學習興趣。
二、項目教學法在數字電路課程中的應用
項目教學法萌芽于歐洲的勞動教育思想,最早的雛形是18世紀歐洲的工讀教育和19世紀美國的合作教育,經過發展到20世紀中后期逐漸趨于完善,并成為一種重要的理論思潮。2003年7月德國聯邦職教所制定以行動為導向的項目教學法,其特點是把整個學習過程分解為一個個具體的工程或事件,設計出一個個項目教學方案,按行動回路設計教學思路,不僅傳授給學生理論知識和操作技能,更重要的是培養他們的職業能力。
《數字電路》的主要知識點包括:組合邏輯電路、時序邏輯電路、555定時器極其所構成的電路、A/D轉換器和D/A轉換器、存儲器等[1],在傳統的教學模式中,數字電路課程都是按照上述知識點授課,這樣的授課體系由于目標不明確,學生普遍反映數字電路課程內容龐雜、頭緒紛亂、枯燥無味、無所適從,因此在學習過程中容易喪失興趣與信心。而在項目教學中,我們結合數字電路課程實踐性強的特點,將整門課程圍繞項目展開,根據項目的開發過程來安排授課內容,將數字電路的各個知識點拆開,插入到項目的開發過程中,引導學生邊做邊學,在實踐中學習理論知識。教師不再把知識技能的傳遞作為教育的唯一目標,或者說不是簡單地讓學生按照教師的安排和講授去得到一個結果,而是在教師的指導下,讓學生邊做邊學,把看到的、聽到的、手上做的結合起來,通過在數字電路課程中采用項目教學法有效地建立起課堂與生產實踐之間的聯系。我們在設計項目時,力求教學過程模擬真實的工作過程,體現項目教學法整個過程的真實性,從而使學生的學習更有針對性和實用性。以組合邏輯電路的學習為例,我們針對知識點和學生實際情況提出兩個項目:項目一、三人表決器的設計與制作;項目二、搶答器的設計與制作。項目一比項目二容易,涉及的知識點較少,用到學生原有的知識較多,便于學生接受。項目一的主要作用是引入數字電路,讓學生對數字電路有一個初步的認識和了解,熟悉數字電路的分析、設計和制作步驟,為項目二的進行打下基礎;項目二則是一個綜合的組合邏輯電路實例,擴寬了知識面和項目深度。當然,我們還可根據學生的實際情況拓展其他相關的一些項目。學生在項目產品的制作過程中,通過自行設計電路,安裝,調試電路,提高運用理論解決實際問題的能力,使每個成員專業知識、專業技能、工作能力和團隊精神得到提高和發揮,因此在數字電路課程中實施項目教學法可以更好地完成高職院校的培養目標,提高學生的實踐能力和專業技能。
三、Multisim10軟件介紹
Muhisim10軟件是一種專門用于電子電路設計與仿真的軟件,以Windows為操作平臺,具有豐富的元件型,可以進行電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入,能夠完成仿真和分析功能,適用于模擬/數字電路板的設計[2]。
Multisim10具有以下特點:系統高度集成,界面直觀,操作方便;支持模擬電路、數字電路以及模擬/數字混合電路的設計仿真;電路分析手段完備;提供多種輸入/輸出接口。
四、Multisim10在數字電路項目式教學中的應用
針對高職學生基礎薄弱的特點,我們在設計教學項目的時候遵循由簡到繁、由易到難的原則,通過分析課程知識和操作技能的要求,并結合學情,確立最合適的項目。在初學時可以用一些比較簡單的項目,隨著學習的深入,逐步增加項目的復雜度,在保持學生的自信心的基礎上,激發學生的興趣和求知欲。應用Multisim10軟件可以經濟方便的進行項目開發,很好的支持了數字電路項目式教學。
下面以“四人智力競賽搶答器電路的設計”為例,介紹在Multisim10軟件中如何完成數字電路項目。
1.下達項目教學任務
設計一個四人智力競賽搶答器電路,要求智力競賽搶答器電路能識別出4位數據中的第一位到來的數據,而對隨后到來的其它數據不再作出響應,至于哪一位數據到來,通過LED指示。
2.學生通過查資料、自學、相互討論、合作協調,完成
(1)四人智力競賽搶答器電路設計;
(2)Multism10仿真,驗證設計電路的正確性。
在項目的實施過程中,教師一定要把握好指導的尺度,更多地放開手讓學生成為項目完成的主體,這樣能充分鍛煉學生的發散思維,培養其創新能力,并指導學生對項目進行拓展和延伸。
圖1是學生設計的四人智力競賽搶答器電路,通過此仿真電路優化了電路結構,形象地模擬四人搶答,學生學習熱情高漲,效果良好。通過實際電路的焊接調試,培養了學生的操作技能。整個過程培養了學生從理論到實際、理論聯系實際的能力,實現了理論實踐一體化的教學目標.充分調動了學生的學習積極性,大大提高了學生的動手能力。
總之,通過Multisim10仿真,學生不僅明白了設計方法,更清楚了數字電路的功能,加深了對理論的理解,建立起動態、形象、直觀的感性認識;所以,在項目實施過程中要求學生設計好電路之后,使用仿真軟件進行電路仿真、調試,優化電路結構和參數,可以以得出最佳、最優的電路設計方案。
參考文獻