数字电路课程建设的新观点

摘要：本文通过对数字电路课程研究内容与方法的发展过程的研究，提出了数字电路课程建设的新体系，论述了新的课程构建和教学改革方案的思路。对顺应电子技术发展的现代数字电路设计理论的应用提出了新观点。

中图分类号：G64 文献标识码：A

关键词：数字电路；课程建设；EDA；新体系

文章编号：1672-5913(2007)16-0035-03

1引言

电子技术的发展使与之对应的基础课程的教学内容也不断地发生变化。教学应领先于应用，而不能落后于应用，这是我们教育研究的动力。数字电路的教学内容的改革，也同样伴随着当今的电子科学和电子工业发展而发展。课程的内容体系，研究的范围与方法，学科的内在理论体系与应用型人才培养的大众化教育要求等，都大大促进了课程的体系和内容的改革。但就目前的数字电路这样一门专业基础课课程内容的设置问题，如何构建出适合我国国情和与当今科学技术对应的数字电路课程体系，仍要不断探索。本文通过对这门专业基础课的发展过程的回顾，分析近年来众多的教学改革的现状，就合理设置数字电路课程内容进行了一些探讨。

2发展与现状

数字电路的发展是从开关逻辑电路开始的，人们在厂家控制电路中的继电器和开关构成的电路与信号，创建了开关电路理论与脉冲技术。在20世纪60年代这一门技术由于电子元件替代了机械开关元件，使之逐渐成为电子技术的基本内容，得到研究和发展。随着半导体元件的快速发展，电子技术把研究信号的连续性和离散性的研究理论体系和研究方法进行了分类，形成了以数字逻辑代数和离散数学为基本理论的数字电路。最早期以晶体管脉冲技术为核心的数字电路课程，研究的方法与模拟电路的晶体管电路研究方法基本相同。

随着数字技术主要研究逻辑和算术运算、时间控制和计时等方面的应用，集成电路技术在数字逻辑电路的应用，出现了中小规模的数字逻辑电路标准器件。这时的数字电路研究的基本理论并没有新的发展，但研究的方法则是以标准逻辑电路的选用为基础的数字电路的分析与设计方法。

由于计算机应用于电子线路的辅助设计，超大规模的数字集成元件的分析与设计方法，成为新的数字电路的研究方向。EDA的工具软件与PLD元件的结合，使得数字电路的研究方法发生了新的变化。那种以中规模标准逻辑电路为基本单元的，自下而上的数字电路系统的研究与分析设计方法，已不适应当前的数字系统的集成电路设计要求。利用HDL语言为基础的自上而下的数字电路系统设计方法得到各种EDA软件的支持，使得数字电路研究方法出现了新的飞跃。

大量的学者与教育工作者认识到，以HDL为描述语言的数字电路设计方法将成为现代数字电路研究的发展方向。与之对应的研究成果把数字电路分为二层进行教学，数字电路基础和数字电路系统设计自动化。作为基础课，是为了深入学习后续课程来准备基本的理论知识和基本的研究与设计方法等技术基础。原有的自下而上的数字电路的课程中，增加了HDL语言的电路描述部分内容，保持原有的课程体系不变。随着EDA技术在数字电路的研究、分析和设计上的应用，数字电路系统设计自动化成为第二层面的教学内容。之所以称之为第二层面，对于数字电路而言，研究内容大致一样，研究方法上不在同一层面之上。一个是以逻辑单元为基本研究对象，对数字电路系统设计是自下而上的，另一个是直接以系统为对象，用HDL语言描述，在EDA软件平台上，自上而下的逐步综合实现的。

3新体系的设想

把EDA作为数字电路的主体分析设计工具。在教学内容上确立其中心位置。以单元电路学习形成的基本概念为基础，以自上而下的电路系统设计方案为思路，以HDL语言为描述方法，构建的教学内容新体系。

改革原有的以逻辑代数为基础的思路，把逻辑代数与HDL语言并行为基础。改革由单元电路开始自下而上的知识构建思路，变为引入EDA软件的工具学习为开始的自上而下的知识构建思路。

4新体系建立的基本思路

数字电子技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的实用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化。特别是可编程逻辑器件的大量应用，使原来中小规模的标准器件在应用系统的设计中应用减少。

尽管传统的基本单元电路对于理解数字系统基本构成模块的工作原理具有重要意义，但是必须认识到电子技术的新进展使系统和数字逻辑电路的工作过程出现了新的描述方法。未来的数字系统设计，对描述方法的理解可能比具体的硬件结构更加重要。

从数字电路课程的性质，专业基础课看。如果这个基础工业的应用范围变了，中规模的标准逻辑器件相对应的研究方法，占实际应用的比例少到一定程度，而取而代之的现代电子技术的研究方法应该定位成课程的基础。

从旧体系中的课程目的是针对从晶体管电路发展而来的研究方法与学习内容，在中规模电路中进行了改革与发展。引进HDL语言的描述，使研究的层面从单元电路发展为系统级的层次。

旧的数字系统是在手工设计流程，一般都是先按电子系统的具体功能要求进行功能划分，然后对每个电路模块画出真值表，用卡诺图进行手工逻辑化简，写出逻辑表达式，得到相应的逻辑线路图。再进行单元器件的选择，设计电路板，最后进行实测与调试。而复杂电路的设计、调试十分困难，无法仿真在设计中存在问题，查找和修改十分不便，只有在设计出样机后才能进行实测，设计周期长。

新的数字系统是在EDA中使用HDL对数字系统进行抽象的行为与功能描述，到具体的内部线路结构描述，从而使设计的各个阶段，各个层次在EDA软件环境中模拟验证，保证其正确性，周期短。由于逻辑设计仿真测试技术是EDA的突出功能，形成的现代电子设计技术的重要特征。适应了大规模的系统级电子设计的自动化程度。

对于知识构建的认识。可以从实际的需求，即专业人才应具备的素质和能力。在构成这样的素质和能力的知识体系，确定应具有理论的系统性和完整性去构建课程的内容。

从大众教育与精英教育关系上看，原有的教材所形成的课程内容，是以理论研究为目的的课程体系。不适应现在的学习群体的实际应用能力培养的需要，所以课程的内容要从研究型的专门人才，向应用型的技术人才相适应。其内容处理的方向是注重民应用为目的的“必须”与“够用”为度。

因为新的课程内容所提出的结构体系，更加符合大众教育的特点，和人们认识规律，将大大降低学习难度。

传统的数字电路教学内容中的课堂与实践的关系。是以课堂教学内容为主，实验只是为了验证课堂教学，而采用EDA为中心的数字电路教学内容的课堂与实践是同步进行了。因为这种教学与实验是一个整体的EDA软件，课堂的演示就可以解决验证的问题，学生在EDA软件的环境之下，可能随时随地在计算机上进行实验研究。

长期以来，人们总是按照知识结构来构建课程内容体系，要求学生通过学习掌握知识，而不考虑能力方面的要求。如果说在精英教育阶段还能基本适应，那么进入大众教育阶段就必须改变为按能力要求来构建课程内容体系。

我们在构成课程内容体系时，是按照学科的理论体系出发，确定知识结构，组织知识点，形成课程的内容；还是分析社会对应用人才能力要求，然后研究作为支撑的相应知识结构，组织和形成课程的内容。以理论为主线的课程内容与以应用为主线的课程内容的关系。根据应用的特点，遵循应用本身的系统性和完整性，而不是根据理论的系统性和完整性来构建课程内容。