发布时间：2023-03-21 17:07:58
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关键词：EDA技术，项目化教学方法，课程改革
EDA技术是以数字电子技术课程知识为基础，具有较强实践性、工程性的专业课程。将数字电路设计从简单元器件单元电路设计，EWB软件仿真提到了更高一级的可编程操作平台上，进一步巩固和提高学生电子电路综合设计能力。但是，传统的教学模式是将两门课程分开，先上数字电路，后上EDA技术，分两学期授课。这样的教学模式存在弊端，减弱了课程之间的联系，降低了学生对数字电路理论的认识程度。通过对EDA技术课程的教学改革，以实训的方式采用项目教学法，使学生在较短的时间内掌握EDA技术基础及其实验系统，从数字系统的单元电路，如译码器、计数器等入手，加深对数字电路基础理论的认识，逐渐完成数字系统设计。
1. EDA技术及其在教学中的应用
1.1 EDA技术
EDA技术即电子设计自动化(Electronic DesignAutomation)是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果而形成的一门新技术毕业论文格式，是一种能够设计和仿真电子电路或系统的软件工具。采用”自顶向下”的层次化设计，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。图1为一个典型的EDA设计流程。
图1 EDA设计流程图
1.2 EDA技术在教学中的应用
在教学过程中，EDA技术利用计算机系统强大的数据处理能力，以及配有输入输出器件(开关、按键、数码管、发光二极管等)、标准并口、RS232串口、DAC和ADC电路、多功能扩展接口的基于SRAM的FPGA器件EDA硬件开发平台，使得在电子设计的各个阶段、各个层次可以进行模拟验证，保证设计过程的正确性。从而使数字系统设计起来更加容易，让学生从传统的电路离散元件的安装、焊接、调试工作中解放出来，将精力集中在电路的设计上。同时，采用EDA技术实现数字电路设计，不但提高了系统的稳定性，也增强了系统的灵活性，方便学生对电路进行修改、升级，让实验不在单调的局限于几个固定的内容，使教学更上一个台阶，学生的开发创新能力进一步得到提高。
2.课程教学改革实施
2.1课程改革思路
课程改革本着体现巩固数字电路基础，掌握现代电子设计自动化技术的原则来处理和安排EDA技术教学内容。打破传统的从EDA技术概述、VHDL语言特点、VHDL语句等入手的按部就班的教学方法，以设计应用为基本要求，开发基于工作过程的项目化课程，以工作任务为中心组织课程内容，让学生在完成具体项目的过程中来构建相关理论知识。将EDA技术分为四个方面的内容，即：可编程逻辑器件、硬件描述语言、软件开发工具、实验开发系统，其中，可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动设计工具,实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。采用项目化教学方法，以实训的方式展开，让学生在“学中做，做中学”。
2.2课程改革措施
以电子线路设计为基点，从实例的介绍中引出VHDL语句语法内容。在典型示例的说明中，自然地给出完整的VHDL描述，同时给出其综合后的表现该电路系统功能的时序波形图及硬件仿真效果。通过一些简单、直观、典型的实例毕业论文格式，将VHDL中最核心、最基本的内容解释清楚，使学生在很短的时间内就能有效地掌握VHDL的主干内容，并付诸设计实践。这种教学方法突破传统的VHDL语言教学模式和流程，将语言与EDA工程技术有机结合，以实现良好的教学效果，同时大大缩短了授课时数。表1为课程具体内容及实训学时分配。
能力
目标
学习情境
项目载体
课时
QuartusⅡ开发工具使用能力
QuartusⅡ开发环境、实验系统
二选一音频发生器设计
6
VHDL语言编程能力
VHDL语言基本结构
计数器电路设计
6
VHDL语言并行语句
8位加法器设计
8
VHDL语言顺序语句
7段数码显示译码器设计
8
VHDL语言综合运用
数控分频器的设计
8
层次化调用方法
4位加减法器的设计
4
综合开发调试能力
8位16进制频率计设计；
十字路通灯设计；
数字钟设计；
波形信号发生器设计，等。
(任选一题)
20
总计
关键词：脉冲与数字电路；实践教学；教学内容；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0019-02
一、引言
《脉冲与数字电路》是电子信息、通信、计算机控制等专业的一门重要的专业基础课，也是面向我院很多专业的一门基础课。随着“数字时代”的到来，该课程的作用与地位与日俱增。这不仅因为其理论知识在工科专业中占有重要的基础性地位，更重要的这是一门理论联系实际非常紧密的课程，通过本课程的学习，使学生掌握课程的基本理论、基本知识和基本技能，为深入学习后续课程并与有关专业的结合打好基础。
二、教学体系和教学内容改革
调整脉冲与数字电路课程的授课学期，建立层次化、模块化的教学体系，对课程重新进行整合。整合后的脉冲与数字课程包括：“理论体系”、“实验设计”、“电路仿真”以及“课程设计”。调整了实验课程的教学内容，在教学内容和教学手段等方面进行了改革，进一步精简小规模器件和传统设计方法的介绍，加强现代设计方法的讨论，提高了“脉冲与数字电路”课程的教学水平，使学生了解、掌握数字电子技术发展的最新知识。注重将课堂教学向课外延伸，鼓励学生通过课堂学习掌握数字电路设计理论知识，在创新实验室自行开展创新活动，学生通过理论与实际应用的结合，提高了自身的实践和创新能力。依托综合性大学文化优势，以大学生科技活动延伸课堂教育，积极开展大学生科技创新活动。学生通过课堂学习掌握的数字电路设计理论知识，在电子创新实验室开发小制作等，通过理论与实际的结合，提高了自身的实践能力和创新。
1.紧跟数字电子技术的发展，适时引进新的教学内容。（1）“教、学、做相结合”的教学方法。教学中每章都从最基本的应用实例出发，由实际问题入手通过技能训练引入相关知识和理论，由实训引出相关概念及相关电路。（2）“循环式”教学方法。通过实训得到感性认识、定性认识。在简单电路的基础上通过逐步完善的方式一步一步组合成复杂系统，通过对基本电路的多次重复，以循环向上的方式达到更高的程度。（3）“支架式”教学方法。将知识点分成基本逻辑器件、基本逻辑器件构成的数字电路、基本数字电路构成的简单数字电路应用系统等模块，每个模块处于不同的层次，只有掌握了前面的模块，才能学习后面的模块，就像攀登支架一样。
