数字电路论文精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇数字电路论文范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

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在高速数字电路设计技术的研究中,最为主要的研究点在于:

(1)高速数字电路信号的完整性;

(2)高速数字电路电源的设计两个方面。在本节中,笔者将进行系统的阐述,强化对高速数字电路设计的认识与研究。具体而言,主要在于以下几点内容:

1.1高速数字电路信号的完整性设计

在高速数字电路信号的完整性设计中,最主要的研究要点在于两个方面:一是不同电路信号网传输信号的干扰情况;二是不同信号在电路信号网中的相互干扰情况。也就是说,在电路信号的完整性中,信号干扰是最为关键的因素,无论是对于干扰问题,还是对于反射问题,都是高速数字电路信号完整性设计的研究要点。在理想状态之下,不同阻抗是相等的,存在相互匹配性。所以,在电路设计的过程中,要特别注意阻抗的控制,阻抗过小(过大)都会对线路中的电流及电压造成影响,进而形成信号干扰问题。当然,在高速数字电路的设计中,是很难以让临界阻抗与电路新城相互匹配的状态,这就强调,高速数字电路信号系统,应最可能的处于较为合适的状态,以最大程度上提高高速数字电路的信号质量。

1.2高速数字电路电源的设计

高速数字电路电源设计,是设计技术研究的重点内容之一。对于高速数字电路而言,需要大量的低电压元器件的应用,以更好地确保设计的需求。但是,低压元器件的应用,带来了一个问题,即电源稳定性受到一定的影响,造成电源设计问题的出现。因此,在实际的设计过程中,需要对高速数字电路电源设计作充分的考虑。在电源设计中“,电源完整性”是主要的关键因素,是指电源波形的质量。这一因素的影响主要表现为:

(1)瞬间电流产生过大,即在高速开关状态下,线路器件极易产生过大的瞬间电流;

(2)信号回路阻抗变大,即在电路之中,过多的电感以至于回路阻抗变大,进而产生一定影响。因此,在高速数字电路电源的设计中,最为理想的状态的设计就是在高速数字电路电源系统中,并不存在所谓的“阻抗”。这样一来,不仅不存在阻抗所带来的损耗,而且确保了系统中各电位的恒定,当然,在实际之中,理想状态的设计是不存在,电源系统所形成的干扰噪声,对高速数字电路系统的运行造成较大影响。于是乎,电路设计应对电源的电阻及电感做充分的设计考虑,提高高速数字电路设计的有效性。

2结语

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【关键词】容错技术硬件冗余 VHDL代码

1 引言

数字硬件电路设计越来越精密，但其故障的检测也越来越难。而数字电路的设计大都是用VHDL语言来描述的，因此提出了一个在VHDL描述中自动插入故障容错结构的工具。采用这种工具来做容错电路的设计，用户可以根据不同的需求在VHDL源码级自动做电路故障容错设计。

2 电路源码级故障容错的插入工具

数字电路自动化实现故障容错，也就是在用VHDL语言设计数字电路时，自动化的加入故障容错结构，并且最后得到具有容错功能的VHDL描述的数字电路。这个自动化的过程用一个工具来实现，也就是故障容错结构自动插入工具。该工具由六部分组成，如图1所示。

VHDL源码经过分析器转化成一种特殊的中间数据格式，存储在设计库中；这种数据格式以有向无环图（DAG）的形式组织起来，保存了VHDL完整的语义信息。用户通过用户接口输入某些信息，来定位所需容错的关键部件及从故障容错器选择所用的容错器件。容错后的数据重新送回到设计库中，用反编译系统再次恢复成VHDL代码。本文对基于硬件冗余技术对源码级容错结构插入过程进行阐述。

3 硬件冗余技术

硬件冗余技术采用在系统中多加的硬件资源，包括被动冗余、主动冗余及主被动相结合三种形式。

被动冗余又称为静态冗余（Masking Redundancy ），它不改变系统的结构，靠附加的元器件来屏蔽掉故障元器件的作用。常用的被动冗余称为三模冗余（Triple Modular Redundancy， TMR）结构。系统由相同功能的三个模块及表决器构成，三个相同模块同步运行，三个模块的输出作为表决器的输入，系统的输出是多数表决的结果。

所谓的主动冗余技术，就是能让系统配置动态的改变，从而消除故障对系统的影响，同时补充系统冗余。当系统模块发生故障时，依靠存储多个模块和故障检测机构，通过系统内部的一次重组来切除或替换故障模块。

