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陈龙
, 郄小美, 马学条
杭州电子科技大学 电子信息学院,杭州 310018
CHEN Long, QIE Xiaomei, MA Xuetiao
中图分类号: TP391.0
文献标识码: A
文章编号: 1006-7167(2017)05-0110-04
收稿日期: 2016-11-17
网络出版日期: 2017-05-20
版权声明: 2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介:陈 龙(1979-),男,山东宁阳人,硕士,副教授,教务处副处长,国家级实验教学示范中心副主任,研究方向为数字电子技术教学与研究,嵌入式系统设计与应用、神经网络与机器学习。Tel.:0571-86915094;E-mail:chenlong@hdu.edu.cn
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摘要
将数字电子技术综合性虚拟仿真实验案例——基于DDS的任意波形发生器应用于实验教学,该教学案例几乎涵盖了数字电子技术理论课程中所有核心知识点,具有很强的综合性,便于学生将理论课程中碎片化的知识点构建成相对完善的知识体系;正弦波、方波、三角波、任意波形以及李萨如图形等实验结果可通过示波器直观观察,具有很高的演示度,激发了学生的学习兴趣。实践表明,综合性虚拟仿真实验案例教学方法提高了学生设计复杂数字电路系统的能力,培养了学生的实践创新和工程应用能力,取得了良好的教学效果,有利于教学水平的提高。
关键词：
Abstract
Digital electronic technology experiment is one of the specialized courses for the student majoring in electronics or related. The arbitrary waveform generator based on DDS is used to the digital electronic technology comprehensive virtual simulation experiment. This teaching case covers almost all core knowledge in the theory of digital electronic technology course, and has characteristic of strong comprehensive. It is convenient for students to master theoretical knowledge fragmentation in the course to build into a relatively complete knowledge system. Experiment results such as sine wave, rectangular wave, triangle wave, arbitrary wave and Lissajous figures can be observed through the oscilloscope. The students’ interests in learning are stimulated due to high presentation of experiment results. Practice shows that, comprehensive virtual simulation case can improve the students’ ability to design complex digital circuit system. It can also cultivate the students’ ability of practical innovation and engineering application. It achieved good teaching effect, and was beneficial to the improvement of teaching level.
Keywords：
数字电子技术是电子类相关专业必修的专业基础课程,具有很强的实践性和工程性,其实验可分为验证性实验、设计性实验和综合性实验,实验教学贯穿于整个理论教学中[1-2]。通过对实验课程的学习与设计,加深学生对数字电子技术理论知识的理解,增强学生的分析、设计及调试数字电路和数字系统的能力,激发学生的学习兴趣,提高学生科学研究素质。我校经过多年的实验教学改革,在保留原有重要实验内容的基础上,在课程教学的后期引入综合性虚拟仿真、虚实结合实验,设计并实践了多个数字电子技术综合性虚拟仿真实验案例,贯通理论课程的各核心内容,以加深学生对理论知识的实践与应用,便于学生建立数字电子技术课程的知识体系[3-4]。
本文以数字电子技术综合性虚拟仿真实验——基于直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)的任意波形发生器为例,浅谈如何将虚拟仿真、虚实融合技术应用于数字电子技术实验教学,通过综合性、创新性实验的自行设计,对实验内容、方法和教学模式进行综合改革,使得理论课程教学和实验课程教学融会贯通,对培养学生实践创新能力和解决复杂工程问题的能力具有非常重要的作用[5-8]。