2.多种教学手段相结合的教学方法。针对这门课程的教学特点，在授课过程中采用课堂教学、实验教学相互交叉融合的教学结构；制作《脉冲与数字电路》电子课件，利用多媒体等现代化教学手段教学；准备建立《脉冲与数字电路》课程学习网站，充分利用网络进行辅助教学。实践教学环节所占比例高，实践环节改革力度大。增加了软件仿真环节，在教学内容上更加注意体现现代技术要求的背景知识的教学特色，将最新的知识与技术纳入教学内容，同时将科研和教学改革中与教学内容相关的成果引入教学过程中，通过理论与实际的结合，进一步提高学生的实践能力和创新精神。
3.全新的考试方式。期末考试采用纯理论试卷考试，占60%的成绩；平时采用阶段考试和实验考核结合的方式，分别给出成绩，结合平时的出勤、作业、实验、课堂表现等方面给出40%的平时成绩。
三、教学方法和教学手段的改革
在教学方法上，改变传统的“满堂灌”的教学模式，倡导并采用研究型学习。如针对“计算机辅助逻辑化简”、“计算机辅助状态化简”等专题让学生查阅资料、撰写小论文，开发计算机辅助设计软件。并让学生走上讲台介绍各自的研究结果，锻炼了学生的综合素质，取得了很好的效果。为了使学生学习、了解器件的基本知识和使用方法，根据设计要求，自己到市场选择器件，使学生在实际工作中了解器件的价格，掌握器件选购的方法和注意事项，为今后走向社会打好基础。教师注重将科研成果转化成本科教学的内容，一方面体现在编写的教材中，另一方面将自己的科研成果、工程设计方法和经验融入课堂教学中。如各种集成电路的特点、选择方法以及正确使用方法等，如何根据集成电路的带负载能力，在满足应用需求的条件下，正确选择拉电流负载或灌电流负载以及采取必要的驱动方式。这种理论结合实际的教学内容，充分调动了学生的学习兴趣和积极性，培养了学生解决实际问题的能力，取得了非常好的效果。注重将课堂教学向课外延伸。以大学生科技活动延伸课堂教育，积极开展大学生科技创新活动。学生通过课堂学习掌握的数字电路设计理论知识，通过理论与实际的结合，提高了自身的实践能力和创新。
随着科学技术的发展，新的教学手段必须体现在整个课程的教学环节中。本课程的特点是内容丰富、图表较多，传统的课堂教学有一定的困难，而采用多媒体技术将复杂的图表直观、形象地展示出来，不仅便于教师的讲解和学生的学习，而且还将大大增加课堂的信息量，解决课时少、内容多的矛盾。但是课堂教学不能完全依靠多媒体课件，从调动学生思维、加强师生互动和循序渐进讲解以便学生理解等方面考虑，目前“脉冲与数字电路”课程中主要采用了PowerPoint课件和板书相结合的方法，可以相互取长补短，效果较好。利用脉冲与数字电路课程网站，将教学内容制作成视频资源、课件等资源链接等放在网络平台上，充分发挥网络突破空间、距离限制的优势，让学生能够最大限度地利用学习资源，自主地学习和提高，弥补课堂上未能及时消化吸收的部分内容。
四、实践教学内容和方法的改革
在传统的教学理念中，长期存在着重视理论教学而轻视实践教育的问题。教师只注重对学生理论知识的讲授与辅导，相对忽视了理论知识在实践中的应用，这导致学生的实际动手能力普遍偏低。此外，大多数的实验教学都是作为理论教学的补充，并不单独设课，而且试验内容往往都是验证性的，虽然能够使学生加深对理论知识的理解，但是会在一定程度上造成学生的思维局限于相应的理论课程。从总体教学计划上来说，相对于理论教学实验学时相对较少，这让学生没有足够的时间消化实验老师讲解的内容，只能被动地按照要求完成实验任务，而不能有效利用做实验的机会进行实践能力的培养。
1.改进实验教学方法，提高教学效率。在实验教学方式上，要改变传统的实验教学方式，采用多样化的实验课程组织方式。在实验课上教师可以只对实验原理、实验内容进行适当的讲解，对稍微复杂的实验进行现场演示，给学生更大的自由发挥的空间。这样学生会根据老师布置的实验任务，积极开动脑筋，尝试采用不同的试验方法来解决问题，从而达到实践教学的目的。根据电子信息产业发展新的形势，逐步改革传统的实验教学方法，充分利用多媒体等现代化教学手段于实验教学中。完善实验教学资源共享的网络系统、实验室网络管理化系统和实验教学指导与监控系统，学生在做实验之前可通过网络系统对实验进行预习，熟悉仪器工作原理和使用方法，从而充分利用实验课堂时间，提高实验教学的效率和教学水平。
2.提高学生学习的积极性。探索实验教学的新型模式，建立“以人为本”的实验教学方式，通过实验设备的更新、实验内容的改革，增加实验室对学生的吸引力，充分调动学生参与实践的积极性。改变实验教学方法，变以老师为中心的实验教学方式为教师与学生、学生与学生平等开放的教学方式，提高学生做实验的兴趣。鼓励学生认真对待电子信息类专业中的每一个基础的和专业的实验，把那种“质疑一切，一丝不苟，勇于探索，努力学习，大胆动手”的精神，贯穿于每一个实验之中。循序渐进，通过由简单到复杂、由一般到个别的实验训练，达到理论联系实际的目的。学生在做完基本的实验项目后，在学有余力的前提下，可以根据个人的兴趣和爱好，选择参加一些层次较高的具有综合性和研究性的开放性实验。这类实验教学的内容大多是来源于具体的横向的项目或纵向的科学研究与技术革新课题，具有先进性、综合性和科研性。教师在进行实验指导时，应发挥学生在学习中的主体作用，积极调动学生的积极性，培养学生勇于探索、敢于实践的进取精神。同时要鼓励学生以市场为导向，寻找科研开发群体，运用集体的智慧和力量，进行创造性实验，使学生获得发挥创造才能的机会。这种开放式的实验教学方法，是培养学生创新能力，拓宽学生知识面，增长学生动手能力的有效途径。
五、结论
通过以上各项改革，提高了学生分析问题、综合问题、解决问题的能力，既满足学生对知识的渴求，又培养了独立探索、富于创新、勇于开拓的精神；具有生动、形象、操作性强的特点；加强了现代设计方法的讲授和讨论；注重将新技术和教师的最新科研成果、工程设计方法和经验融入课堂教学中，充分调动了学生的学习兴趣和积极性；注重将课堂教学向课外延伸，积极开展大学生科技创新活动；通过理论与实际的结合，进一步提高了学生的实践能力和创新精神。
参考文献：
[1]李晓辉，许先番.电子信息科学与工程类专业学生创新能力培养的实践与探索[D].2008年全国高等学校电子信息科学与工程类专业教学协作会议论文集，北京邮电大学出版社，2008.
