在高速数字电路设计技术的研究中,最为主要的研究点在于:
(1)高速数字电路信号的完整性;
(2)高速数字电路电源的设计两个方面。在本节中,笔者将进行系统的阐述,强化对高速数字电路设计的认识与研究。具体而言,主要在于以下几点内容:
1.1高速数字电路信号的完整性设计
在高速数字电路信号的完整性设计中,最主要的研究要点在于两个方面:一是不同电路信号网传输信号的干扰情况;二是不同信号在电路信号网中的相互干扰情况。也就是说,在电路信号的完整性中,信号干扰是最为关键的因素,无论是对于干扰问题,还是对于反射问题,都是高速数字电路信号完整性设计的研究要点。在理想状态之下,不同阻抗是相等的,存在相互匹配性。所以,在电路设计的过程中,要特别注意阻抗的控制,阻抗过小(过大)都会对线路中的电流及电压造成影响,进而形成信号干扰问题。当然,在高速数字电路的设计中,是很难以让临界阻抗与电路新城相互匹配的状态,这就强调,高速数字电路信号系统,应最可能的处于较为合适的状态,以最大程度上提高高速数字电路的信号质量。
1.2高速数字电路电源的设计
高速数字电路电源设计,是设计技术研究的重点内容之一。对于高速数字电路而言,需要大量的低电压元器件的应用,以更好地确保设计的需求。但是,低压元器件的应用,带来了一个问题,即电源稳定性受到一定的影响,造成电源设计问题的出现。因此,在实际的设计过程中,需要对高速数字电路电源设计作充分的考虑。在电源设计中“,电源完整性”是主要的关键因素,是指电源波形的质量。这一因素的影响主要表现为:
(1)瞬间电流产生过大,即在高速开关状态下,线路器件极易产生过大的瞬间电流;
(2)信号回路阻抗变大,即在电路之中,过多的电感以至于回路阻抗变大,进而产生一定影响。因此,在高速数字电路电源的设计中,最为理想的状态的设计就是在高速数字电路电源系统中,并不存在所谓的“阻抗”。这样一来,不仅不存在阻抗所带来的损耗,而且确保了系统中各电位的恒定,当然,在实际之中,理想状态的设计是不存在,电源系统所形成的干扰噪声,对高速数字电路系统的运行造成较大影响。于是乎,电路设计应对电源的电阻及电感做充分的设计考虑,提高高速数字电路设计的有效性。
2结语
关键词：数字电子电路，EDA技术，应用探究
在数字电子电路这门课程学习的过程中，理论知识的学习固然重要，但是相应的实验技能也是必备的。在学好理论知识的基础上，可以从实验方面出发，更透彻的学习这门课程。在实验的过程中，传统的实验就是通过导线把各种实际的实验器材连接在一起，主要在实验的过程中，通过实验的结果，更好的理解实验原理，从而有助于理论知识的学习。随着科学技术的不断发展，有了EDA这项技术。EDA技术就以计算机为载体，承载着各种模拟的软件，然后通过在相应软件的操作界面上进行软件的连接以及操作，这样大大方便了学生的实验，而且还能从一定程度上节省实验器材的经费，总之，这样的做法有很多的好处。本文将重点讨论关于数字电子电路设计之中EDA技术的应用探究。
1关于数字电子电路设计之中EDA技术的应用探究
1.1数字电子电路的概述
在我国职业教育体系中，与电子技术相关的专业中都设置到相关的专业基础课程，比如说模拟电子技术、数字电子技术基础等课程，其中数学电子基础这门课程还是比较重要的。在数字电子技术这门课程中，主要讲述一些逻辑关系，以及以逻辑关系为基础的各种门电路，除此之外就是各种组合而成的逻辑电路，其中包括TTL逻辑门电路，CMOS逻辑门电路等等，这些逻辑电路都是与生活息息相关的。在平时的生活中也会用到很多，比如说家里的开关，现在很多家中都会安装两个开关，当进门的时候在门口开灯，睡觉时在卧室关灯，这个就是是使用了最简单的逻辑电路。逻辑电路的使用方便了人们的生活。
1.2数字电子电路与EDA技术
数字电子电路技术这门课程在学习的过程中，除了要学好基础的理论知识，更重要的是在学好理论知识的基础上，要提高动手实验的能力，因为现在社会需要的是实践性的人才，正如在教育大会中指出，要平衡教育人才的培养，并且要重视实践性人才的培养。要培养实践性的人才，首先要做的就是对他们基础的动手能力进行培养，要如何培养才是要思考的问题。那就是从实验做起，实验技术随着科学的不断发展也在不断进步，如今已经有了比较成熟的EDA实验技术，这项技术就是让学生在虚拟的软件中模仿实物进行一定的实验训练。在数字电子技术中使用EDA这一项技术大大方便了教学，而且同时也能有效的提高学生对理论知识的理解。
1.3数字电子技术未来发展前景
目前我国的电子技术方面还是有一定的欠缺的，而且我国的市场这么大，所以要努力发展属于我国自己的电子信息技术。而且电子信息技术是一个非常核心的力量，只有掌握了这样的核心力量，才能让我国的电子技术发展的更好。通过电子信息技术，可以成为击垮一个国家的秘密武器，所以努力发展自己国家的核心技术力量，并且还要不断的更新，这样才能在未来的世界中变得强大。所以，电子信息技术的发展趋势良好，而且发展空间也足够大。
2数字电子电路设计之中EDA技术应用的作用
