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關(guān)鍵詞：計算機專業(yè) 課程進度 數(shù)字電路與設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.15.132

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”是電氣信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程是后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的先修課程和基礎(chǔ)，是學(xué)生開展課外科技創(chuàng)新活動的必備知識，是解決工程實際問題的重要理論和方法，結(jié)合目前的實際情況，對數(shù)字電路與邏輯設(shè)計教學(xué)進行改革。

1 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的本質(zhì)

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計是計算機科學(xué)與技術(shù)必修的一門重要課程。該課程中介紹了與數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)的知識，體系等。設(shè)置這門課程的重要性在于讓學(xué)生能夠更好地了解數(shù)字計算機和其他系統(tǒng)的基本邏輯電路，能夠熟練運用課程中所學(xué)到的知識并在實際操作中對案例進行分析，客觀地提出要求。

通過這門課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，可以加強同學(xué)的邏輯思維能力，落實到具體工作中，可以解決具體問題，可以對系統(tǒng)硬件進行檢測，并有一定的創(chuàng)新能力。數(shù)字電路課程教學(xué)之所以進行改革是為了提高學(xué)生對計算機硬件設(shè)施的了解，為日后的學(xué)習(xí)做鋪墊。我們從計算機科學(xué)的角度劃分，可以把其課程分為：分析電路，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計，微機原理等。從這些課程不難看出，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計起的是承上啟下的作用。

2 電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用加快了數(shù)字電路的發(fā)展

現(xiàn)階段，是科技的時代，電子技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用廣泛，電子元素是計算機和電路不可缺少的構(gòu)成元素。國民經(jīng)濟和國防各領(lǐng)域的逐漸滲透，使得數(shù)字電子技術(shù)在相關(guān)專業(yè)的地位越來越重要。通過探討，認為要對以前的教程進行革新，減少理論性過強的內(nèi)容，著重掌握數(shù)字集成電路器的特性與實際運用，將重點放在學(xué)生的實際操作上面。

此外要加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生們多進行課外實踐活動，讓學(xué)生們把課堂上所學(xué)的知識用于實踐，這樣讓學(xué)生們在實踐中總結(jié)理論知識，有利于學(xué)生們知識的全面掌握。多媒體技術(shù)可以形象并明了地展示復(fù)雜的圖表，便于老師課堂上的教學(xué)，還方便了學(xué)生們觀看和理解。更重要的一點是，它節(jié)約了課堂信息量，增加了課堂上的教學(xué)內(nèi)容。以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為主線，堅持“三個結(jié)合”，實現(xiàn)“二個轉(zhuǎn)變”，達到“一個提高”。堅持實踐內(nèi)容與理論知識相結(jié)合，創(chuàng)新實驗與科學(xué)研究相結(jié)合，課堂教學(xué)與課外實驗相結(jié)合；實現(xiàn)由基礎(chǔ)驗證性實驗向綜合設(shè)計性實驗轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)型實驗向創(chuàng)新型實驗轉(zhuǎn)變；達到學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的提高。提高教學(xué)的工作環(huán)境，利于開展實踐教學(xué)，從而有利于人才的培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的提高。圍繞實踐這個中心，增加新的教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)電子信息技術(shù)的專業(yè)特點，制定科學(xué)的實驗課程，在內(nèi)容中多以實驗為主，增加教學(xué)模板，提高教學(xué)方法，總結(jié)出一套科學(xué)性、系統(tǒng)性的教學(xué)體系。

3 數(shù)字電路教學(xué)的改革方向

由于數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的實踐性很強，所以，在實際的教學(xué)改革中要做到周全考慮，針對各項內(nèi)容都要做出調(diào)整。還需要注意的是，做到書本上所學(xué)的知識配套進行實踐。理論結(jié)合實際，多結(jié)合實際情況進行訓(xùn)練。其內(nèi)容包括：工具運用能力，繪制電路，電路分析能力，項目綜合能力等。

3.1 課程體系的調(diào)整

為了更好地適應(yīng)電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)的總體要求出發(fā)，進行模塊化的設(shè)計，使數(shù)字電路與邏輯課程內(nèi)容體系具有系統(tǒng)性，科學(xué)性，先進性等。

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計基礎(chǔ)從課程內(nèi)容上被分為兩大塊。數(shù)字電路介紹了數(shù)字系統(tǒng)的組成，數(shù)字信號的特點等；在內(nèi)容上先邏輯電路，邏輯部件，先單元電路后系統(tǒng)電路等等。數(shù)字電路多以理論為重點，在講解中多涉及外部邏輯功能。數(shù)字電路部分多以運用為主。這樣的課程組合可以讓學(xué)生對數(shù)字電路更加了解。

3.2 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的課程很多，為了讓學(xué)生在有限的實踐內(nèi)把課程學(xué)好，要求教師掌握基本理論的同時有效地組織課程教學(xué)。在介紹運用時，要根據(jù)其不同的側(cè)重點進行分析。實驗教學(xué)從隨堂實驗到改革教學(xué)后進行獨立實驗，這其中包括驗證性實驗等。

通過有效的組織，可以增加學(xué)生們的實踐操作，調(diào)動學(xué)生們的積極性，從而有助于知識能力的提高。

3.3 加大實踐的內(nèi)容與次數(shù)

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計在教學(xué)中需要增加實踐內(nèi)容，這有利于課程的安排，更提高了學(xué)生們的動手能力。在實踐中發(fā)揮良好的教學(xué)效果，要合理地拆分實踐內(nèi)容：①基本實驗；②設(shè)計實驗。我們來了解一下這兩種實驗的概念：基本實驗室使用電子儀器的能力；而設(shè)計實驗則是為了實現(xiàn)邏輯功能，而采用的是數(shù)字系統(tǒng)。在設(shè)計實驗中鼓勵學(xué)生自擬實驗的項目，并將課外活動結(jié)合進來，使學(xué)生的思維更加廣闊。

目前的電子大賽就是為高校的改革服務(wù)，它是結(jié)合了電子信息的專業(yè)內(nèi)容，這種比賽在教學(xué)改革中起到了引導(dǎo)的作用。這十多年來，在全國開展了很多電子計算機的競賽，這些競賽對高校體系改革幫助十分明顯，它有助于有才能的年輕人展示自己的能力與專業(yè)水平。在電子竟賽出題中增大數(shù)字電路EDA的內(nèi)容可以引導(dǎo)高校建設(shè)EDA的實驗室，例如：SOPC（系統(tǒng)集成芯片）是我國“十一五”制定的重大專項，目前全國已在12個高校中成立了集成電路人才培養(yǎng)基地。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段是電子化的時代，科學(xué)的進步帶動了電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用。大量的可編程器件被采用，這使得傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯方法明顯變化。計算機的應(yīng)用范圍越來越高，使得人們對計算機的認識逐漸深刻，計算機的設(shè)計理念開始突破原有的范圍。數(shù)字電路與邏輯設(shè)計在各種現(xiàn)代技術(shù)的合力推動之下，得到了明顯的提升，可以做到使學(xué)生緊跟在市場的前沿。所以，數(shù)字電路和邏輯設(shè)計的改革加快了這門科學(xué)的發(fā)展，提高了學(xué)生們解決實際問題的能力，給學(xué)生們的就業(yè)和發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]李曉輝.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[J].

[2]曹魏，徐東風(fēng).計算機教育[J].

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關(guān)鍵詞：紫外探測器；前置放大器；噪聲；穩(wěn)定性

中圖分類號：TN72 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0011-03

引言

空空導(dǎo)彈系統(tǒng)中多為紅外制導(dǎo)和雷達制導(dǎo)。隨著干擾手段的發(fā)展，單一的探測手段已經(jīng)不能滿足抗干擾的需求。于是，出現(xiàn)了雙色探測器等多探測體制，如紫外/紅外、紫外/激光、紅外/激光等多種復(fù)合探測體制。繼紅外探測技術(shù)之后紫外探測技術(shù)成為又一重要的軍民兩用光電探測技術(shù)。相較于紅外探測系統(tǒng)，紫外探測技術(shù)因其獨有優(yōu)勢，受到了軍方的關(guān)注。

正是因為軍方的重和紫外探測技術(shù)的獨特性，本文開展紫外信號檢測放大技術(shù)的研究，以此來確定一種更適合紫外信號的前放電路結(jié)構(gòu)，并對它的噪聲特性及抑制方法進行分析和驗證。

1 紫外探測器

紫外探測器件主要分為點探測器和像探測器。半導(dǎo)體紫外探測器件因其體積小、過載高在軍事中應(yīng)用較多。本系統(tǒng)中采用GaN基紫外探測器，光譜響應(yīng)區(qū)間在260～380nm，峰值響應(yīng)波長為365nm。

在探測器應(yīng)用中多采用PIN結(jié)構(gòu)[2]，I層會加大耗盡層厚度。I層有更高的電阻相對于PN層，這里的反向偏壓形成高電場區(qū)，加寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，使暗電流有所降低，提高了靈敏度，探測器的電容也有減小。

紫外探測多采取直接探測，所以在光信號功率小時，電信號輸出相應(yīng)也較小。一般在實際探測器的應(yīng)用中，為了方便后續(xù)處理，通常使用前置放大電路將信號放大。紫外探測器中就要設(shè)計合理的前置放大電路，以保證探測系統(tǒng)能夠在一定的輸出信噪比下工作。

