EDA技术在电子信息类专业教学中的应用研究＊

杨亚让

(喀什师范学院物理系,新疆喀什844000)

EDA技术在电子信息类专业教学中的应用研究＊

杨亚让

(喀什师范学院物理系,新疆喀什844000)

针对电子信息类专业传统教学的缺点及不足,提出将EDA技术应用于电子信息类专业理论教学及实践教学,激发学生的学习兴趣,培养学生的创新能力,提高教学质量。并以实例的形式给出了EDA技术在电子信息类专业各教学环节中的具体应用。

EDA技术;电子信息;教学;应用

电路分析、模拟电路、数字电路和电子技术课程设计等是电子信息类专业的主要课程,其特点是工程实践性强,需要大量课时的实验和实践来配合课程的教学,才能收到好的教学效果。在理论教学中,每门课程的学时越来越少,传统的教学方法要在黑板上画许多复杂的电路图及时序图,况且不少教学内容抽象难懂,显然在有限的课时内难以完成教学任务;同时传统实践教学模式存在许多缺点和不足,如传统实验和课程设计、实训、课外电子制作、毕业设计等实践教学中,对仪器设备和元器件的依赖程度很高[1],实践教学成本相对较高,实践教学效率不高,对学生的创新能力培养不足。随着个人计算机技术的提高和互联网的快速发展,功能强大的EDA(E-lectronic Design Automation)技术应运而生,我们将它逐步地应用到教学之中,出现了全新的教学模式。在电子信息类专业教学中采用EDA软件辅助教学,有多方面的优势[2],是一种必然趋势。在电子信息类专业理论教学中采用多媒体教学手段,利用EDA软件创设电子技术实验环境、进行电路的逻辑功能仿真演示,开展直观的、互动的启发式教学,能提高教学效率;在实践教学中,利用EDA技术使通过学生参与实践过程,增强趣味性,有助于培养学生的动手能力和创新能力。为此,笔者对EDA技术在电子信息类专业教学中的应用进行了研究。

一、EDA技术在理论教学中的应用

(一)EDA技术的概念

电子设计自动化EDA是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机为工作平台,以实验开发系统为设计工具,自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、分割、综合及优化、布局布线、仿真,直至完成对于待定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统的一门新技术[3]。EDA技术所涉及的范围有电路设计、系统仿真和系统分析三个方面。

(二)EDA技术在理论教学中的应用

理论教学是教学过程的主要环节。在电子信息类专业的理论教学中,如在电路分析和模拟电路课程中,公式、数据、电路图等抽象难懂,使学生难于理解实际问题与所求解题目间的相互关系。为此,我们在媒体教室使用Multis im 9软件,在理论教学中取得了较好的教学效果。Multis im 9是一个完整的EDA设计工具系统,它提供了一个庞大的元件数据库,虚拟测试仪器仪表种类齐全,能完全满足电子信息类专业理论教学的需要。例如:在电路分析理论教学中,讲解RLC串联电路的零输入响应和阶跃响应时,如果使用Multisim 9软件仿真得到响应波形,就可以此使二阶电路的动态变化过程一目了然,使抽象的问题形象化,有助于学生对教学内容的理解,取到事半功陪的效果。可以使用Multis im 9软件,可以很容易得到零输入响应和阶跃响应临界阻尼波形。通过改变电阻,又能得到零输入响应和阶跃响应的欠阻尼和过阻尼波形。

二、EDA技术在实践教学中的应用

(一)EDA技术在实验教学中的应用

EDA技术在实验教学中,特别是在综合电子设计实验教学中越来越发挥着重要作用[3]。在上实验课前,可以让学生用EDA软件先做仿真实验。学生根据自己具体情况,可以反复进行多次仿真实验。仿真验证后,再让学生到实验室做实验。这样,学生做实验的时候会更有针对性,更容易发现问题和解决问题,实验更容易进行,从而大大提高了实验教学的效率。另外,利用EDA软件及开发平台,可以让学生做自选型实验和创新型实验,有利于培养学生的实践能力和创新能力。

