談電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)NIELVIS應(yīng)用
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本文以基于NIELVIS電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用為研究對象，首先對不同類型的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了簡單的介紹與分析，隨后探討了基于nielvis的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)應(yīng)用，最后針對數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，提出了基于NIELVIS平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用措施，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定參考。傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，常會(huì)因?yàn)榻泳€錯(cuò)誤或其他原因?qū)е聦W(xué)生精力被分散，難以專注于實(shí)驗(yàn)本身的研究。因此，通過在NIELVIS平臺(tái)之上，做好電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)應(yīng)用，能夠有效解決這一問題，讓學(xué)生專心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，從根本上提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
1不同類型的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)概述
當(dāng)前，在高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展已經(jīng)日趨完善，并且已經(jīng)形成了一個(gè)完善的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身有著較強(qiáng)針對性，且層次分明，能夠呈現(xiàn)豐富的知識(shí)，已經(jīng)在很多高校中得到了良好的應(yīng)用。學(xué)生通過參與這些實(shí)驗(yàn)，在教師引導(dǎo)下，能夠鍛煉自己的動(dòng)手實(shí)踐能力，加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。按照知識(shí)點(diǎn)綜合程度這一標(biāo)準(zhǔn)，我們可以將電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為以下四種類型：一是基本技能型實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)整體操作相對簡單，包含內(nèi)容也并不復(fù)雜，主要目的是讓學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)的過程中，掌握一些實(shí)驗(yàn)電子儀器的用法。在高校中，比較常用的電子實(shí)驗(yàn)儀器有很多，比如：雙蹤數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、晶體管測試儀等，這些儀器均有專門針對性基本技能實(shí)驗(yàn)；此外，在基本技能型實(shí)驗(yàn)的幫助下，學(xué)生還能夠了解識(shí)別基本的電子元器件，比如：電容、電感、半導(dǎo)體器件等，并認(rèn)識(shí)到不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。二是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。這種類型的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)內(nèi)容有著非常緊密的聯(lián)系，通常需要學(xué)生通過操作相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證所學(xué)的一些理論知識(shí)的正確性；在這一過程中，進(jìn)一步加深對實(shí)驗(yàn)儀器儀表操作的了解與熟悉；同時(shí)，對于理論知識(shí)理解也會(huì)更加深刻，在此過程中，學(xué)生還可學(xué)習(xí)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的測試與處理。三是綜合型實(shí)驗(yàn)。在這種類型的實(shí)驗(yàn)中，涉及到的內(nèi)容通常具有綜合性、復(fù)雜性特點(diǎn)，要求學(xué)生將不同知識(shí)點(diǎn)融合在一起，才能順利完成電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的操作。一般只有在學(xué)生經(jīng)過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)后，才能有機(jī)會(huì)接觸到這類實(shí)驗(yàn)。通過該類型實(shí)驗(yàn)，能夠有效檢驗(yàn)學(xué)生對知識(shí)綜合應(yīng)用及分析的能力。對于綜合實(shí)驗(yàn)而言，本身開放性更強(qiáng)，耗費(fèi)時(shí)間更久，期間需要學(xué)生自主進(jìn)行相關(guān)資料查找，做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力與獨(dú)立工作能力。四是設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。相較于綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)開放性更強(qiáng)，通常由教師給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求與條件，學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，并最終通過實(shí)驗(yàn)完成教師布置的任務(wù)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生有著非常大的自主性，需要學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)，尋找實(shí)驗(yàn)核心原理，自主確定實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)發(fā)生條件等，并以此為依據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。