“數字電路實驗”教學中的EDA方法

[摘 要] 在數字電路實驗教學中，采用EDA方法可以最大限度地降低成本、節省時間、增加可靠性，提高了學生對數字電路的分析與設計能力。

[關鍵詞] EDA;仿真;可編程器件

[基金項目] 2018年度北京科技大學校級教改項目“專業導向的‘電工技術實驗嵌入式翻轉課堂研究”（JG2018M26）;2018年度北京科技大學校級教改項目“電工技術MOOCS課程建設”（JG2018ZZ02）;2018年度北京科技大學校級教改項目“新工科背景下混合式教學在電工電子技術課程中的應用探索”（JG2018M28）;2019年度北京科技大學校級教改項目“促進立體化教學與傳統課 堂教學的有機融合，培養創新型工程人才”（JG2019M25）

[作者簡介] 吳華怡（1979年—），女，江西大余人，博士，北京科技大學自動化學院講師，主要從事無線網絡、智能控制研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）17-0254-02 ? ?[收稿日期] 2019-12-25

隨著半導體技術的發展，在設計一個數字系統時，不僅要求簡化設計過程，還要求降低系統的體積和成本，提高系統的可靠性。EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術是電子信息技術發展的杰出成果，它的發展與應用引發了一場工業設計和制造領域的革命。EDA技術是以計算機硬件和系統軟件為基本工作平臺，利用計算機進行設計、分析、仿真、制造等工作，最大限度地降低成本、節省時間、提高可靠性。EDA技術的發展是和可編程邏輯器件（PLD）分不開的。PLD雖然是一種通用器件，但它的邏輯功能是由用戶通過對器件編程來設定的，而且有些PLD的集成度很高，足以滿足設計一般數字系統的需要。本文以一個四舍五入判別電路實驗為例，分別采用傳統的設計方法和EDA設計方法來實現，通過兩種設計方法的對比，可以看出采用EDA方法在數字電路分析與設計中的優越性。

一、傳統的實驗設計方法

傳統的實驗設計方法是用實際的分立器件搭設電路，只能通過實際操作給出每種輸入狀態，來觀測輸出狀態，驗證邏輯關系的正確性。

四舍五入判別電路的設計步驟為：（1）先進行邏輯抽象;（2）寫出邏輯函數式，（3）然后利用卡諾圖（圖1）化簡得出最簡約的方式或邏輯表達式：F=A+BC+BD;（4）根據邏輯表達式畫出邏輯電路圖（圖2）;（5）根據邏輯電路圖搭建實際的實驗電路，來驗證邏輯的正確性。

二、EDA設計過程

EDA設計方法的特點是借助計算機軟件的輔助設計和硬件的輔助，來完成需要的邏輯功能以及實現用戶所需求的電路和系統。可編程邏輯器件（PLD）作為VLSI器件的一個重要分支，是一種由用戶配置，借助計算機軟件和硬件的輔助，以完成某種邏輯功能及實現用戶需求的電路和系統的器件。它具有現場編程的特點，用戶只需編程就能確定PLD器件所執行的功能，可靈活地編程以實現各種邏輯功能，是構成數字系統的理想器件。PLD器件的方便之處在于它能定制成幾乎任何一個通用的標準邏輯器件，并提供廣泛的速度和功耗選擇范圍。多樣化結構使它易于構成所需的功能塊。更重要的是PLD器件是可修改和反復使用的器件，這為電路和系統的設計帶來了極大的方便，而且具有仿真功能，能夠驗證邏輯關系的正確性。EDA方法流程圖見圖3。

1.設計的輸入：作為EDA的設計過程，設計的輸入常用的方法有兩種：原理圖輸入法和文本輸入法。

（1）原理圖輸入法。和傳統的設計方法一樣，采用原理圖輸入法，首先要根據卡諾圖得出簡化的邏輯表達式，然后在元件庫中找出相應的元件，同時加入輸入和輸出端，這樣原理圖的輸入就完成了（圖4）。通過編譯，軟件會根據連接規則來自動檢測原理圖有無連接錯誤。

（2）文本輸入法。采用了流行的VHDL語言來編寫。文本程序由三部分組成。第一部分是USE定義區，包含了使用的庫文件。第二部分是實體，定義了輸入輸出變量及其數據類型。第三部分是結構體，說明了輸入和輸出的關系。進行編譯的過程中，軟件會檢測程序有無語法上的錯誤。

通過兩種輸入方法的比較，可以看出采用文本輸入的方法是相對簡單的。因為對于所要設計的數字電路來說，都會有一個明確的輸入和輸出之間的邏輯關系，文本所采用的輸入方法就是對這種邏輯關系的描述。這種方法更符合我們的思維，從而不必再像以前那樣，花大量的時間去進行邏輯化簡的工作了，這也正是VHDL在硬件的設計上被廣泛采用的原因。

2.仿真。編譯通過后，就可以進行仿真，來驗證邏輯上的正確性。仿真結果見圖5。

從仿真的結果上來看，輸出有延時，這是因為在仿真前選擇了編程芯片，通過軟件的延時分析，可以看出輸出的延時為15ns，這種延時輸出更符合實際的情況，可以讓我們在設計的初期就可以對實際電路可能出現的情況有了一個了解。

軟件的仿真功能為電路的設計節約了大量時間，通過仿真可以驗證所設計電路的邏輯功能正確與否。而傳統的設計方法，必須要先搭建電路才能進行邏輯功能的驗證。仿真功能讓設計者在設計初期就可以發現邏輯設計上可能出現的錯誤，而不需要任何實際的元件。

3.程序下載。仿真結果正確之后，經過管腳定位形成標準熔絲文件，就可以下載到所選的編程芯片中，連接相應的外圍電路，進行電路的實際測試。在數字電路的實驗教學中，通常在仿真正確的情況下，實際電路的測試基本上也都是正確的。測試正確后，一個實驗就完成了。

三、結束語

通過實驗比較，EDA方法不僅可以仿真電路的工作情況，在搭建實際電路之前就可以消除設計中的錯誤，而且可以在數字電路實驗教學中充當虛擬實驗平臺，將電子實驗搬到計算機屏幕上來做。

EDA技術的發展是電子設計領域的一場革命，學習和掌握這一先進技術已成為廣大電子工程技術人員的迫切需要。采用EDA設計方法為電路和系統的設計帶來了極大的方便，EDA方法不僅可以用來替代傳統的標準邏輯組合電路設計方法，而且還能夠實現復雜的接口和控制功能，具有廣泛的應用范圍。

參考文獻

[1]閻石.數字電子技術基礎[N].北京：高等教育出版社，2006.

[2]王維斌.基于CPLD與VHDL語言的數字鐘設計[J].電子技術，2017，9.

[3]潘松，黃繼業.EDA技術實用教程：VHDL版[N].科學出版社，2018，6.

Abstract：In digital experiment we can reduce cost，save time and enhance reliability with EDA method. Students can improve their analyse and design abilities.

Key words：EDA;Simulation;PLD