4 硬件冗余的插入过程

数字电路设计者在使用该工具时，首先需要编写电路的VHDL源码、同时要提供采用的容错技术类型及想要的容错的位置（设计单元名和需复制的对象名）这些信息。

此处假定需要容错的位置是：设计单元A，需复制的对象RESULT，而容错技术采用硬件被动冗余中的三模冗余技术。插入技术主要由以下过程来实现。

4.1 三个新信号的拷贝

如图2所示，首先通过设计库的search（pname，sname）函数从库中找到用户所输入的设计单元A，然后再使用符号表的 search（object_name，global）函数从符号表中查找目标对象RESULT，进行相对应的属性修改后，清空temp。经过这些步骤后，完成了三模冗余技术所需要的新对象的声明。

4.2 语句的复制

如图3所示，该流程图是对于语句的修改。

经过上面的步骤，完成了三模冗余技术的对象复制部分，将这些信息修改完成后再返存入设计库中，实现了在数字电路的VHDL源码级进行故障容错结构的插入。

5 结语

利用自动化工具在数字电路的VHDL源码级进行故障容错结构的插入，能够有效的提高设计者的工作效率。

参考文献

[1]徐拾义.容错计算系统[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[2]L.Entrena，C.Lopez，E.Olias.Automatic insertion of fault-tolerant structures at the RT level.7th IEEE Int.On-Line Testing workshop，July 2001，48-50.

[3]齐星刚.VDHL编译器设计技术研究[D]. [硕士学位论文].成都：四川大学，2013.

[4]Isabel Gonzalez，LuisBerrojo. Supporting fault tolerance in an industrial environment：the AMATISTA approach.7th IEEE Int.On-Line Testing workshop，July 2001，178-183.

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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.

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关键词：等占空比；奇数分频器；倍频器；格雷码计数器

在基于FPGA的数字电路设计中，虽然可以使用集成锁相环(EDA软件提供的宏功能模块)来进行时钟的分频、倍频以及相移设计，但是这类锁相环数量有限，因此在一些场合需要自主设计电路进行时钟分频。

文中设计了一种简单的电路结构实现奇数等占空比分频，全部电路都采用CMOS元器件构成，与现在非常流行的CMOS工艺相兼容，可以方便的集成到芯片上，实现分频功能。

本设计要点是利用倍频器将输入频率变为原来的2倍，然后对加倍后的频率进行偶数等占空比分频。设计中倍频器的实现受到数字电路中边沿检测电路的启发，完全与CMOS工艺兼容，其难点是时序的控制，直接影响到整个电路能否工作；偶数分频还是采用计数器实现，但是设计中利用格雷码来计数，尽可能最大的消除了计数时电路可能产生的冒险现象。本设计利用Candence自带的仿真工具Spectre进行了仿真验证。

1 奇数分频电路设计原理

受外部周期信号激励的震荡，其频率恰为激励信号频率的纯分数，都叫做分频。分频的目的在于只用一个振荡器(如石英晶体振荡器)通过分频电路得到所需的不同频率的时钟信号。可用计数器和门电路实现分频或者用比较器实现分频。例如5分频电路，从0000开始计数，当计数到0100时，让计数器发出一个脉冲，迫使计数器复位，再从0000开始计数，则此脉冲就是分频后的脉冲信号。另一种方法是用计数器作为计数电路，与比较器预置的数字N比较，一旦两者相等，就输出一个脉冲信号。此信号即为N分频信号。当实现等占空比分频时，奇数分频用计数器来分频实现就比较困难。

有些文章介绍过实现占空比为50%的N倍奇数分频电路的方法。大多数是采用2个模N计数器，当计数到相同的值时分别用时钟的上升沿和下降沿触发，再将2个非等占空比信号相与，来实现奇数等占空比分频。原理很简单，但是用2个计数器，浪费资源，尤其是现在芯片做的越来越小，面积是一个很重要的制约芯片发展的因素。而且计数器产生的信号有很多毛刺，即所谓的冒险现象。本文提出了一种新的方法，原理框图如图1所示，来解决以上问题。

当要求N奇数等占空比分频，输入频率为CLK，输出频率F，则三者满足如下关系

F=CLK /N(1)

利用倍频器将CLK信号二倍频，输出信号F1 频率为CLK的2倍，即F1=2CLK，因此计数器只需对2CLK信号进行(2N)倍偶数等占空比分频，实现起来十分方便。此时三者的关系如下