2.1有助于更好的学习理论知识
在数字电子电路这门课程的学习过程中，都是一些枯燥无味的理论知识，这样容易造成学生在学习过程中的疲劳，而且会造成课堂效率大大降低的不良影响。数字电子技术是一门纯粹的理论知识，而且都是一些我们不熟悉的电路方面的内容，所以在单单的讲解理论知识的时候，学生们不容易想象到他的具体的实物，这样就对学习造成了很大的困扰。但是通过借助EDA技术在数字电子信息技术的学习过程中，会对学生的学习有很大的帮助。在学习了抽象的理论知识之后，通过在EDA技术上进行模拟，这样就比较容易理解理论知识。这样的做法对学习理论知识都很大的帮助，不仅能提高学生的学习效率，而且还能培养实践性的人才。
2.2通过学习EDA技术，不断创新
在数字电子信息技术的学习过程中，通过借助EDA技术，可以培养学生的动手能力。在实验的时候，学生一般都是通过对课本上已有的知识进行模拟，学习。但是实验就是创造的过程，有很多伟大的发明就是在实验的过程中发现的。在学生进行实验的过程中，不断对实验结果进行调试的过程中，有可能就会发现新的成果。所以可以通过借助EDA技术在数字电子信息技术中，让学生在不断实验的过程中，碰撞出科学的火花，不断的创新，壮大我国的电子科学技术。所以说要大量的运用EDA技术在数字电子电路的学习中，这样可能某个时刻就会对我国的科学作出贡献。
2.3更好的适应于未来的社会
现阶段我国的科学技术不断发展，日新月异，尽管如此我国的科学技术与世界还有一段差距，所以说还是要不断发展科学技术，尤其是电子科学技术，因为现在的社会已经是非常现代化的电子信息社会了，未来的社会更是电子信息的社会，任何事情都离不开电子技术。所以在目前这个阶段要大力发展电子信息技术并且掌握基本的电子信息技术的使用方法，这样才能在将来的社会中立足。所以在目前的学习中不断使用实用性的EDA软件的过程也是在不断适应现代社会的过程。
3结束语
本文中，通过讲述数字电子电路，数字电子电路与EDA技术以及数字电子技术在未来的发展前景这三点来阐述了关于数字电子电路设计之中EDA技术的应用探究。数字电路是一门贴近生活的比较基础的课程理论，它的成果运用于人们的生活中大大方便了人们的生活。相信通过使用EDA技术在数字电子电路设计之中，一定会使数字电子技术发展的更好，同时也会促进EDA技术不断成熟。
参考文献
[1]关于数字电子电路设计之中EDA技术的应用探究；陈惠娟；《电子制作》；2015年23期
[2]CGP函数建模在天线设计中的应用；于章意曾三友；中国地质大学；2013年
关键词：教学改革；教学方法；教学资源；实践创新
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）49-0050-02
为了适应当今世界经济、科技、文化发展趋势，满足社会各界对当代大学生的复合型、应用型和创新型人才要求，2012年10月教育部高等教育司编辑出版了《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》[1]。新版专业目录中重新规定了专业划分、名称及所属门类，并提出了各专业的主要核心课程、专业实验和实践性教学环节等课程的示例。数字电路课程是电气、电子信息、自动化和计算机类专业的一门专业基础课程，是一门理论性和实践性都较强的课程。它的主要任务是通过学习数字电路的基本概念、基本原理和基本技能，使学生在数字电路及数字系统方面具有一定的理论水平和实践技能，该课程对于微型计算机原理、数字信号处理和数字图像处理等学好后继主要专业课程必不可少的基础知识，并提高学生的工程实践能力都有着极其重要的作用[2-4]。本研究通过立体式实验课程设计，把理论教学与实验课、课程设计、实训课程结合起来，大学一年级开始初步接触专业课程，可以增强教学的互动性、趣味性，培养学生学习单片机课程的积极性、创造性，并进一步降低了实验教学成本，具有一定的实际意义。本文的第一部分分析了数字电路课程的教学安排、学时分配和考核体系，第二部分主要分析了传统的数字电路实验教学模式和数字电路实验教学中遇到的问题，第三部分提出了数字电路实验教学中引入数字芯片设计的必要性，并提出了基于Quartus Ⅱ软件和FPGA开发板的实验内容和具体教学安排。
一、数字电路课程分析
在教学安排方面，数字电路课程是一门理论性和实践性都较强的基础课程，基本上不需要高等数学、大学物理、复变函数等前期理论基础。因此，可以安排在大一的第二学期（四年制本科）；大一的短学期中可以安排“数字电路实训课程”，通过数字电路实训课程进一步提高学生的操作能力和创新能力；大二的第一学期中可以安排“数字芯片设计课程”或“集成芯片设计课程”，在此课程中首先学习VHDL语言，然后再学习Quartus Ⅱ可编程逻辑器件设计软件的使用方法和上机实验，并通过FPGA开发板来学习数字系统的设计和应用；基于以上基础，大二的第二学期学生可以开始在教师的指导下参加校内外各种设计竞赛，并在大二开始为即将学习的微型计算机原理、数字信号处理和数字图像处理等专业必修和选修课程奠定坚实的理论基础。学时安排方面，数字电路理论课程可以安排3学分/48学时，实验课程1学分/16学时，共4学分/64学时。课程改革积极探索教学活动和考核方式的多样化，考核形式可以包括笔试、实验课程、综合性创新设计等。该课程的考核可以包括：①期末的笔试，考核基本知识，理论课程成绩占60%；②实验课程成绩占15%；③平时成绩占5%；④综合性创新设计成绩占10%。
