EDA與電子技術(shù)實(shí)踐課程的融合研究

摘 要： 文章針對(duì)電子技術(shù)實(shí)踐課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，提出將EDA技術(shù)融入實(shí)踐課程中，以仿真實(shí)例探討EDA與電子技術(shù)實(shí)踐課程的融合方法，借助EDA技術(shù)提供的廣闊平臺(tái)，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開展課程設(shè)計(jì)。研究表明，融入EDA技術(shù)后，學(xué)生先仿真后實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)更靈活，理實(shí)結(jié)合，使得傳統(tǒng)教學(xué)與EDA技術(shù)相輔相成，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞： EDA 電子技術(shù) 電路仿真

一、引言

EDA，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是運(yùn)用EDA軟件實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試等功能以實(shí)現(xiàn)電子器件或電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)^[1]。常用的EDA軟件有Multisim、Proteus和Pspice等。目前，EDA技術(shù)發(fā)展迅速，不斷深入電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前景非常廣闊。國(guó)內(nèi)各大院校的電子類專業(yè)都相繼開設(shè)EDA技術(shù)相關(guān)課程作為其專業(yè)的必修課程，其地位和作用不言而喻。

模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等是電子類專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，這兩門課程的特點(diǎn)是理論教學(xué)比較抽象，學(xué)生難以理解，而實(shí)踐性非常強(qiáng)，因此要配合一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)配合理論教學(xué)。而在傳統(tǒng)教學(xué)中，這些實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)學(xué)時(shí)有限，且受到實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的影響，學(xué)生實(shí)際操作時(shí)有時(shí)無法達(dá)到期望的學(xué)習(xí)效果。

EDA技術(shù)的發(fā)展對(duì)電子技術(shù)實(shí)踐課程教學(xué)方法和教學(xué)模式帶來了新的變化和契機(jī)。將EDA技術(shù)融入這些實(shí)踐課程教學(xué)中，學(xué)生不僅可以鞏固理論課上的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而且可以理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，不需要實(shí)驗(yàn)儀器和特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，只需要在電腦上安裝仿真軟件，就可以隨時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的仿真和測(cè)試，解決實(shí)驗(yàn)具體操作過程中遇到的難題、疑問和想法，更可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)電路方案、調(diào)試電路，仿真成功之后再具體實(shí)施購(gòu)買元件、搭建電路，大大降低成本。將EDA技術(shù)融合這些實(shí)踐課程教學(xué)中，可以充分發(fā)揮EDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，更好地促進(jìn)電子技術(shù)實(shí)踐課程教學(xué)改革的發(fā)展。

二、EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn)課程的融合

1.與模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的融合

將EDA技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，輔助開展實(shí)驗(yàn)，完成電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。具體實(shí)施時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生課下預(yù)習(xí)時(shí)對(duì)電路進(jìn)行仿真，進(jìn)行參數(shù)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算。課上實(shí)際動(dòng)手操作，既利用了軟件模擬的優(yōu)勢(shì)，又體現(xiàn)了實(shí)際動(dòng)手操作的必要性，更讓學(xué)生體會(huì)理論模擬和實(shí)際操作的具體差異。

例如，在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，比較重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是利用集成運(yùn)放構(gòu)成波形產(chǎn)生電路的研究^[2]。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)具體操作過程中，由于所用元器件和接線較多，進(jìn)行電路調(diào)試時(shí)很容易出現(xiàn)問題。學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前可預(yù)先利用EDA技術(shù)進(jìn)行電路仿真，更好地了解電路原理及各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)產(chǎn)生波形的影響。波形產(chǎn)生電路一種常見的方案是利用滯回比較器和積分器首尾相接構(gòu)成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)^[5]。利用Multisim軟件仿真電路如圖1所示，電路前半部分構(gòu)成了滯回比較器，后半部分電路構(gòu)成了RC積分電路。滯回比較器輸出端口得到的方波經(jīng)RC積分電路積分得到三角波，三角波觸發(fā)滯回比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)得到方波。利用仿真軟件的虛擬雙蹤示波器可以觀測(cè)方波、三角波的輸出波形，不僅可以清晰地觀察方波和三角波之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，還可以靈活調(diào)節(jié)R1、R2參數(shù)，改變?nèi)遣ǖ姆荡笮　７抡鎸?shí)驗(yàn)成功后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了感性認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)理論知識(shí)也會(huì)有自己的理解，在實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，搭建電路會(huì)有目的性，出現(xiàn)問題也能嘗試解決。