2 前置放大電路

微弱光電信號前置放大器，信號小，輸入信噪比低，在空空導(dǎo)彈系統(tǒng)等軍用系統(tǒng)中多有專門的低噪聲放大器。

而在低噪聲放大器的設(shè)計中，噪聲水平、放大器的增益和放大器的帶寬通常要依據(jù)其中的帶寬綜合考慮。

2.1 光電二極管的等效電路模型

紫外探測為直接探測方式。光信號功率小，紫外探測器的電信號輸出也相應(yīng)較小，在本設(shè)計中所采用的探測器芯片的響應(yīng)較小，ID約為5nA左右，零偏阻抗100MΩ，結(jié)電容CJ≈50pf，等效電路[4]如圖1所示。

它包含一個被輻射光激發(fā)的電流源，一個理想的二極管，結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。IL為二極管的漏電流，ISC為二極管光電流，Rpo為寄生電阻，ePD為噪聲源，結(jié)電容大致為20pf。

在本文的應(yīng)用中，紫外探測器芯片工作在零偏置即光伏模式下。

在此模式下探測器芯片作為光電二級管可以非常精確的線性工作。零偏置條件下，無暗電流，二極管噪聲等同分電路電阻的熱噪聲；反偏置條件下，則有暗電流產(chǎn)生附加噪聲源。本文就要對這種光伏模式進行最優(yōu)化設(shè)計。

2.2 光電檢測電路設(shè)計

由于探測器工作狀態(tài)時產(chǎn)生的是電流信號，在后續(xù)使用中要將它轉(zhuǎn)換為電壓信號，主放大器的作用就是對光電流進行I-V轉(zhuǎn)換，并放大到所需要的值。

2.2.1 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路分析和設(shè)計

本文所采用的光電轉(zhuǎn)換電路為高靈敏度的電流-電壓轉(zhuǎn)換器，二極管偏執(zhí)由運算放大器的虛地維持在零電壓，短路電流即被轉(zhuǎn)換為電壓。電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

由于在最高靈敏度時該放大電路[5]必須能檢測1nA的二極管電流，采用普通結(jié)構(gòu)的電流電壓轉(zhuǎn)換器會使反饋電阻非常大，例如對于1nA的二極管電流，要求輸出0.1V的電壓，則需要100MΩ的偏置電阻，而電阻是對總輸出噪聲影響最大的因素之一。這對系統(tǒng)噪聲的影響是不可想象的。

該主放大器的輸出VO=-k1Rfid

k1=1+R1/R2+R1/Rf

可見這個電路是靠倍乘因子k來增加R的，于是我們基于一個合理的R值，依靠倍乘因子k來提高靈敏度。

針對本電路為了實現(xiàn)0.1nV/nA的靈敏度，由式可知k1Rf=0.1/10-9=100M？贅，這是一個相當(dāng)大的值，為了不至產(chǎn)生太大噪聲，由Rf=1M？贅出發(fā)，然后乘以100以滿足技術(shù)指標(biāo)，因此，1+R1/R2+R1/106=100。在采用R2=1k？贅時，可得R1≈99k？贅（用最接近標(biāo)準(zhǔn)值的100kΩ）

2.2.2 前置放大電路的噪聲分析

外部噪聲（系統(tǒng)的外界干擾）和內(nèi)部噪聲（光電系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲，是光電檢測器件和檢測電路的器件固有噪聲）為光電檢測電路的主要噪聲來源。

外部噪聲要通過外部手段控制，本文中我們主要研究通過選擇電路元件和合理的電路設(shè)計來減小內(nèi)部噪聲，提高系統(tǒng)的檢測精度。

光電二極管、前置放大電路構(gòu)成了光電檢測電路，它的噪聲模型如圖3所示：

Isc：光電二極管的光電流；Ins：光電二極管的散粒噪聲電流；Ind：光電二極管內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲電流；Cd：光電二極管的結(jié)電容；En、In：放大器的等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲；Unf：反饋電阻Rf和R1產(chǎn)生的熱噪聲電壓。其中：

I2ns=2eIscf，f為電路的通頻帶；

I2nd=4kTf/Rd

U2nf=4kTRff

由此：

由上面的公式[6]得出，反饋電阻Rf和R1和輸出信噪比成正比。要想提高輸出信噪比和信號增益，需要提高Rf和R1的阻值。所以我們可以選擇阻值大、噪音小的金屬膜電阻。

此外，輸出信號電壓幅度的也限制Rf和R1的選擇，還應(yīng)根據(jù)光電流的最大值來確定Rf的大小。

電路的通頻帶f和輸出信噪比成反比。電容Cs與Rf并聯(lián)就是為減小電路的通頻帶。它們構(gòu)成一個高頻截止頻率為1/2？仔RfCs的濾波電路。直流和低頻，信號增益不變；頻率超過1/2？仔RfCs時，信號增益下降信號幅度線性失真，因此電路的通頻帶f=1/2？仔RfCs。

Rf和Cs和通頻帶也成反比。如果電路的通頻帶太小會造成輸出信號頻率失真；如果Cs太大，系統(tǒng)響應(yīng)會變慢；Cs也有消除自激震蕩的作用。

2.2.3 集成運算放大器的選用

考慮集成運放的等效輸入噪聲電壓En和等效輸入噪聲電流In，同輸出信噪比成反比。故應(yīng)選用En和In小的低噪聲和低偏置電流的集成運算放大器。

場效應(yīng)管為輸入級的運放具有開環(huán)輸入阻抗高、輸入偏置電流小和不隨溫度變化的優(yōu)點，適合選用。同時，提高_環(huán)放大倍數(shù)，使光電二極管在無偏壓狀態(tài)工作；其次，選用的集成運放的失調(diào)電壓和電流應(yīng)較小。

由于要精確測量納安級的光電流，運算放大器的偏執(zhí)電流不應(yīng)該大于數(shù)納安，并且放大器本身引入的噪聲要非常小，這就大大縮小了選擇的余地。

我們最終采用了噪聲低，精密，輸入為FET的AD795k型運算放大器。它具有兩種優(yōu)勢：（1）雙極型輸入運算放大器的低電壓噪聲和低失調(diào)漂移；（2）FET輸入器件的極低偏置電流。

其性能參數(shù)為：

失調(diào)電壓：在25°C時，最大為250uv，

失調(diào)電壓漂移：最大為3uV/°C

輸入偏置電流：在25°C時，最大為1PA

0.1～10HZ 電壓噪聲2.5uVp-p

1/f轉(zhuǎn)折頻率12Hz

電壓噪聲：在100Hz處為10nV/√Hz

電流噪聲：在100Hz處為0.6fA/√Hz

在±15V時的功耗為40mW

增益帶寬乘積1MHz

2.2.4 前置放大器穩(wěn)定性分析

考慮光電二極管小信號模型后，完整的前置放大電路如圖4：

該系統(tǒng)的傳輸函數(shù)[7]為：

其中，Aol（j？棕）為放大器開環(huán)環(huán)路增益；？茁為反饋系數(shù)，即1/（1+Zf/Zin）；Zin為分布式輸入阻抗

展開后可得：

式中

由于Rd遠大于Rf，故fz

圖中顯示了Aol（j？棕）曲線與1/？茁曲線在fx處相交，且在交點處|Aol？茁|=1。放大器需在工作中不振蕩、穩(wěn)定。工程應(yīng)用上，要求相位裕度？準(zhǔn)m>>4/？仔，當(dāng)？準(zhǔn)m=4/？仔時，fp=fx。放大器在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，要得到最大帶寬，可令：

式中：可以求得GBW為運放的增益帶寬積。最終可求得：

對于更大的相位裕度，這個電容值還會增大，但也會降低I-V轉(zhuǎn)換器的帶寬。

3 電路仿真計算

利用multisim10 軟件[8]對圖5所示電路進行仿真分析。

交流仿真結(jié)果如圖6所示。

噪聲分析如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文推出了光電檢測電路信噪比的公式，并對光電轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性進行了詳細的研究，總結(jié)了設(shè)計低噪聲光電檢測電路的方法。

某預(yù)研項目中，根據(jù)本文討論的方法設(shè)計的前置放大器已有應(yīng)用，我們可以看到實際測試結(jié)果達到了預(yù)期效果，所以此設(shè)計方案可行。不足之處在于，本設(shè)計中印刷板本身帶來的寄生電容問題。這就要求我們必須小心布線以控制寄生電容；另外，可在輸出端增加濾波器，以減小系統(tǒng)噪聲。

參考文獻：

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關(guān)鍵詞：電路設(shè)計；proteus；應(yīng)用

中圖分類號：TN702 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0248-01

二十一世紀的今天，社會科技進步較快，proteus仿真軟件在電路設(shè)計中的應(yīng)用也越來越廣泛。該仿真軟件是計算機技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，可以對模擬電路，數(shù)字電路和電路進行仿真操作，軟件自身具備先進的虛擬器，包括示波器，邏輯分析儀，信號發(fā)生器等，為了更全面的了解和更深刻的分析proteus在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用，就要在軟件開啟的仿真條件下，對整體電路和包含的各個零部件進行逐一研究，為之后的電路設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)思路。

