楊亞讓

(喀什師范學(xué)院物理系,新疆喀什844000)

EDA技術(shù)在電子信息類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究＊

楊亞讓

(喀什師范學(xué)院物理系,新疆喀什844000)

針對電子信息類專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)的缺點及不足,提出將EDA技術(shù)應(yīng)用于電子信息類專業(yè)理論教學(xué)及實踐教學(xué),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,提高教學(xué)質(zhì)量。并以實例的形式給出了EDA技術(shù)在電子信息類專業(yè)各教學(xué)環(huán)節(jié)中的具體應(yīng)用。

EDA技術(shù);電子信息;教學(xué);應(yīng)用

電路分析、模擬電路、數(shù)字電路和電子技術(shù)課程設(shè)計等是電子信息類專業(yè)的主要課程,其特點是工程實踐性強,需要大量課時的實驗和實踐來配合課程的教學(xué),才能收到好的教學(xué)效果。在理論教學(xué)中,每門課程的學(xué)時越來越少,傳統(tǒng)的教學(xué)方法要在黑板上畫許多復(fù)雜的電路圖及時序圖,況且不少教學(xué)內(nèi)容抽象難懂,顯然在有限的課時內(nèi)難以完成教學(xué)任務(wù);同時傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式存在許多缺點和不足,如傳統(tǒng)實驗和課程設(shè)計、實訓(xùn)、課外電子制作、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)中,對儀器設(shè)備和元器件的依賴程度很高[1],實踐教學(xué)成本相對較高,實踐教學(xué)效率不高,對學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。隨著個人計算機技術(shù)的提高和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,功能強大的EDA(E-lectronic Design Automation)技術(shù)應(yīng)運而生,我們將它逐步地應(yīng)用到教學(xué)之中,出現(xiàn)了全新的教學(xué)模式。在電子信息類專業(yè)教學(xué)中采用EDA軟件輔助教學(xué),有多方面的優(yōu)勢[2],是一種必然趨勢。在電子信息類專業(yè)理論教學(xué)中采用多媒體教學(xué)手段,利用EDA軟件創(chuàng)設(shè)電子技術(shù)實驗環(huán)境、進行電路的邏輯功能仿真演示,開展直觀的、互動的啟發(fā)式教學(xué),能提高教學(xué)效率;在實踐教學(xué)中,利用EDA技術(shù)使通過學(xué)生參與實踐過程,增強趣味性,有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。為此,筆者對EDA技術(shù)在電子信息類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用進行了研究。

一、EDA技術(shù)在理論教學(xué)中的應(yīng)用

(一)EDA技術(shù)的概念

電子設(shè)計自動化EDA是指以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計載體,以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式,以計算機為工作平臺,以實驗開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具,自動完成用軟件方式設(shè)計的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真,直至完成對于待定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作,最終形成集成電子系統(tǒng)的一門新技術(shù)[3]。EDA技術(shù)所涉及的范圍有電路設(shè)計、系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)分析三個方面。

(二)EDA技術(shù)在理論教學(xué)中的應(yīng)用

理論教學(xué)是教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)。在電子信息類專業(yè)的理論教學(xué)中,如在電路分析和模擬電路課程中,公式、數(shù)據(jù)、電路圖等抽象難懂,使學(xué)生難于理解實際問題與所求解題目間的相互關(guān)系。為此,我們在媒體教室使用Multis im 9軟件,在理論教學(xué)中取得了較好的教學(xué)效果。Multis im 9是一個完整的EDA設(shè)計工具系統(tǒng),它提供了一個龐大的元件數(shù)據(jù)庫,虛擬測試儀器儀表種類齊全,能完全滿足電子信息類專業(yè)理論教學(xué)的需要。例如:在電路分析理論教學(xué)中,講解RLC串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)和階躍響應(yīng)時,如果使用Multisim 9軟件仿真得到響應(yīng)波形,就可以此使二階電路的動態(tài)變化過程一目了然,使抽象的問題形象化,有助于學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解,取到事半功陪的效果?？梢允褂肕ultis im 9軟件,可以很容易得到零輸入響應(yīng)和階躍響應(yīng)臨界阻尼波形。通過改變電阻,又能得到零輸入響應(yīng)和階躍響應(yīng)的欠阻尼和過阻尼波形。

二、EDA技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

(一)EDA技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

EDA技術(shù)在實驗教學(xué)中,特別是在綜合電子設(shè)計實驗教學(xué)中越來越發(fā)揮著重要作用[3]。在上實驗課前,可以讓學(xué)生用EDA軟件先做仿真實驗。學(xué)生根據(jù)自己具體情況,可以反復(fù)進行多次仿真實驗。仿真驗證后,再讓學(xué)生到實驗室做實驗。這樣,學(xué)生做實驗的時候會更有針對性,更容易發(fā)現(xiàn)問題和解決問題,實驗更容易進行,從而大大提高了實驗教學(xué)的效率。另外,利用EDA軟件及開發(fā)平臺,可以讓學(xué)生做自選型實驗和創(chuàng)新型實驗,有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

下面以數(shù)字電路實驗中用四位二進制計數(shù)器74161構(gòu)成九進制計數(shù)器為例[4],進行仿真實驗。在EDA軟件Quartus II中先使用原理圖輸入設(shè)計,電路原理圖如圖1所示。原理圖輸入后,分析與綜合,建立仿真波形文件,設(shè)定輸入,仿真后得到的波形如圖2所示。在仿真實驗正確的基礎(chǔ)上再做具體實驗,可以提高實驗效率。

