EDA技術(shù)在電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用

周琳

（安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，安徽合肥230619）

EDA技術(shù)在電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用

周琳

（安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，安徽合肥230619）

EDA即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù),它為電子設(shè)計(jì)工作者提供了電路系統(tǒng)的一種全新的設(shè)計(jì)方法。論文以數(shù)字電子鐘電路設(shè)計(jì)與分析為例，介紹了EDA仿真軟件MULTISIM在電子類課程教學(xué)和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過實(shí)例，展示了MULTISIM的優(yōu)越性、實(shí)用性、可靠性；同時(shí)，簡單介紹了MULTISIM軟件在其他方面的應(yīng)用，及與相關(guān)軟件的兼容性。最后，強(qiáng)調(diào)了在教學(xué)中引入EDA仿真軟件，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方式改革的深遠(yuǎn)意義。

MULTISIM仿真；數(shù)字鐘；74LS161；波形分析；模塊

1 引言

EDA技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)于一體，是近代電子信息領(lǐng)域發(fā)展起來的杰出，而相關(guān)的EDA軟件則代表著電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)潮流。在眾多的EDA仿真軟件中，由于MULTISIM軟件界面直觀、操作方便、仿真測試和分析功能強(qiáng)大，因此非常適合電子類課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，是一種相當(dāng)好的電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)工具，同時(shí)也是學(xué)生和電子設(shè)計(jì)開發(fā)人員進(jìn)行電路仿真分析的重要手段。

2 引入EDA的必要性與可行性

2.1 將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)的必要性

電子類課程既有很強(qiáng)的理論性，也有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要學(xué)好這類課程，不是一件容易的事情。只有有了好的教學(xué)方法、教學(xué)手段，配合一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)（含課堂教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn)）和實(shí)踐環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生領(lǐng)會(huì)、理解、掌握課程內(nèi)容，做到融會(huì)貫通、學(xué)以致用，收到好的教學(xué)效果。然而在電子技術(shù)課程的教學(xué)中，過去一直存在著教學(xué)手段單一、教學(xué)方法呆板、實(shí)驗(yàn)資源不足等問題，致使教學(xué)效果不盡人意。經(jīng)過幾年的探索與實(shí)踐，我們認(rèn)識(shí)到將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)中去，是解決上述問題行之有效的方法。

2.2 將EDA引入電子技術(shù)課程教學(xué)的可行性

其一，近年來高等學(xué)校教學(xué)條件普遍改善，課堂教學(xué)中已普遍采用多媒體授課，具備了使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的硬件條件。在課堂教學(xué)中，教師可以應(yīng)用EDA軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)演示，解決了過去電子技術(shù)課程演示實(shí)驗(yàn)難的問題。教學(xué)過程中涉及具體電路時(shí)，都可以使用軟件中的虛擬儀器（如萬用表、示波器、波特圖儀、數(shù)碼顯示器），利用多媒體同步演示、方便直觀、可大大提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

其二，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子類專業(yè)多種實(shí)驗(yàn)室已配備了微機(jī)，具備了開設(shè)EDA仿真實(shí)驗(yàn)的硬件條件。就我校而言，電子信息類專業(yè)中已有微機(jī)原理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、EDA技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、單片機(jī)等眾多實(shí)驗(yàn)室配備了微機(jī)。只要在這些微機(jī)上裝上EWB、Multisim、Protel等EDA軟件，就可以進(jìn)行電子線路的設(shè)計(jì)與仿真了。

其三，隨著微機(jī)的普及，較多學(xué)生已擁有了個(gè)人電腦。如果裝上EWB、Multisim、Protel等軟件，就相當(dāng)于擁有了個(gè)人的“多功能電子實(shí)驗(yàn)室”。學(xué)生課后可通過虛擬實(shí)驗(yàn)方便地驗(yàn)證課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，還可以隨時(shí)進(jìn)行其他設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