1 Proteus仿真軟件簡述

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及器件。它是目前比較好的仿真單片機及器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。該軟件包含ISIS和ARES兩個軟件部分，這兩個部分在大環(huán)境下扮演著兩個不同的重要角色，都有著舉足輕重的作用。在日常工作中，ARES部分是用來當(dāng)PCB設(shè)計工作的助手，進行有效輔佐，而ISIS則是主要負責(zé)在仿真開啟的環(huán)境下對電路原理和模擬電路的設(shè)計工作。

2 Proteus仿真軟件進行仿真電路設(shè)計的過程分析

在電子電路實訓(xùn)過程中，proteus仿真軟件在進行仿真電路設(shè)計時，要在軟件編輯界面，按照需要模擬的實際電路思路，設(shè)計出一套最符合實際情況的電子電路圖，再通過許多相關(guān)數(shù)據(jù)計算，盡可能在最短的時間內(nèi)完成對電路的初步設(shè)計和對數(shù)據(jù)的測量與計算整理，最后完成整體的模擬電路設(shè)計，然后利用軟件的電路生成功能，輸出最后的電路設(shè)計圖。為了確保電路設(shè)計的順利進行，仿真電路設(shè)計過程可以這樣：先確定核實設(shè)計項目，然后運行proteus軟件，繪制初步的電路原理圖，然后根據(jù)原理確定需要的元件種類和數(shù)量，啟動仿真系統(tǒng)，用虛擬儀器檢測然后讀出數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，如不符合要求，對元件或者電路作適當(dāng)修改然后再次檢測，當(dāng)符合要求時，要對電路進行完善，確定無誤后敲定最終設(shè)計方案，然后系統(tǒng)自動生成電路圖。

3 Proteus仿真軟件的仿真電路設(shè)計與調(diào)試

在進行電路工作前，相關(guān)人員要檢查虛擬測量儀器與被測量點的兩個終端是否處于正常連接狀態(tài)，還要確定信號源良好的接地情況，其中還要注意示波器與地線的連接狀況。測量結(jié)束后要確保測量結(jié)果是GND的相反波形，有利于后續(xù)對電路的研究。實驗過程中，要時刻注意電壓表，電流表的指針位置，而在仿真電路時，要注意串聯(lián)電路中電流指針的指數(shù)，如有任何問題，要及時地在相應(yīng)的執(zhí)行操作界面，通過網(wǎng)絡(luò)，對電壓作出適當(dāng)調(diào)整，然后繼續(xù)進行仿真電路的研究試驗，推動proteus仿真軟件在電子電路設(shè)計應(yīng)用中的發(fā)展。

4 Proteus仿真軟件的實用電路分析

在今后的與電路設(shè)計有關(guān)的工作當(dāng)中，我們不光要充分發(fā)揮并發(fā)展proteus仿真軟件，還要通過合理的方法來判斷研究proteus仿真軟件在未來電路研究中的發(fā)展趨勢，然后進行相應(yīng)改進。而proteus軟件還需要通過傳感器電路，正弦電路等實用電路中不斷的進行試驗和探索，最后才能把此項技術(shù)落實到實際電子科技產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中去。所以，我們再使用該軟件進行電路設(shè)計和分析時，要把重點放到傳感器電路和正弦電路等電路的實用性上，結(jié)合實際情況探究，才能更好地讓軟件適用于各種實用電路的應(yīng)用。還能開發(fā)出仿真系統(tǒng)的其他用法和功能，促使電子行業(yè)發(fā)展，為以后的研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段proteus仿真軟件的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而其使用功能也十分便利和強大，在進行電子電路設(shè)計時，為了能夠更深刻研究電路的工作情況，更準(zhǔn)確地對電路中存在的不足之處進行調(diào)整，我們要進一步對軟件進行挖掘研究，明確操作規(guī)范，開發(fā)出更實用的功能以便使用。還能改善傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計工作，并z測出其中的缺陷，為降低電路實驗成本，更有效地完成實驗和縮短實驗時間等方面，都有積極的推進意義。

參考文祥

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【關(guān)鍵詞】 電子電路 設(shè)計與輔助 傳統(tǒng)電子電路的設(shè)計問題

計算機電子電路技術(shù)對于各行各業(yè)來說，起到的作用是非常明顯，不僅能提高相關(guān)人員的工作效率和質(zhì)量，還能對設(shè)計的電子電路進行仿真分析實驗，以方便解決實際電路搭建中所遇到的各種困難。該文就電子電路的具體原理以及計算機輔助系統(tǒng)中一系列環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題進行分析，明確電子電路的具體原理，對計算機的輔助設(shè)計進行一系列的分析，以滿足我們的日常工作需求。下文，將對電子電路對計算機輔助設(shè)計的聯(lián)系展開鋪設(shè)，以解決難題。

1 電子電路原理以及計算機的輔助設(shè)計

電子電路的基本原理相對來說是比較容易理解的，在電子基礎(chǔ)中，電就像是水一樣，電路類似于俗稱的水路，將各種電子元件連接成相應(yīng)的通路，以實現(xiàn)特定的功能。任何電子產(chǎn)品都是由電子元件組成的，所以為了更加深入的了解電子電路的原理，需要對電子元件進行一系列的辨析，也就因此掌握了電子應(yīng)用。對電子電路的原則基本認識之后，能夠應(yīng)用一系列的電子工具，進行一系列的產(chǎn)品設(shè)計。

電場這個概念對于電子電路來說并不陌生。電場通常是指電產(chǎn)生作用力的一個范圍。磁場就是磁產(chǎn)生作用力的一個范圍，其他類似。導(dǎo)體就是電容易通過的物體。絕緣體，就是電比較難通過的物體。導(dǎo)體與絕緣體在實際生活中并沒有決定化的定義，這兩者的導(dǎo)電能力相差好幾倍。有些物體，在不同的外界環(huán)境下，比如電場，磁場，溫度，光照等方面的影響下會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電狀態(tài)，我們稱這類物體為半導(dǎo)體。對導(dǎo)體、絕緣體以及半導(dǎo)體的具體應(yīng)用就能組成各種的電子元件，我們就能對電能進行方便簡單的檢測與利用，開關(guān)是一個類似短路器與開路器系列的東西，電阻在零歐姆與無窮大的兩個阻值上相互變化的元件，它與自來水開關(guān)的效果原理類似。任何時候，只要電流流過，就會產(chǎn)生一個閉合的通路系統(tǒng)。也就是電流回路，如果不考慮電源內(nèi)部的問題，電流一定是從正極流向負極。電源類似于特殊的電子元件，在閉合通路下，才有可能產(chǎn)生電流，如果沒有導(dǎo)體以及電子元件連接就不能形成閉合的通路也就不會產(chǎn)生電流，并且沒回路就一定沒有電流，有電流就肯定有回路。并且實際中對于交流電流的運用并不需要物理上的通路、真空、空氣也能形成電流回路。兩個不同水位線之間存在一個水差就是水壓。水壓之間如果存在一根管，水就會因此流動，水流動就會受到阻力。越細的水管，其阻力越大，水流進越小。如果水壓越高，其水流越大。

在一系列工程設(shè)計中，計算機擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧怯嬎恪⒅茍D、信息存儲的功能角色，在應(yīng)對不同的行業(yè)中，通常利用不同方案進行大量計算、分析與比較，以確定出其最優(yōu)方案，其設(shè)計信息所謂計算機技術(shù)的一種應(yīng)用，能夠隨時迅速的被使用者找到，有些設(shè)計人員自己構(gòu)建草圖，而對草圖的進一步完善，需要通過電子計算機的渲染。利用計算機可以進行一些圖片的操作，對其進行加工工作，利用計算機的輔助設(shè)計電子電路技術(shù)能夠提升設(shè)計人員的工作效率與工作質(zhì)量。并且在企業(yè)的實際運用中起到了不可缺少的關(guān)鍵作用。

2 計算機系統(tǒng)的系列構(gòu)成

電子電路輔助計算機的應(yīng)用需要一定的計算機基礎(chǔ)，比如其基本圖形功能應(yīng)用，系統(tǒng)中起作用的設(shè)備為：電子計算機的主機，圖形的輸入板，圖形顯示終端，打印機，掃描儀以及給類繪圖處理件等。一般來說，工程工作站指的是具有超級小型功能與三位圖形處理能力的單用戶交互式計算機系統(tǒng)。它有比較強的計算能力，比較高端的圖形軟件，具有高分辨率現(xiàn)實，并且可以在網(wǎng)上辦公。完善的CAD系統(tǒng)對于日常生活的幫助是顯然易見的。

圖形輸入輸出設(shè)備不僅僅包括計算機主箱以及其他的外在連接設(shè)備，也包括其他的一系列內(nèi)在軟件。圖形的輸入輸出設(shè)備主要應(yīng)用于計算機輔助設(shè)計中。圖形輸入設(shè)備的作用，是把平面上的點坐標(biāo)投射到電子計算機里。軟拷貝與硬拷貝組成了圖形的輸出設(shè)備，前者是對于各種圖形的顯示裝備，有利于人機互動。后者經(jīng)常用作圖形顯示的附屬設(shè)備，主要進行復(fù)印的作用。以實現(xiàn)整體環(huán)節(jié)中的分工協(xié)作等。