【关键词】虚拟仿真;数字电路;课程改革;教学方法
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)07―0147―04
一 前言
数字电子技术是计算机及通信类专业的重要的专业基础课,其中关键的环节就是培养学生的实践能力和解决问题的能力,因此,生动形象的课堂教学和全面的实验体系对教学效果和知识的应用能力有着非常重要的作用。然而,由于实验仪器的的老旧,数量有限,使得实验的开出率以及实验内容的扩展都受到限制。为顺应现代教育的发展,实施的现代化远程开放教育,将计算机虚拟仿真技术应用于数字电路教学中。其中理论教学结合多种教学方法和现代化的教育技术,将基础知识和理论形象地表现出来,有助于学生理解。课堂教学和实验教学都利用计算机虚拟仿真软件将所学理论联系实际,并加以应用,在此研究基础上提出了基于虚拟仿真技术的所有电子技术课程教学的新模式。
二 计算机虚拟仿真技术
虚拟现实(Virtual Reality)技术,简称VR,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多个领域。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境――虚拟环境,可以逼真地模拟现实世界(甚至是不存在的)的事物和环境,人投入到这种环境中,立即有“亲临其境”的感觉,并可亲自操作,与虚拟环境进行交互[1]。
计算机虚拟仿真技术,是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上,利用计算机技术将仿真技术与虚拟现实技术相结合,是一种更高级的仿真技术。虚拟仿真技术以构建全系统统一的完整的虚拟环境为典型特征,并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体可以是模拟器,也可以是其他的虚拟仿真系统,更多的是计算机。实体在虚拟仿真软件所提供构建的环境中相互作用,以表现客观世界的真实特征。虚拟仿真技术的这种集成化、虚拟化与网络化的特征,可以满足现代教育的发展需求[1]。
三 课程教学的若干问题及改革研究
对于理论教学环节,首先是教学内容陈旧。当前大中专院校所用的教材内容都是十几年前的,即便是近几年出版的教材,也只是内容的深浅不同,体系结构基本相同。比如教材中主要说明的74LS系列的芯片在目前实际应用中已经被淘汰,真正是学的没用,用的没学。现在的学生在学习中,非常关注所学知识的实用性,如果不能学以致用,就影响到学习兴趣和学习积极性。因而在课程教学中要及时更新教学内容,讲解传统芯片的同时多介绍一些现在普遍使用的芯片,当然也要根据学生学习程度,最大可能激发学生的兴趣[3]。
其次是教学方法。常用的教学方法无非就是这几种:讲授法、讨论法、谈话法、阅读指导法。根据课程的特点和教学要求,不能一成不变的套用传统的教学方法。这些方法对有些课程很有效,但是对计算机课程不一定全部适合,因此需要探索适合本课程需求的新的教学方法。笔者在教学中通常有如下几种方法:讲授法,这是传统的教学方法,教师口述基本事实、原理和推理过程。部分定理,原理及产品采用讲授法。例举法,就是以典型例题说明某个定理或元件的应用,这是本课程用的最多的一种方法。在数字电路课程中有很多芯片的实际应用,有些是针对某部分内容的很典型的例子,这些例子对于学生理解和掌握此部分知识非常有用。任务驱动法,就是教师布置一些运用某个知识点的题目,要求学生在课堂上有限的时间里做出来,并检查完成情况。这样学生对该节课所学知识从理论到应用有了一个全方位的认识,而且对每个知识点掌握得都比较透彻,这是近年来比较流行的一种教学方法,也是计算机专业课程特有的一种教学方法,对提升教学效果有显著作用。
再次是教学手段,不是单纯的使用多媒体课件,而是结合计算机专业特点引入现代化教育技术和手段,很多典型例题用计算机仿真软件在课堂验证,让学生直观形象地了解电路的工作情况,从而掌握电路或芯片的应用。
对于实验教学环节,首先是实验设备简陋。很多高校数字电路实验设备包括我校仍然使用老式实验箱,即由固定数字电路芯片搭建的实验,学生只能按实验教材设计的实验按步骤做固定的实验,实验内容都是以芯片讲解为主,目的是对芯片功能进行验证。因此学生把实验课当完成任务,实验环节没有促进教学,相反影响了教学效果。很多新的芯片不能认识和实践,使得实验教学方法与实际应用的要求严重脱节。其次在实验教学过程中,由于实验设备老化,个别元件被损坏或接触不良,导致学生实验中,出现一些问题,电路连接完全正确,但是就是得不到正确结果,结果费了很多时间去排除故障,这样做实验当然激发不了学生的兴趣,相反还会阻碍他们进一步探索。再次,由于实验条件的限制,实验项目只能停留在验证性实验层次,学生的设计能力和综合应用能力都得不到提高,利用电子电路的计算机虚拟仿真软件multisilm10就可以解决这个问题,利用这个软件可以自行设计集成电路,综合应用各种芯片,完成所有的数字电路实验[4]。在教学实施中,根据学生情况分验证性实验、设计性实验和综合性实验三个层次完成实验教学目标。
四 计算机虚拟仿真技术在课程教学中的应用
1 课堂教学中的应用
在课堂讲到门电路的工作原理或集成电路的应用时,可以现场用计算机仿真软件演示电路的工作过程,使学生更好地理解门电路的工作原理和芯片的工作情况。从而掌握电路的应用。这样,教学过程是由原理到应用,由简单到复杂,由抽象到现实,循序渐进地完成理论知识的学习。数字电路的基本单元是门电路,那么理解其工作原理非常重要,但是此部分对于大部分同学来说都是难点,如何突破这个难点呢?利用软件建立仿真电路,真实地展现输出电压随输入电压的变化情况,就会获得很好的效果。下面是利用仿真软件说明TTL与非门工作原理的课堂实例:
(1) Vi=0V,输入接低电平。那么Q1导通,Vb1=0.8V,Ib5
(2) Vi=3.6V,输入高电平。那么Q1的发射极电流从发射极(0.852mA)流入,从集电极流出,Q1的发射极和集电极倒置状态。Vb1=2.443V,Vb5=0.843V,Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V,导致Q2、Q5导通。由于Vc2=0.886V,Q4、Q5截止。输出Vo=0.018V。其电路仿真如图2:
2 实验教学中的应用
大学生需要有独立的设计能力和对电子器件的综合应用能力,这就决定了本课程的实验体系应该是三个层次,在简单的验证性实验的基础上必须开设有创造性的设计性实验和综合性实验。然而实验室有限的数字电路实验箱只能做几个简单的验证性实验,无法满足设计性实验和综合性实验的设备要求。但是,利用电子电路的计算机仿真软件就可以扩展实验室,提供所需要的一切电子元件和芯片,搭建任意难度,任意复杂的电路,并验证其正确性。同时利用仿真软件的可配置性,配合适当的电路可做出多种不同的应用。在实验课程中,提前给出了三种实验的一些题目和内容,要求验证性实验必须都完成,设计性实验可选做一至两个,综合性实验选做一个。下面简要说明学生利用仿真软件选做的数字电子钟逻辑电路的设计实例。
要求用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分秒的数字电子钟,选用器材主要有:安装有仿真软件的计算机若干台,集成电路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248),晶振、电阻、电容若干,数码显示管,三极管、开关若干。
提示设计方案,包括数字电子钟的电路框图和四个主要模块的实现细节,学生依据电路框图和提示信息设计逻辑电路图,并将其在虚拟实验环境中用仿真电路实现。下面给出数字电子钟的电路框图。
篇幅所限,参考电路就不给出,但是通过这个实例可以看出虚拟仿真技术在课程实验中的重要作用。不但节省很多设备购置费用,不受地点和环境的限制,而且和真实实验具有相同的效果。既然如此,为什么不广泛应用呢?
