EDA技術在電工電子教學中的應用研究

山東師范大學歷山學院 徐忠志

EDA技術在電工電子教學中的應用研究

山東師范大學歷山學院 徐忠志

EDA技術在電工電子教學中的作用和價值十分顯著,若能科學、合理運用EDA技術,不僅能有效提升電工電子教學的質量和效率,還能幫助打破理論教室和實踐教學的界限,促使學生更好地將理論知識運用到實踐中,提高學習成效.基于此,本文首先介紹EDA技術的基本特征,然后分析EDA技術在電工電子理論教學和實驗教學中的應用,望能為同行提供一些參考和借鑒.

EDA技術;電子電工;MULTISIM軟件;仿真實驗

EDA技術(英文Electronics Design Automation),即電子設計自動化技術,EDA技術主要依托于計算機,給設計者提供EDA軟件平臺,借助硬件描述語言完成文件的設計,接著再利用計算機自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線以及仿真,直至對于特定目標芯片的邏輯映射、適配編譯以及編程下載等相關工作[1].EDA技術的誕生,極大地提高了電路設計的效率、質量以及可操作性,緩解了設計者的勞動負擔,值得在電工電子教學中推廣和使用.

電工電子課是計算機技術、電子信息技術、光電技術、機電一體化、自動控制等專業的專業基礎課程,該課程基礎性、實踐性、工程性均較強,教學中要理論聯系實際.結合現代計算機仿真技術與EDA(電子設計自動化技術)工具,從教學方法和教學手段上給予改革,注重引導學生開放性思維,有計劃的培養學生由不同渠道,通過不同方法對相同問題展開討論,使學生盡快掌握課本中的基本概念與基礎知識,提高學生問題分析與解決能力,增強學生綜合素質,是電工電子教學改革的重要內容.

一、EDA技術的基本特征

1.系統框架結構.EDA技術的系統框架結構是一套配置與使用EDA軟件包的規范,當前EDA系統均創建了框架結構,且所有框架結構均滿足國際CFI組織(CAD Framework Initiative)的統一技術標準[2].

2.ASIC設計.根據設計方法可分為三種:全定制ASIC設計,即設計者需要先定義芯片上全部晶體管的工藝規則及幾何圖形,然后由IC廠家完成設計的掩膜制造;半定制ASIC技術,此技術分為兩種約束性設計方法,門陣列設計與標準單元設計,主要設計以簡化為主,通過犧牲芯片性能達到縮減開發時間的目的;可編程ASIC技術,即設計者在實驗室就可根據事先設計好的版圖燒制芯片,不需要IC廠家參與,有效縮短開發周期.

3.硬件描述語言.英文HDL-Hardware Description Language,主要運用于硬件電子系統的設計,通過軟件編程實現電子系統電路結構、邏輯功能以及連接形式的描述.硬件描述語言具備四個有點:一是范圍描述能力很寬,將設計者工作重心提升至系統功能的實現和調試,減少物理實現花費的精力;二是通過簡單明了的代碼描述復雜控制邏輯的設計,既便捷又靈活,對交流、保存以及重用設計結果都有一定意義;三是不用依靠特定的器件進行設計,使得工藝轉換更加便捷;四是屬于標準性語言,支持多數的EDA廠商,具備良好的移植性.

4.自頂向下設計.自頂向下(Top-down)設計首先應以系統設計為著手點,在頂層劃分功能方框圖以及設計結構,并在方框圖一級做仿真和糾錯處理,借助硬件描述語言描述高層次系統,在系統一級實施驗證;接著利用綜合優化工具完成具體門電路網表,其對應物理實現級為專用集成電路或是印刷電路板.自頂向下設計時在高層次上進行仿真與調試,便于及時發現結構設計上存在的缺陷和漏洞,減少重復設計和邏輯功能仿真工作量,確保設計一次成功率.

二、EDA在電工電子理論教學中的應用

電工電子技術理論教學內容主要包括基本元件器(結構、特性、原理、主要參數、有關應用)、基本電路(電路的結構、工作原理、基本的分析方法、電路特性和有關應用)等,知識的抽象性和綜合性強,學生學習起來較吃力.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出來,且標有具體型號,可快速而準確的完成電子線路設計、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理論教學中,若合理靈活應用EDA軟件,可以老師可較形象生動地講解所教內容,學生也較容易理解掌握所學知識,則能大大地提高體教學質量和教學效果.

