EDA技術(shù)在電工電子教學(xué)中的應(yīng)用研究

山東師范大學(xué)歷山學(xué)院 徐忠志

EDA技術(shù)在電工電子教學(xué)中的應(yīng)用研究

山東師范大學(xué)歷山學(xué)院 徐忠志

EDA技術(shù)在電工電子教學(xué)中的作用和價(jià)值十分顯著,若能科學(xué)、合理運(yùn)用EDA技術(shù),不僅能有效提升電工電子教學(xué)的質(zhì)量和效率,還能幫助打破理論教室和實(shí)踐教學(xué)的界限,促使學(xué)生更好地將理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中,提高學(xué)習(xí)成效.基于此,本文首先介紹EDA技術(shù)的基本特征,然后分析EDA技術(shù)在電工電子理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,望能為同行提供一些參考和借鑒.

EDA技術(shù);電子電工;MULTISIM軟件;仿真實(shí)驗(yàn)

EDA技術(shù)(英文Electronics Design Automation),即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù),EDA技術(shù)主要依托于計(jì)算機(jī),給設(shè)計(jì)者提供EDA軟件平臺,借助硬件描述語言完成文件的設(shè)計(jì),接著再利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線以及仿真,直至對于特定目標(biāo)芯片的邏輯映射、適配編譯以及編程下載等相關(guān)工作[1].EDA技術(shù)的誕生,極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率、質(zhì)量以及可操作性,緩解了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)負(fù)擔(dān),值得在電工電子教學(xué)中推廣和使用.

電工電子課是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、光電技術(shù)、機(jī)電一體化、自動(dòng)控制等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,該課程基礎(chǔ)性、實(shí)踐性、工程性均較強(qiáng),教學(xué)中要理論聯(lián)系實(shí)際.結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù))工具,從教學(xué)方法和教學(xué)手段上給予改革,注重引導(dǎo)學(xué)生開放性思維,有計(jì)劃的培養(yǎng)學(xué)生由不同渠道,通過不同方法對相同問題展開討論,使學(xué)生盡快掌握課本中的基本概念與基礎(chǔ)知識,提高學(xué)生問題分析與解決能力,增強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì),是電工電子教學(xué)改革的重要內(nèi)容.

一、EDA技術(shù)的基本特征

1.系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu).EDA技術(shù)的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是一套配置與使用EDA軟件包的規(guī)范,當(dāng)前EDA系統(tǒng)均創(chuàng)建了框架結(jié)構(gòu),且所有框架結(jié)構(gòu)均滿足國際CFI組織(CAD Framework Initiative)的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2].

2.ASIC設(shè)計(jì).根據(jù)設(shè)計(jì)方法可分為三種:全定制ASIC設(shè)計(jì),即設(shè)計(jì)者需要先定義芯片上全部晶體管的工藝規(guī)則及幾何圖形,然后由IC廠家完成設(shè)計(jì)的掩膜制造;半定制ASIC技術(shù),此技術(shù)分為兩種約束性設(shè)計(jì)方法,門陣列設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)以簡化為主,通過犧牲芯片性能達(dá)到縮減開發(fā)時(shí)間的目的;可編程ASIC技術(shù),即設(shè)計(jì)者在實(shí)驗(yàn)室就可根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的版圖燒制芯片,不需要IC廠家參與,有效縮短開發(fā)周期.

3.硬件描述語言.英文HDL-Hardware Description Language,主要運(yùn)用于硬件電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過軟件編程實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能以及連接形式的描述.硬件描述語言具備四個(gè)有點(diǎn):一是范圍描述能力很寬,將設(shè)計(jì)者工作重心提升至系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試,減少物理實(shí)現(xiàn)花費(fèi)的精力;二是通過簡單明了的代碼描述復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計(jì),既便捷又靈活,對交流、保存以及重用設(shè)計(jì)結(jié)果都有一定意義;三是不用依靠特定的器件進(jìn)行設(shè)計(jì),使得工藝轉(zhuǎn)換更加便捷;四是屬于標(biāo)準(zhǔn)性語言,支持多數(shù)的EDA廠商,具備良好的移植性.

4.自頂向下設(shè)計(jì).自頂向下(Top-down)設(shè)計(jì)首先應(yīng)以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為著手點(diǎn),在頂層劃分功能方框圖以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),并在方框圖一級做仿真和糾錯(cuò)處理,借助硬件描述語言描述高層次系統(tǒng),在系統(tǒng)一級實(shí)施驗(yàn)證;接著利用綜合優(yōu)化工具完成具體門電路網(wǎng)表,其對應(yīng)物理實(shí)現(xiàn)級為專用集成電路或是印刷電路板.自頂向下設(shè)計(jì)時(shí)在高層次上進(jìn)行仿真與調(diào)試,便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的缺陷和漏洞,減少重復(fù)設(shè)計(jì)和邏輯功能仿真工作量,確保設(shè)計(jì)一次成功率.

二、EDA在電工電子理論教學(xué)中的應(yīng)用

電工電子技術(shù)理論教學(xué)內(nèi)容主要包括基本元件器(結(jié)構(gòu)、特性、原理、主要參數(shù)、有關(guān)應(yīng)用)、基本電路(電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本的分析方法、電路特性和有關(guān)應(yīng)用)等,知識的抽象性和綜合性強(qiáng),學(xué)生學(xué)習(xí)起來較吃力.EDA軟件(如Multisim軟件)里包含大量元器件庫,這些器件、儀器儀表在軟件里通過圖表的方式展現(xiàn)出來,且標(biāo)有具體型號,可快速而準(zhǔn)確的完成電子線路設(shè)計(jì)、仿真和制版,使用非常方便,并且形象直觀,老師在電工電子技術(shù)理論教學(xué)中,若合理靈活應(yīng)用EDA軟件,可以老師可較形象生動(dòng)地講解所教內(nèi)容,學(xué)生也較容易理解掌握所學(xué)知識,則能大大地提高體教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果.