DDS是一种新型的频率合成技术,具有频率分辨率高,频率切换速度快,相位噪声低等优点,在现代电子系统及设备的信号源设计中,尤其在通信领域,DDS得到了广泛的应用。本文采用自底向上的方法设计基于DDS的任意波形发生器,采用QuartusII软件进行各实验模块的设计和虚拟仿真,下载到FPGA开发板进行硬件测试[9]。
设计一个基于DDS的任意波形发生器,可产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、任意波形等信号;通过调节A/D转换器的输入电压值,实现输出波形的频率可控。将两路不同频率的正弦波合成李萨如图形,下载到FPGA开发板中结合数模转换器在示波器上观察输出结果[10]。
本文设计的数字电子技术综合性实验案例设计框图如图1所示,由ADC采样控制模块、DDS模块、显示译码与锁存模块、内部锁相环、A/D 转换器、D/A 转换器等组成,A/D转换器的模拟输入端连接分压电路,A/D转换器的数据输出端与频率字1相连,通过调节输入电压值的大小实现对频率字的调节,改变DDS模块的输出波形的频率[9]。
图1中DDS模块部分所示,DDS波形发生器包括相位累加器、存储波形的ROM模块;其中存储波形的ROM模块由正弦波、方波、三角波、锯齿波、任意波形等组成。ROM中存储了完整波形的离散采样值,采样数据与所选ROM的位宽和数据宽度必须一致。N位相位累加器由参考时钟CLK控制,累加步长为频率控制字FWD,累加结果作为波形存储器ROM的寻址,为了减小波形存储器所需的容量,取相位累加器输出的高M位为波形存储器ROM的寻址,ROM查找表寻址输出的D位波形幅度码经过D/A转换后变成阶梯状波形,再通过低通滤波器平滑后输出光滑的信号。
本教学案例中AD转换器模块选用ADC0809芯片,ADC0809工作时序如图2所示,根据ADC0809的工作时序,画出状态机对ADC0809的控制状态图如图3所示。
根据ADC0809的接口特性和采样控制状态机要求,本文设计的采样控制状态机电路如图4所示,该电路由状态译码器、控制译码器、状态寄存器和锁存器构成。状态译码器AD_SDCD元件根据ADC0809转换器的转换结束信号EOC和现状态编码C[2..0],决定状态的走向;控制译码器AD_CDCD元件根据状态机所处的状态,向ADC0809转换器输出控制信号LOCK、OE、START、ALE;状态寄存器DFF3元件由3个D触发器构成。ADC采样控制模块的工作时钟接在DFF3元件的CLK端,决定了采样控制模块的工作速度。
对ADC采样控制模块进行时序仿真,仿真波形图如图5所示。图中CS是现状态指示,在状态S0(CS=0)时对ADC0809转换器进行初始化操作;在状态S1(CS=1)中将ADC0809转换器的地址锁存进地址寄存器,并启动转换工作,此时ALE和START产生一个上升沿;在状态S2(CS=2)中,查询EOC是否为高电平, EOC=1时下一状态仍停留在S2,EOC=0时进入状态S3(CS=3);在状态S3中,查询EOC是否为低电平,直到EOC由0变成1时,转换结束,进入状态S4(CS=4)。由于此时转换数据已经完成,所以在此打开OE控制的三态门;为了稳定转换器的输出数据,在状态S5(CS=5)中,LOCK产生一个上升沿,将转换好的数据b锁入74374中,仿真结果表明本文设计的ADC0809采样状态机能够按照ADC0809工作时序对ADC0809进行控制。
根据DDS波形发生器的原理,设计如图6所示DDS正弦波形发生器电路图,包括32位ADDER32B、32位寄存器DFF32和正弦波形数据存储器SIN_ROM3个模块,其中加法器由LPM的加/减算术模块LPM_ADD_SUB构成。寄存器DFF32由LPM_FF宏模块构成,与ADDER32B组成一个32位相位累加器。其中高10位PA[31..22]作为波形数据存储器SIN_ROM的地址。正弦波形数据ROM模块SIN_ROM的地址线位宽是10位,数据线位宽是8位,即其中一个周期的正弦波离散采样数据有1 024个,每个数据有8位,输出接8位的数模转换器DAC0832数据输入端。
对DDS波形发生器电路进行编译,新建SignalTap II Logic Analyzer文件,在SignalTap II窗口中的Setup标签页中,双击空白区域,打开Node Finder窗口,选择Pins:output,单击List,在Nodes Found区域中选中DAC[0],DAC[1],…,到DAC[9]节点信息,单击“>”按钮,把要观察的开关节点添加到SignalTap II中。通过嵌入式逻辑分析仪SignalTapII,对数据进行采样和监控,其仿真结果如图7所示,仿真结果表明,本文设计的DDS波形发生器能输出所需波形。
根据系统方案设计要求,在原理图编辑文件中调用已生成的波形发生器DDS元件、采样控制器AD元件、内部锁相环PLL元件和显示译码锁存模块等元件构成基于DDS的波形发生器顶层电路。利用相位累加器和存储波形ROM模块构成DDS波形发生器;在原理图编辑文件中调用已生成的寄存器、译码器和锁存器组成采样控制状态机。
选用CycloneIIIEP3C5E144C8芯片FPGA核心板进行硬件测试,硬件测试系统还包括示波器、A/D转换器、D/A转换器和电源。在顶层设计电路中对输入信号、输出信号进行引脚锁定,编译下载.sof文件,通过拨动相应的拨码开关选择对应的输出波形,可在示波器上观察到如图8(a)~(e)所示的正弦波、三角波、锯齿波、矩形波和任意波形等。
将两路输出波形通过示波器X轴和Y轴合成时,若两个相互垂直的简谐振动的频率为任意值,其合成的运动相对复杂,且运动轨迹不稳定,当两个振动的频率成简单的整数比时,其合成的运动是一个稳定、封闭的曲线图形,即李萨如图形。