CAD軟件是運用比較廣泛的軟件，它應(yīng)用于各個行業(yè)，比如建筑業(yè)，廣告設(shè)計業(yè)中，它除了具備可操作性，編譯程序外，還有對一系列交互式圖形顯示軟件，以及CAD應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)管理軟件使用。交互式的圖形顯示軟件應(yīng)用于圖形顯示的編輯，開窗，觀看與圖形的變換修改，人與計算機之間的良好互動。CAD軟件能夠提供制圖，特征計算與幾何造型等功能，廣泛應(yīng)用于各個專業(yè)領(lǐng)域。構(gòu)造應(yīng)用軟件的四個主要組成是，算法，用戶界面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)管理等。數(shù)據(jù)管理軟件應(yīng)用于存儲、檢索以及大量數(shù)據(jù)的處理，其中包括對文字圖形信息的編輯處理。為了方便其進行處理，需要建立工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。與一般的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相比，其擁有以下的特點，比如多樣化的數(shù)據(jù)類型，實體關(guān)系的復(fù)雜管理，頻繁變動的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與庫中數(shù)值。實際上，設(shè)計者的操作是一種具有實行性的交互處理行為。其基本的技術(shù)包括交互技術(shù)、曲面造型以及實體造型技術(shù)等。

3 對于仿真軟件的舉例分析

3.1 電子工作平臺的應(yīng)用（Electronic Workbench）

Electronic Workbench是一種比較高效的電子電路計算機輔助設(shè)計軟件，它使用的是windows的平臺，能對一系列信息進行模擬，數(shù)字以及模數(shù)混合電路的設(shè)計，其具有一系列的特點，比如高精確度，強悍性能，友好的界面，方面的操作等，以其虛擬儀器而聞名，它把系統(tǒng)管理者放在一個虛擬的電子實驗室里，彌補了當(dāng)面一系列高檔儀器數(shù)量不足，元器件耗費等的缺陷。

3.2 MultisimX系列的仿真工具

Multisim X適用于數(shù)字電路的設(shè)計工作，基于windows平臺的仿真工具。它具體包含了電路原理圖的圖形輸入以及一系列硬件描述語言的輸入，具有非常強大的仿真分析能力。通過具體操作可以進行電路圖的輸入以及編輯信息等的電路搭建。對于元器件挑選界面的應(yīng)用，可以根據(jù)不同的需要對電路進行相應(yīng)觀測和分析。對于Multisim X的電路仿真來說，以仿真軟件作為其平臺進行一系列模擬電子電路設(shè)計，從接收任務(wù)以及到獲得最終的設(shè)計結(jié)果，電路仿真軟件都能夠仿照前期模擬電子電路的設(shè)計進行一系列的電路的可輔助設(shè)計。可以實現(xiàn)硬件實驗環(huán)境的具體模擬，并且對模擬過程中的現(xiàn)場進行記錄與分析。

3.2.1 對于電路的具體分析，及其說明

對條幅電路進行模擬電路的仿真設(shè)計以及分析。為了達到目的，可以先將待搬移的信號和參考信號之間進行時域相乘，獲得兩者的混合頻率分量，再用其濾波器濾除無用的頻率分量就行。在實際運用中，由于模擬乘法器IV芯片的優(yōu)點，比如小體積，低功耗，高可靠性，高性能等對于整體電路具有穩(wěn)定的調(diào)整性能等。設(shè)計的時候，可以選擇模擬乘法器芯片和一系列電路之間形成振幅調(diào)制等線性頻譜搬移的完整電路。

3.2.2 針對整體電路的仿真設(shè)計和電路的調(diào)試

在具體的電路設(shè)計中，單純性阻值不是電阻選擇的唯一方面，在選擇的時候?qū)τ诟哳l特性也要考慮進去。在仿真設(shè)計的過程中，如果提升其工作頻率，元器件分布參數(shù)也會相應(yīng)變大，并且還會出現(xiàn)電路失控、波形失真的問題，在具體工作中想要防止因工作頻率升高而導(dǎo)致的電路工作失常的現(xiàn)象，就必須使用特定規(guī)格參數(shù)的金屬氧化膜電阻器，比如其很小的分布參數(shù)，這一系列都能說明仿真電路確實能夠?qū)崿F(xiàn)實際電路的模仿。在實際的硬件運行的條件下，如果出現(xiàn)三極管故障，就會導(dǎo)致工作出現(xiàn)問題以及整個電路工作不正常的事例。在一系列的仿真過程中，要選擇各個方面性能都比較優(yōu)秀的晶體三極管比如2N910以及二極管1N1204C等一系列元件，來搭建MC1596芯片內(nèi)部電路，使其具有很好的電氣性能。

4 電子電路計算機輔助設(shè)計與電子電路傳統(tǒng)設(shè)計的聯(lián)系

在早期的時候，模擬電路設(shè)計步驟都是比較簡單的，一般分為電路形式與元器件型號，進行元件參數(shù)的大致計算，確定電路形式以及元件參數(shù)值的硬件電路實驗環(huán)節(jié)，進行電路圖的繪制，印刷電路板的制作，進行焊接并調(diào)制投入等，電路仿真的具體應(yīng)用。這就是傳統(tǒng)電子電路設(shè)計制作的步驟。它的好處顯而易見，可以隨意的實現(xiàn)對電路形式和元器件參數(shù)值的修改，使其滿足高性能指標(biāo)，這樣不僅增大了實際工作的效率，而且還減少了實際元器件的消耗問題。電路的仿真設(shè)計，能夠分清電子電路的一系列具體功能作用，基本分析方法與設(shè)計方法，還可以以仿真軟件作為實驗的平臺，使用庫中的電子測量儀器觀測值、實驗現(xiàn)象以及得出相應(yīng)的結(jié)果，設(shè)計的電路是否能滿足性能指標(biāo)，是否需要進行進一步調(diào)整元件的參數(shù)進行電路優(yōu)化。值得注意的是在電路的仿真設(shè)計中其儀器庫里的測量儀器不過是理想性的東西，無法實現(xiàn)對實際電路設(shè)置的完全模仿能力。并且由于仿真軟件商利用分立元件進行電路的搭建，其集成程度也會受到限制。

5 結(jié)語

根據(jù)該文所陳述的，電子電路設(shè)計必須要重視兩大方面，一是對于硬件的設(shè)計，二是對于軟件仿真的運用。前者是電子電路的物質(zhì)基礎(chǔ)，一切的前提，軟件設(shè)置能夠充分發(fā)揮硬件的功能，對于軟件仿真的運用，能實現(xiàn)在現(xiàn)實環(huán)境中無法實現(xiàn)的一系列實驗設(shè)計，從一個側(cè)面來看，軟件仿真引領(lǐng)電路電路的前進方法。對于電子電路中設(shè)計周期的縮短，降低成本，只有通過一系列軟件仿真才能達到，軟件仿真對已整體性能的發(fā)揮起到很重要的作用。需要根據(jù)實際情況，對于軟件仿真進行深化剖析，找到更好的切入點，促進技術(shù)更新，完善我們的工作質(zhì)量與效率的提升。

參考文獻：

[1]Bassam Halabi.因特網(wǎng)的路由選擇技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社.

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關(guān)鍵詞：可進化硬件遺傳算法電子電路設(shè)計現(xiàn)場可編程門陣列

在人類的科學(xué)研究中，有不少研究成果得益于大自然的啟發(fā)，例如仿生學(xué)技術(shù)。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，許多的科學(xué)研究越來越與生物學(xué)緊密相聯(lián)。在人工智能方面，已經(jīng)實現(xiàn)了能用計算機和電子設(shè)備模仿人類生物體的看、聽、和思維等能力；另一方面，受進化論的啟發(fā)，科學(xué)家們提出了基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計技術(shù)，將進化理論的方法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中，使得新的電子電路能像生物一樣具有對環(huán)境變化的適應(yīng)、免疫、自我進化及自我復(fù)制等特性,用來實現(xiàn)高適應(yīng)、高可靠的電子系統(tǒng)。這類電子電路常稱為可進化硬件(EHW,EvolvableHardWare)。本文主要介紹可進化硬件EHW的機理及其相關(guān)技術(shù)并根據(jù)這種機理對高可靠性電子電路的設(shè)計進行討論。

1EHW的機理及相關(guān)技術(shù)

計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經(jīng)驗表明，要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過千萬年基因進化，使得人體可以在某些細胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機理，科學(xué)家們研究出可進化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤，而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴格地說，EHW具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中；另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。

對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設(shè)計方法。

1．1遺傳算法

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產(chǎn)生一群個體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機制選擇個體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。

1．2現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)

現(xiàn)場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,Lookupbr)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言（HDL）描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會把設(shè)計方案通過編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設(shè)計中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2進化電子電路設(shè)計架構(gòu)

本節(jié)以設(shè)計高容錯性的數(shù)字電路設(shè)計為例來闡述EHW的設(shè)計架構(gòu)及主要設(shè)計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產(chǎn)生容錯性，所設(shè)計的電路系統(tǒng)可以看作一個具有持續(xù)性地、實時地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯誤，設(shè)計要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。

