EDA軟件在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉彥飛，代永紅，張 榮 （武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079）

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 （Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀(jì)90年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造 （CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試 （CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程 （CAE）的概念發(fā)展而來(lái)。EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語(yǔ)言HDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作［1］。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可靠性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。其中與電路設(shè)計(jì)與仿真有關(guān)的EDA軟件包括multisim、SystemView、Edison等，與印刷電路板設(shè)計(jì)有關(guān)的EDA軟件包括OrCAD、Protel、Viewlogic等。由于相關(guān)EDA軟件可以很好地仿真電路模型，因而在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用EDA仿真軟件是一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，這樣不僅可以強(qiáng)化學(xué)生的理論知識(shí)，還可以提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，所以在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用相關(guān)EDA軟件對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有重要作用。為此，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，對(duì)EDA軟件在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

SystemView是美國(guó)ELANIX公司推出的系統(tǒng)仿真分析軟件，它使用功能模塊描述程序。利用SystemView可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，如信號(hào)分析與處理、濾波器的設(shè)計(jì)、DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、通信與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真等。該軟件具有強(qiáng)大的分析功能，如示波器功能、頻譜分析功能、功率譜分析功能、離散系統(tǒng)Z域分析功能等［2］。上述功能給用戶設(shè)計(jì)提供了方便，同時(shí)也使用戶的設(shè)計(jì)更加可靠。

在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以利用SystemView進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)仿真，下面以SystemView構(gòu)造計(jì)數(shù)器為例進(jìn)行說(shuō)明。

首先利用SystemView進(jìn)行三進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)仿真。三進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài)分別為00，01，10，00……，其實(shí)現(xiàn)方式有多種，如可以通過(guò)D觸發(fā)器構(gòu)成，也可以通過(guò)JK觸發(fā)器構(gòu)成，筆者選擇通過(guò)D觸發(fā)器構(gòu)成。電路圖如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

再利用SystemView進(jìn)行24進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)仿真。SystemView提供4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，4位二進(jìn)制可以顯示16種狀態(tài)，再加1位二進(jìn)制就可以顯示32種狀態(tài)，因而可以通過(guò)SystemView中4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器再加上D觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。具體實(shí)現(xiàn)方法見圖3。

圖1 通過(guò)D觸發(fā)器構(gòu)成的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器

圖2 三進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真時(shí)序

圖3 用4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器與D觸發(fā)器構(gòu)成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器

在4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 中有4個(gè)數(shù)據(jù)輸入端D3、D2、D1、D0，在計(jì)數(shù)器置數(shù)時(shí)可用于定義Q3、Q2、Q1、Q0。4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器是上升沿觸發(fā)。D觸發(fā)器也是上升沿觸發(fā)。24進(jìn)制計(jì)數(shù)器在System View中的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

用SystemView做數(shù)字電路仿真的優(yōu)點(diǎn)是器件使用簡(jiǎn)便，仿真操作靈活，非常適于學(xué)生進(jìn)行數(shù)字電路初級(jí)階段的設(shè)計(jì)。

圖4 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器在SystemView中的實(shí)現(xiàn)

2 在模擬電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有很多可以利用的軟件，如美國(guó)Cadence公司的OrCAD、澳大利亞Altium公司的Protel等。1991年由澳大利亞的Protel公司最早推出Protel for Windows 1．0版本，后來(lái)相繼推出2．0、3．0版本。1999年初推出Protel 99，是一個(gè)基于 Windows平臺(tái)的32位EDA設(shè)計(jì)系統(tǒng)。后來(lái)又推出Protel 99SE，是Protel 99的改良加強(qiáng)版。2001年P(guān)rotel公司更名為Altium公司。2002年推出基于 Windows XP操作系統(tǒng)的Protel DXP，2006年5月推出 Altium Designer6．0的高端設(shè)計(jì)軟件。2008年推出的 Altium Designer Summer 08加入了對(duì)OrCAD和PowerPCB的支持功能。2009年推出的Altium Designer Winter 09具有全三維PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠使設(shè)計(jì)者避免出現(xiàn)錯(cuò)誤和不準(zhǔn)確的模型設(shè)計(jì)［3］。下面用Protel 99SE軟件仿真模擬RC串聯(lián)電路的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng) （見圖5）。另外，用Protel99se軟件進(jìn)行三極管共射接法的放大電路仿真 （見圖6）。

圖5 利用Protel99SE行RC電路仿真

圖6 利用Protel99SE行三極管放大電路仿真

3 結(jié) 語(yǔ)

在學(xué)生學(xué)習(xí)電路知識(shí)時(shí)，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練才能更好掌握相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，電路仿真EDA軟件的出現(xiàn)為學(xué)生提供了一種簡(jiǎn)便實(shí)用的實(shí)驗(yàn)操作途徑。伴隨著電路仿真EDA軟件的不斷發(fā)展，其功能也越來(lái)越完善，可以完成電路圖的繪制、電路仿真以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。因此，熟練利用電路仿真EDA軟件是當(dāng)前學(xué)習(xí)電子技術(shù)的學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。相信通過(guò)師生共同努力，一定能夠不斷完善教學(xué)案例，使電路仿真EDA軟件在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更大作用。

［1］康華光 ．電子技術(shù)基礎(chǔ)——數(shù)字部分 ［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［2］潘永雄，沙河 ．電子線路CAD實(shí)用教程 ［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．

［3］孫世鵬，佟大鵬，畢衛(wèi)紅 ．電子電路仿真軟件在理論教學(xué)中的應(yīng)用探討 ［J］．中國(guó)科技博覽，2009（11）：172-173．