在顶层设计电路中对输入信号、输出信号进行引脚锁定,重新编译后,将两路输出波形同时接到示波器X轴和Y轴进行合成,通过调节滑动变阻器改变ADC0809的输入电压值从而改变频率控制字,或通过按键输入频率控制字,示波器可显示如图9所示的各种频率成简单整数比的李萨如图形。
系统硬件测试结果表明,该教学案例成功设计并
实现了基于DDS的任意波形发生器,并可生成频率成简单整数比的李萨如图形。
本实验教学案例已成功应用于我校数字电子技术实验课程教学,具有如下特点:
(1) 该实验教学案例几乎涵盖了数字电子技术理论课程中如组合电路的分析与设计、时序电路的分析与设计、触发器与含触发器的PLD、半导体存储器及其应用、A/D与D/A转换器及其应用等所有核心知识点,具有很强的综合性,便于学生将理论课程中碎片化的知识点构建成相对完善的知识体系。
(2) 通过将QuartusII软件虚拟仿真和FPGA验证融入到传统数字电子技术课程的教学中,虚拟仿真和虚实结合的教学方法使学生在掌握现代数字电路自动化设计与分析方法的同时,也培养了学生发现问题、解决问题的能力。
(3) 通过示波器观察实验结果如正弦波、方波、三角波以及任意波形等,将抽象的李萨如图形通过示波器直观地呈现出来,实验具有很高的演示度,极大地激发了学生学习兴趣,使学生能够迅速由验证性实验过渡到自主设计实验,初步培养了学生自主创新能力和解决复杂问题的能力。
多年的实验教学改革经验表明,数字电子技术综合性虚拟仿真实验应用于实验教学,激发了学生的学习兴趣,提高了学生设计复杂数字电路系统的能力,培养了学生的实践创新和工程应用能力,实验教学改革取得了良好的教学效果,值得进一步推广和应用。
The authors have declared that no competing interests exist.
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“数字电子技术实验”课程的改革 [J].DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2012.09.033 URL [本文引用: 1] 摘要
"数字电子技术实验"课程是电气类、自动化类、信息类等相关专业的专业基础课。在分析和总结了传统的"数字电子技术实验"教学过程中存在的问题的基础上,对"数字电子技术实验"课程进行了一系列相应的教学改革。在实验教学模式上采用"学生为主体、教师为主导"的教学模式;在实验教学内容上增加设计型、系统型实验的比例,并引导学生利用EDA软件进行数字电路的仿真;在实验考核机制上增加实验考试环节,完善实验课成绩给定方法。实践表明,"数字电子技术实验"课程教学改革取得了明显成效。
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数字电子技术实验课程的改革与探索 [J].DOI:10.3969/j.issn.1672-4550.2010.05.039 URL [本文引用: 1] 摘要
数字电子技术实验教学是电子信息类专业的重要实践环节,它对于培养学生的工程实践能力和创新能力有着不可替代的作用。文中结合在数字电子技术实验教学中的体会,阐述了实验教学内容、实验手段和实验考核3个方面的改革方案,探索提高教学质量及学生能力培养的新途径。
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数字电子技术实验教学的改革与探索 [J]. |
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数字逻辑实验技术改革的研究 [J]. |
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数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析 [J]. |
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数字电子技术实验改革与创新 [J].
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基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革 [J].URL 摘要
针对“卓越工程师”的培养,在数字电路教学中引入以科研项目驱动 的创新型实验教学环节,旨在培养学生的创新实践能力.该环节的实验项目是以科研项目为基础,在设计时应遵循有机融合、难易适中、创新实践的原则.在创新型 实验教学环节的实施过程中,贯彻“教师引导,学生主体”的原则,充分发挥学生的主体作用与教师的引导作用,并采取结果性与过程性考核并重的考核评价方法. 教学实践表明,该环节激发了学生学习的积极性和创造性,培养了学生分析解决实际问题的创新实践能力.创新型实验教学环节是对数字电路实验教学体系的丰富和 完善,可在同类课程中进行推广.
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基于EDA技术的数字电路实践教学探讨 [J]. |
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函数/任意波形发生器设计与实现 [D]. |
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