從進化論的角度來看，當(dāng)這些變化發(fā)生時，個體的適應(yīng)度會作相應(yīng)的改變。當(dāng)進化進行時，個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度。基于進化論的電子電路設(shè)計就是利用這種原理,通過對設(shè)計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應(yīng)變化的能力。

電子電路進化設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計的兩種進化，分別是內(nèi)部進化和外部進化。其中內(nèi)部進化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當(dāng)然通過外部進化得到的最終設(shè)計結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來實際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程，其中是根據(jù)進化算法（遺傳算法）的計算結(jié)果來進行的。整個進化設(shè)計包括以下步驟：

（1）根據(jù)設(shè)計的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串）來表示，其中每個個體表示的是設(shè)計的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上，用來定義FPGA的開關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來設(shè)計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會導(dǎo)致器件的損害。

（2）將設(shè)計結(jié)果與目標(biāo)要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據(jù)適應(yīng)度進行排序，下一代的個體將由最優(yōu)的個體來產(chǎn)生。

（3）根據(jù)適應(yīng)度再對新的個體組進行統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一

部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據(jù)遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對硬件進行進化。

（4）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個體，直到新的個體表示的設(shè)計方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。

一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設(shè)計結(jié)果，最后設(shè)計方案具有對設(shè)計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過程又叫內(nèi)部進化或硬件進化。

圖中的右邊展示了另一種設(shè)計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結(jié)果才在器件上實施。

進化電子電路設(shè)計中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個體變異的程度，也關(guān)系到個體對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應(yīng)，但個體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計方案時可以保持穩(wěn)定。

對于可進化數(shù)字電路的設(shè)計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進行進化設(shè)計，一個是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進化細胞機（CellularAutomaton）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只需要定義整個模塊的適應(yīng)度，而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對于超大規(guī)模線路的設(shè)計可以采用這一方法來將電路進行整體優(yōu)化設(shè)計。

3可進化電路設(shè)計環(huán)境

上面描述的軟硬件進化電子電路設(shè)計可在圖2所示的設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境下進行。這一設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境對于測試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進化設(shè)計很有用處。該設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。

遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現(xiàn)。由它來實現(xiàn)進化計算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結(jié)果傳回計算機。適應(yīng)度評估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個接口碼將GA與硬件連接起來，可能的設(shè)計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設(shè)計結(jié)果的可視化和將問題形式化。通過執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設(shè)計，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應(yīng)軟件來評估設(shè)計結(jié)果。

篇6

計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經(jīng)驗表明，要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過千萬年基因進化，使得人體可以在某些細胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機理，科學(xué)家們研究出可進化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤，而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴格地說，EHW具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中；另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。

對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設(shè)計方法。

1．1遺傳算法

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產(chǎn)生一群個體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機制選擇個體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。

1．2現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)

現(xiàn)場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,LookupTable)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言（HDL）描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會把設(shè)計方案通過編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設(shè)計中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2進化電子電路設(shè)計架構(gòu)

本節(jié)以設(shè)計高容錯性的數(shù)字電路設(shè)計為例來闡述EHW的設(shè)計架構(gòu)及主要設(shè)計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產(chǎn)生容錯性，所設(shè)計的電路系統(tǒng)可以看作一個具有持續(xù)性地、實時地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯誤，設(shè)計要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。

從進化論的角度來看，當(dāng)這些變化發(fā)生時，個體的適應(yīng)度會作相應(yīng)的改變。當(dāng)進化進行時，個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度?；谶M化論的電子電路設(shè)計就是利用這種原理,通過對設(shè)計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應(yīng)變化的能力。

電子電路進化設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計的兩種進化，分別是內(nèi)部進化和外部進化。其中內(nèi)部進化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當(dāng)然通過外部進化得到的最終設(shè)計結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來實際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程，其中是根據(jù)進化算法（遺傳算法）的計算結(jié)果來進行的。整個進化設(shè)計包括以下步驟：

（1）根據(jù)設(shè)計的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串）來表示，其中每個個體表示的是設(shè)計的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上，用來定義FPGA的開關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來設(shè)計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會導(dǎo)致器件的損害。

（2）將設(shè)計結(jié)果與目標(biāo)要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據(jù)適應(yīng)度進行排序，下一代的個體將由最優(yōu)的個體來產(chǎn)生。

（3）根據(jù)適應(yīng)度再對新的個體組進行統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一

部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據(jù)遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對硬件進行進化。

（4）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個體，直到新的個體表示的設(shè)計方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。

一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設(shè)計結(jié)果，最后設(shè)計方案具有對設(shè)計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過程又叫內(nèi)部進化或硬件進化。

圖中的右邊展示了另一種設(shè)計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結(jié)果才在器件上實施。

進化電子電路設(shè)計中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個體變異的程度，也關(guān)系到個體對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應(yīng)，但個體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計方案時可以保持穩(wěn)定。

對于可進化數(shù)字電路的設(shè)計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進行進化設(shè)計，一個是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進化細胞機（CellularAutomaton）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只需要定義整個模塊的適應(yīng)度，而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對于超大規(guī)模線路的設(shè)計可以采用這一方法來將電路進行整體優(yōu)化設(shè)計。

3可進化電路設(shè)計環(huán)境

上面描述的軟硬件進化電子電路設(shè)計可在圖2所示的設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境下進行。這一設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境對于測試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進化設(shè)計很有用處。該設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。

遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現(xiàn)。由它來實現(xiàn)進化計算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結(jié)果傳回計算機。適應(yīng)度評估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個接口碼將GA與硬件連接起來，可能的設(shè)計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設(shè)計結(jié)果的可視化和將問題形式化。通過執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設(shè)計，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應(yīng)軟件來評估設(shè)計結(jié)果。

4結(jié)論與展望

進化過程廣義上可以看作是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在這個意義上，可以將“可進化”這一特性運用到無數(shù)的人工系統(tǒng)中，只要這些系統(tǒng)的性能會受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應(yīng)用到可進化系統(tǒng)中。雖然目前設(shè)計出的可進化硬件還存在著許多需要解決的問題，如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來的發(fā)展中，電子電路可進化的設(shè)計方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計方法，系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構(gòu)能力對于那些在復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統(tǒng)來說將帶來極大的影響。因此可進化硬件的研究將會進一步深入并會得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。

篇7

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動法；微任務(wù)；電子電路；實訓(xùn)教學(xué)

中圖分類號：G4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：16723198（2015）22018502

1電子電路設(shè)計實訓(xùn)課程教學(xué)現(xiàn)狀

電子電路設(shè)計是電類專業(yè)為繪制電子電路圖所必需掌握的一門計算機綜合性設(shè)計課程。然而，隨著課程改革在各高校逐漸開展，一些課程的課時量也相應(yīng)遞減，比如筆者所在學(xué)校電氣自動化專業(yè)的《電子電路設(shè)計》課程已由原36學(xué)時減至24學(xué)時。如何在減少的課時的課程中讓學(xué)生掌握同樣程度的技能水平以適應(yīng)社會的需求，考驗著每一位專業(yè)教師。

以往傳統(tǒng)的電路設(shè)計教學(xué)的方式大多是由教師先講授知識點，然后將知識點所涉及到的圖例向?qū)W生繪制演示，最后讓學(xué)生依樣畫葫蘆。在整個教學(xué)過程中，教師為主導(dǎo)，而學(xué)生僅限于單純的模仿與記憶，并沒有主動學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。因此在教學(xué)中應(yīng)該有意識到加入興趣式教學(xué)，調(diào)動他們的求知欲，激發(fā)學(xué)生更積極主動的思考，學(xué)習(xí)甚至創(chuàng)新，打造優(yōu)質(zhì)課堂，全面提高教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)效率。

2任務(wù)驅(qū)動法

2.1任務(wù)驅(qū)動法原理

任務(wù)驅(qū)動法是近年來被廣為應(yīng)用的一種教學(xué)手法，它一改傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，嘗試采用任務(wù)驅(qū)動式的教學(xué)方法。需要教師將課程學(xué)習(xí)內(nèi)容劃分為多個特定任務(wù)，每個任務(wù)包含一定知識點，只要學(xué)生完成了課程中設(shè)定的任務(wù)，就可以掌握課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

任務(wù)驅(qū)動法的核心內(nèi)容就是由教師在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，教學(xué)任務(wù)必須融合學(xué)生所需要掌握的技能點和相關(guān)的知識點，同時又具有一定的生活性、探究性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生帶著解決問題完成任務(wù)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自主或協(xié)作性學(xué)習(xí)，使他們真正了解知識點在實際工程中的應(yīng)用，學(xué)以致用。

2.2任務(wù)驅(qū)動法在電路設(shè)計實訓(xùn)中的應(yīng)用

電路設(shè)計實訓(xùn)課程的教學(xué)目的為電子電路圖形繪制，電路圖形僅為簡單的二維制版，因此在繪制電路原理圖時較為簡單易學(xué)。但無論多簡單的圖形，在繪制的過程中都要利用到基本繪圖工具、圖形編輯和圖層管理各知識點綜合才能完成。因而課程教授過程中不能簡單的按書本章節(jié)順序來講，而是應(yīng)該由教師將所有知識融會貫通后重新組織，將它們?nèi)谌氲揭粋€個工程任務(wù)中再向?qū)W生展示，如向?qū)W生展示電動小車電路設(shè)計圖紙，將其作為一個工程任務(wù)，讓學(xué)生嘗試用學(xué)過的知識來繪制，或讓學(xué)生在繪制過程中遇到難題再提出并講解。這樣就更能增添學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和在完成任務(wù)后的成就感，形成良性循環(huán)。因此電路設(shè)計實訓(xùn)課程非常適合采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法。