五 总结
论文对数字电子技术课程教学提出很多问题,在实际的教学实践中对这些问题进行了探索,将计算机虚拟仿真技术引入教学中,采用现代化教育手段进行课程改革。课堂教学提出了很多适合本课程并行之有效的教学方法,重要电路工作情况的计算机仿真演示,部分例题的计算机仿真验证,增强其直观性和真实性,加强学生的理解。实验教学也利用计算机仿真软件,采用虚拟实验和真实实验相结合的方式,扩充建立了虚拟实验室,扩展了实验内容,在无需花费很大代价的情况下,满足了设计性实验和综合性实验的条件,从而完成三个层次实验体系的建设。在本文的研究基础上,可将虚拟仿真技术推广应用到所有电子技术课程教学中,引发电子技术课程改革的新局面。
参考文献
[1] 吕,邓春健等.利用EDA技术全面改进数字电路课程教学[J].福建电脑,2008,(6).
[2] 刘静,边晓娜等.基于EDA平台的虚拟电子实验研究与实践[J].计算机教育,2007,(7).
[3] 黄培根等著.multisim 10 计算机虚拟仿真实验室[M].北京:电子工业出版社,2008.
[4] 黄荻.融入EDA技术,深入数字电路课程改革[J].中国现代教育装备,2008,(2).
[5] 江晓安等编著.数字电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.
[6] 房建东,李巴津等.关于改进电子技术相关课程教学的思考[J].内蒙古工业大学学报(社会科学版),2004,(1).
合理设置课程体系和课程内容，是提高人才培养水平的关键。2009年，黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业制定了该专业的课程体系，经过这几年教学工作的开展与施行，发现仍存在一些不足之处，于是在2014年黑龙江大学开展的教学计划及人才培养方案的修订工作中进行了再次的改进和完善。首先，在课程设置与课时安排上进行适当的调整。对于部分课程调整其所开设的学期及课时安排，不同课程中内容重叠的章节或相关性较大的部分可进行适当删减或融合。如：在原来的课程设置中，“数字集成电路设计”课程与“CMOS模拟集成电路设计”课程分别设置在教学第六学期和第七学期。由于“数字集成电路设计”课程中是以门级电路设计为基础，所以学生在未进行模拟集成电路课程的讲授前，对于各种元器件的基本结构、特性、工作原理、基本参数、工艺和版图等这些基础知识都是一知半解，因此对门级电路的整体设计分析难以理解和掌握，会影响学生的学习热情及教学效果；而若在“数字集成电路设计”课程中添加入相关知识，与“CMOS模拟集成电路设计”课程中本应有的器件、工艺和版图的相关内容又会出现重叠。在调整后的课程设置中，先开设了“CMOS模拟集成电路设计”课程，将器件、工艺和版图的基础知识首先进行讲授，令学生对于各器件在电路中所起的作用及特性能够熟悉了解；在随后“数字集成电路设计”课程的学习中，对于应用各器件进行电路构建时会更加得心应手，达到较好的教学效果，同时也避免了内容重复讲授的问题。此外，这样的课程设置安排，将有利于本科生在“大学生集成电路设计大赛”的参与和竞争，避免因学期课程的设置问题，导致学生还未深入地接触学习相关的理论课程及实验课程，从而出现理论知识储备不足、实践操作不熟练等种种情况，致使影响到参赛过程的发挥。调整课程安排后，本科生通过秋季学期中基础理论知识的学习以及实践操作能力的锻炼，在参与春季大赛时能够确保拥有足够的理论知识和实践经验，具有较充足的参赛准备，通过团队合作较好地完成大赛的各项环节，赢取良好赛果，为学校、学院及个人争得荣誉，收获宝贵的参赛经验。其次，适当降低理论课难度，将教学重点放在掌握集成电路设计及分析方法上，而不是让复杂烦琐的公式推导削弱了学生的学习兴趣，让学生能够较好地理解和掌握集成电路设计的方法和流程。第三，在选择优秀国内外教材进行教学的同时，从科研前沿、新兴产品及技术、行业需求等方面提取教学内容，激发学生的学习兴趣，实时了解前沿动态，使学生能够积极主动地学习。
二、变革教学理念与模式
CDIO（构思、设计、实施、运行）理念，是目前国内外各高校开始提出的新型教育理念，将工程创新教育结合课程教学模式，旨在缓解高校人才培养模式与企业人才需求的冲突[4]。在实际教学过程中，结合黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业的“数模混合集成电路设计”课程，基于“逐次逼近型模数转换器（SARADC）”的课题项目开展教学内容，将各个独立分散的模拟或数字电路模块的设计进行有机串联，使之成为具有连贯性的课题实践内容。在教学周期内，以学生为主体、教师为引导的教学模式，令学生“做中学”，让学生有目的地将理论切实应用于实践中，完成“构思、设计、实践和验证”的整体流程，使学生系统地掌握集成电路全定制方案的具体实施方法及设计操作流程。同时，通过以小组为单位，进行团队合作，在组内或组间的相互交流与学习中，相互促进提高，培养学生善于思考、发现问题及解决问题的能力，锻炼学生团队工作的能力及创新能力，并可以通过对新结构、新想法进行不同程度奖励加分的形式以激发学生的积极性和创新力。此外，该门课程的考核形式也不同，不是通过以往的试卷笔试形式来确定学生得分，而是以毕业论文的撰写要求，令每一组提供一份完整翔实的数据报告，锻炼学生撰写论文、数据整理的能力，为接下来学期中的毕业设计打下一定的基础。而对于教师的要求，不仅要有扎实的理论基础还应具备丰富的实践经验，因此青年教师要不断提高专业能力和素质。可通过参加研讨会、专业讲座、企业实习、项目合作等途径分享和学习实践经验，同时还应定期邀请校外专家或专业工程师进行集成电路方面的专业座谈、学术交流、技术培训等，进行教学及实践的指导。
三、加强EDA实践教学
首先，根据企业的技术需求，引进目前使用的主流EDA工具软件，让学生在就业前就可以熟练掌握应用，将工程实际和实验教学紧密联系，积累经验的同时增加学生就业及继续深造的机会，为今后竞争打下良好的基础。2009—2015年，黑龙江大学先后引进数字集成电路设计平台Xilinx和FPGA实验箱、华大九天开发的全定制集成电路EDA设计工具Aether以及Synopsys公司的EDA设计工具等，最大可能地满足在校本科生和研究生的学习和科研。而面对目前学生人数众多但实验教学资源相对不足的情况，如果可以借助黑龙江大学的校园网进行网络集成电路设计平台的搭建，实现远程登录，则在一定程度上可以满足学生在课后进行自主学习的需要[5]。其次，根据企业岗位的需求可合理安排EDA实践教学内容，适当增加实践课程的学时。如通过运算放大器、差分放大器、采样电路、比较器电路、DAC、逻辑门电路、有限状态机、分频器、数显键盘控制等各种类型电路模块的设计和仿真分析，令学生掌握数字、模拟、数模混合集成电路的设计方法及流程，在了解企业对于数字、模拟、数模混合集成电路设计以及版图设计等岗位要求的基础上，有针对性地进行模块课程的学习与实践操作的锻炼，使学生对于相关的EDA实践内容真正融会贯通，为今后就业做好充足的准备。第三，根据集成电路设计本科理论课程的教学内容，以各应用软件为基础，结合多媒体的教学方法，选取结合于理论课程内容的实例，制定和编写相应内容的实验课件及操作流程手册，如黑龙江大学的“CMOS模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”课程，都已制定了比较详尽的实践手册及实验内容课件；通过网络平台，使学生能够更加方便地分享教学资源并充分利用资源随时随地地学习。
