ＥＤＡ技術(shù)在職業(yè)技術(shù)教育中的實(shí)踐與探索

張繼濤　趙德申

【摘 要】 EDA即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是最近十幾年剛推出的新技術(shù)，在CAA和CAD（電子線路計(jì)算機(jī)輔助分析和輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，它集計(jì)算機(jī)、電子、信息和CAM（計(jì)算機(jī)復(fù)制制造）、CAT（計(jì)算機(jī)復(fù)制測(cè)試）等技術(shù)于一體，不僅具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力，還具有測(cè)試、分析及管理的功能，可完整實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從電學(xué)觀念設(shè)計(jì)到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過(guò)程。它改變了以往采用定量計(jì)算和搭電路實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，使電子電路的分析與設(shè)計(jì)方法發(fā)生了重大變革。目前公認(rèn)的優(yōu)秀的EDA軟件有Multisim和Protel等，職業(yè)技術(shù)教育開(kāi)展EDA教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生掌握最前沿的應(yīng)用技術(shù)，是時(shí)代發(fā)展和教育改革的需要。

【關(guān)鍵詞】 EDA技術(shù) 職業(yè)教育 實(shí)踐探索

EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是在CAA和CAD（電子線路計(jì)算機(jī)輔助分析和輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，它集計(jì)算機(jī)、電子、信息和CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試）等技術(shù)于一體，不僅具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力，還具有測(cè)試、分析及管理的功能，可完整實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從電學(xué)觀念設(shè)計(jì)到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過(guò)程。它改變了以往采用定量計(jì)算和搭電路實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，使電子電路的分析與設(shè)計(jì)方法發(fā)生了重大變革。微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的快速普及，給EDA技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。EDA技術(shù)已成為當(dāng)代電子系統(tǒng)及專用集成電路設(shè)計(jì)中不可缺少的重要手段。

一、常用的EDA技術(shù)軟件

目前引入我國(guó)EDA軟件有多種，其中影響比較在的有：Pspice、Multisim(MULTISIM)、Protel、Orcad等。

Pspice（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis）是美國(guó)MicroSim公司于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的電路仿真分析軟件，可以進(jìn)行模擬/數(shù)字電路混合分析、參數(shù)優(yōu)化等。

Multisim的前身是在我國(guó)具有一定知名度的EWB（Electronic Workbench）軟件，是加拿大Interactive Image Technologies Ltd公司20世紀(jì)90年代初推出的專用于電工電子線路仿真的軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬數(shù)字電路的混合仿真。

Protel的前身版本是Tango，由澳大利亞Protel Technolog公司研制開(kāi)發(fā)。該軟件功能十分強(qiáng)大，可以完成電路原理圖的設(shè)計(jì)、電路仿真分析、印制電路板設(shè)計(jì)及自動(dòng)布線、信號(hào)完整性分析、可編程邏輯器件（PLD）設(shè)計(jì)等。

Orcad軟件包是20世紀(jì)90年代初由美國(guó)Orcad公司研制開(kāi)發(fā)的EDA軟件包，包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、VST、PLD Tools等軟件。

EDA軟件很多，其功能各有所長(zhǎng)，但也有相似之處。因此對(duì)于在校的大中專學(xué)生來(lái)說(shuō)，沒(méi)有必要也不可能通曉所有軟件，重點(diǎn)學(xué)習(xí)一到兩種即可，因?yàn)槊繉W(xué)習(xí)一種軟件都需要時(shí)間。就目前了解的國(guó)際國(guó)內(nèi)EDA軟件的推廣應(yīng)用情況來(lái)看，Multisim和Protel是兩款優(yōu)秀的EDA軟件。

二、Multisim軟件

Multisim軟件被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)里的實(shí)驗(yàn)室”。具有界面交互友好、畫面形象直觀、易學(xué)、易用、快捷、方便、真實(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大部分硬件電路實(shí)驗(yàn)和分析的功能。

Multisim的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工作區(qū)好象一塊面包板，在上面可建立各種電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)及分析，工具欄中存放著數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表、數(shù)字萬(wàn)用表、功率表、具有存貯功能的示波器、能產(chǎn)生正弦波三角波和方波的函數(shù)發(fā)生器、可直接顯示電路頻率響應(yīng)的掃頻儀、數(shù)字信號(hào)邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，還有可進(jìn)行邏輯表達(dá)式和邏輯電路圖相互轉(zhuǎn)換的邏輯轉(zhuǎn)換儀等。