這對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、獨(dú)立解決問題能力有著較為積極的影響。綜上，通過上述四種類型的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)我們能夠認(rèn)識(shí)到，這些實(shí)驗(yàn)本身有著不同的目的，在對學(xué)生能力培養(yǎng)方面也有著較強(qiáng)的針對性，能逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握更深層次的知識(shí)與操作技巧，提高學(xué)生綜合素質(zhì)?；诖耍ㄟ^結(jié)合上述四個(gè)類型的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，做好針對性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步整合不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K，使其形成一個(gè)完整有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生的實(shí)踐能力得到有效培養(yǎng)，并真正應(yīng)用于未來工作實(shí)踐中去。
2基于NIELVIS的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)應(yīng)用
驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含諸多內(nèi)容，常見的有單級晶體管共射極放大電路、功率放大電路等。在當(dāng)前的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中，上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均囊括了很多典型的應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生對理論知識(shí)的理解有重要的幫助。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生以相關(guān)原理圖為依據(jù)，選擇在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱或面包板之上，自主搭建相應(yīng)的電路，并做好電路試運(yùn)行，分析電路運(yùn)行結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)開展過程中，學(xué)生也會(huì)遇到一些問題，多是因?yàn)闆]有正確進(jìn)行插線連接所引發(fā)。若電路的干路連線比較復(fù)雜，比如：多級阻容耦合放大電路便是其中典型代表。針對該電路，僅依靠學(xué)生自身，雖大量耗時(shí)也很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的連線，因此會(huì)給學(xué)生帶來挫敗感。為避免出現(xiàn)這類問題，在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)時(shí)，針對連線電路，需要制成印制電路板形式，讓學(xué)生可以直接將元器件安放在模塊上。在實(shí)際進(jìn)行電路測試時(shí)，針對線路連接，能夠借助跳線帽來完成，保證線路連接的正確性。例如：針對某兩級放大電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)中，根據(jù)該電路原理圖元器件排列，設(shè)計(jì)的模塊會(huì)與之一一對應(yīng)，學(xué)生在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，只需要將元器件插入相應(yīng)位置；在PCB板之上，可以利用走銅線，提前將不同元器件準(zhǔn)確連接在一起。在實(shí)際測試時(shí)，由于設(shè)置有專門測試點(diǎn)，然后通過導(dǎo)線引出接入ELVIS原型板之中，即可在測試點(diǎn)之上完成測量工作。如果電路需要依次測量，在實(shí)際進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)中，引入了插針元件，該元件的默認(rèn)狀態(tài)是斷開狀態(tài)，只需要安插上短接帽，即可處于連接狀態(tài)。仍以兩級放大電路為例，針對第一級放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)，在實(shí)際調(diào)試過程中，可以將插針默認(rèn)斷開進(jìn)行測試，如果需要兩級放大，只需要在測試點(diǎn)安插上短接帽，即可使得電路處于連接狀態(tài)。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)，能夠減輕學(xué)生實(shí)驗(yàn)壓力，讓學(xué)生能夠?qū)Ｐ姆治鰧?shí)驗(yàn)原理和結(jié)果。針對功率放大電路的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊，還可以按照實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的電路，分步驟做好元器件的安插，第一步能夠讓學(xué)生觀察雙電源互補(bǔ)對稱電路的交越失真程度；第二步能夠組成偏置電路，從而有效緩解電路交越失真的問題；在此過程中，通過在電路中引入二極管，能夠?yàn)槿龢O管提供合適的偏壓，使其處于微導(dǎo)通狀態(tài)，如此一來，學(xué)生能夠?qū)Ω纳坪蟮慕辉绞д媲闆r進(jìn)行全面了解；第三步還可以在模塊上引入自舉電路，電路有相應(yīng)元器件組成，從而促使功率放大電路的特點(diǎn)得到彰顯，還能夠逐步展示不同操作下的器件組成原理，并讓學(xué)生對相應(yīng)原理有全面的認(rèn)知。在此基礎(chǔ)上，還能夠進(jìn)行波形對比輸出，進(jìn)一步加深學(xué)生印象，能夠有效改善以往電路連線錯(cuò)誤帶來的問題，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的價(jià)值。
3基于NIELVIS的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)應(yīng)用