四、搭建校企合作平台
研究性教学是种需要教师将讲授与实验、引导与自学、教材与扩展阅读有机结合，并达到完整、和谐、统的新型教学方法。对大学期间逐步培养学生的研究兴趣和能力具有十分重要的作用⋯。课程实验作为研究性教学个非常重要的环节，有不可替代的作用。尤其是在HDL所占教学比例很小的情况下，学生的知识掌握和能力提高需要靠实验环节和课程实践来实现。
本文根据教学实践，通过研究研究性教学方法中实验课的特点，针对语言在数字电路课程中的具体特点，提出了种数字电路课程中语言的实验方法，并给出了具体的例子。
1 研究性教学中的实验课特点
传统的实验教学模式通常是根据教学大纲，设定些固定的实验项目，学生必须在课程规定的学时内完成这些实验。对实验方法和实验仪器的使用，实验前指导教师进行讲解，实验指导书上也有这些实验的原理、电路及步骤等。这种以教师为主导的教学模式，使学生养成了做实验只动手而不动脑的习惯，严重制约学生的创新思维，不利于培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。而且只注重实验结果的传统考核方式也影响学生创新能力和动手能力的培养。
具备研究性教学性质的实验课应具备以下些特点：
(1)实验题目的研究性。实验题目应具备一定的研究性质。学生应通过对课程的研究自己解决问题，综合地利用所学知识才能完成实验。
(2)实验课前研究的必要性。学生必须在实验课前准备实验，进行研究，才能完成实验。
(3)教师的引导性。教师起引导作用而不是大包大揽。教师在实验的过程中起到指导和纠错的作用，而不是给出全部的解决方案。
(4)验成绩的综合性。实验成绩不仅要根据最终的结果，还要依据学生的设计开发过程。
2 硬件描述语言的实验特点
实验是教学基础上的实验。HDL语言不止一种 其中常用的有Verilong HDL和VDL,我校选择了Verilong HDL。相比较，由于我校在大一 上学期开设了C语言课程，学生对语法类似C的Verilong HDL比 VDHL更容易掌握。
而在64个学时的数字电路课程中留给进行教学的时间不超过个学时。因此，课堂上的知识传授只能是初步的基础知识’实验和课后课程设计环节就占据了重要的地位。
我校数字逻辑课程中 教学具体目标定位为在学生遇到复杂的数字电路设计时，可 以 使用 语言编写代码对 FPGA等器件进行合理的硬件编程，编程并通过下载实现逻辑。 通过整个数字电路课程的学习，学生应该知道采用HDL编程实现的硬件的基本结构。因此，HDL在数字电路教学中绝对不是孤立的，与其他章节是相辅相成的关系，这和单独学习一门Verilog HDL 或VHDL是不同的。
针对 的实验题目， 应具备以下 种特点：
(1)应结合学生所学内容，难度由浅人深，并能引导学生进行研究。实验的内容不能脱离开教学大纲的要求，在课程设计中可以有定比例的内容是教材中没有的。教师在过程中要起到积极引导的作用。
(2)仿真和实际硬件操作相结合。根据HDL的开发工具，很容易实现波形仿真，波形仿真能验证设计的真确性，给学生一个直观的人士。在这个基础上
再过渡到硬件的下载和运行，辅助以示波器等设备观察波形和仿真结果进行比较。
(3)学生的实验过程要有自己的开发设计。如果抄写代码进行实验，实验的效果就打了折扣，也不利于学生能力的提高，不符合研究性教学的要求。学生的实验题目需要自己在实验之前进行设计和开发，査找资料，进行讨论，包含足够的研究性学习过程。
3 实验环节设计
3.1给出实验题目
选题是重要的环节，题目的复杂性和难度对实验的结果起了决定性的作用。应该在相关课程和书上或参考资料上例题雷同，但又和教学内容紧密结合。
题目与普通习题相比较，还要具备一定的复杂性，应能实现比较复杂的功能。否则太简单也起不到效果。
在学生学习了基本的Verilong HDL 和组合逻辑中的译码器74X138之后，我们可以拟以下2种题目。
(1) 题目：在Quartus 下，使用Verilog HDL 编写硬件描述语言，实现74X138 的功能，并进行波形仿真和下载到硬件进行功能验证。
(2)题目： 在Quartus 下， 使用 Verilog HDL
编写硬件描述语言，设计实现 个有 个裁判的仲裁电路使用 实现组合逻辑)， 并进行波形仿真和下载到硬件进行功能验证。
很明显， 题目(1)过于简单， 学生可以抄写书上代码， 没有研究性过程，不利于知识的巩固和能力的培养。题目(2) 实际上要用到使用74X138 实现逻辑函数功能这常考的知识点， 需要学生从真值表做起’ 一步一步完成设计。表1 列出两种题目 的主要区别。
学生开发过程对于题目，学生应在课后进行设计开发，最终编写出代码。这过程对培养学生解决问题的育巨力是不可低估的。在这过程中，教师应对学生的设计结果(代码)进行查看和指导。学生的层次不，如果終验之前不能完成设计，实验的过程也将失败。因此另外，将学生编队为几个人个研究组也是种可行的方法。学生在团队中协作，互相帮助取长补短，培养团队的协作能力。波形仿真虽然教师可以査看代码的正确性，但仿真结果更能说明问题。在实验课上首先介绍开发工具，然后引导学生创建工程，新建 文件，最后将编写好的代码输人，直到编译无误。之后建立波形仿真文件，引导学生设置输入波 形。 如个裁判设置为输人端口即 的值为 查看输出f。
波形仿真结果以图形方式直观地显示了结果，并如实地展现了毛刺现象。波形仿真正确后，即可进入下一阶段。
下载到开发板运行与测试 仿真成功之后， 在教师的指导下，通过设定芯片类型、管脚定义等过程，对整个工程重新进行编译。需要注意将管脚配置为 上连接 了指示灯的引脚以便于观察。学生可以在 将译好 件载到 ? 就可以观察指示灯的现实规律和使用示波器等设备进行测试。整个过程如图所示。 设置芯片类型 餅
验报告除包含以往实验报告的基本内容外，还应在实验报告的开头增加学生设计部分的内容，以体现学生的设计过程。并在结尾增加项总结。该设计和实验的过程学生可写成篇小论文。教师应制定严格的评分标准，根据学生实验的设计过程和实验报告的完成情况给出综合评分。
【关键词】A/D转换器；逐次逼近；全差分；阻容混合；自调节比较器
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