F=(2CLK)/(2N)(2)

1.1 倍频器原理

倍频器的作用是将奇数分频变为偶数分频，它的设计受到数字电路中边沿检测电路的启发，在数字电路中，尤其是FPGA方面的设计，译码器肯定会用到，一般的大规模集成电路的译码器都会多出一根输出信号，作为边沿检测，来检测地址的电平翻转。可以仿照此设计，来实现倍频。比如输入时钟CLK，在CLK的上升沿和下降沿，输出信号都翻转，即只要CLK电平发生翻转，则输出信号F1就跳变。这样得到的输出信号的频率就为CLK频率的2倍，即F1=2CLK。用数字电路的基本门单元进行逻辑设计。电路图如图2所示。D触发器构成T触发器，只要其时钟发生跳变，其输出就跳变。D触发器由多路开关组成，其电路图如图3所示。

首先假设输入频率CLK和D触发器的输出Q的初始状态均为高电平1。经过逻辑运算，F1输出低电平0，即D触发器的时钟为恒定电平，其输出维持1不变。现在建设输入频率CLK发生跳变，CLK跳变为低电平，此时由于延时，D触发器的输出Q仍然维持1一段时间，在这段时间里，F1的电平跳变为1。当F1跳变时，D触发器输出随之发生跳变，由1变为0，此时再与CLK的低电平逻辑组合，F1的输出又跳变为0。由此可以看出，CLK一次电平跳变，F1的电平跳变2次。即频率满足如下关系

F1=2CLK(3)

图2实现了输入信号CLK的倍频。

图4给出了图2所示的倍频器电路输入和输出时钟的波形示意图。其中F1的高电平宽度与延迟有关，假设触发器的延迟为tdq ，各个基本单元的延迟为tab，所以tn满足

tn=tdq+4tab(4)

其中4tab分别为图2中I3，I5，I7，和I8的延迟。有一点必须注意，tn必须足够宽，使得图1中的计数器可以计数，考虑最坏情形，tn必须大于计数器的传播延迟和建立时间。本设计中I5和I6均采用相同的反相器链设计，来增加F1的高电平延迟。反相器链前几级PMOS管采用倒比管，以此增加上升时间，增加延迟，最后一级采用驱动管，来驱动后面的负载。但是反相器链不能一味的增加反相器，因为延迟太久可能导致倍频器不能对输入时钟进行双边沿采样，即倍频。

本设计的重点就是时序的控制，延迟时间直接影响后面的计数器的工作。

1.2 格雷码计数器原理

在高速电路中计数，当计数值跳变时电路可能会出现冒险现象，使分频电路的可靠性降低，为了消除冒险现象，本设计中计数时采用格雷码计数，使计数值跳变时只有1位信号发生变化。为了详细说明原理，以3分频设计为例，当要求实现等占空比的3分频电路时，采用此设计，经过倍频器倍频，输入频率加倍，计数器需要实现6分频，需要为6进制计数器，会有6个状态的跳变。格雷码跳变顺序为

001―011―010―110―111―101(Q2Q1Q0)

在格雷码计数器值从001到101的6个状态跳变过程中，每次跳变都只有1位信号发生变化，其跳变过程中不可能出现任何的毛刺输出。有效的避免了冒险现象的发生。为了实现等占空比分频，选定值010，当计数器计数到此值时，进行输出时钟翻转，经过3个时钟后恢复到初始状态，输出时钟再次翻转，这样计数器实现了6分频。

采用3个D触发器和门级单元逻辑组合实现六进制计数器，为了实现等占空比，D触发器需要为下降沿出发，计数的状态转移顺序按上面的格雷码跳变顺序，Q2 作为输出，用卡诺图化简后得到逻辑表达式如下

Q0*=Q2Q1+Q0Q1(5)

Q1*=Q1Q0′+Q2′Q0(6)

Q2*=Q1Q2′+Q2′Q1Q0′(7)

根据表达式设计格雷码6进制计数器，电路图如图5。Q0* 、Q1*、 Q2*按照上面的表达式，采用基本的门单元进行逻辑组合，组合前先利用范德蒙定律将表达式化简。

2分频电路仿真验证

将图1作为顶层电路，图2和图5作为其子电路，对图1进行仿真。仿真工具采用Candence自带的仿真工具Spectre，输入时钟信号CLK占空比为1：1，仿真结果如图6所示。

