1、EDA 技术在电工电子教学中的应用研究 徐忠志 山东师范大学历山学院 摘 要： EDA 技术在电工电子教学中的作用和价值十分显著, 若能科学、合理运用 EDA技术, 不仅能有效提升电工电子教学的质量和效率, 还能帮助打破理论教室和实践教学的界限, 促使学生更好地将理论知识运用到实践中, 提高学习成效。基于此, 本文首先介绍 EDA 技术的基本特征, 然后分析 EDA 技术在电工电子理论教学和实验教学中的应用, 望能为同行提供一些参考和借鉴。关键词： EDA 技术; 电子电工; MULTISIM 软件; 仿真实验; EDA 技术 (英文 Electronics Design Automation
2、) , 即电子设计自动化技术, EDA 技术主要依托于计算机, 给设计者提供 EDA 软件平台, 借助硬件描述语言完成文件的设计, 接着再利用计算机自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线以及仿真, 直至对于特定目标芯片的逻辑映射、适配编译以及编程下载等相关工作1。EDA 技术的诞生, 极大地提高了电路设计的效率、质量以及可操作性, 缓解了设计者的劳动负担, 值得在电工电子教学中推广和使用。电工电子课是计算机技术、电子信息技术、光电技术、机电一体化、自动控制等专业的专业基础课程, 该课程基础性、实践性、工程性均较强, 教学中要理论联系实际。结合现代计算机仿真技术与 EDA (电子设
3、计自动化技术) 工具, 从教学方法和教学手段上给予改革, 注重引导学生开放性思维, 有计划的培养学生由不同渠道, 通过不同方法对相同问题展开讨论, 使学生尽快掌握课本中的基本概念与基础知识, 提高学生问题分析与解决能力, 增强学生综合素质, 是电工电子教学改革的重要内容。一、EDA 技术的基本特征1. 系统框架结构。EDA 技术的系统框架结构是一套配置与使用 EDA 软件包的规范, 当前 EDA 系统均创建了框架结构, 且所有框架结构均满足国际 CFI 组织 (CAD Framework Initiative) 的统一技术标准2。2. ASIC 设计。根据设计方法可分为三种:全定制 ASIC
4、设计, 即设计者需要先定义芯片上全部晶体管的工艺规则及几何图形, 然后由 IC 厂家完成设计的掩膜制造;半定制ASIC 技术, 此技术分为两种约束性设计方法, 门阵列设计与标准单元设计, 主要设计以简化为主, 通过牺牲芯片性能达到缩减开发时间的目的;可编程 ASIC技术, 即设计者在实验室就可根据事先设计好的版图烧制芯片, 不需要 IC 厂家参与, 有效缩短开发周期。3. 硬件描述语言。英文 HDL-Hardware Description Language, 主要运用于硬件电子系统的设计, 通过软件编程实现电子系统电路结构、逻辑功能以及连接形式的描述。硬件描述语言具备四个有点:一是范围描述能
5、力很宽, 将设计者工作重心提升至系统功能的实现和调试, 减少物理实现花费的精力;二是通过简单明了的代码描述复杂控制逻辑的设计, 既便捷又灵活, 对交流、保存以及重用设计结果都有一定意义;三是不用依靠特定的器件进行设计, 使得工艺转换更加便捷;四是属于标准性语言, 支持多数的 EDA 厂商, 具备良好的移植性。4. 自顶向下设计。自顶向下 (Top-down) 设计首先应以系统设计为着手点, 在顶层划分功能方框图以及设计结构, 并在方框图一级做仿真和纠错处理, 借助硬件描述语言描述高层次系统, 在系统一级实施验证;接着利用综合优化工具完成具体门电路网表, 其对应物理实现级为专用集成电路或是印刷电
6、路板。自顶向下设计时在高层次上进行仿真与调试, 便于及时发现结构设计上存在的缺陷和漏洞, 减少重复设计和逻辑功能仿真工作量, 确保设计一次成功率。二、EDA 在电工电子理论教学中的应用电工电子技术理论教学内容主要包括基本元件器 (结构、特性、原理、主要参数、有关应用) 、基本电路 (电路的结构、工作原理、基本的分析方法、电路特性和有关应用) 等, 知识的抽象性和综合性强, 学生学习起来较吃力。EDA软件 (如 Multisim 软件) 里包含大量元器件库, 这些器件、仪器仪表在软件里通过图表的方式展现出来, 且标有具体型号, 可快速而准确的完成电子线路设计、仿真和制版, 使用非常方便, 并且形