圖1 九進制計數(shù)器電路原理

圖2 九進制計數(shù)器仿真波形

(二)EDA技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

在課程設(shè)計、實訓(xùn)、課外電子制作、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)中,應(yīng)用EDA技術(shù)可以增加設(shè)計的靈活性,反復(fù)修改設(shè)計,節(jié)約設(shè)計成本,縮短設(shè)計時間,提高設(shè)計效率,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如在課程設(shè)計中,要求設(shè)計一個具有顯示時、分、秒和設(shè)置時間功能的數(shù)字電子鐘,就可以采用先進的EDA技術(shù),利用Quartus II或Max+plusII軟件工作平臺和VHDL語言,用一片F(xiàn)PGA芯片實現(xiàn),從而大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低了成本。采用這種器件開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng),其升級與改進比較方便。采用自頂向下的方法設(shè)計此電子鐘[5]的具體實現(xiàn)方法和步驟大致如下:

(1)確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。在編寫具體程序前,首先應(yīng)該確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字電子鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(2)系統(tǒng)功能分析。整個系統(tǒng)以FPGA芯片EPF10K10TC144-4為核心,外部控制鍵、置數(shù)鍵用撥碼開關(guān)實現(xiàn),顯示用6個數(shù)碼管實現(xiàn)。控制鍵用來在正常計時和設(shè)置時間模式之間選擇,6個數(shù)碼管分別顯示秒、分和小時。核心部分由3大模塊組成,即分頻模塊、時間計數(shù)模塊和顯示模塊。

(3)系統(tǒng)核心模塊分析及實現(xiàn)。分頻模塊用計數(shù)器實現(xiàn),時鐘控制電路的輸入信號為20 MHz的時鐘脈沖信號,為了得到1 Hz的脈沖信號,須將20 MHz信號經(jīng)過分頻器分頻得到計時數(shù)據(jù)秒的輸入信號;時間計數(shù)模塊包括十進制可預(yù)置計數(shù)器子模塊、六進制可預(yù)置計數(shù)器子模塊、二十四進制可預(yù)置計數(shù)器子模塊;顯示譯碼模塊對計數(shù)器的輸出秒、分、時信號分別譯碼,需要6個譯碼器子模塊。

各模塊和子模塊分別用VHDL語言編程,在Quartus II軟件中輸入,分析與綜合后建立波形文件進行功能仿真和時序仿真,直到滿足功能要求,最后生成元件符號[6]。頂層總模塊可用原理圖輸入,整個數(shù)字電子鐘系統(tǒng)需要1個分頻模塊、2個十進制計數(shù)器模塊、2個六進制計數(shù)器模塊、1個二十四進制計數(shù)器模塊,6個顯示譯碼模塊,在Quartus II軟件中輸入生成的各模塊,并正確連接各模塊,就生成頂層總模塊。接著編譯后建立波形文件進行仿真,由于分頻系數(shù)較大,在軟件中仿真不易實現(xiàn),將分頻系數(shù)改小進行仿真,頂層模塊功能仿真結(jié)果如圖4所示,從波形圖看出設(shè)計正確。最后再進行引腳分配和下載驗證,本系統(tǒng)在LP-2900開發(fā)裝置上實現(xiàn)。

圖4 頂層功能仿真圖

三、結(jié)語

EDA技術(shù)在電子信息類教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛,如在通信原理、數(shù)字信號處理、微機原理與接口技術(shù)等課程理論教學(xué)和實踐教學(xué)中,可以應(yīng)用EDA技術(shù)建立教學(xué)新模式。將EDA技術(shù)應(yīng)用于課程設(shè)計,學(xué)生可以掌握新的設(shè)計方法,而且可以隨時隨地將自己的設(shè)想在EDA實驗室加以實現(xiàn),綜合創(chuàng)新能力和工程設(shè)計能力都有了明顯提高。另外,在全國電子設(shè)計大賽訓(xùn)練,課外電子制作等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,應(yīng)用EDA技術(shù)讓學(xué)生驗證電路設(shè)計的正確性,對學(xué)生進行模擬測試等,可以增強學(xué)生對電路的理解和對電路結(jié)構(gòu)的認識,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,提高學(xué)生分析和解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,提高綜合素質(zhì),使學(xué)生適應(yīng)電子技術(shù)快速發(fā)展的需要。

隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,EDA技術(shù)在電子信息類專業(yè)教學(xué)中必然將發(fā)揮更加重要的作用。

[1]祝宏,朱如琪,王進.基于EDA技術(shù)的電子實驗教學(xué)實踐與探索[J].中國現(xiàn)代教育裝置,2009,(1):77.

[2]楊蓮紅,王超.EDA技術(shù)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高師理科學(xué)刊,2010,(1):94.

[3]張昌凡.EDA技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[4]崔葛瑾.基于FPGA的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[5]丁文霞.EDA技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2000,(11):29-31.

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

[7]王智偉,等.FPGA系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[8]周潤景,圖雅,張麗敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

2010-06-30

楊亞讓(1972-),男,陜西岐山人,講師,碩士。