从图6仿真结果看出分频后的时钟F满足设计要求，实现了3分频，且占空比1∶1，且波形规则，没有毛刺，从而验证了本设计逻辑正确。

3等占空比任意奇数分频电路的设计思路

本论文提出的原理思想，可以很容易的推广到等占空比为50%的任意奇数分频电路的设计中。

只需对输入频率CLK信号进行倍频，得到(2CLK)时钟信号，剩下的只

需对(2CLK)信号进行偶数分频，偶数分频的方案已经很成熟，利用计数器，计数到N/2-1，然后时钟翻转，即可实现等占空比分频。采用格雷码计数器，又很好的消除了冒险现象。

4 结束语

文中提出利用倍频器和格雷码计数器实现等占空比奇数分频电路，给出了3分频电路的完整设计，并且对3分频电路进行了仿真验证，结果完全符合设计要求。

在基于FPGA的数字电路设计中，在一些场合需要自主设计电路进行时钟分频。根据本文提出的原理思想，可以方便的实现等占空比任意奇数分频。本设计全部电路都采用CMOS元器件构成，与现在非常流行的CMOS工艺相兼容，可以方便的集成到芯片上，实现分频功能。在一些特殊的场合，本论文提出的实现等占空比奇数分频的方法是很重要的。

参考文献

[1] 杜刚，孙超，陈安军. 基于FPGA技术的16位数字分频器的设计.仪器仪表学报，2006(SI)：887-888.

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关键词：光电计数器；思路；设计分析

将不同种类的数字变换器接入到光电计数器的输入通道中，并在与数字变换器相适应的换能器的作用下就可完成不同功能的数字化仪器的制作。电子计数器在科学研究和工业生产等领域都发挥着巨大的作用，达到了测量过程自动化的目的，具有操作简便、精确度高、测量速度快、显示结果直接以及功能多样等优势。一、设计光电计数器过程中的要求

信号输入电路、计数、处理电路、计数状态控制电路、显示驱动电路、电源电路、显示器是光电计数器的主要构成部分。信号输入电路中能接收触点开/关以及脉冲电压（各种电压幅度）形式的信号，通过连接信号输入电路及光电耦合器的方式，成功的对计数电路和信号处理电路进行了光电隔离。此外，计数电路不仅能避免计数器出现复位的情况，还具有控制输入信号的功能。外部控制电路能够通过外接端子实现对计数器复位和工作的控制。 在设计光电计数器过程中，通常比较器整形都是由LM324组成的，放大整形部分由LM324同相放大组成，施密特触发器则是由反相器组成的。

二、设计光电计数器的主要电路

光电计数器的工作过程主要是：红外光信号在经过发射器发射后，利用反射作用在接收管的作用下转变为电信号，经过放大比较整形后的电信号就成为了触发脉冲。在加法计数器中，触发脉冲就是计数脉冲，进行计数功能，而计数信号显示功能由七段LED数码管来进行。其中，脉冲红外光交流驱动模式能更好的增大作用的距离。

三、光电计数器的技术要求和设计原理

SV直流稳压电源对整个光电计数器的电路进行供电。由驱动红外发射管VD1发射红外线脉冲和多谐振荡器产生的方波信号（330Hz）是光电计数器的设计原理。VD2在接收了被手阻挡而反射回来的红外线脉冲后将其转化成电信号，并在50 Hz的灯光干扰下对高通滤波进行滤除，滤除后的信号经过同相放大器（LM324）的放大，之后电压比较器对其进行整形，形成幅值较大的方波信号，之后再由单稳态触发器（555）进行延时整形，经非门处理后接入到74LS160（集成同步十进制计数器）的CP端，触发脉冲通过七段LED数码管（由CD4511驱动）显示出来。以下是对分支电路的描述：

脉冲式主动红外线检测电路是红外检测电路的基本电路，包括VD1（红外发射二极管）和VD2（红外接收二极管）两个主要的部分。VD1和V D2的安装方式是平行的，指向也一样，多谐振荡器作用时，发射二极管能够发射经方波脉冲调制的332赫兹的红外线脉冲，但是接收二极管并不能接收到，发射二极管在收到手的阻碍的情况下，红外线脉冲才会经过反射作用由接收二极管接收到。