3 EDA技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用舉例

EDA仿真軟件MULTISIM在電路分析課程、模擬電路課程、數(shù)字電路課程中，都得到了廣泛應(yīng)用，并取得良好教學(xué)效果。它即克服了實(shí)驗(yàn)室物資的缺乏，又具備足夠的分析能力，使得學(xué)生在實(shí)物不具備的條件下也能夠模擬實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果，從理論過渡到實(shí)踐，有效鞏固理論知識(shí)。更為重要的是，為學(xué)生進(jìn)行探究型學(xué)習(xí)提供了平臺(tái)和手段，也有利于學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

例如，在數(shù)字電子技術(shù)課程中，在學(xué)習(xí)了時(shí)序邏輯電路后，要求學(xué)生采用集成芯片74LS161兩片設(shè)計(jì)六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器[1]。學(xué)生很快給出了實(shí)驗(yàn)電路，如圖1所示。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否能夠完成60進(jìn)制，我們利用MULTISIM仿真軟件，搭建了仿真實(shí)驗(yàn)電路，如圖2所示。

圖3

這樣，通過仿真實(shí)驗(yàn)手段，確認(rèn)了設(shè)計(jì)的正確性之后，再用實(shí)物搭建電路，完成了60進(jìn)制電路的設(shè)計(jì)。

為了進(jìn)一步鞏固教學(xué)效果，我們要求學(xué)生設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘的分鐘和秒鐘電路。因?yàn)榉昼姟⒚腌婋娐范际?0進(jìn)制的電路，很多學(xué)生自然而然想到了以此為模塊，進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。

圖4

將兩個(gè)六十進(jìn)制的模塊電路放置到圖紙上，唯一改變的是如箭頭所指示部分，即綠色連線部分。它將第一個(gè)六十進(jìn)制模塊的清零信號(hào)，作為第二個(gè)模塊的觸發(fā)時(shí)鐘，即秒鐘計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到60時(shí)，自動(dòng)清零的同時(shí)向分鐘計(jì)數(shù)器發(fā)送計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)，分鐘計(jì)數(shù)器收到信號(hào)自動(dòng)計(jì)數(shù)。

為了查找原因，我們在電路中增加示波器，運(yùn)用示波器信號(hào)進(jìn)行波形觀察與分析。示波器的連接方式如圖5所示。

圖5

通過示波器觀察，我們發(fā)現(xiàn)，級(jí)聯(lián)信號(hào)的波形，如圖6所示。秒鐘計(jì)數(shù)到50時(shí)有一個(gè)瞬時(shí)低電平出現(xiàn)在輸出波形中，計(jì)數(shù)到60時(shí)有一個(gè)正常的低脈沖產(chǎn)生。瞬時(shí)低脈沖觸發(fā)了分鐘電路的CP信號(hào)，產(chǎn)生了誤計(jì)數(shù)。

圖6

通過分析，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這是由電路的競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象[2]所導(dǎo)致的結(jié)果，即計(jì)數(shù)到49時(shí)，由于9（1001）的傳送先經(jīng)過與門，再送到三輸入與非門，有個(gè)延時(shí)，恰好與下一位50信號(hào)同步到達(dá)，使得進(jìn)入三輸入與非門的信號(hào)同時(shí)為1，從而使輸出產(chǎn)生了瞬時(shí)低電平，這個(gè)瞬時(shí)低電平輸出信號(hào)又被作為時(shí)鐘信號(hào)，送入分鐘計(jì)數(shù)器的CLK端，由此產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。

利用仿真軟件平臺(tái)，很容易就將問題原因分析出來了，是設(shè)計(jì)上先天不足。既然是設(shè)計(jì)上的不足，就應(yīng)該從設(shè)計(jì)上下手去解決問題。綜合考慮后，我們對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)電路如圖7所示。

圖7

注意箭頭指示部位，即將模塊內(nèi)部的高位74LS161的ENT信號(hào)直接接高電平，將高位74LS161的CLK信號(hào)接與門74LS08的輸出端，這樣，就將原先采用的同步工作方式改進(jìn)為異步工作方式。再次使用仿真平臺(tái)進(jìn)行觀察，波形如圖8所示，不再有瞬時(shí)低脈沖出現(xiàn)，有效地克服了競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象。

