淺談ＥＤＡ軟件在數電教學中的應用

摘要：《數字電子技術》是一門很重要的專業基礎課，將EDA軟件應用到數字電路的教學與實驗中，對于數字電路的理論教學、實驗教學、課程設計等環節都有顯著的幫助，利于學生們更好的掌握這門課程，取得了很好的教學和實驗效果。

關鍵詞：EDA軟件；數字電路；教學；實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)24-1250-03

Research on EDA Software in Teaching of Digital Electronics Technology

WANG Yang，HU Jiang，QIAN Yu-lu

(Department of Electronics and Information，Zhejiang Wanli University，Ningbo 315100，China)

Abstract:Digital electronics technology is an important professional course.It can be propitious to teaching， experiments and course design etc.， if EDA software is applied to teaching of Digital electronics technology. It can help students master this course better. Finally， its teaching effect is satisfying.

Key words: EDA software; digital electronics technology; teaching; experiment

1 引言

《數字電子技術》是電子信息類本科生的一門專業基礎必修課。課程的主要任務是使學生掌握數字電子技術的基本概念和基本理論，掌握數字電路的分析和設計方法，應用常用的中、小規模數字集成電路進行邏輯電路設計等。EDA是Electronic design automation的縮寫，即電子設計自動化，是人們進行電子產品設計、開發和制造過程中非常關鍵的一步。隨著現今計算機的普遍應用，將EDA軟件應用到數字電路的教學中，形成虛擬的實驗環境，對于數字電路的理論教學、實驗、課程設計等環節都有顯著的幫助，利于學生們更好的掌握《數字電子技術》這門課程。本文主要是分析了EDA軟件與數電課程結合應用的一些心得，通過EDA工具的使用，提高了學生的學習興趣，達到很好的教學效果，同時利于后續相關課程的學習。

2 EDA軟件在數電理論教學中的應用

在進行數字電路的理論教學時，對于常用時序邏輯功能器件的講解[1]，如對計數器的介紹會牽涉到許多概念，像同步置數（清零）、異步置數（清零）等，這些概念學生在掌握的過程中很容易混淆，但若利用了EDA工具中的Multisim 軟件，一邊講解，一邊演示，會很好的幫助學生理解和掌握。這里我們以4位集成二進制同步加法計數器74LS161器件為例，利用同步置數法構成一個五進制的計數器。利用同步置數端LD歸零，SN-1=S4=100，LD=Q2n由Multisim 軟件得到圖1(a) 所示電路，其中ENR和ENT為使能端，CLR為清零端，將它們接在高電平上； A/B/C/D均接地端；QDQCQBQA為信號從高位到低位的計數器輸出端，其中QC通過74LS04器件的一個非門和同步置數端LOAD相連。當SN-1=QDQCQBQA=0100時，就會有一個0信號給予同步置數端LOAD，在下一個時鐘脈沖的上升沿到達時置入了0000狀態。利用Multisim 軟件可以將整個過程演示出來，對圖1(a)進行仿真，可以看到數碼管上數字的變化為圖1(b)所示；打開示波器XSC1得到圖1(c)。由圖1(b)、1(c)學生們可以清楚的看到如圖1(a)實現了一個五進制的計數器功能，其中0001、0010、0011、0100這4個狀態是由74LS161進行加1實現的，0000狀態是由同步置數得到的。

同樣利用Multisim 軟件，我們也可以演示利用74LS161器件的異步清零法構成的計數器，這樣學生們可以很清楚的比較置數法和清零法二者的差別，更好的對這部分的內容進行理解和掌握。因此，將EDA軟件應用于數電理論教學中，對于理論教學有很好的輔助作用，加深了學生們對于理論課程的理解，獲得良好的教學效果。

3 EDA軟件在數電實驗中的應用

對于數字電路的學習，是離不開實驗教學這個環節的，為了能夠更好的做好實驗，通常要求學生在作實驗前預習實驗內容和實驗步驟等。但僅僅只是粗略的看看實驗指導書，學生很難對整個實驗有系統的認識，在實際的實驗中會過多的依賴教師，這樣很難達到實驗教學的目的，有時甚至會影響到學生們對于這門課程的學習興趣。若我們將Multisim軟件與數電實驗結合起來，在實驗前鼓勵學生利用它建立一個虛擬實驗室[2]，做一次虛擬實驗，幫助學生更好的完成實驗。這里我們以555集成定時器構成多諧振蕩器的實驗為例。實驗的內容是利用555集成定時器構成的多諧振蕩器來產生T=tPH+tPL=1.25s的脈沖信號，其中tPH=1s 。由Multisim軟件，利用電容器的充放電特性，可以得到如圖2(a)的圖形，對其仿真后，打開示波器XSC2，可以看出我們得到了一個tPH=1s，占空系數為80％的脈沖信號，如圖2(b)所示。