如在《模擬電子技術》課共射極放大電路的教學中,老師在理論講授的同時或后續,即可應用EDA軟件如Multisim,連接理論講授時的放大電路,運行,調用虛擬示波器進行電路輸入輸出波形的觀察,這樣,學生一眼就可看出輸入信號被放大了,可以結合輸入輸出波形還能直接計算電路的放大倍數,驗證理論計算的放大倍數.還能改變電路參數如基極電阻大小,使放大電路工作在飽和或截止狀態,通過虛擬儀器觀察此狀態時輸出波形,理解其失真.當然還可調用虛擬儀器萬能表測定三極管基極、集電極、發射極的電位,等等,這樣,通過EDA軟件,可以直觀形象觀察和理解共發射極放大電路中靜態工作點設置對放大信號的影響.

三、EDA技術在實驗教學中的應用

現階段,理工科(尤其是電子信息)類的高校基本上均增設了EDA課程,主要目的即促學生掌握EDA基本概念與基本原理,了解用VHDL語言編寫規范,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驗驗證且從事簡單系統的設計[3].許多高校主要是在CPLD/FPCA實驗過程里,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語言進行電子設計過程的功能方針、編譯、邏輯綜合、芯片的引腳鎖定、編程下載與時序仿真等操作.

例如在做串聯諧震電路實驗時,因實驗室缺乏波特圖儀,讓該實驗僅能依靠取點求諧振曲線,但Multisim軟件則能觀察到光滑的諧振曲線,且可同時了解到參數變化為諧振曲線造成的影響,如圖1所示.這種教學模式形象直觀,利于學生的理解與記憶,提高學生學習的積極性和主動性,激發其興趣和學習熱情,提升課堂教學效率和質量.

圖1 統一坐標系里不同電阻時的幅頻特性與相頻特性

又例如電路分析模塊的教學.當電路里僅僅存在獨立源的時候,創建仿真電路相對容易,且仿真結果基本上不會出錯;若電路里存在受控源,是否能正確創建電路就直接關系到仿真結果的正確性.如圖2所示,電路里存在一個電壓控制的電壓源,需要計算出電路里的電壓.

圖2

圖3

要解決這一問題,教師就可引導學生運用MULTISIM軟件構建一個仿真電路,并設置好各個元件參數,簡言之,就是先從電源庫和元件庫里選出需要的電源和負載電阻,包括受控源.需注意的是,受控源有4個端和外部元件連接,其中控制端需要并聯在電阻R2的兩端,受控端負極需要和電阻R2相連,正極要做接地處理,因此需要事先創建電路獨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置相應參數.最后打開仿真開關實現仿真,并組織學生認真觀察和分析仿真結果,如圖3所示.通過仿真實驗得出,電阻R2兩端電壓均為16V.

事實證明電工電子實驗教學,利用EDA軟件能實現理論知識和實踐的有效銜接,幫助學生更清晰、更牢固掌握所學知識.

四、結語

EDA技術已成為電子領域中不可或缺的技術,將EDA技術應用到電工電子教學是時代發展需要和要求,在電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、高頻電路等課程教學中均有較高的應用價值.不論是從教學還是實用的角度看,EDA技術均是一個最體現以人為本、展現能力本位的新型教學方法和手段,可激發學生的創新意識與探索精神.同時,隨著EDA技術的發展與進步,必將在信息工程、電子工程等領域發揮更重要的作用.因此,從事電工電子類教學的教師應不斷學習和提高EDA技術,以確保在實際教學中,根據教學內容能靈活熟練地運用.

[1]王迪.芻議EDA技術應用于電工電子教學中的具體體現[J].商情,2014(23):161-161.

[2]唐慧萍.分析EDA技術的特征及其在電子線路設計中的應用[J].電子技術與軟件工程,2015(14):120-120.

[3]王德宏.淺談EDA技術在電工電子技術課程教學中的應用[J].電子制作,2013(8X):189-189.