7、象直观, 老师在电工电子技术理论教学中, 若合理灵活应用 EDA 软件, 可以老师可较形象生动地讲解所教内容, 学生也较容易理解掌握所学知识, 则能大大地提高体教学质量和教学效果。如在模拟电子技术课共射极放大电路的教学中, 老师在理论讲授的同时或后续, 即可应用 EDA 软件如 Multisim, 连接理论讲授时的放大电路, 运行, 调用虚拟示波器进行电路输入输出波形的观察, 这样, 学生一眼就可看出输入信号被放大了, 可以结合输入输出波形还能直接计算电路的放大倍数, 验证理论计算的放大倍数。还能改变电路参数如基极电阻大小, 使放大电路工作在饱和或截止状态, 通过虚拟仪器观察此状态时输出波形,
8、 理解其失真。当然还可调用虚拟仪器万能表测定三极管基极、集电极、发射极的电位, 等等, 这样, 通过 EDA 软件, 可以直观形象观察和理解共发射极放大电路中静态工作点设置对放大信号的影响。三、EDA 技术在实验教学中的应用现阶段, 理工科 (尤其是电子信息) 类的高校基本上均增设了 EDA 课程, 主要目的即促学生掌握 EDA 基本概念与基本原理, 了解用 VHDL 语言编写规范, 了解逻辑综合理论与算法, 借助 EDA 工具完成电子电路课程的实验验证且从事简单系统的设计3。许多高校主要是在 CPLD/FPCA 实验过程里, 利用 Altera 公司的 Max+Plus II 软件、Xili
9、nx 公司的 Fonidation 软件、Lattice 公司的 isp EXPERT 软件, 通过 VHDL 语言进行电子设计过程的功能方针、编译、逻辑综合、芯片的引脚锁定、编程下载与时序仿真等操作。例如在做串联谐震电路实验时, 因实验室缺乏波特图仪, 让该实验仅能依靠取点求谐振曲线, 但 Multisim 软件则能观察到光滑的谐振曲线, 且可同时了解到参数变化为谐振曲线造成的影响, 如图 1 所示。这种教学模式形象直观, 利于学生的理解与记忆, 提高学生学习的积极性和主动性, 激发其兴趣和学习热情, 提升课堂教学效率和质量。图 1 统一坐标系里不同电阻时的幅频特性与相频特性 下载原图又例如
10、电路分析模块的教学。当电路里仅仅存在独立源的时候, 创建仿真电路相对容易, 且仿真结果基本上不会出错;若电路里存在受控源, 是否能正确创建电路就直接关系到仿真结果的正确性。如图 2 所示, 电路里存在一个电压控制的电压源, 需要计算出电路里的电压。图 2 下载原图图 3 下载原图要解决这一问题, 教师就可引导学生运用 MULTISIM 软件构建一个仿真电路, 并设置好各个元件参数, 简言之, 就是先从电源库和元件库里选出需要的电源和负载电阻, 包括受控源。需注意的是, 受控源有 4 个端和外部元件连接, 其中控制端需要并联在电阻 R2 的两端, 受控端负极需要和电阻 R2 相连, 正极要做接地
11、处理, 因此需要事先创建电路独立源和电阻连接的部分, 然后再接入受控源。接着双击元件符号, 弹出属性对话框后即设置相应参数。最后打开仿真开关实现仿真, 并组织学生认真观察和分析仿真结果, 如图 3 所示。通过仿真实验得出, 电阻 R2 两端电压均为 16V。事实证明电工电子实验教学, 利用 EDA 软件能实现理论知识和实践的有效衔接, 帮助学生更清晰、更牢固掌握所学知识。四、结语EDA 技术已成为电子领域中不可或缺的技术, 将 EDA 技术应用到电工电子教学是时代发展需要和要求, 在电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、高频电路等课程教学中均有较高的应用价值。不论是从教学还是实用的角度看, E
12、DA技术均是一个最体现以人为本、展现能力本位的新型教学方法和手段, 可激发学生的创新意识与探索精神。同时, 随着 EDA 技术的发展与进步, 必将在信息工程、电子工程等领域发挥更重要的作用。因此, 从事电工电子类教学的教师应不断学习和提高 EDA 技术, 以确保在实际教学中, 根据教学内容能灵活熟练地运用。参考文献1王迪.刍议 EDA 技术应用于电工电子教学中的具体体现J.商情, 2014 (23) :161-161. 2唐慧萍.分析 EDA 技术的特征及其在电子线路设计中的应用J.电子技术与软件工程, 2015 (14) :120-120. 3王德宏.浅谈 EDA 技术在电工电子技术课程教学中的应用J.电子制作, 2013 (8X) :189-189.