從這個虛擬實驗中，學生可以很好的理解555集成定時器元件各個管腳的功能，實驗電路的設計方法，及實驗結果的情況等。因此，通過利用Multisim軟件進行虛擬實驗，可以讓學生更加熟悉實驗內容，減少實驗中不必要的錯誤。在虛擬實驗中得到的結果可以在實際中檢驗；同時在虛擬實驗中遇到的問題，可以帶著問題去到實驗室里做實驗，這樣大大增加了學生的興趣，提高了實驗效果。

4 EDA軟件在數電課程設計中的應用

課程設計的環節對于數字電路教學來說也是非常重要的[3]，它可以幫助學生加深對于整個課程的系統理解；提高學生理論聯系實際的能力；增加學生實際解決問題的能力；促進學生的創新意識和創新能力。將Multisim工具應用于其中，可以幫助學生更好的完成自己的課程設計。例如以設計簡易數字頻率計為課程設計的題目，要求在面包板上實現該電路。要完成這個課程設計，首先學生必須了解測頻的基本原理，如圖3所示，被測頻率fx的信號u1(t)自輸入通道經過整形、放大等形成與周u1(t)期個數相同的計數脈沖進入主控門電路，在門控雙穩態電路開門信號的控制下，將計數脈沖送入計數、鎖存、譯碼、驅動與顯示電路，由半導體發光數碼管顯示出被測頻率fx值。控制電路是控制、協調各單元電路的工作程序[4]，完成頻率的測量。

在清楚電路設計原理的基礎上，學生通常是利用現有的元器件，在面包板上完成電路的設計、搭建、調試、測試等工作，但這樣會存在一些問題，如元器件的損壞、接觸不良；面包板某部分短路；實驗儀器的精度不夠等，這些都會影響學生的設計進度，給學生增加了一些不必的設計難度，但若學生利用Multisim工具，就會大大簡化他們的設計難度。由數字頻率計的設計原理，可以在Multisim軟件中虛擬出整個設計過程。首先，由電路原理得到電路圖，通過仿真，不斷達到設計指標，最終可以得到如圖4(a)所示的電路圖。

然后，可以利用Multisim 8的面包板功能，將其整個電路搭建在虛擬面包板上，如圖4(b)就搭建了上述的設計中的時基電路部分。選擇和實驗室中相同大小的面包板，學生就可以利用軟件的這個功能將完整的電路搭建在這塊虛擬面包板上，利用軟件的“DRC和連接檢查”功能檢查無錯誤后，就可將其搬到實際的面包板上即可。

5 EDA軟件在數電課程中的其它應用

為了更好的培養應用型電子技術人員，我們在數字電路教學的過程中，常會對學生介紹一些課外知識，如PCB板設計等，但是這些講解有時會較空洞，因為學生很難將仿真的電路與實際的PCB版圖聯系在一起，但是我們利用EDA工具中的Ultiboard 8軟件，可以解決這個難題。例如以采樣計數電路為例，首先，利用Multisim軟件可以得到它的電路圖形，如圖5(a)所示；然后利用Ultiboard軟件可以畫出它的PCB版圖[5]，如圖5(b)所示；利用Ultiboard軟件的3D演示功能，學生們可以清楚的看到該PCB版圖制版后的模樣，如圖5(c)所示。這樣對于學生的理解具有很大的幫助，提高了學生的學習興趣，取得了很好的教學效果。

綜上所述，利用EDA軟件可以幫助學生對于數字電路這門課程的學習，不論是在理論教學、實驗教學中，還是在課程設計中，都起到了很好的輔助作用，加深學生們對于課程的理解、認識，獲得良好的教學效果，同時也為今后學習相關課程，如VHDL語言、DSP技術等，打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 覃善華，歐陽義芳，吳偉明，等.EWB在《數字電路》教學中的應用.現代電子技術，2004，1:100-102.

[2] 史慶軍.EWB在數字電路仿真分析中的應用[J].電子技術應用，2000，12:41-43．

[3] 王毓銀.數字電路邏輯設計[M].北京:高等教育出版社，2002.

[4] 時青.MAX+Plus與數字電路教學[J].電子工程師，2004，6:40-43．

[5] Anil Balaram.Modeling for printed-circuit board simulation.IEEE，2000，8:70-74．