Multisim的器件庫(kù)為用戶提供數(shù)萬(wàn)種以上的常用模擬和數(shù)字元器件，設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過(guò)工具欄任意取用，每種元器件使用數(shù)量不受限制。元器件之間的連線操作也非常方便，當(dāng)你將電路所用元件放置到工作區(qū)后，只要將鼠標(biāo)箭頭指向元器件的引腳，立即就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)黑色圓點(diǎn)，這時(shí)按下鼠標(biāo)左鍵，移動(dòng)光標(biāo)到另一個(gè)元器件的引腳，一條連線自動(dòng)形成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)光二極管可以發(fā)出紅綠藍(lán)各色光，邏輯探頭可直接顯示電路節(jié)點(diǎn)的高低電平，繼電器和開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)可以分合動(dòng)作，熔斷器可以被燒斷，燈泡可以發(fā)光或燒毀，蜂鳴器可以發(fā)出不同音調(diào)的聲音，電位器的觸點(diǎn)可以按比例移動(dòng)改變阻值，儀器儀表可以顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)和波形。Multisim為用戶造就了一個(gè)一體化的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建立電路、實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果輸出在系統(tǒng)菜單系統(tǒng)中可以全部完成。如果是電子電路設(shè)計(jì)，Multisim還可進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、傅里葉變換分析、噪聲和失真度分析、溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析、靈敏度分析、零極點(diǎn)分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析等，分析結(jié)果以數(shù)值或波形直觀地顯示出來(lái)。圖1所示為用Multisim建立的單管放大電路及仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試的輸入輸出電壓波形。

三、Protel軟件

Protel軟件功能十分強(qiáng)大，尤其是印制電路板的設(shè)計(jì)與制作方面具有獨(dú)到之處。目前應(yīng)用的最新版本ProtelDXP是一個(gè)32位的EDA設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以完成電路原理圖的設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤檢查、仿真分析、印制電路板設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性分析、可編程邏輯器件（PLD）設(shè)計(jì)等。該軟件集強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力、復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性、設(shè)計(jì)過(guò)程管理于一體，具有電子產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完善的技術(shù)保證。Protel還具有網(wǎng)絡(luò)功能，對(duì)復(fù)雜的電子系統(tǒng)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多個(gè)成員分工合作設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成員通過(guò)設(shè)置密碼規(guī)定訪問(wèn)權(quán)限。Protel采用數(shù)據(jù)庫(kù)文檔管理方式，對(duì)多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)文檔實(shí)現(xiàn)同步設(shè)計(jì)和統(tǒng)一管理。

Protel仿真器，可以進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)電路的混合仿真，給出各測(cè)試點(diǎn)輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)和波形。同時(shí)它還能夠進(jìn)行直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)、交流小信號(hào)、失真、噪聲、溫度、蒙特卡羅等多種分析，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)電路的性能缺陷，及時(shí)地加以修正。Protel所帶的信號(hào)完整性分析工具能夠精確地模擬和分析印制電路板的性能，從而使得用戶可以了解網(wǎng)絡(luò)阻抗、傳輸特性、傳播延遲、信號(hào)質(zhì)量、信號(hào)反射、串音以及電磁兼容性等問(wèn)題以及它們帶來(lái)的影響。確保了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。圖2所示為用Protel設(shè)計(jì)的“振蕩器和積分器”電路原理圖、仿真波形和印制電路板。

四、與時(shí)俱進(jìn)開(kāi)展EDA教學(xué)

教育要面向現(xiàn)代化，面向未來(lái)。教學(xué)內(nèi)容要跟隨時(shí)代變化及時(shí)更新。EDA是最近十多年剛發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，其卓越的功能，不僅縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，降低了設(shè)計(jì)和制作成本，而且大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，使電子科技界發(fā)生了重大變革。許多大中專校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了相關(guān)的課程，現(xiàn)在市面上已有多種版本的EDA教材出版， EDA技術(shù)方面的參考書也很多。教育部組織制訂的新的電子類電氣類各專業(yè)教學(xué)大綱也已將EDA技術(shù)列為學(xué)生必學(xué)的內(nèi)容之一。

目前電子產(chǎn)品已進(jìn)入微電子技術(shù)應(yīng)用階段，超大規(guī)模集成電路、復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和精密的制作工藝設(shè)計(jì)，是手工設(shè)計(jì)難以完成的，EDA技術(shù)成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要工具。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)使電力電氣設(shè)備的自動(dòng)化智能化程度越來(lái)越高，以弱控強(qiáng)是現(xiàn)代電氣設(shè)備的特征。

EDA軟件教學(xué)為電工電子課程教學(xué)改革打開(kāi)了一個(gè)窗口。學(xué)生一旦掌握了EDA軟件的基本操作，便可在教師的指導(dǎo)下在計(jì)算機(jī)上自學(xué)，對(duì)有關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行分析和計(jì)算，做開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，完成課外作業(yè)，加深對(duì)課堂內(nèi)容的分析和理解。教師可用EDA軟件搞科研設(shè)計(jì)和幫助備課，研究電路中的疑難問(wèn)題，精減課堂教學(xué)內(nèi)容，取代部分硬件電路實(shí)驗(yàn)，可取得事半功倍的效果。教師教得輕松，學(xué)生學(xué)得主動(dòng)，省錢省時(shí)又省工。同時(shí)使電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)成為一件輕松愉快的事情。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，各種應(yīng)用軟件應(yīng)運(yùn)而生，為各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)和制造采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)提供了便利條件?，F(xiàn)在大多數(shù)學(xué)校備有充足的學(xué)生上機(jī)的機(jī)房，甚至有的學(xué)生宿舍也配備了計(jì)算機(jī)，為學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作創(chuàng)造了良好的條件。開(kāi)設(shè)EDA技術(shù)課程，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用EDA軟件，相當(dāng)于給每個(gè)學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和設(shè)計(jì)室，可有效地促進(jìn)學(xué)生綜合技能的培養(yǎng)。