二、数字电路实验中存在的问题分析
数字集成芯片是在半导体表面上以CMOS门电路设计的现代化电子产品，由于CMOS门电路直接设计数字芯片时会出现时滞性、占用芯片面积、耗电量、结构复杂等一系列问题。而CMOS门电路的各子系统是利用与、或、非、同或、异或等逻辑门电路模拟化，同时实际设计的数字集成芯片内部电路图结构是无法看到的。因此，数字电路课程历来是学生感到“抽象”的课程。在数字电路实验课程方面，长期以来普遍利用74LS系列芯片实现理论课程上学到的触发器、译码器、选择器等组合逻辑电路，通过该实验可以提高学生的基本逻辑电路的功能及测试技能。但是，传统的数字电路实验教学主要存在以下弊端：①形式单一、方法呆板，虽然利用74LS系列芯片实现理论教学上学到的逻辑电路，但是不能完全解决学生对数字电路课程感到“抽象”的问题；②理论与实践脱节，在理论教学上，教师一般采用理论波形图来描述输入/输出信号之间的逻辑运算结果，一般不采用总线（Bus）波形图描述多位数的信号。在实验教学上，一般采用模拟开关描述二进制数的输入信号，并LED灯描述一位数的输出信号，因此，在理论和实验教学上学生没有机会接触实际数字集成芯片的设计和信息处理环境；③缺少互动性和创新性，学生自己提出某系统的逻辑控制及流程之后，利用基本的74LS系列芯片实现系统级别的数字系统时芯片的使用数量、输入信号的控制、输出信号的分析等会面临较大的困难，难以提高学生的积极性和创新性。
三、数字芯片设计在实验教学中的应用
在数字电路实验课程中，为了实现进一步系统化、程序化、可视化的实验，可以利用传统的实验课程和现代化的教学实验设备来完成。Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。利用Quartus II软件的原理图模块（Block Diagram/Schematic File），可以补充完成数字电路实验课程。数字电路实验课程设置方面，如果整个实验课程以16学时来计划，前8学时可以做传统的基于74LS系列芯片完的成硬件系统设计与测试实验，后8学时可以完成基于模块化方式的上机操作实验。其中，Quartus II软件安装与波形图分析占2学时，组合逻辑电路与全加期占2学时，选择器和译码器/编码器占2学时，综合设计实验占2学时。实验内容方面，首先让学生利用Quartus II软件的原理图模块（Block Diagram/Schematic File）设计相关逻辑电路图，利用Quartus II软件中的“功能仿真”功能验证所设计逻辑电路图结构是否正确，通过进一步修改和功能仿真过程验证逻辑电路图的结构设计。其次，建立时序图框架，设置时脉信号、清零信号和输入信号，通过Quartus II软件中的“时序仿真”功能验证输入/输出信号之间的连续性和正确性。同时可以利用FPGA开发板实现该系统，并利用逻辑分析仪验证FPGA输出信号的正确性。在上机实验过程中，学生应理解的内容主要包括五个方面。①针对某一个逻辑电路，在教材上说明的理论波形图、Quartus II软件仿真出来的波形图、逻辑分析仪实际仿真的波形图等3个图形之间为什么存在输出信号的延迟？②设计某系统时，基于C语言等软件系统设计和基于FPGA等硬件系统设计的优点和缺点是什么？③占用芯片的面积和耗电量大约多少？④原始的组合逻辑电路设计结果和卡诺图、布尔运算等方式简化之后，对集成芯片的运算速度、占用面积和耗电量差异多少？⑤理论课上没有提到的多位数的总线（Bus）信号怎么理解？
随着社会的跨越式发展，社会各行业对当代大学生的独创性、复合型要求越来越提高。相反，目前普遍存在培养出来的学生动手能力较弱，分析问题和解决问题的能力差，缺乏创新能力。本文基于2012年教育部高等教育司编辑出版的《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》，提出了传统的数字电路实验教学当中存在的问题，并建立了一种软/硬件系统相结合的实践教学体系和实验方法。本文提出的实验计划及安排可以营造有利于学生的激发创新激情，挖掘学生创新潜能，充分发挥学生的独创性，为培养学生的创新能力提供强有力的支撑。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京：高等教育出版社，2012：182-202.
[2]韩延义，赵全科.数字电路课程设计教学研究[J].中国科教创新导刊，2011，（17）：103.