3微任務(wù)驅(qū)動法

3.1微任務(wù)驅(qū)動法原理

采用任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)所提供的任務(wù)由于綜合性較強所以工程量較大且難度較高，學(xué)生在一節(jié)課中難以完成，即使有些基礎(chǔ)好，動手能力強的學(xué)生完成了任務(wù)，也會因為知識點過多過雜而難以消化。因此需要由教師把握學(xué)生素質(zhì)和能力，將大任務(wù)進行科學(xué)性的分解，將之細化為中任務(wù)，小任務(wù)甚至微任務(wù)。讓具有不同層次知識能力的學(xué)生都能被激發(fā)興趣，在任務(wù)量合適的微任務(wù)環(huán)境中嘗試和實踐。

以上所述即為微任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，它就是以任務(wù)驅(qū)動法為基礎(chǔ)，將總?cè)蝿?wù)依靠知識的內(nèi)在邏輯或采取分類的方式進行具體化，以微任務(wù)的形呈現(xiàn)。較之任務(wù)驅(qū)動法，其目標(biāo)更為明確，導(dǎo)向性更強，教師使用這種方法教學(xué)也更容易控制課堂教學(xué)的節(jié)奏，保證能在規(guī)定時間內(nèi)完成教學(xué)進度。

3.2微任務(wù)教學(xué)設(shè)計

微任務(wù)驅(qū)動法的實施過程是：教師先依據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計一個總?cè)蝿?wù)，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。再引導(dǎo)學(xué)生分析總?cè)蝿?wù)的解決方法并將總?cè)蝿?wù)拆分為一個個的微任務(wù)，各微任務(wù)之間可以是從屬或并列關(guān)系。拆分出來的微任務(wù)不能太難或任務(wù)量太大，應(yīng)設(shè)計為學(xué)生較易完成的程度，以便于將學(xué)生的理解逐步引向深入。通過一個個的微任務(wù)引導(dǎo)和推動學(xué)生一步步上升，一層層提高，不斷接近并最終達到復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)的頂點。

微任務(wù)法的核心是如何科學(xué)合理的設(shè)計微任務(wù)。首先，任務(wù)必須要有明確的目的性，教師提出的每一個微任務(wù)，原則上都是為了完成總?cè)蝿?wù)而設(shè)計的，盡量不設(shè)置多余任務(wù)，不能本末倒置。其次，教師選擇微任務(wù)時應(yīng)考慮到大多數(shù)學(xué)生的水平，注意難易適度。并且在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)與掌握程度以及課程進度隨時調(diào)整微任務(wù)，不能任務(wù)教條化僵化。第三，微任務(wù)還應(yīng)遵循完整性原則。教師所設(shè)計的微任務(wù)必須連貫，不能有斷續(xù)感，讓學(xué)生知道自己要做什么，可以解決什么問題，使他們獲取的知識完整且有條理。最后，微任務(wù)的設(shè)計要適當(dāng)增添趣味性，可以在教學(xué)過程中加上圖片插畫，視頻音頻等數(shù)字教學(xué)資源，讓學(xué)生在完成任務(wù)的同時體會到學(xué)習(xí)的樂趣。

3.3微任務(wù)驅(qū)動法在電路設(shè)計實訓(xùn)課程中的應(yīng)用

Altium Designer軟件的工具欄較多，常用工具欄中的各命令參數(shù)也較雜，若逐個講解，則顯得各知識點雜亂無章，學(xué)生記的多忘得快，但在實際繪圖時還是束手無策，不知該用哪個工具來繪制。

例如，在介紹AD軟件常用繪圖工具欄中的直線、多邊形、橢圓弧線、文字和文本框等，若單純講述這些知識點，難免枯燥乏味，且容易與布線工具欄的功能弄混。圍繞這些教學(xué)內(nèi)容，可設(shè)計對應(yīng)電路制圖微任務(wù)，圍繞一個小目標(biāo)，教師可以設(shè)計多個由簡單到復(fù)雜的小任務(wù)，布置學(xué)生循序漸進地完成任務(wù)，在練習(xí)中熟悉各種命令的操作。例如，基本繪圖訓(xùn)練可將學(xué)生已在模擬電路和數(shù)字電路課程中學(xué)過的常用電子元件符號如：變壓器、運算放大器（如圖1（a）、（b）所示）融入其中，將它們設(shè)計為一個個需要完成的微任務(wù)。每個任務(wù)都考慮到學(xué)習(xí)課程的前后連貫和趣味性，讓學(xué)生繪制自己所熟悉的事物。隨著學(xué)習(xí)的深入，可以布置學(xué)生完成如圖1（c）所示的七段數(shù)碼管等稍復(fù)雜的繪制任務(wù)。完成任務(wù)后的喜悅感和成就感會更加強烈，也為以后的學(xué)習(xí)增添了動力。

微任務(wù)驅(qū)動法在教學(xué)過程中將知識點分解到一些小任務(wù)中進行，學(xué)生頭腦中的知識是零散的，有時會降低知識的系統(tǒng)性和完整性。因此，這樣的設(shè)計任務(wù)和完成過程是十分必要的，教師可以通過一個較為完整的任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生將已完成的微任務(wù)中的知識點進行歸納總結(jié)，加深對所學(xué)知識和技能的記憶和理解，完成真正意義上的知識建構(gòu)。

例如，上完第三次課后，教師即可布置學(xué)生完成如圖2所示“八路彩燈控制電路圖”大任務(wù)。從創(chuàng)建元器件、調(diào)用常用元件開始，直至綜合運用各種繪圖指令及編輯工具完成繪圖。讓學(xué)生在本次課中復(fù)習(xí)鞏固了前面微任務(wù)中所學(xué)的小知識并將其融合，初步完成了一張簡單的電子電路設(shè)計原理圖樣，并總體上掌握了一張較完整電子電路工程圖的繪制過程，具有綜合應(yīng)用性。

3.4電路設(shè)計課程與其余課程的前后融合

電路設(shè)計課程在介紹一般電路繪圖技巧與制版規(guī)則時，還會涉及到數(shù)字電路、模擬電路、單片機技術(shù)應(yīng)用等課程的接續(xù)關(guān)系。將本課程繪制圖中所涉及到的器件類原理基礎(chǔ)前移到數(shù)字電路和模擬電路等課程中解決，諸如實際譯碼電路、三態(tài)電路與緩沖器芯片等知識點不再占用本課程學(xué)時。本課程把握好銜接關(guān)系，主講等電路板制版規(guī)范、電路設(shè)計的仿真方法等要點主題，把以往重復(fù)性內(nèi)容節(jié)省的學(xué)時用于應(yīng)用層面。

在重點講述電子電路圖繪制方式的時候，還應(yīng)適當(dāng)向?qū)W生加強常用接口電路的連接方法知識點，并向?qū)W生擴展對嵌入式處理器及新技術(shù)的了解，為后續(xù)單片機原理課以及傳感與檢測技術(shù)中各種傳感器與微處理器的連接使用，智能傳感器、數(shù)字式一體傳感器等內(nèi)容的講授打下基礎(chǔ)。

4總結(jié)

本文提出在電路設(shè)計實訓(xùn)課程中提出微任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的思路，該方式以“微任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主題”嶄新教學(xué)模式，改變了往常的以教定學(xué)到被動教學(xué)模式，讓學(xué)生學(xué)會在解決任務(wù)中學(xué)習(xí)知識點與解決問題的方法，通過這種方法，既能激發(fā)學(xué)生勤于思考的熱情，有加深了對知識點理解，提高了創(chuàng)新思維的能力。在教學(xué)中始終貫穿“應(yīng)用入手，學(xué)中建，建中學(xué)；分解項目，逐步深入與完善”的理念，對人才培育重點落在實際操作能力的培養(yǎng)上，提升整體教學(xué)水平。

參考文獻

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[3]楊瑞萍.基于工作過程的項目化課程教學(xué)改革實踐――以“計算機輔助電子線路設(shè)計”課程改革為例[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2015，31（7）.