圖8

如果在此基礎(chǔ)上，再設(shè)計(jì)24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，就完成了整個(gè)數(shù)字鐘電路核心部分的設(shè)計(jì)工作。24進(jìn)制設(shè)計(jì)電路如圖9所示。

圖9

數(shù)字鐘核心部分的設(shè)計(jì)電路如圖10所示。

圖10

在本例中采用MULTISIM仿真軟件，極為方便地設(shè)計(jì)并測試了電路。MULTISIM仿真軟件，為教學(xué)和研究提供了直觀清晰的平臺(tái)，極大地豐富和完善了教學(xué)手段。

4 應(yīng)用擴(kuò)展

MULTISIM仿真軟件的作用強(qiáng)大，除了在基礎(chǔ)教學(xué)和設(shè)計(jì)中可以采用它作為輔助實(shí)驗(yàn)手段外，它還具備制版功能，可以將原理圖直接轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)表并完成布線制版任務(wù)，也可以和AUTOCAD、PROTEL等軟件進(jìn)行交互。其MCU控件還可以將單片機(jī)程序和硬件電路結(jié)合起來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。除此之外，它還具備著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，擁有許多仿真儀表，可以和LABVIEW虛擬儀器結(jié)合應(yīng)用，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互處理分析[3]。

5 結(jié)語

電子類課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，理論學(xué)習(xí)必須緊密地與實(shí)踐結(jié)合起來[4]。使用MULTISIM電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課中，選取有代表性的課題，開設(shè)一定比例的虛擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮了虛擬實(shí)驗(yàn)省時(shí)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的長處；解決了過去實(shí)驗(yàn)課完全依賴實(shí)驗(yàn)儀器，且電子元器件損耗大和實(shí)驗(yàn)儀器損壞后維修不及時(shí)的問題。而且虛擬實(shí)驗(yàn)因其不受硬件條件的限制，學(xué)生可提出各種設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以隨時(shí)改變電路參數(shù)，研究電路性能指標(biāo)與參數(shù)之間的關(guān)系，并能很快獲得仿真結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題加以解決，從而大大提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，激發(fā)了他們的求知欲和創(chuàng)新意識(shí)。這是一種研究性學(xué)習(xí)，它是傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法做到的。從這個(gè)意義上說，仿真實(shí)驗(yàn)具有研究性學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，對(duì)提高學(xué)生的電子線路設(shè)計(jì)水平，培養(yǎng)創(chuàng)新能力有很大幫助。對(duì)于實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可以進(jìn)行EDA仿真預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)前通過仿真，在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上再做實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這樣將虛/實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，從而極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的引入與發(fā)展，勢在必行。

[1]蘇麗萍.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2]郭鎖利.基于MULTISIM 9的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]郭勇.EDA技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]孫津平.數(shù)字電子技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

Abstract：Eda—the electronic design automation and modern electronic engineering is a new technology.It is provide a new design method of.This article introduces the eda simulation software multisim in the class teaching and curriculum design,by the example of improvement of electrical circuit of dgital clock.The application shows the superiority and practicality, reliability of multisim software,simply introduces the other multisim software applications.Finally,emphasized the reform of learning method of the electrical system while leading into EDA software.

Key words：multisim simulation；dgital clock；74LS161；wave form analysis；module

責(zé)任編輯：陳鳳

APPLICATION OF EDA IN THE IMPLEMENT OF E-TEACHING PLANS IN MECHANICS COURSES

ZHOU Lin
（Department of Computer Science,Anhui Finance&Trade Vocational College,Hefei Anhui 230619）

G642

A

1672－2868（2010）03－0139－06

2009-10-13。

周琳（1971-），女，安徽合肥人。安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院講師，研究方向：計(jì)算機(jī)通信、應(yīng)用電子學(xué)。