论文摘要：结合高职院校数字电路实验教学现状，以培养学生的电子设计能力、实践能力与创新能力为目标，对数字电路设计性实验进行了研究，提出了构建实验课程体系、加强实验教师队伍建设、完善实验考核机制等措施，取得了良好的教学效果。
随着高职院校实验教学改革的深人，实验教学已成为高职院校教学工作的重要组成部分。实验教学已从过去单纯的验证性实验逐步深人到综合性、设计性实验，从利用实验来加深对已学理论知识的理解，深人到将实验作为学生学习新知识、新技术、新器件，培养学生实践能力、创新能力的重要目的仁‘〕。
1高职院校实验教学存在的问题
数字电路实验是高职院校电子信息类、机电类专业必修的实践性技术基础课程，对培养学生的综合素质、创新能力具有重要的地位。在传统的实验教学中，数字电路实验教学多以验证性实验为主，并按实验指导书的实验步骤去完成实验，这种实验教学模式禁锢了学生的创新思维，失去了“实验”真正的含义，培养出来的学生实践技能差，无法达到高职教育人才培养的要求〔2)0
2开设数字电路设计性实验采取的措施
通过多年来的实验教学改革实践，证明了开设设计性实验有利于巩固课堂所学的理论知识;有利于提高学生电子系统设计能力、综合素质、创新能力[’]。2005年我校电子技术实验教学中心(以下简称中心)以“加强基础训练，培养能力，注重创新”为指导思想，在面向各类专业的数字电路实验教学中，开设了以学生为主、教师为辅的数字电路设计性实验教学，取得了良好的教学效果。wWW.133229.coM
2.1构建实验教学课程体系
数字电路设计性实验是一种较高层次的实验教学，是结合数字电路课程和其它学科知识进行电路设计，培养学生电子系统设计能力、创新能力的有效途径，具有综合性、创新性及探索性[[4]。数字电路设计性实验是学生根据教师给定的实验任务和实验条件，自行查阅文献、设计方案、电路安装等，激发学生的创新思维。设计性实验的实施过程，如图1所示。
为了提高学生的电子设计能力和创新能力，中心根据高职教育教学特点与规律，构建了基础型、提高型、创新型三个递进层次的数字电路设计性实验课程体系。三个实训模块的内容坚持以“加强基础型设计性实验，培养学生的电子设计能力、创新意识”为主线，由单元电路设计到系统电路设计，循序渐进，三年不断线，为不同基础、不同层次的学生逐步提高电子设计能力、创新能力的空间，如图2所示。
基础型设计性实验是课程中所安排的教学实验，学生在完成了验证性、综合性实验以后，具有了一定的实验技能，结合数字电路的基本原理设计一些比较简单的单元电路，学生按照教师给出的实验要求根据实验室所拥有的仪器设备、元器件，从实验原理来确定实验方法、设计实验电路等，且在规定的实验学时内完成实验。如表1所示。这一阶段主要是让学生熟悉门电路逻辑功能及应用，掌握组合逻辑电路、时序电路的设计方法，培养学生的设计意识、查阅文献等能力。
提高型设计性实验对高职院校来说，可认为是数字电路课程设计。它体现了学生对综合知识的掌握和运用，课题内容是运用多门课程的知识及实验技能来设计比较复杂的系统电路，如表2所示。整个教学过程可分10单元，每个单元为4学时，每小组为一个课题。学生根据教师提供的设计题目确定课题，查阅文献、设计电路、电路仿真、电路安装调试、撰写课程设计报告等，完成从电路设计到制作、成品的全部实践过程。通过这一阶段的训练，学生的软硬件设计能力进一步提高，报告撰写趋于成熟，善于接受新器件，团队协作趋于成熟。
创新型设计性实验主要为理论基础知识扎实、实验技能熟练的优秀学生选做，为“开放式”教学，实验内容主要是结合专业的科研项目、工程实际及全国或省级电子设计竞赛的课题。通过创新型设计性实验，强化学生电子系统设计能力，充分发挥学生的潜能，全面提高学生的电子系统设计能力、创新能力，为参加大学生电子设计竞赛奠定坚实的基础。
数字电路设计性实验课程体系将数字电路基本原理、模拟电路、eda技术等多门课程知识点融合在一起，从单元电路设计到系统电路设计，深化了“系统”概念的意识。在每一轮设计性实验结束后进行总结，开展学生问卷调查，对设计性实验的教学方法、手段等进行全面评估，从而了解设计性实验教学的效果。在实验过程中，实验教师鼓励学生从不同角度去分析，大胆创新，设计不同的方案。
2.2加强实验教师队伍的建设
近年来，中心依托省级精品课程“数字电路与逻辑设计基础”、省级应用电子技术精品专业建设，合理规划，制定了实验教师队伍培养计划;专业教师定期到企业培训;专职实验教师参加实验教学改革研讨和对新知识、新技术的培训;同时制定优惠政策，吸引企业中具有丰富实践经验的工程师、技师到实训基地担任实验教师tb}，形成一支能培养高素质技能型人才、能跟踪电子信息技术发展、勇于创新并积极承担教学改革项目的专兼职结合的实验教师队伍，实现了实验教师队伍的整体优化。
2.3开放实验室
为了保证设计性实验教学的有效实施，中心实行时间和内容两方面开放的教学方法。学生除了要完成教学计划内指定实验外，还可以根据自己的专业和兴趣，选择规定以外的实验项目。为了提高设计性实验的教学效果，学校制定了系列激励政策，调动了实验教师及学生的积极性。
2.4建设创新实训室
为了培养学生的电子设计能力、创新能力，给优秀学生营造良好的自主学习环境，提供展现创新设计的舞台，中心先后投人了30多万元，更新了实验仪器设备，建设了一个软件环境优良、硬件条件先进的创新实训室。该实训室配置了计算机、函数信号发生器、频率计、扫频仪、数字存储示波器、单片机系统设计实验开发系统、打孔机、制版机等仪器设备〔7〕。
2.5完善实验考核机制
对于数字电路设计性实验的考核，不能仅靠一份实验报告或作品来评定成绩，要关注设计方案的可行性、实验过程中学生的操作能力、创新能力等方面。如以100分计，分别从实验设计方案(20分)、实验方案的实施和完善(40分)、设计的创新性(20分)、实验报告或论文、成品(20分)几个环节来评定学生的实验成绩。为了激励优秀学生，激发创新欲望，中心建立了“创新设计性实验优秀论文、作品评奖制度”，对经专业教师评审选出的优秀论文、创新作品的学生给予表彰、奖励。