篇8

電子電路是無線電工程等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，是一門實踐性很強的課程。本文結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗，分析了該課程的教學(xué)背景與現(xiàn)狀，并從高校的教學(xué)設(shè)施、教師自身素質(zhì)及教學(xué)內(nèi)容等方面詳細闡述了該課程相關(guān)的教學(xué)策略。

【關(guān)鍵詞】：

電子電路教學(xué)

一、課程教學(xué)背景分析

《電子電路》這門課程對于與信息工程、無線電工程專業(yè)以及其他電類專業(yè)都是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。它涉及許多理論知識、電路中常用的基本功能部件以及實際電路，是一門實踐性很強的課程。

課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)很多高校都開設(shè)有工程專業(yè)，而電子電路作為該專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，其教學(xué)雖然取得了一定成績，但在某些程度上，仍然存在一定的問題。

學(xué)校教學(xué)實驗設(shè)施

計算機機房

大部分高校的計算機機房仍是很多年前的設(shè)備，計算機配置相對落后，運行速度較慢，上機操作形同虛設(shè)。

電工實驗室

電工實驗仍然使用十幾年前的儀器設(shè)備，與現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展及電路設(shè)計的要求脫節(jié)，實驗質(zhì)量在一定程度上受到很大影響。

教師教學(xué)方法

目前，很多高校使用的教材仍然是十多年前的舊版教材，雖然很多專業(yè)知識在理論上并無太大變化，但隨著科技的進步，很多新型電子元器件與儀器產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到各個行業(yè)，如果仍以陳舊的教學(xué)課程來培養(yǎng)學(xué)生，顯然達不到社會對人才的需求標(biāo)準(zhǔn)。

另外，本課程的實踐環(huán)節(jié)也非常重要，但是由于我國高校大部分教師是應(yīng)試模式教育中培養(yǎng)出來的，本身即缺乏一定的實踐經(jīng)驗，所以在教學(xué)過程中，有意無意的避開實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，不能達到培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的目標(biāo)，更不用說培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力。

學(xué)生學(xué)習(xí)理念

由于課程本身比較抽象，而學(xué)校的教學(xué)設(shè)施相對落后，教師授課枯燥乏味，就會極大的影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，尤其是遇到某些困難和問題時，就會出現(xiàn)厭學(xué)現(xiàn)象，僅僅在考前突擊復(fù)習(xí)，應(yīng)付考試，對很多理論概念掌握不夠深刻，實際動手應(yīng)用能力也很難達到要求。

綜上所述，各種原因綜合導(dǎo)致了很多學(xué)生畢業(yè)參加工作后，很難適應(yīng)企業(yè)的對人才要求的標(biāo)準(zhǔn)，不能勝任工作需求，需要再次參加培訓(xùn)。所以對于高校教學(xué)人員來說，如何能夠培養(yǎng)出思維靈活、動手能力強且有創(chuàng)新意識的新一代專業(yè)人才，是一項艱巨的任務(wù)。

教學(xué)策略分析

（一）改善教學(xué)設(shè)施

高校要合理增加對教學(xué)實驗設(shè)施的投入，建設(shè)符合現(xiàn)代要求的實驗室，增加教學(xué)實驗環(huán)節(jié)，把理論培養(yǎng)與實踐創(chuàng)新放到同等重要的地位。

（二）提高教師自身素質(zhì)

教師要充分了解學(xué)科技術(shù)的前沿，將當(dāng)前更多的新工藝（現(xiàn)代新產(chǎn)品設(shè)計流程）、新電子元件（目前廣泛使用的新器件）、新儀器產(chǎn)品（現(xiàn)代電子儀器的使用）等內(nèi)容融入課堂教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，激發(fā)創(chuàng)新思維、提高動手能力。

（三）課程教學(xué)內(nèi)容

1.要突出對學(xué)生能力培養(yǎng)。

能熟練使用焊接工具和常用儀器儀表；

能對典型電子電路進行分析，并進行簡單電子產(chǎn)品功能分析、設(shè)計；

能進行電子電路原理圖的繪制；

了解產(chǎn)品的成本核算方法，會進行電子產(chǎn)品成本估算；

熟練掌握基本的、規(guī)范的操作技能，能進行小型電子電路的制作；

能進行電子電路調(diào)試并熟練檢查、排除故障；

能進行信息查詢和資料整理；

能進行中間調(diào)試過程的記錄并編寫最終技術(shù)文檔；

能以團隊合作形式完成電子產(chǎn)品的開發(fā)；

會使用各種信息媒體對制作成果進行演示。

2．以典型電子產(chǎn)品為載體實施教學(xué)，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如選擇競賽搶答器、LED數(shù)字顯示器、運動小車、信號燈、數(shù)字鐘、電子秤、電子鎖、報警器、穩(wěn)壓電源等常見的、學(xué)生易于接受的電子產(chǎn)品作為設(shè)計分析的對象，使學(xué)生更容易進入電路分析的氛圍中，同時有利于學(xué)生形成個性化的設(shè)計方案。

3．學(xué)習(xí)情境重點突出，能力培養(yǎng)有所側(cè)重。學(xué)習(xí)情境的設(shè)置依托了數(shù)字電路和模擬電路各關(guān)鍵知識點，教學(xué)任務(wù)的安排不僅考慮到了本課程在專業(yè)課程體系中的位置，同時以電路分析、設(shè)計能力，電路接線、制板能力，技術(shù)指標(biāo)分析編制能力為能力培養(yǎng)的主線，從淺入深、由易至難，循序漸進地培養(yǎng)學(xué)生全面技能。

4．在工作任務(wù)實施過程中，促進學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，在工作任務(wù)確定的知識領(lǐng)域中引導(dǎo)學(xué)生進行自主性的電子產(chǎn)品單元電路設(shè)計、制作、調(diào)試。在引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)意設(shè)計的過程中，把握學(xué)生設(shè)計思路的難易程度、理論范圍，充分體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新思想，豐富學(xué)生制作的多樣性，提升學(xué)生設(shè)計制作的興趣和積極性。同時，在多個工作任務(wù)的實施過程中，通過創(chuàng)新思考、理論分析與設(shè)計、電路制作調(diào)試、功能實現(xiàn)報告展示的學(xué)做練一體的教學(xué)模式，加強了學(xué)生的創(chuàng)新能力、制作技能、團隊配合和個體表達能力；同時反復(fù)而不斷提升的設(shè)計、制作、驗證、報告過程，讓學(xué)生的電子電路設(shè)計制作的基本技能得到了鞏固。評價采用分階段分重點評價的模式，重點評價學(xué)生的職業(yè)能力，兼顧重要的理論知識點。

5.在實驗教學(xué)和實驗室科學(xué)化管理中加強計算機的應(yīng)用。引入包括多媒體演示、電子教案、計算機仿真技術(shù)、局域網(wǎng)教學(xué)在內(nèi)的多種教學(xué)手段，將直接影響實驗教學(xué)質(zhì)量。

篇9

電子設(shè)計正朝向自動化方向發(fā)展，使電路設(shè)計教學(xué)中開始采用一些虛擬設(shè)備，通過仿真分析使原本抽象的教學(xué)內(nèi)容更為直觀。電工電子實驗教學(xué)中引入了電路仿真軟件，可以使電路設(shè)計更為直觀，且有助于教師在教學(xué)中針對設(shè)計電路進行分析，以提高學(xué)生對設(shè)計電路的理解能力。

1 Multisim 仿真軟件是電子類課程教學(xué)中的常用軟件

在眾多的電路仿真軟件中，Multisim 仿真軟件是較為常用的，主要在于其操作方便，且電路的仿真分析能力很強。具體操作中，Multisim 仿真軟件可以在Windows基礎(chǔ)上配備虛擬測量儀器，將電路原理圖輸入軟件操作平臺上，就可以啟動仿真軟件進行仿真教學(xué)了。很多開設(shè)電子類課程的學(xué)校都逐步引進了Multisim 仿真軟件，仿真電路在電腦顯示器上清晰地呈現(xiàn)出來，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還讓學(xué)生的實踐操作能力得到了訓(xùn)練，大大地提高了電工電子教學(xué)效率。

2 Multisim軟件簡述

Multisim軟件是Electronics Workbench（簡稱：EWB）的升級版。作為仿真設(shè)計軟件，主要用于電子電路的設(shè)計，其仿真功能是非常強大的。目前所普遍使用的Multisim軟件為Multisim 12.0，與其他的仿真軟件相比，Multisim的功能性更強，在虛擬操作中，軟件可以提供電路元器件達幾千個，還可以提供各種電路設(shè)計中所使用的虛擬儀器，包括信號發(fā)生器、萬用表以及示波器等等，而且這些電路元件和虛擬儀器的圖形與實物具有很高的相似性。操作功能上，Multisim軟件可以對所設(shè)計的電子電路進行演示，對電子電路的操作情況進行測試，且能夠設(shè)計所需要類型的電路諸如，數(shù)字電路、基礎(chǔ)電路、射頻電路、微控制器電路、接口電路等等。設(shè)計者在進行電路設(shè)計的時候，可以將Multisim所提供的虛擬元器件利用起來進行電路設(shè)計，并將所選擇的各種設(shè)備連接起來。電路就通過計算機繪制出來。當(dāng)電路設(shè)計完畢之后，還要對各種元器件的參數(shù)進行確定，還要測試元器件的性能指標(biāo)。從電子類課程教學(xué)的角度而言，由于Multisim操作簡單，學(xué)生在短時間內(nèi)就可以進行基本操作。由于操作簡單且仿真軟件所涉及的電路直觀性較強，因此而在電子類教學(xué)中廣泛使用。