随着数字电路技术和通信技术的快速发展，用数字电路处理模拟信号的应用日益广泛，A/D和D/A转换器在模拟系统和数字处理系统界面起着桥梁的作用。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，A/D转换器的高速与高精度的设计要求越来越高，结构多样、性能各异的A/D转换电路应运而生。A/D转换器的市场前景非常开阔，研制A/D转换器具有十分重要的意义。当前A/D转换器（ADC）的设计主要采用的结构有全并行闪烁型（flash）、折叠内插型、过采样Σ-型、流水线（Pipeline）型、二步式（two-step）及逐次逼近型（SAR）。逐次逼近式A/D转换器的主要优点是原理简单、便于实现、不存在延迟的问题，由于这些优势，它常常与其它功能集成在一起。逐次逼近式模/数转换器（SAR ADC）以中等速度、中等分辨率、低功耗以及低成本被广泛应用于白色家电控制、生物医学仪器以及便携式设备中。
2.CMOS全差分SAR ADC设计
2.1 SAR ADC原理
逐次逼近式ADC又称为二进制搜索ADC，由DAC产生一个模拟信号并与输入信号进行比较，同时比较的结果也反馈给SAR，通过SAR输出的控制信号来调节DAC的输出，使其逐渐逼近模拟输入信号，直到SAR最后一位控制信号确定，则一次转换完成。典型的逐次逼近ADC包括采样保持器、DAC、比较器、数字控制逻辑电路及其他模拟电路。图1为SAR ADC的结构图。
图1 SAR ADC结构图
Fig.1 The structure of SAR ADC
2.2 阻容混合型DAC电路改进
DAC主要有电压定标型、电荷定标型、混合型结构。电阻串DAC组成的电压定标型最大的优势是能保持良好的单调性，但随着位数增加电阻数和开关数都指数增加，所占的芯片面积也大大增加。电荷定标型逐次逼近ADC功耗一般比较小，并且不需要额外的采样保持电路，但是电容的精度和所需的面积都是限制位数的因素，随着位数的增加，最大电容与最小电容的比值也大大增加，它们之间的匹配性能就不容易控制在需要的范围以内，而且面积也大大增加了。解决这一问题的办法是采用混合式结构进行扩展。图2为全差分阻容混合式结构DAC示意图。
图2 全差分阻容混合式结构DAC的示意图
Fig.2 The hybrid structure diagram of DAC with resistance and capacitance
如图2所示，本设计DAC高八位采用电容，低四位采用电阻。低四位用电阻实现良好的单调性，高八位用电容达到高位的精度要求。传统3位电阻串DAC电路如图3所示。
图3 传统（1）和改进（2）全差分电阻串DAC电路图
Fig.3 The traditional and improved differential resistance string DAC circuit
图3中的vout1和vout2分别接到两个电容阵列的终端耦合电容上，采用图3（1）所示传统电阻串结构ADC的第一个转换点在1LSB处，量化噪声（rms）比较大，该电路的量化噪声为：
（1）
对图3（1）传统电阻串结构进行改进，将每个电阻串中的电阻R分成两个1/2R电阻，然后将这两个电阻分别放在电阻串的两端，图3（2）以3位DAC为例阐述其原理。本设计通过改进传统全差分电阻串DAC，ADC的第一个转换点在1/2LSB处，可以减小量化噪声。
为说明改进电路如何减小量化噪声，在此先介绍该DAC的工作过程。放电阶段电容阵列的上下极板均接VCM；采样阶段一个电容阵列下极板接VIN，另一个电容阵列下极板接VINB，两个电容阵列的上极板电压为（VIN+VINB）/2，上下极板压差为（VIN-VINB）/2；保持阶段电容的下极板接到VCM，耦合电容则分别接在VOUT1和VOUT2上，由于b0 b1 b2均为低电平，此时改进电阻串的VOUT1和VOUT2电压分别为31（VREFP-VREFN）/64和33（VREFP-VREFN）/64处，根据电荷守恒定律，对VIN处的电容阵列有：
（2）
解得：
（3）
同理对VINB端的电容阵列有：
（4）
在比较过程中两个电容阵列的上极板电压分别为：
（5）
（6）
计算可得两输入端的电压差为：
（7）
于是可知ADC的第一个转换点在1/2LSB处，其量化噪声为：
（8）
通过改进传统电阻串DAC结构，可使SAR ADC的量化噪声减小到原来的1/4。
2.3 时间自调节比较器
本设计采用时间自调节比较器结构，该比较器在比较过程中有一位比较结果产生后，将使得另一信号LATCH拉高，并且通过LATCH信号控制电荷的重新分配，这样可以使得比较和电荷重新分配两个过程最有效的利用整个时钟周期，使得电荷重新分配既灵活又充分。
图4 时间自调节比较器示意图
Fig.4 The cycle action sketch of self_adjusting comparator
如图4所示，在CLK上升沿时刻LATCH信号拉低，比较器中VIN+与VIN-开始进行比较，产生的比较结果VOUT-与VOUT+可导致LATCH信号重新拉高，于是此次比较过程结束。而比较器的结果和控制信号LATCH又可使得SAR结构确定当前位并将下一位置为零，于是开始进入新的电荷重新分配周期。这种比较器结构没有采用CLK作为电荷重新分配的控制信号，而是通过一个中间产生的信号LATCH来控制，使得电荷重新分配的时间从半个时钟周期增加到半个多时钟周期，这样电荷分配较为充分，有利于提高ADC的采样速率。
2.4 推算VCM抖动对电路的影响
VCM为（VREFP+VREFN）/2，用DAC电阻串分压得到，为了准确得出VCM抖动对电路的影响，用图5的n时刻电容阵列示意图进行推导。假设接VREFP端的电容阵列中，有a倍单位电容值的电容接VREFP，那么还有255-a倍单位电容值的电容接n时刻（第n位转换完成，为方便说明，设n
图5 n时刻电容阵列示意图
Fig.5 The capacitor array at n time
下面根据电荷分配的基本原理，推导n+1时刻电容阵列的转换过程，电荷重新分配如公式（9）所示：
（9）
如果VCM（n+1）=VCM（n），则有：
（10）
如果VCM（n+1）=VCM（n）+ΔVCM，则有：
（11）
同理有：
（12）
如果VCM（n+1）=VCM（n），则有：
（13）
如果VCM（n+1）=VCM（n）+ΔVCM，则有：
（14）
比较式（11）与（14）可知由于VCM抖动产生的ΔVCM导致V（n+1）+和V（n+1）―的变化量相等，都为：
（15）
由以上的推导结果可知VCM的抖动并不会改变V（n+1）+和V（n+1）―的大小关系，即不会导致电路产生错误的输出结果。
3.版图绘制
本文的版图布局是按照TSMC工艺规划设计的。由于对电容的容差要求非常严格，在版图设计中，充分考虑了电容之间的匹配问题。本设计高八位有八个电容，外加一个耦合电容，分别给他们进行编号，以0代表耦合电容，以1～8代表自低权位至高权位的8个电容，电容阵列的版图布局如图6所示。