【关键词】数字电路实验 Multisim13 仿真
【中图分类号】G43 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）11-0238-01
数字电路作为高校电子类专业的一门必修的基础课程，对后续课程的学习有着极其重要的引领作用，数字电路是一门实践性较强的科目，若只有理论而不付诸于实践，很难达到一个好的学习效果，因此，数字电路实验就凸显出其重要性，通过数字电路实验课程，可以加深学生对理论知识的理解，也可加强学生的动手能力。但是，在数字电路教学模式上，很多学校还采用较为传统的方式来进行，即通过数字电路实验箱来搭接电路，然后验证其功能。这种模式的好处在于学生可以接触到实物，通过搭接实物电路可以对理论知识起到很好的巩固作用，弊端在于局限性较大，学生只能用手中拥有的芯片来搭接电路，且必须在实验室当中才可以，受芯片种类和地点影响较大，无法调动学生课外学习的积极性，如果在传统基础上加入仿真软件的学习，一来是对传统教学模式的一个补充，其次可以让学生不受芯片种类和地点的限制，只要有计算机就可以学习，使学生的学习从课内扩展到课外，有利于提高学生的主观能动性，帮助学生更好的学好这门课程。
1.Multisim软件功能简介
Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件，最新版本是Multisim13.0。Multisim是一个完整的集成化设计环境，通过Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决实验教学中的局限性问题，学生可以很方便地把电路用计算机仿真真实的再现出来。
Multisim软件特点
（1）图形界面直观：整个操作界面就像一个数字电路实验平台，元器件和测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，仪器的操作方式与实物几乎一样。
（2）元器件库丰富：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括了大部分的常见器件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型。
（3）测试仪器丰富：除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪等常用仪器外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。
（4）分析手段完备：除了EWB提供的常用分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。
（5）仿真能力强大：Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，射频（RF）电路的仿真。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。
2.Multisim在数字电路实验教学中的应用
本文以8位流水灯实验为例来介绍Multisim13在实际教学中的应用。
流水灯实验是数字电路实验课程中一个很常见的实验内容，实际内容为通过触发器设计一个8位计数器，然后通过3-8译码器实现流水灯的循环显示，然后观察输出端的波形。传统的使用实验箱搭接电路时，难度不在于电路和电路的设计过程有多复杂，而在于连线较多，学生在接线时容易接错，且接错后不易检查，导致很多学生在课堂时间内无法完成。如果采用Multisim软件来进行这个内容的教学，通过实际教学我们发现，效果要远远好于传统模式，原因在于：使用Multisim软件绘制电路时比实际接线要方便很多，且出错之后容易查找，在观察波形时不需要频繁的更换示波器探头的接线位置，也就避免了在更换过程中可能引发的接线接触不良的问题，实验结果不受外界环境的干扰，可以保证实验结果的准确性。
3.数字电路实验中引入仿真技术的必要性和仿真技术的局限性
在数字电路实验中加入仿真内容，通过实际教学的过程我们发现是很有必要的。首先，仿真技术的使用是数字电路发展的趋势，可以大大提高工作的效率。其次，解决了传统教学模式下的局限性问题，学生可以随时随地的进行电路的设计和验证，提高了学生学习的积极性。第三，避免了实验箱和芯片本身存在问题的情况，可以保证实验结果的准确性。但是仿真也存在一定的局限性，和传统模式相比，仿真都是基于计算机操作，看不见、摸不着实物，无法给学生一个直观的感受，同时，在使用面包板搭接电路的过程中，出现了问题也可以培养学生查找问题、排除问题的能力，加强学生的动手能力，这些是仿真技术无法提供的。
关键词：R2R梯形电阻网络；输出放大器；积分非线性；微分非线性
Abstract: This paper presents a R2R ladder network Digital to Analog Converter suitable for video applications. The active circuit was implemented in CSM 0.11μm CMOS Logic technology. The whole DAC consists of R2R ladder network DAC、output amplifier、level shift circuits、reference voltage and latchs. The simulation results of this work with integral non-linearity （INL） and differential non-linearity （DNL） is less than 1.65LSB and 0.23LSB, respectively. The power consumption is only 3.86 mW.