五、我院開(kāi)展EDA教學(xué)的探索

1993年我院首次對(duì)“加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)試點(diǎn)班”學(xué)生開(kāi)設(shè)電子線路CAD課程，當(dāng)時(shí)使用的軟件為Tango，學(xué)生表現(xiàn)出極大的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。試點(diǎn)班學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，用Tango軟件設(shè)計(jì)制作了電力電子、自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備58臺(tái)套。

EDA是一門新技術(shù)，多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，積極主動(dòng)，但也發(fā)現(xiàn)個(gè)別學(xué)生學(xué)習(xí)情緒不夠穩(wěn)定，往往需要教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情加以正確引導(dǎo)。

例如EDA仿真實(shí)驗(yàn)是一種虛擬的操作，學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)感到有些抽象，因此，我們讓學(xué)生將電工、電子技術(shù)EDA仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的數(shù)據(jù)、波形進(jìn)行對(duì)比，證明二者的一致性，使學(xué)生確信EDA仿真實(shí)驗(yàn)的正確，從而明白虛擬并非虛構(gòu)，而是真實(shí)地模仿，提高學(xué)生進(jìn)行EDA實(shí)驗(yàn)的信心和興趣，加深對(duì)理論知識(shí)的分析和理解；再如電子技術(shù)實(shí)習(xí)時(shí)，為了讓學(xué)生正確地使用EDA軟件設(shè)計(jì)印制電路板，我們組織學(xué)生參觀電子廠和電視機(jī)廠，了解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)我們還收集了多種電子元器件和收音機(jī)、電視機(jī)、VCD機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品的印制電路板，讓學(xué)生仔細(xì)觀察各種元器件的外形，學(xué)會(huì)識(shí)別和測(cè)試元件，認(rèn)真研究印制電路板的結(jié)構(gòu)及布局、布線特征，使學(xué)生獲取感性認(rèn)識(shí)后再深入學(xué)習(xí)EDA技術(shù)。

EDA教學(xué)是軟件教學(xué)，不宜在教室空講授課，適宜計(jì)算機(jī)演示教學(xué)。我們一般采用大屏幕投影教學(xué)，即多媒體教室上課。老師一邊在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，一邊進(jìn)行講解。若每個(gè)學(xué)生面前有計(jì)算機(jī)，可讓他們跟隨老師一起操作。若上課時(shí)學(xué)生沒(méi)有配備計(jì)算機(jī)，下課后可安排學(xué)生上機(jī)操作，授課和上機(jī)操作學(xué)時(shí)比為1∶1，也可使操作學(xué)時(shí)多一些，交叉進(jìn)行。每次上機(jī)操作前，老師對(duì)學(xué)生提出具體的練習(xí)內(nèi)容要求，加強(qiáng)操作考核，學(xué)一部分，考核一部分。一般在EDA課程結(jié)束后，還安排有電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)和電子技術(shù)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，這些環(huán)節(jié)都要求用EDA軟件繪圖及進(jìn)行實(shí)際制作，使學(xué)生在反復(fù)練習(xí)EDA軟件操作過(guò)程中，不斷提高熟練程度。

實(shí)踐證明，EDA教學(xué)還可以促進(jìn)計(jì)算機(jī)、英語(yǔ)和其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。由于不同計(jì)算機(jī)軟件的窗口界面、菜單命令操作具有一定的相似性，學(xué)好用好EDA軟件，對(duì)學(xué)習(xí)其他計(jì)算機(jī)軟件有諸類旁通的作用；再如英語(yǔ)，因?yàn)槎鄶?shù)EDA軟件都是國(guó)外原版，其菜單命令、對(duì)話框文字及幫助信息都是英文，學(xué)習(xí)EDA軟件時(shí)，學(xué)生也就聯(lián)系專業(yè)實(shí)際學(xué)習(xí)了英語(yǔ)，記憶深刻；另外通過(guò)EDA軟件所做的各種仿真實(shí)驗(yàn)與測(cè)試分析，可大大加深對(duì)電路原理的理解，利用EDA軟件功能還可以自行創(chuàng)建各種強(qiáng)電系統(tǒng)使用的元器件符號(hào)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出電類專業(yè)其他課程如電力電子技術(shù)、機(jī)床電氣控制設(shè)備、供配電線路等電路原理圖和裝配圖。

由于EDA軟件是電工電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的工具，因此讓學(xué)生在進(jìn)校的第二學(xué)期就可以開(kāi)出，這樣在學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)和電子技術(shù)時(shí)就可以應(yīng)用。

六、總結(jié)

目前全球性的EDA技術(shù)開(kāi)發(fā)推廣應(yīng)用方興未艾，我們應(yīng)不失時(shí)機(jī)地在職業(yè)技術(shù)教育中開(kāi)展EDA教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生掌握最前沿的應(yīng)用技術(shù)，以滿足時(shí)代發(fā)展和教育改革的需要。

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