555多谐振荡器电路是一种混合集成型电路，拥有八个引出端，其基本电路是由555构成的，将数字电路和模拟电路进行了综合。555多谐振荡器电路的适用范围非常广，具有定时准确和输出驱动功率大的优点，拥有单元内部电压（宽范围的电压），可以将模拟电平接入到电路中。555多谐振荡器电路通过发射红外线来实现对相关装置的控制，发射的功率越大，控制的距离越远。在脉冲状态下，红外发光二极管才进行工作，脉冲的峰值电流越大，调制光/脉动光的有效传送距离越远，因此可以通过提高峰值电流的方式来延长红外光的发射距离，达到增加控制距离的目的。

由324组成的整形电路的基本构件是电压比较器，从整形电路中输出的方波信号在电压比较器的作用下能够转变为触发脉冲。低通滤波和VD3（二极管）通过串联的方式形成峰值检波电路，在设计过程中需要注意的就是要将输入信号脉冲的脉宽设置的远远大于阻容元件的时间常数。

放大整形电路的基本构造是SV单电源供电的LM324，进行大概16.5倍的同相放大作用。放大整形电路在工作原理是：将输出信号传送到另一个通向的运放端，然后提供大概0.8V的电压给反向端，由反向端采取电压比较工作。其中，如果提供的电压大于0.8V的基准电压时，那么输出的是高电平；提供的电压小于0.8V的基准电压时，那么输出的是低电平。

光电技术器的设计中利用集成同步十进制74LS160的功能，计数显示电路能够进行计数运算，CD4511驱动数码管能够进行红外检测，同时还能采用脉冲检波和单稳态触发器检测等设计方法。才外，还应该注意在整个焊接组装过程中要严格按照原理设计电路图进行，在此基础上注意做到先布置地线后设置万能板，并减少交叉线的存在等细节问题，达到美观实用的目的。

四、调试光电计数器的方法

首先采用断电检查的方法：参考原理图对硬件电路进行检查，要细致到每一个焊点。按照单元电路―模块电路―系统的步骤分层次的调试光电计数器，调试的过程中的各项指标要参考设计图中的进行。其次，采用通电检查的方法：利用信号源及相关测验仪器检查每个模块的电路在加入正常电压之后的工作状态中的电压和波形是否正常，并进行相应的调整。一般采用数码管、红外耦合反射对管、电阻、脉冲红外驱动发射器（例如：555）、电容、74LS160、CD4511、LM324等器件来构成电路，进行参数计算。

五、设计光电计数器过程中常见的问题及和应对措施

在引入了50赫兹的交流电后对红外线反射管产生了干扰，影响其正常工作，因此要对50赫兹的交流电利用高通滤波电路来滤除交流信号。出现经常性触发脉冲现象的原因是：信号在进行了波形比较和包络检波步骤后存在大量的毛刺。可以利用555单稳态触发器来延时处理电路，从而避免多次触发计数脉冲的问题。接收管和发射管之间可以设置挡板来预防黑管在没有物体经过时自动接收信号的情况。多谐振荡器在没有设置二极管的情况下，产生的方波占用很大的空间（大于1/2），通过在555单稳态触发器上加入二极管的方式来减少占空比。

参考文献

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[4] 中国集成电路大全编写委员会.中国集成电路大全[D].TTL集成电路.北京：国防工业出版社.2010.4.

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    作为近年来组织与引导学生开展自主学习、科学研究与设计创新的第二课堂,大学生实践培训基地已逐渐引起国内各高校的关注,对于形成“课内外结合、全方位、立体化”的科技活动平台,提升学生工程实践能力起到了重要作用。近年来,桂林电子科技大学投资过百万创建了电子设计培训中心,该中心既是电子设计竞赛的学生培训基地,也是广西区电子设计竞赛的测评场所,更是桂林电子科技大学的电子信息科技活动平台。其建设思路定义为:以全国大学生电子设计竞赛为主线,整合电子信息类教学资源,以学生为中心,以创新思维和实践动手能力的训练为核心,以培养创新务实高素质的应用型人才为宗旨,以创新思维、基本科研技能及知识综合应用能力等多层次训练为目标的电子信息科技文化活动平台。中心根据学生科技活动特点及学科发展要求,除购置了电脑、示波器、信号发生器、稳压电源等常用仪器设备以外,还配置了EDA开发系统、DSP开发系统、单片机开发系统、德国“乐普科”自动制版系统等设备。中心网站定期公布一些题目,全校学生均可自愿参加制作,经培训中心指导教师验收合格后,即可进入中心学习。中心在时间、空间、资源、指导等方面对学生进行开放式管理,培养学生的自觉研究习惯。培训中心的主要功能包括:

    1.1开展一系列分项目、分层次的讲座,包括有关电源、DDS信号源、扫频仪的原理,设计思路,高频电路,FPGA,单片机,控制理论,论文写作等专题以及电路调试中的实用方法和技巧。近三年来,电子设计培训中心在区内开出公开讲座2次,校内讲座10余次。

    1.2编写《Protel设计与提高》、《FPGA实践与应用》等培训教材,面向电子设计爱好者组织经常性的培训,通过训练考核促进学生设计与制作能力的提高。同时,利用与电子行业相关企业建立的合作机制,由企业主动提供新产品、新设备,对师生开展进校集中培训,介绍行业的新知识、新理论、新技术。

    1.3为有较强创新意识和实践动手能力的学生参与创新性实验项目、教师科研、毕业设计、课程设计等提供技术指导及设备支持。“小功率数控交直流电流源”、“基于FPGA的RFID实训平台”、“智能无线搜救系统”、“基于软件无线电的数字SSB无线收发机”等一批学生项目相继完成并通过测试。

    1.4作为大学生电子设计竞赛广西赛区的测评基地,为整个广西赛区作品的测评提供全套设备和良好的测试环境。培训中心的管理采用教学改革项目模式,学校每年验收一次,根据中心当年的培训规模、参赛成果等划拨下一年度经费。电子信息类专业学生通过中心的活动扩大了知识面,同时学校也遴选出了一批参加区级和国家级竞赛的种子选手。

    2注重兴趣培养,夯实入门基础

    在学生入校之初,就宣传“先实践、后理论、再实践”的学习方式,鼓励学生及早参与竞赛培训、体验实践创新。通过获奖学生经验介绍会等形式,使新生深刻意识到:具有大赛经历的学生,会带着大赛中的许多实践问题学习理论课,迅速渡过认知阶段,加深对理论知识的理解。因此,并非要课程都学完才能参加大赛,要提前介入,介入得越早越好[4]20-22。参与培训的学生以自愿为基础,采用三人组队形式。组队时,提倡专业搭配、学科交叉,具有电路制作、软件仿真、单片机编程、机械设计等专长的学生合理分工,优劣互补。组队形式从一开始便基本固定下来,经过长期的磨合、磋商后,一旦有了赛事,小组成员之间即可默契配合、各司其职,为获取佳绩奠定了基础。对于刚接触竞赛培训的学生,组织参观演示性强的往届学生获奖作品,提高学生的参与兴趣。分别从数字电路、模拟电路、单片机、DSP及EDA等几个方面介绍基础理论知识,然后开设一些简单的单元制作项目,具体内容包括:信源电路、抢答器、计时器、放大器、传感器、滤波器等。这些单元电路既是各种通用电路的基础,又都具有趣味性和可欣赏性,可以作为独立的成果进行展示,从而激发学生学习电子信息类知识的热情和自信心,初步体验电子设计制作的基本流程,迈出实践创新的第一步。

    3研究竞赛选题,推行层次化训练

    全国大学生电子设计竞赛的选题范围“以电子技术(包括模拟电路和数字电路)的应用设计为主,可以涉及单片机、可编程器件及微机(微机主要作开发用)。题目尽可能考虑到教学的基本要求,并兼顾新技术的发展。”历年竞赛题目主要分为:(1)无线收/发信机;(2)数据采集、测量、传输与控制系统;(3)高、低频信号源;(4)交、直流放大器。细化到实际课程中,则涵盖模拟电子电路、数字电子电路、高频电路、传感器技术及应用、微机原理、单片机接口技术、PLD可编程技术、自动控制原理等多门课程[5-7]131-148,415-420,130-132。根据大学生电子设计竞赛的题型和内容倾向,针对需要掌握的基本知识、技术及技能,结合电子信息类应用型人才培养方案要求,开展层次化训练。

    3.1分项训练对于具备一定设计制作基础的学生,根据模拟电路、数字电路和单片机电路模块分别进行分项专题训练。模拟电路部分主要训练项目为:音频功放(包括音调、功率放大)、电源(稳压、稳流)、程控放大器;数字电路部分包括:常规器件实现数字钟、方波的展宽与变窄、常规器件实现的频率计;单片机电路部分包括:单片机配合A/D转换器实现数字电压表、单片机与D/A转换器实现的波形发生器、单片机对电机的控制。