Keywords: R2R ladder network、output amplifier、INL、DNL
1引言
随着微电子技术的发展，数字多媒体的应用变得越来越广泛，而且功能也变得越来越强大。然而，所有的自然界信号，例如：视频信号、音频信号等，都是模拟信号，所以为了加强处理视频信号的能力，许多视频系统都要求具有高速高分辨率的CMOS视频数模转换器。在这些应用中，CMOS视频数模转换器具有低功耗、低成本、小尺寸等优点，而且它能够与存贮器和数字信号处理IC集成到一块，从而能够实现多样化的视频应用[1]。
为了能够达到高的速度和好的线性度，高速数模转换器一般都采用电流陀的结构来实现。但是，由于工艺偏差、电流源的不匹配、电流切换毛刺和大的芯片面积等因素影响了电流陀数模转换器的静态和动态的性能[2]。基于上述描述，本文采用R2R梯形电阻网络DAC，图1为一个DAC结构框图。
图1中，DAC结构框图包含n位R2R梯形电阻网络DAC、n位模拟开关、输出放大器、参考电压和锁存器电路。其中，锁存器用于同步并锁存n位的数字输入码；参考电压用于给DAC作参考电压；n位模拟开关用于接通参考电压至R2R DAC的支路电阻或地电平；R2R DAC为梯形电阻网络数模转换器；输出放大器用于驱动后续电路并放大R2R DAC的模拟输出电压。本文首先对R2R DAC的原理进行了理论推导，得到DAC的模拟输出电压与n位数字输入码的关系。然后根据理论对DAC的各个子模块电路进行了设计，并给出了整个DAC的仿真结果，最后给出结论。
2R2R梯形电阻网络DAC理论推导
图2所示为一个n位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器[3]，假设所有的电阻均匹配且开关均为理想开关。从图中可以看到，R2R梯形电阻网络只由两种电阻组成，而不管它有几位。输入数字码（d0 ~dn -1：d0为低位，dn -1为高位）控制各个支路中的开关，当输入数码为1时，开关将接通2R电阻和参考电压Vref，反之接通地。因为参考电压Vref的内阻可以视为零，所以开关不管接Vref还是接地，从每个节点向左看的电阻值都为R[4]。
根据输入数字码接通到参考电压Vref或地电平，DAC的输出电压Vout在0~Vref之间变化。如果所有的输入数字码都接通到地，则DAC的输出电压为0；如果所有的输入数字码都接通到Vref，则DAC的输出电压接近Vref。如果最低位d0接到Vref，而其他位接到地电平，那么DAC的输出为：
3子模块设计
3.1 8位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器的设计
图3所示的电路为8位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器。在图2的理论推导中，开关都假设为理想的开关。但是在实际应用中，这些开关都是有导通电阻的，如图3所示，在一些CMOS工艺中，开关电阻的阻值可高达50Ω。由于开关是与2R串联的，所以开关的导通电阻Rsw将会影响2R支路的阻值，从而影响梯形电阻网络数模转换器的精度。本论文将计算开关的阻值，然后在2R支路中减去开关的导通电阻Rsw，那么经过开关补偿后的2R支路的阻值将为保持为2R，从而8位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器的精度将能得到保证[5]。
3.2 输出放大器
由于视频信号的输出范围要求很宽，所以数模转换器的输出范围也要求很宽。本论文中的电源电压为3.3 V，参考电压Vref为2 V，而且要求经过输出放大器后的输出电压范围为3 V，所以，在比较各种放大器的结构类型之后，本论文采用轨到轨输出级的运算放大器，如图4（a）所示，该结构能够提供很宽的输出电压范围。
图4（a）中，流过晶体管M14和M18的电流都为Ib，该电流通过晶体管M15和M8镜像、晶体管M20和M9镜像，且用晶体管M15和M20的栅电压去偏置共栅晶体管M8和M9，在稳态情况下，流过晶体管M8和M9的电流都为Ib，即流过晶体管M7的支路的电流为2Ib。
假设：
由图4（b）可知，当放大器的输入电压Vout降低时，即图4（a）的VIP降低时，则V1和V2的电压将升高，在这种条件下，晶体管M9将截止，晶体管M8将流过2Ib的电流，由于此时V1电压很高，那么晶体管M22将截止；而且V2的电压也很高，晶体管M23将完全导通，从而使得输出降低。同理，当放大器的输入电压Vout升高时，即图4（a）的VIP升高时，则V1和V2的电压将下降，在这种条件下，晶体管M8将截止，晶体管M9将流过2Ib的电流，由于此时V2电压很低，那么晶体管M23将截止；而且V1的电压也很低，晶体管M22将完全导通，从而使得输出升高[6]。
4整体仿真结果
在前文子电路分析与设计的基础上，采用CSM 0.11μm CMOS Logic模型，用Hspice对整体电路进行了仿真。差分非线性误差小于0.23 LSB，如图5（a）所示，积分非线性误差小于1.65 LSB，如图5（b）所示。输入采样时钟为27 MHz、输入数字码为13.5 Mbps的情况下的功耗为3.86 mW。图6为3路RGB的DAC版图，3路DAC的版图面积仅为0.1935 mm2。
5总结
本文以“自顶而下”的方法设计了一款用于视频中的R2R梯形电阻网络数模转换器。首先从n位电压模式R2R梯形电阻网络数模转换器的理论入手，缜密地推导出了数模转换器的输出电压和输入数字码的关系；接着详细分析了构成数模转换器的各个子电路：8位R2R梯形电阻网络DAC、输出放大器等。最后将整个DAC进行了整体仿真。仿真结果表明，差分非线性误差小于0.23 LSB，积分非线性误差为小于1.65 LSB，在输入采样时钟为27 MHz、输入数字码为13.5 Mbps的情况下的功耗仅为 3.86 mW。设计完全可以满足视频DAC的要求。
参考文献
[1] Tien-Yu Wu, Ching-Tsing Jih, Jueh-Chi Chen, and Chung-Yu Wu, “A low glitch 10-bit 75-MHz CMOS video D/A converter,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 30, Issue 1, pp.68 -72, Jan. 1995.