如在《模擬電子技術(shù)》課共射極放大電路的教學(xué)中,老師在理論講授的同時(shí)或后續(xù),即可應(yīng)用EDA軟件如Multisim,連接理論講授時(shí)的放大電路,運(yùn)行,調(diào)用虛擬示波器進(jìn)行電路輸入輸出波形的觀察,這樣,學(xué)生一眼就可看出輸入信號被放大了,可以結(jié)合輸入輸出波形還能直接計(jì)算電路的放大倍數(shù),驗(yàn)證理論計(jì)算的放大倍數(shù).還能改變電路參數(shù)如基極電阻大小,使放大電路工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài),通過虛擬儀器觀察此狀態(tài)時(shí)輸出波形,理解其失真.當(dāng)然還可調(diào)用虛擬儀器萬能表測定三極管基極、集電極、發(fā)射極的電位,等等,這樣,通過EDA軟件,可以直觀形象觀察和理解共發(fā)射極放大電路中靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置對放大信號的影響.

三、EDA技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段,理工科(尤其是電子信息)類的高校基本上均增設(shè)了EDA課程,主要目的即促學(xué)生掌握EDA基本概念與基本原理,了解用VHDL語言編寫規(guī)范,了解邏輯綜合理論與算法,借助EDA工具完成電子電路課程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證且從事簡單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[3].許多高校主要是在CPLD/FPCA實(shí)驗(yàn)過程里,利用Altera公司的Max+PlusII軟件、Xilinx公司的Fonidation軟件、Lattice公司的ispEXPERT軟件,通過VHDL語言進(jìn)行電子設(shè)計(jì)過程的功能方針、編譯、邏輯綜合、芯片的引腳鎖定、編程下載與時(shí)序仿真等操作.

例如在做串聯(lián)諧震電路實(shí)驗(yàn)時(shí),因?qū)嶒?yàn)室缺乏波特圖儀,讓該實(shí)驗(yàn)僅能依靠取點(diǎn)求諧振曲線,但Multisim軟件則能觀察到光滑的諧振曲線,且可同時(shí)了解到參數(shù)變化為諧振曲線造成的影響,如圖1所示.這種教學(xué)模式形象直觀,利于學(xué)生的理解與記憶,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,激發(fā)其興趣和學(xué)習(xí)熱情,提升課堂教學(xué)效率和質(zhì)量.

圖1 統(tǒng)一坐標(biāo)系里不同電阻時(shí)的幅頻特性與相頻特性

又例如電路分析模塊的教學(xué).當(dāng)電路里僅僅存在獨(dú)立源的時(shí)候,創(chuàng)建仿真電路相對容易,且仿真結(jié)果基本上不會(huì)出錯(cuò);若電路里存在受控源,是否能正確創(chuàng)建電路就直接關(guān)系到仿真結(jié)果的正確性.如圖2所示,電路里存在一個(gè)電壓控制的電壓源,需要計(jì)算出電路里的電壓.

圖2

圖3

要解決這一問題,教師就可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用MULTISIM軟件構(gòu)建一個(gè)仿真電路,并設(shè)置好各個(gè)元件參數(shù),簡言之,就是先從電源庫和元件庫里選出需要的電源和負(fù)載電阻,包括受控源.需注意的是,受控源有4個(gè)端和外部元件連接,其中控制端需要并聯(lián)在電阻R2的兩端,受控端負(fù)極需要和電阻R2相連,正極要做接地處理,因此需要事先創(chuàng)建電路獨(dú)立源和電阻連接的部分,然后再接入受控源.接著雙擊元件符號,彈出屬性對話框后即設(shè)置相應(yīng)參數(shù).最后打開仿真開關(guān)實(shí)現(xiàn)仿真,并組織學(xué)生認(rèn)真觀察和分析仿真結(jié)果,如圖3所示.通過仿真實(shí)驗(yàn)得出,電阻R2兩端電壓均為16V.

事實(shí)證明電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué),利用EDA軟件能實(shí)現(xiàn)理論知識和實(shí)踐的有效銜接,幫助學(xué)生更清晰、更牢固掌握所學(xué)知識.

四、結(jié)語

EDA技術(shù)已成為電子領(lǐng)域中不可或缺的技術(shù),將EDA技術(shù)應(yīng)用到電工電子教學(xué)是時(shí)代發(fā)展需要和要求,在電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電路等課程教學(xué)中均有較高的應(yīng)用價(jià)值.不論是從教學(xué)還是實(shí)用的角度看,EDA技術(shù)均是一個(gè)最體現(xiàn)以人為本、展現(xiàn)能力本位的新型教學(xué)方法和手段,可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識與探索精神.同時(shí),隨著EDA技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,必將在信息工程、電子工程等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用.因此,從事電工電子類教學(xué)的教師應(yīng)不斷學(xué)習(xí)和提高EDA技術(shù),以確保在實(shí)際教學(xué)中,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容能靈活熟練地運(yùn)用.

[1]王迪.芻議EDA技術(shù)應(yīng)用于電工電子教學(xué)中的具體體現(xiàn)[J].商情,2014(23):161-161.

[2]唐慧萍.分析EDA技術(shù)的特征及其在電子線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(14):120-120.

[3]王德宏.淺談EDA技術(shù)在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子制作,2013(8X):189-189.