    3.2综合训练融合基础层次的多个模块给出设计题目和参数要求,启发性地讲解设计要点,使学生建立起系统的概念并自主设计、制作作品。

    3.3跨学科集成训练集中进行涉及自动化、机械、光学等多方面、跨学科的综合训练,包括:直流稳压源、信号发生器、无线收/发信机、信号检测与控制系统、数据采集与控制等。指导教师给出参数要求和大致参考方案,具体的设计和实施则通过学生查阅资料、教师答疑和学生自己的实践来完成[8]154-156。

    3.4赛前冲刺在开赛前期,参照电子设计竞赛模式,采用模拟试题,要求学生以2-3人组队的形式,在设定的时间限度内完成资料查阅、方案选择、电路制作、程序调试、问题排查、论文写作等一系列工作,体验竞赛氛围和工作模式。同时,邀请有丰富竞赛经验的指导教师或企业工程师开设专题讲座,讲评电子制作作品,补充竞赛方法和技巧,开拓学生的知识结构,使学生的实战能力得到快速提高[9]120-123。为了能更真实地反映出学生电子设计制作的实际水平,当前在区级赛和国家级赛中,逐渐加设了全封闭式的制作类专项竞赛。由组委会提供仪器设备、电路元件、万能板等硬件设备,各参赛队只能携带参考书籍和未写入程序的单片机小系统板入场。参赛队员需自行查阅资料、设计电路方案、列出元件清单并领用元件、在万能板上布设元件、焊接电路、调试并测量数据。针对这一竞赛形式,反馈到赛前培训中,则更需要加强对学生基础知识、独立工作能力和拼搏精神的培养和锻炼。

    4开展校级竞赛,提供练兵舞台

    学科竞赛是考查学生基本理论知识和提高解决实际问题能力的重要途径,同时也是培养学生实战经验和良好心理素质,从而在电子设计竞赛中获取佳绩的重要保障。参照电子竞赛的题型设置和考核方式,结合学校电子信息类专业培养目标,定期举办多项校级竞赛。竞赛依托丰富的校企合作资源,多采用企业提供竞赛经费或器件设备的形式,在题目中引入企业生产的实际问题,使竞赛来源于实践、服务于实践。“TI杯”模拟电子设计赛、“柯蓝杯”电子设计竞赛、ARM嵌入式系统设计竞赛等各类赛事为学生提供了真刀真枪比能力的练兵平台,同时极大地丰富了校园科技文化的内容,营造出浓厚的创新实践学习氛围。在竞赛种类的安排上,贯彻“高低年级并行、基础与提高并重”的方针,注意涵盖各年级学生的需求。针对低年级学生,定期举办实验仪器操作技能大赛,鼓励学生熟练掌握仪器设备使用、数据读取及常见故障处理技能,为之后的电子设计制作训练奠定坚实的基础。

篇(7)

第一届全国大学生电子设计竞赛于1994年在北京、四川和陕西3个省市开展试点;1995年在9个省市开展了第二届竞赛活动,全国有60多个代表队参赛;到1997年,第三届竞赛活动已扩大到18个省市,有200多所高校1000多个代表队参赛。原国家教委高教司决定,以后每两年竞赛一次。这说明电子设计竞赛越来越被全国高等院校和有关部门重视。电子设计竞赛是全国范围的一种内容全面、要求较高的综合能力考试,既考理论知识,又考设计、安装、调试、相互协作、论文撰写等多方面的能力。现将前三届竞赛试题作一分析。第一届竞赛有2个题目,第二、三届竞赛各有4个题目,大致可归纳为6类:(1)电源类。如简易数控直流电源,直流稳定电源。除此之外,其他题目所需电源也要自己设计;(2)信号源类。如实用信号源的制作;(3)测控类。如多路数据采集系统,水温控制系统;(4)仪器仪表类。如简易电阻、电容和电感测试仪,简易数字频率计;(5)放大器类。如实用低频功率放大器;(6)无线电类。如简易无线电遥控系统,调幅广播收音机。分析以上试题有下列特点:(1)试题涉及的课程多。包括模拟电子电路、数字电子电路、高频电子电路、功率电子技术、微机原理、单片机接口技术、PLD在系统编程技术、电工电子测量、自控原理;(2)综合性强。每个题目必须依靠多学科知识才能解决问题,仅有理论水平是不够的,还应具有较强的设计能力、实验技能、计算机应用能力以及队员之间的协作能力等;(3)实用性强。上述题目都是工业、科研、实验室等方面经常用到的电路或仪器。