[2] Ionascu, C. and Burdia, D, “Design and imple- mentation of video DAC in 0.13/spl mu/m CMOS technology,” IEEE SCS 2003.International Symposium on Signals, Circuits and Systems, Volume2, 10-11 July 2003, pp.381-384.
[3] 陆志梁，模一数和数一模转换器，西安：电子工业出版社，1988．
[4] 许丽娜，十位数模转换器的设计，沈阳工业大学，硕士学位论文，2007
[5] David Marche, Yvon Savaria，“An Improved Switch Compensation Technique for Inverted R-2R Ladder DACs,” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, REGULAR PAPERS, VOL. 56, NO. 6, JUNE 2009.
[6] Behzad Razavi．Design of Analog CMOS Integrated Circuit, Xian：Xian JiaotongUniversity Press，2003．
关键词：数字电路；教学改革；能力培养
中图分类号：G431文献标识码：A
数字电路与系统这门课是理工科大部分专业的重要专业基础课，培养学生数字逻辑的基本概念和数字系统的设计能力。我校作为一所民办本科院校，以培养应用型人才为目标，数字电路与系统课程也不例外。我们在多年教学过程中总结了一套适用于该层次学生的教学思路和方法，并启动了数字电路与系统课程教学改革项目，对取得的研究成果进行总结，主要分为以下几个方面。
1.课程教学内容研究
1.1 弱化陈旧过时的内容
随着数字集成电路及大规模可编程逻辑器件的发展，中小规模电路应用已经逐渐减少，而传统的授课思路过多注重中小规模的应用。且在大规模可编程逻辑电路设计过程中，逻辑化简已经有开发工具取代，很少需要手工化简。故而数字电路与系统课程在教学内容上要做相应调整。有些内容课程教学内容化简只介绍化简的原理和方法，不讲化简技巧，考试也不做深入要求。
1.2 删减原理性内容的讲解，注重应用技巧和分析思路
为了配合应用型人才培养目标，在授课过程中适当减少原理性讲解，比如边沿JK触发器工作过程分析教材上一般有详细的分析过程，但授课中只要分析一两种工作情况，并借此介绍分析思路，有兴趣的同学可以课下自己分析，而大部分同学只要弄懂使用方法就可以了。时序逻辑电路应作为重点内容，讲授时应注重时序逻辑电路的分析过程，使学生深入理解相关概念，对于状态化简等要求要降低，只掌握方法即可。
1.3 教学内容在顺序上的调整
此外，考虑到数字电路是嵌入式系统、FPGA、DSP及IC设计等课程的先修课程，为了方便这些后续课程的安排，所以把数电课程提前，跟模电统一学期开设，为后续课程提供足够的时间。这就造成数电中逻辑门电路一章的内容受到影响，因此在授课时把这一章的内容往后移，等模电三极管基本放大电路学完之后再讲授这部分内容，可以解决数电和模电安排在同一学期的问题。
2.课程教材建设
由于数电教学内容作了一定的调整，因此教材的选取要能适应这种调整。而现有教材大部分是按照老的教学体系编写的，内容难免陈旧、过时，为了适应新形势的需要，我们根据应用型人才培养的要求，分别编写了本科和专科适用的教材。
本科的教材编写思路是采用弱化传统的逻辑代数公式化简和器件内部结构原理等内容，对中小规模集成电路重点介绍其使用方法和数字逻辑的基本概念，使学生建立起数字逻辑的研究方法和设计思想，同时在传统内容之上增加了大规模可编程逻辑器件和硬件描述语言方面的内容，传达了自顶至底的数字系统设计方法和理念，为运用大规模可编程逻辑电路设计数字系统打下良好基础。
专科的教材则更加弱化原理讲解，对于集成逻辑门和触发器等着重介绍器件功能和使用方法，原理只做最基本的讲解。除此之外，每一章都增加电路设计和调试及错误排查方法等内容，对学生进行电路设计的技能训练，再结合实验和综合课程设计，使学生动手能力得到提高。目前本科教材已经在我校使用了三届，专科教材也使用了一届，使用效果良好。
3.课程教学方法和手段