3 電工電子試驗中電路仿真軟件的應(yīng)用

3.1 學(xué)生應(yīng)用Multisim 軟件繪制電路仿真圖

電工電子試驗教學(xué)中，以試驗教學(xué)為主，將理論教學(xué)內(nèi)容融入到實驗教學(xué)中，以提高學(xué)生的理論應(yīng)用能力。學(xué)生應(yīng)用Multisim 軟件繪制電路仿真圖，在計算機上啟動Multisim 軟件，根據(jù)試驗內(nèi)容將實驗電路繪制出來之后，選擇所需要的虛擬電子元器件配備到電路中，并進行仿真操作和測試，將實驗結(jié)果記錄下來。對電路的仿真測試合格之后，學(xué)生課可以利用實物將與虛擬電路相同的實際電路構(gòu)建起來，對電路進行調(diào)試，并將調(diào)試結(jié)果詳細地記錄下來。在實驗操作總，還要仔細觀察實際電路的運行狀態(tài)，以及所獲得的運行結(jié)果，采用對比分析法對虛擬電路的方針結(jié)果與實物運行中所獲得的結(jié)果進行比照。由于虛擬仿真電路所連接的元器件以及各種儀器設(shè)備都是處于理想運行狀態(tài)，因而虛擬電路和實際電路的運行結(jié)果會存在一定的誤差。如果誤差范圍沒有超過規(guī)定的范圍，這個試驗操作所獲得的結(jié)果就是有效的。在電工電子試驗中，采用電路仿真軟件進行仿真操作，實現(xiàn)了電子類課程的理論教學(xué)與實際教學(xué)的有效結(jié)合，而且還使試驗結(jié)果更為清晰，加之學(xué)生親自參與虛擬仿真試驗，學(xué)生對相關(guān)理論知識通過試驗得到了驗證，不僅可以提高電工電子實驗教學(xué)的質(zhì)量，還使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被激發(fā)起來。

3.2 Multisim 軟件仿真試驗的動態(tài)觀測

對Multisim 軟件仿真試驗進行動態(tài)觀測，以流水燈實驗為例。

使用Multisim 軟件所設(shè)計的電路為自行振蕩電路和顯示器對各種電路輪流顯示。按照規(guī)定的設(shè)計內(nèi)容，流水燈電路設(shè)計需要使用的器具包括四位二進制計數(shù)器、譯碼器、LM555、發(fā)光二極管顯示器8個。其中，四位二進制計數(shù)器是將74IS163連接成為二進制的計數(shù)形式。使用指示燈監(jiān)測其對74IS163的計數(shù)進行檢測。將三個指示燈接入到地址控制端，使能端都處于使能狀態(tài)。輸出端所連接的是發(fā)光二極管顯示器，共8個，都連接在LED顯示管的負極上。當(dāng)進行仿真調(diào)試的時候，可以看出三個指示燈都按照三位二進制數(shù)進行計數(shù)發(fā)光。與此同時，還將LED顯示管依次點亮。當(dāng)兩邊的燈都亮起來的時候，就現(xiàn)實譯碼器5處于低電平狀體的時候，所連接的發(fā)光二極管就會亮起來，這就可以證明電路設(shè)計是有效的。

4 總結(jié)

綜上所述，計算機技術(shù)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活方式都發(fā)生了變化。為了促進教學(xué)與實踐有效結(jié)合，一些學(xué)校在電工電子實驗教學(xué)中使用了電路仿真軟件，以使學(xué)生可以在實驗室模式實驗，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能夠激發(fā)學(xué)生對知識探索的興趣。Multisim軟件是電子類實驗教學(xué)中的常用工具，由于操作簡單，學(xué)生能夠利用軟件自主設(shè)計電路，由此而使得學(xué)生的操作能力得以增強。

參考文獻

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篇10

【關(guān)鍵詞】計算機；仿真技術(shù)；多媒體；EWB

Electronics Workbench簡稱EWB，即電子工作平臺，它是一種在電子技術(shù)界廣為應(yīng)用的優(yōu)秀計算機仿真設(shè)計軟件，被譽為“計算機里的電子實驗室”――虛擬電子實驗室。

利用EWB可以在計算機上學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，并進行電路設(shè)計、仿真調(diào)試等在實驗室完成的實驗。只要我們擁有一臺計算機加上一套電子仿真軟件，我們就相當(dāng)于擁有了一個設(shè)備先進的電子實驗室。以虛代實、以軟帶硬使得電子電路設(shè)計變成了一件輕松愉快的事情。

一、EWB的特點

1.具有完整、精確的元件模型

EWB提供了相當(dāng)廣泛的元器件，從無源器件到有源器件，從模擬器件到數(shù)字器件，從分立元件到集成電路，應(yīng)有盡有。EWB不僅提供了各種實際元器件的精確數(shù)據(jù)和模型參數(shù)，而且提供了較寬的選擇余地，在設(shè)計過程中，學(xué)生可以根據(jù)需要自己選擇元件。

2.具有各種功能強大的電子測量儀器

EWB提供了齊全的虛擬電子測量儀器，包括示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、萬用表、頻譜儀和邏輯分析儀等，操作起來非常真實和容易。

3.具有專業(yè)的原理圖輸入工具

EWB提供了方便友好的操作界面，學(xué)生可以輕松地完成原理圖的輸入。單擊鼠標(biāo)，可以方便地完成元件的選擇；拖動鼠標(biāo)，可以將元件放在原理圖上。另外，EWB具有連線的功能，同時也允許學(xué)生調(diào)整電路連線和元件的位置。

4.具有強大的分析工具

EWB提供了14種分析工具，利用這些工具，學(xué)生不僅可以清楚地了解電路的工作狀態(tài)，還可以測量電路的穩(wěn)定性和靈敏度。

5.具有集成化、一體化的設(shè)計環(huán)境

EWB具有全面集成化的設(shè)計環(huán)境，在設(shè)計環(huán)境中可以完成原理圖輸入、數(shù)模混合仿真以及波形圖顯示等工作。當(dāng)學(xué)生進行仿真時，波形圖和原理圖同時有效和可視，當(dāng)改變電路連接或改變元件參數(shù)時，顯示的波形立刻反映出相應(yīng)的變化，即可以清楚地觀察到具體電路中元件參數(shù)的改變對電路性能的影響。

二、計算機仿真技術(shù)的作用

1.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

計算機仿真技術(shù)可以對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)電路進行虛擬，通過虛擬系統(tǒng)可以直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如在虛擬《電子電路》實驗中，學(xué)生可以按照自己的假設(shè)，將不同的元件組合在一起，計算機便虛擬出組合的電路來。通過這種探索式的學(xué)習(xí)方式，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.突破實驗室的局限性

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及器件的不斷更新，原有的實驗儀器和實驗器材不能滿足教學(xué)需要，使實驗教學(xué)十分不便。由于實驗室提供的設(shè)備和器件有限，在《電子電路》教學(xué)中，往往會因為設(shè)備、場地、經(jīng)費等方面的原因，使一些應(yīng)該開設(shè)的教學(xué)實驗無法進行。

利用EWB軟件，可以彌補這些方面的不足，在計算機上模擬出實驗室的環(huán)境、儀器設(shè)備和元器件，而不受實驗室在元器件品種、規(guī)格和數(shù)量上的限制。與傳統(tǒng)實驗方式相比較，更能突出實驗教學(xué)中以學(xué)生為中心的開放式實驗教學(xué)模式，從而提高學(xué)生對電路的綜合分析能力、設(shè)計能力以及創(chuàng)新能力。

三、計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用

1.在學(xué)習(xí)過程中的應(yīng)用

計算機仿真技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在進行計算機仿真時可以通過軟件自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。由于教學(xué)內(nèi)容的真實模擬，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中具有身臨其境的感覺。這對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。

計算機仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的運用，是教學(xué)改革的一個重要途徑。在仿真教學(xué)中，運用計算機的交互性，進行個性化教學(xué)和因材施教，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和主觀能動性，提高教學(xué)效果。

2.在實驗過程中的應(yīng)用

筆者曾經(jīng)組織學(xué)生在計算機上用EWB進行電路基礎(chǔ)、模擬電路和數(shù)字電路實驗，效果很好。實驗時，在EWB電路設(shè)計窗口輸入實驗電路的電路網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、電路及元件參數(shù)。

由于仿真的手段切合實際，選用的元器件以及儀器與實際情形非常相近，繪制的電路圖需要的元器件，電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取，而且儀器的操作開關(guān)，按鍵同實際儀器極為相似，因此學(xué)習(xí)和使用非常容易。

通過電路仿真，既可以掌握電路的性能，又熟悉儀器的使用方法。學(xué)生在仿真實驗時能反復(fù)地進行從理論到實驗，從實驗到理論的過程，這一過程有助于學(xué)生加深對電子電路的基本原理、分析方法的理解，加強了學(xué)生實際分析問題與處理問題的能力，切實做到理論與實際的密切配合，改變了傳統(tǒng)實驗與理論脫節(jié)的局面。

另外，仿真實驗?zāi)鼙苊庹鎸崒嶒炈鶐淼母鞣N危險。在實際電子電路實驗中，學(xué)生由于操作或線路連接等方面的錯誤會導(dǎo)致設(shè)備的損壞，甚至對學(xué)生造成各種危險。利用計算機仿真技術(shù)進行虛擬實驗，則可以避免這種顧慮。學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的實驗。

3.在設(shè)計過程中的應(yīng)用

作為虛擬工作的電子工作臺，EWB提供了詳細的電路分析手段，以幫助學(xué)生設(shè)計和分析電路的性能。