二、电子类课程存在的问题

通过分析以上试题,发现电子类课程目前存在着如下问题:(1)教学内容与科技发展不相适应。电子技术是发展最快、应用最广的一门技术,而我们目前的教学内容与当今迅速发展的电子技术有较大差距,正像有些毕业生所说:“学的用不上,有用的没有学”;(2)教学方法与能力培养要求不相适应。主要体现在我们的教学方式仍然是以知识传播为主,以教师讲为中心,学生的内在动力没有充分发挥出来,不利于学生能力的培养;(3)理论与实际不相适应。所讲内容与现场应用中的实际问题有一定距离,不利于调动学生学习的积极性;(4)考核方法与素质提高不相适应。目前我们实行的考试方法仍然是以书本知识为主,以闭卷笔试为主,注重死记硬背,不利于提高学生素质。

三、培养大学生电子设计能力的几点措施

1.更新教学内容,重构课程体系

尽管电子技术的发展日新月异,新的器件层出不穷,但电子技术课的基础地位不能动摇。因此,模拟和数字电路中的放大、振荡、反馈、频率特性、逻辑函数、组合逻辑电路的设计、时序逻辑电路的设计等基础内容不能削弱。在此基础上要更新教学内容,着重分析由功能单元构成的通用集成电路(如集成运放、集成功放、集成A/D、D/A变换器等)和计算机应用集成电路(RAM、EPROM等),同时还要加强ASIC教学内容(如PLD、FPGA等)。电子技术基础是工程设计性很强的课程,在教学改革中必须用系统的观念重构课程体系,建议将模拟和数字电路学完后,再开一门“现代电子系统设计”。

2.加强EDA教学,提高大学生电子设计自动化水平

国际电子技术的发展动态显示出,ASIC与EDA是电子器件与电子设计发展的技术潮流。ASIC的开发必须借助于EDA工具,因此掌握EDA技术是对当今电子工程师的最基本要求。目前,美国等西方发达国家,全部都开展了EDA教学,其大学生在校期间就能用EDA技术开发出先进的电子产品。而我国在EDA教学方面还比较落后,只有一些重点院校才刚刚起步,多数院校还没有将EDA纳入教学中。从参加全国大学生电子设计竞赛的获奖作品看,凡利用了EDA技术用ASIC芯片实现的题目,均做得比较完善,关键是它大大节省了设计时间。因此,必须尽快建立EDA实验室,积极开展EDA教学,提高大学生电子设计自动化水平。

3.改变教学方法,激发学生学习的动力

我们在培训参加电子设计竞赛队员的过程中受到很大的启发,尽管培训时间短,但收效很大,关键是有一种非常强的学习动力在支持着他们,他们是在兴趣中学习,主动性和积极性得到了很好的发挥。同时,这一经验也给我们提出了一个新的问题,在我们平时的教学过程中,学生有没有动力?他们学习的主动性、积极性是否完全发挥出来了呢?这是值得深思的问题。在当今教学改革的大潮中,应大胆改革教学方法和教学手段,给学生确立一个明确目标,通过该课程的学习,让学生达到什么标准、完成什么任务,然后,围绕该目标,采取多方位的教学模式,启发学生动脑设计、动手制作,最终达到该目标。目前应特别注意学生对计算机、因特网感兴趣这一特点,充分利用现代化的教学资源(校园网络、计算机、多媒体教室),开发一些学生感兴趣的课件,最大限度地激发他们学习的动力。

4.加强实践环节,使理论能够联系实际

电子技术课程的特点是实践性强,因此,必须加强这一环节,使他们学以致用,理论联系实际。加强实践环节可以采取多种方式,应根据本校特点确定自己的最佳模式。我们目前采取了如下几种形式:①课内实验。一般占课程总学时的1/4~1/3;②课外实验。我们研制了180套微型数字电路实验箱,给每个学生发一台,让他们带回宿舍,自己随时都可以做;③虚拟实验。由于经费紧张,器件品种和数量少等现实问题,有些不能实现的复杂实验,可以利用EWB、Pspice等软件进行仿真实验;④课程设计;⑤实习基地;⑥开设以实验为主的“电子系统工程设计”选修课;⑦优异生参加老师的科研活动。