2.與數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的融合

在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，由于重點(diǎn)在于常用的一些組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路集成電路片的應(yīng)用，包括與非門74LS20、數(shù)據(jù)選擇器74LS153、譯碼器74LS138、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等^[3]。一些比較簡(jiǎn)單的芯片功能和參數(shù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)都可以讓學(xué)生仿真實(shí)現(xiàn)，熟悉好常用芯片后，就可以分配更多的時(shí)間讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)^[4]，給學(xué)生更多發(fā)揮空間，并學(xué)以致用。

例如，Multisim軟件中的字發(fā)生器是一個(gè)可以產(chǎn)生32位同步邏輯信號(hào)的儀器，用于對(duì)數(shù)字邏輯電路進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)常用做數(shù)字電路的輸入信號(hào)，其外形如圖2所示，其中R為備用信號(hào)端，T為外觸發(fā)輸入端。模擬實(shí)驗(yàn)中，利用字發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)十六進(jìn)制循環(huán)脈沖從00000000到00000009，經(jīng)74LS47顯示譯碼器譯碼后，可使數(shù)碼管顯示0～9相應(yīng)的字形。圖2為字發(fā)生器產(chǎn)生序列為00000005，即輸入DCBA=0101時(shí)，譯碼器譯碼后使得數(shù)碼管顯示“5”字形。仿真結(jié)果一目了然，并且學(xué)生可查看關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的高低電平，分析輸入輸出之間的邏輯關(guān)系。借助EDA技術(shù)，不僅鞏固所學(xué)內(nèi)容，還提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、EDA技術(shù)與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的融合

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的流程，一般是學(xué)生選定題目后，進(jìn)行具體的方案設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)方案可以有多種，通過比較選擇最優(yōu)方案。而進(jìn)行方案驗(yàn)證的時(shí)候如果融入EDA技術(shù)會(huì)大大節(jié)約時(shí)間和成本。Multisim軟件里面含有豐富的元件庫和虛擬儀器，學(xué)生可以根據(jù)仿真結(jié)果隨時(shí)修改電路、替換元件和改變?cè)?shù)，直到滿足設(shè)計(jì)要求，大大增強(qiáng)使用的靈活性，節(jié)約耗材。

圖3為一個(gè)簡(jiǎn)單的電子秒表的設(shè)計(jì)仿真圖。該電路包括波形產(chǎn)生、清零、計(jì)數(shù)、顯示模塊。利用555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，調(diào)節(jié)電位器RW使其輸出端產(chǎn)生頻率為50Hz的脈沖信號(hào)，該信號(hào)通過74LS90構(gòu)成的五進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行五分頻后得到0.1s的計(jì)數(shù)脈沖，為計(jì)數(shù)器提供脈沖信號(hào)。另外兩個(gè)計(jì)數(shù)器構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出端口分別接譯碼顯示單元^[5]。數(shù)碼管可以直接顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，仿真結(jié)果生動(dòng)形象。

將電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)融入EDA技術(shù)后，先進(jìn)行電路仿真選定實(shí)驗(yàn)方案，仿真成功滿足設(shè)計(jì)要求后，再由學(xué)生購(gòu)買元器件、焊接電路和進(jìn)行電路調(diào)試，這樣的一個(gè)流程使學(xué)生更加得心應(yīng)手，還節(jié)約了耗材和成本。融入EDA技術(shù)后，學(xué)生還可以進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，隨時(shí)隨地將自己的設(shè)想在EDA實(shí)驗(yàn)室加以實(shí)現(xiàn)，大大提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，工程設(shè)計(jì)能力都會(huì)有明顯提高。

四、結(jié)語

將EDA技術(shù)融入電子技術(shù)實(shí)踐課程中，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開展課程設(shè)計(jì)，一方面充分發(fā)揮了EDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生不再單純依賴實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境，可以自主完成實(shí)驗(yàn)仿真和電路方案驗(yàn)證等，設(shè)計(jì)更加靈活。同時(shí)先仿真后實(shí)驗(yàn)，理實(shí)結(jié)合，使得傳統(tǒng)教學(xué)與EDA技術(shù)相輔相成，促進(jìn)電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展。另一方面，改進(jìn)教學(xué)模式，借助EDA技術(shù)提供的廣闊平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力。

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