课堂教学作为重要的教学环节，采用合适的方法和手段至关重要。在数字电路教学过程中，重点做到以下几方面：
3.1 注重学生主观能动性的发挥
学生在课堂学习过程中如果只是被动接受知识，会导致填鸭式教学，必然会导致学生学习兴趣下降，学习效果大打折扣。因此在课堂上要注意引导学生主动思考，对学生的预习情况进行干预，以预留作业的形式让学生预习必要的知识，然后再课堂上再就预留的问题请学生分组讨论，每组阐述讨论的结果。虽然开始的时候学生做的不是很好，但是只要坚持这种做法，讨论时加强引导，就会收到良好的效果。
3.2 注重习题课和平时测验
笔者在教学中发现学生对所学知识不会灵活运用，体现在作业中就是对没接触过的类型题目不知道该怎么做，自己没有思路。其实这些题目如果对知识点理解的话是可以独立完成的，不会做说明知识点理解的不好，所以不会应用。这种情况下就要有针对性的设置习题课，讲一些典型的例题，并着重题目的解决思路和方法的培养，使学生遇到类似的问题能够灵活运用。然后再通过一些课堂测验了解学生的学习情况，及时对测验结果进行总结，并反映在后续的教学中。
3.3 注重实验教学
数字电路应该是一门理论和实验相结合的课程，两者相辅相成。因此在理论课之外设置了两种形式的动手环节：一种是跟理论课紧密配合的电子技术实验，实验的设置以理论教学进度为依据，让学生能够在刚学完某一知识点时就能通过实验进行验证，通过实验理解理论知识和培养基本的分析和测试实验结果的能力；另外一种是在学期末的电子技术综合课程设计，给学生布置合适的题目，让学生从方案设计、芯片选择、电路布局、焊接查错等方面得到训练，同时撰写课程设计报告，切实培养学生分析和解决问题的能力，写总结文档的能力，提高学生的综合素质。
4.结束语
随着科学技术的不断发展，数字电路教学也必然面临着教学内容和模式的不断改革，以适应新形势的需要。因此授课教师应不断充实自己，不断总结和积累经验，抓住教学重点，使学生切实学懂这门课，掌握数字逻辑设计的重要概念和基本方法，为后续课程和今后走上工作岗位打好基础。笔者在教学中所采用的内容改革和教学方法创新通过多轮教学实践证明，是切实可行的，能够很好的反应当前数电教学的新形势，教学效果良好。
参考文献
[1]杨志忠，卫桦林等.数字电子技术基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009，7
[2]杨志忠，赵航等.数字电子技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2012，1
USB2.0(通用串行总线)已经成为PC外设接口标准。但USB2.0接口芯片技术只被Intel,Philips等少数国外大型半导体厂商占有,在国内还是空白。无论从市场需求,还是从促进我国芯片设计能力来说,开发具有我国完全自主知识产权的USB2.0接口芯片都是非常迫切的一个问题。
接口芯片中高速(480Mbps)及模拟电路部分是设计的难点所在,本论文首次引入基于数字的模拟化设计技术(DBA),并成功应用到发送器电路、数据恢复电路、时钟发生电路(DLL)等关键模块的设计之中。 DBA技术的核心在于:将数字电路设计的思想渗透到模拟、混合信号电路设计中,使用数字算法将尽可能多的电路设计放在数字一边。由于采用了数字技术来实现模拟电路部分的功能,因此这种全新的设计方法可以避免模拟、混合信号电路中参数调整和工艺控制的难点,提高电路设计精度和稳定性,并降低噪音影响,是一个好的解决方案。
在发送器电路的设计中,论文在同一结构电路中兼容高速和全速两种模式,不仅降低了芯片设计复杂度,而且减少了芯片引脚处的额外电容及芯片面积;在接收器电路的设计中,论文采用了经优化的新型拓扑结构,提高了数据采样和接收精度;在数据恢复电路中,论文提出了新颖的基于5-倍DLL-过采样的数字算法和查找表技术,可省去繁杂的时钟恢复过程,同时提高了高速数据信号对相位偏移(skew)和抖动(jitter)的容忍度。
基于TSMC0.25um CMOS混合信号工艺,用于功能外设的USB2.0接口芯片采用自顶向下的设计方法。芯片的核心组成部分,即发送器、接收器电路以及能隙基准电压源已经在上海集成电路产业化基地参加MPW流片,测试结果表明:在正确的基准电压偏置下,芯片发送、接收功能参数指标符合USB2.0协议要求。 另外,Link层中新型数据处理电路、“PLL+DLL”结构的五相高精度等间距时钟产生电路也在相应的后仿真结果中得到成功验证