图6 电容版图规划示意图
Fig.6 Layout structure of capacitances
该电容版图规划示意图中的空白部分则是虚拟电容，目的是尽量使电容周边环境相同，形成相同的刻蚀环境。本设计版图虽然浪费了一些面积，但是保证了最大的匹配精度。
另外，比较器和latch电路都是采用双端输入双端输出的结构，该结构中两支路对称的管子需要尽量做到匹配，本设计采用的是中心对称的多叉指结构。比较器和DAC部分版图用guarding包围，以防止外界干扰。SAR ADC整体电路版图如图7所示，该版图面积约为880um×1300um，核心版图尺寸为390um×780um。
图7 电路版图
Fig.7 Layout of the circuit
4.仿真及流片测试结果
本设计在TSMC 0.18μm标准CMOS工艺下实现，并用spectre进行仿真，得到电路的主要参数。
图8 比较器的蒙特卡洛分析
Fig.8 The Monte Carlo analysis of comparator
如图8所示，对比较器进行蒙特卡洛分析，输出失调电压90%在6mv以下，除以增益得到的等效输入失调电压小于0.4mv，即小于1/2LSB，能够满足电路要求。流片后制作如图9所示板级电路进行测试，得到SAR ADC的测试结果，输入信号频率为31.37k与117.17k的功率谱密度（PSD）图分别如图10（1）与（2）所示。
图9 测试电路板
Fig.9 The test circuit board
图10 功率谱密度图
Fig.10 The power spectral density
测试结果总结如表1所示：
表1是本设计SAR ADC的基本（下转第64页）（上接第21页）性能总结，电路工作的温度范围是-40℃到125℃，仿真及测试条件为VDD=3.3V，VSS=0V，VREFP=3.3V，VREFN=0V。
表1 SAR ADC动态性能测试结果
Table1 The dynamic performance of SAR ADC
参数 测试结果
采样频率 1MS/s
信号频率/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性能对比
Table2 Comparison of performance of SAR ADC
文献 工艺
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
为了与近期的论文结果进行对比，本文将采用优质因数（figure-of-merit―FOM）作为衡量标准。
（16）
其中P代表ADC的功耗，测得有效位数（ENOB）时的采样频率为。
表2列出了与近期文献的结果对比。对比结果显示，本文所设计的ADC拥有更高的性能指标。
5.结论
本设计SAR ADC采用一种新型电阻串结构的子DAC和时间自调节比较器，并推导和分析了VCM抖动对电路的影响。通过成功流片并制作板级样品验证了该电路设计的正确性。此A/D转换器将嵌入MCU，应用于便携式设备中。
参考文献
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作者简介：
黄玲（1988―），女，湖南浏阳人，硕士研究生，研究方向：集成电路设计。
姜岩峰（1972―），男，甘肃人，北方工业大学教授，硕士生导师，主要研究方向：集成电路设计。
清华大学研究生院对研究生教育质量进行了三次较大规模的调查，结果表明，我国研究生教育质量方面存在的首要问题是创新能力，尤其是原创能力较差。具体表现为：创新意识差、参与创新研究的机会少、有影响的创新成果少[1]。苌庆辉以的学术成长历程为例，阐述了端正的学习动机是创新能力形成的内在基础，量身订做的计划是培养创新能力的基本前提，独特的教育方法是培养创新能力的关键所在，和谐的师生关系是创新能力培养的生活基础，灵活创新的制度是创新能力培养的保障条件[2]。上述观点无疑是正确的，但在一定条件下，构成研究生创新能力的因素到底有哪些，高校或者老师如何去培养呢？我们认为创新能力表现为运用已有的知识和经验等，产生某种独特、新颖、有价值的产品。在这样的观点下，创新能力首先表现为能获取丰富的知识，并能对已有知识进行改组和运用，其次是产生新思想、新技术、新产品的研究与发明。因此创新能力涉及到抽象思维能力、记忆能力和想像力，特别是丰富的知识储备，没有良好的知识储备，就不可能有创新。对研究生来说，良好的知识包括基础知识、专业知识、工具性知识或方法论知识以及综合性知识等。根据我校计算机研究生的调查分析，部分研究生属于跨专业报考，很大一部分研究生程序设计能力有待进一步提高。因此我们认为研究生的培养主要在制定良好的培养计划，为研究生打下良好的基础，其次在于培养学生的灵活运用的工程能力，知识只有通过实践、运用，才能发挥作用，才能产生创新。
2.培养计划的制定
创新能力的培养绝不是一朝一夕的事情，必须从学生进校开始的全过程进行整体架构设计，使“创新能力培养”三年不间断。学生在三年中，基本安排是第一年完成课堂教学，打下坚实的基础，并完成两个综合应用案例，其中一个是软件类综合案例（如移动互联案例、大数据处理案例、图像处理系统案例），另一个是硬件类综合案例（如机器人的设计案例、各种监控系统的设计案例、智能控制系统的设计案例），让学生达到初步的知识运用的能力。并组织部分学生参加各类专业比赛，如物联网大赛、机器人大赛、大数据比赛等，让学生通过这种专业的比赛来提高动手能力、强化创新意识；第二学年学生跟随导师参与科研项目或者实际到企业实习锻炼，参与工程项目的开发；第三学年回学校完成总结报告或论文，深化理论，提升创新能力。如图1所示。在这个过程中，特别强调工程实践，工程实践是创新能力的基础。对于计算机专业而言，工程实践能力就是以建模能力为代表的算法设计能力和以编程能力为基础的实现能力。例如，计算机专业研究生研究了一个模型，或者一个体系结构，但如果不去实践，没有写一行代码，如何知道这个模型能否实现，如何实现，算法复杂度是多少？如何测试？
3.创新能力训练与提升过程