從當(dāng)下高校開展的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀來看，采用的數(shù)字集成芯片規(guī)模均較小，難以滿足實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求。比如：想要完成一個(gè)規(guī)模相對較大的綜合型數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，通常需要多個(gè)通用集成芯片，不僅效率低下，而且在實(shí)際應(yīng)用中，這些芯片應(yīng)用已經(jīng)越來越少，無法起到鍛煉學(xué)生能力的作用。基于此，在現(xiàn)有數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)應(yīng)用中，應(yīng)積極引入一些先進(jìn)的器件與技術(shù)。比如可以引入可編程邏輯器件，從而讓學(xué)生能夠?qū)W到更多貼合實(shí)際的知識(shí)與技術(shù)。對于通用型中小規(guī)模集成電路而言，雖然在理論上也能夠組成較為復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，但在實(shí)際操作上可行性不佳，因?yàn)樵诿姘逯线M(jìn)行電路搭建時(shí)，容易出現(xiàn)線路接觸不良問題，且問題原因多種多樣，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)找出解決的方法，容易打擊學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的積極性。為解決這一問題，可以在實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)中，引入可編程邏輯器件（CPLD），設(shè)計(jì)人員能夠在相應(yīng)軟硬件環(huán)境的幫助下，自主完成芯片的功能定義。學(xué)生也能夠在此過程中完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入、編譯、優(yōu)化、仿真、下載、執(zhí)行等，可有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)。對于CPLD實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)而言，能夠給予學(xué)生更大的自主探索空間，不會(huì)讓學(xué)生局限于理論，僅僅對相關(guān)原理進(jìn)行驗(yàn)證，而是能夠引導(dǎo)學(xué)生從全局入手，了解一個(gè)完整數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且在其中能夠有機(jī)會(huì)應(yīng)用新興的技術(shù)，提高學(xué)生實(shí)踐能力。對于綜合性和設(shè)計(jì)性較強(qiáng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)來說，需要做好CPLD數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)，在初始設(shè)計(jì)中，模塊功能一般較簡單。具體而言，通過在模塊設(shè)計(jì)中引入Max7000s系列CPLD芯片，同時(shí)提供了ByteBlaster下載線，I/O引腳自定義，并將引腳引出至模塊插孔上，交由學(xué)生自定義，NIELVIS則需要提供芯片的電源。在后續(xù)過程中，隨著學(xué)生理論知識(shí)越來越豐富，實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)會(huì)更深入，一般會(huì)在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出CPLD實(shí)驗(yàn)?zāi)K2.0，在顯示終端之上，額外新增了液晶屏、8×8點(diǎn)陣、蜂鳴器等器件；同時(shí)對電源也進(jìn)行了改進(jìn)，不再需要NIELVIS供電，而是采用了USB供電，防止學(xué)生出現(xiàn)電源接反問題，導(dǎo)致芯片被燒毀。在新的實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)中對CPLD芯片也進(jìn)行了更新，采用了更先進(jìn)的VHDL文本設(shè)計(jì)；下載方式也變得更加豐富，學(xué)生可以選擇串口下載，也可以選擇USBCPLD實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊進(jìn)行下載，能夠從根本上排除接線復(fù)雜的干擾，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也給予了學(xué)生一定的自主開發(fā)空間，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)進(jìn)行開發(fā)實(shí)踐。從當(dāng)下數(shù)字電子技術(shù)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容來看，關(guān)于VHDL或Veilog硬件編程語言內(nèi)容比較少，因此為了更好完成實(shí)驗(yàn)，使用先進(jìn)的儀器設(shè)備與技術(shù)，還需要學(xué)生利用課外時(shí)間，加強(qiáng)上述編程知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過在CPLD實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊的幫助下，能夠讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室以外的地方進(jìn)行使用學(xué)習(xí)。學(xué)生可以結(jié)合自身興趣，做好相應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)研究，真正意義上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開放，有利學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)?？偨Y(jié)：通過做好電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化設(shè)計(jì)，不僅能夠有效幫助學(xué)生排除一些客觀因素的干擾，讓學(xué)生專心于理論知識(shí)的驗(yàn)證與實(shí)踐操作技術(shù)的鍛煉；同時(shí)，也為學(xué)生提供了更為廣闊的自主研究空間。因此需要采取有效措施，加強(qiáng)對不同類型電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化設(shè)計(jì)，促使實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)的作用得到發(fā)揮，提高學(xué)生實(shí)踐能力。
作者：張磊 單位：齊哈爾工程學(xué)院