各专业的基本课程都有统一的要求，这里主要介绍基于创新能力培养的工程案例库的构建。根据计算机专业研究生的能力培养要求，提取必须掌握的基本知识，形成知识素材库，包括单片机技术、数字电路、电路设计、程序设计方法、图像处理、传感器原理与检测、网络通讯、无线通信、数据处理技术等。根据这些知识素材，设计相应的案例，归于工程项目库，其中包括软件类的项目，也包括硬件类的项目，项目数量逐步增加，学生在研究生一年级选修一个软件类和一个硬件类的项目。每个项目中有详细的设计与实现过程，学生在完成这些项目过程中获得新的知识，提升知识在工程中的运用能力。项目库是一个基于云架构的多应用综合集成的可扩展系统，可以将教师的研究课题或实际工程项目进行裁剪并规范化，以各个应用或模块的形式挂在校园云平台上，如可根据教师的科研方向提供物联网、远程监控和信息检索等模块，学生、教师或其他用户可以通过各种终端服务接口（如手机、平板、电脑等）来访问这些应用或模块，各个应用或模块以案例的形式作为研究生创新能力训练项目，模块可以根据教师和学生的研究情况逐步扩展。每个应用或模块在研究生创新能力培养过程中的作用是相同的，只是应用或模块的知识点不同。项目库是综合实践平台的核心，只有项目库完善，才能在学生工程能力培养过程中达到预定的目标。下面以“智能家居系统”的设计为例，详细介绍案例的规范、作用和具体实现。（1）项目目标：是自主设计一款智能家居系统，能读取家里的空调、安防、热水器、燃气等，并能进行远程监控。要求学生有模电、数电、视频处理和单片机相关知识，在老师和高年级学生的指导下完成。（2）功能描述：通过主控芯片、中央处理单元控制、无线传感器、有线网络、路由路、Zigbee协调器、数字端口、数字电路、摄像头、遥控器、麦克风、GPRS网、移动终端、PC机等硬件设备，建立九大硬件系统平台模块：中央控制室、安防子系统、空调子系统、室内子系统、门禁子系统、热水器子系统、协调器、嗅探器、扩展系统。（3）涉及到的相关知识点包括：单片机及其接口，ARM、电阻、电容、放大电路、电源、载波发生器、振荡电路等模电相关知识，电机，红外传感器，译码器、开关设计、编程、网络等。该系统将模拟电子、数字电子、电路设计等多个核心知识交叉集成、融会贯通。并将涉及到的各相关知识点，以文档或视频的方式放在网站上，让学生可以随时自主查阅和学习。
4.结语
【关键词】自行车 充电装置 硬件设计
引言
电动自行车无需汽油、天然气等一次能源，不会污染环境，具有高效率、低噪音等特点，是一种真正的绿色清洁交通工具。电动自行车比电动汽车虽然速度小，但造价低廉，结构简单，便于维修，停放也方便；与自行车相比速度快，行驶路程远，节省人力。从环保角度考虑，许多国家都对电动自行车给予大力支持。电动自行车已被消费者广泛接受，但消费者们还是非常关心电动自行车的使用寿命，也既是蓄电池的使用寿命问题。对蓄电池寿命影响最大的是其充电过程占了大约70%，而其他的放电过程、驱动时功率损耗、控制器能量回收等影响只占了30%。所以性能好的充电装置对电动自行车有非常重要的影响。
一、充电装置的硬件设计
整个硬件系统可以分成两部分。一部分为高频开关电源硬件设计电路，一部分为单片机数字控制电路。
高频开关电源硬件设计电路主要是220V交流市电经过整流滤波电路转变成330V直流电，再经过反激变换电路输出60V和12V两路直流电。60V的输出直流电通过一个BUCK变换电路后变成50V和60V两种输出，到底输出哪种就取决于.哪种电压类型的蓄电池了，36V的蓄电池则输出50V， 48V蓄电池输出60V。12V的输出直流电主要为给单片机提供工作电压。当确定了蓄电池类型和输出电压后， 单片机通过控制MOS管给蓄电池充电。
二、充电装置中的开关电源技术
本文电动自行车充电装置的设计中，用到了两种开关电源拓扑结构，一种是Buck变换结构，一种是反激变换结构。
（一）Buck变换器。
Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如图1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。
图1 Buck变换器电路 图2单端反激电路
（二）单端反激电路。
单端反激变换器中的变压器既有变压器的作用，也有电感的作用。其有两种工作方式：一是完全能量转换方式，即电感电流断续工作模式；二是不完全能量转换方式，即电感电流连续工作模式。
工作过程：当Tr导通时，电源电流流过变压器原边，i1增加，其变化为di1/dt=Vs/L1，而副边由于二极管D的作用，i2为0，变压器磁心磁感应强度增加，变压器储能，当Tr关断时，原边电流迅速降为0，副边电流i2在反激作用下迅速增大到最大值，然后开始线性减小，其变化为di2/dt=V0/L2，此时原边由于开关管的关断，电流为0，变压器磁心磁感应强度减小，变压器放能。
三、充电装置的数字控制电路设计
数字电路主要由单片机ATMEGA16、BUCK电路、脉冲驱动电路、电压采集电路、DC-DC变换电路和人机交互电路几部分组成。其主要功能是，实时采集蓄电池的端电压，对蓄电池进行区分，并对蓄电池进行自适应智能充电。
（一）电压采集电路。
ATmegal6 采样精度可达10位，8路复用的单端输入通道，有2路可选增益为10X与200X的差分输入通道，内自带2.56V参考电压。单片机通过自动触发中断源启动ADC转换，ADC转换结束中断。16路差分电压输入组合，如果使用IX或10X增益，可得到8位分辨率。
ADC将输入的模拟电压通过用逐次逼近式的方法转变成一个10位的数字量。最小值的二进制值代表GND，最大值的二进制值代表AREF引脚上的基准电压再减去1LSB。差分增益和模拟输入通道可以通过对ADMUX寄存器的MUX位进行写入来选择。如果选择差分通道，通过选择被选输入信号对增益因子得到电压差分放大级。然后放大值成为ADC的模拟输入。本系统选择差分放大模式，并且用单片机片内自带的2.56V基准电压源。
（二）Buck电路设计。
单片机采样判断蓄电池型号后，通过控制IR2110来控制Q3，使得电路能够输出所需要的充电电压。在对蓄电池充电时，为对Q4的控制，来实现脉冲充电。驱动芯片选用IR2110，它具有独立的低端和高端输入通道，悬浮电源采用自举电路，其高端的工作电压可以达到500V，15V下的静态功率损耗只有116mW；输出电源端电压范围10-20V；数字逻辑输入的输入电压范围5-15V，可方便的与TTL，CMOS电平进行匹配，并且功率电源地和逻辑电源地之间准许有±5V的偏移量，它的工作频率可达500HZ，开通上升时间和关断下降时间小，分别为120ns和94ns，以图腾柱式电路输出的最大峰值电流可达2A。
（三）充电控制驱动电路。
本系统采用图腾柱式驱动电路，如果用TTL直接驱动MOS，TTL中的一些晶体管因为工作线性区间，达到饱和有一段较长的时间，使MOS管的性能不可能达到最佳状态，而图腾柱电路可减小开关的上升和下降时间。其工作过程是，当PD7输出一个低电平时，Q3截止，Q1导通，Q2截止，Q4导通。当PD7输出高电平时，Q3导通，Q1截止，Q2导通，因为MOS管内自带一个电容，所以电容通过Q2放电，Q4截止。因此导通的上升时间和下降时间会快。
四、结论
本文的自行车充电装置的研究取得了一定的成果，但由于时间等因素的制约，在研究的进展过程中出现了一些实际问题，同时还可以进行更深层次的研究。总之，我国已是世界上电动自行车生产量和电动自行车蓄电池使用量最大的国家，因此，对电动自行车蓄电池进行统一规范化的管理能够更好地利用蓄电池，延长其使用寿命，能够做到更好的节能环保，低碳经济，所以电动自行车充电装置的研究前景光明。
参考文献：
[1]俞静.铅酸蓄电池均衡控制的研究[D].硕士学位论文，重庆大学，2007.