下面以数字电路实验中用四位二进制计数器74161构成九进制计数器为例[4],进行仿真实验。在EDA软件Quartus II中先使用原理图输入设计,电路原理图如图1所示。原理图输入后,分析与综合,建立仿真波形文件,设定输入,仿真后得到的波形如图2所示。在仿真实验正确的基础上再做具体实验,可以提高实验效率。

图1 九进制计数器电路原理

图2 九进制计数器仿真波形

(二)EDA技术在实践教学中的应用

在课程设计、实训、课外电子制作、毕业设计等实践教学中,应用EDA技术可以增加设计的灵活性,反复修改设计,节约设计成本,缩短设计时间,提高设计效率,培养学生的创新思维。如在课程设计中,要求设计一个具有显示时、分、秒和设置时间功能的数字电子钟,就可以采用先进的EDA技术,利用Quartus II或Max+plusII软件工作平台和VHDL语言,用一片FPGA芯片实现,从而大大简化了系统结构,降低了成本。采用这种器件开发的数字系统,其升级与改进比较方便。采用自顶向下的方法设计此电子钟[5]的具体实现方法和步骤大致如下:

(1)确定系统总体结构。在编写具体程序前,首先应该确定系统总体结构。系统总体结构如图3所示。

图3 数字电子钟系统结构框图

(2)系统功能分析。整个系统以FPGA芯片EPF10K10TC144-4为核心,外部控制键、置数键用拨码开关实现,显示用6个数码管实现。控制键用来在正常计时和设置时间模式之间选择,6个数码管分别显示秒、分和小时。核心部分由3大模块组成,即分频模块、时间计数模块和显示模块。

(3)系统核心模块分析及实现。分频模块用计数器实现,时钟控制电路的输入信号为20 MHz的时钟脉冲信号,为了得到1 Hz的脉冲信号,须将20 MHz信号经过分频器分频得到计时数据秒的输入信号;时间计数模块包括十进制可预置计数器子模块、六进制可预置计数器子模块、二十四进制可预置计数器子模块;显示译码模块对计数器的输出秒、分、时信号分别译码,需要6个译码器子模块。

各模块和子模块分别用VHDL语言编程,在Quartus II软件中输入,分析与综合后建立波形文件进行功能仿真和时序仿真,直到满足功能要求,最后生成元件符号[6]。顶层总模块可用原理图输入,整个数字电子钟系统需要1个分频模块、2个十进制计数器模块、2个六进制计数器模块、1个二十四进制计数器模块,6个显示译码模块,在Quartus II软件中输入生成的各模块,并正确连接各模块,就生成顶层总模块。接着编译后建立波形文件进行仿真,由于分频系数较大,在软件中仿真不易实现,将分频系数改小进行仿真,顶层模块功能仿真结果如图4所示,从波形图看出设计正确。最后再进行引脚分配和下载验证,本系统在LP-2900开发装置上实现。

图4 顶层功能仿真图

三、结语

EDA技术在电子信息类教学中的应用越来越广泛,如在通信原理、数字信号处理、微机原理与接口技术等课程理论教学和实践教学中,可以应用EDA技术建立教学新模式。将EDA技术应用于课程设计,学生可以掌握新的设计方法,而且可以随时随地将自己的设想在EDA实验室加以实现,综合创新能力和工程设计能力都有了明显提高。另外,在全国电子设计大赛训练,课外电子制作等实践教学环节中,应用EDA技术让学生验证电路设计的正确性,对学生进行模拟测试等,可以增强学生对电路的理解和对电路结构的认识,激发学生学习的兴趣,提高学生分析和解决问题的能力,培养学生的创新能力,提高综合素质,使学生适应电子技术快速发展的需要。

随着计算机技术和微电子技术的快速发展,EDA技术在电子信息类专业教学中必然将发挥更加重要的作用。

[1]祝宏,朱如琪,王进.基于EDA技术的电子实验教学实践与探索[J].中国现代教育装置,2009,(1):77.

[2]杨莲红,王超.EDA技术在模拟电子技术教学中的应用[J].高师理科学刊,2010,(1):94.

[3]张昌凡.EDA技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[4]崔葛瑾.基于FPGA的数字电路系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[5]丁文霞.EDA技术在现代数字系统中的应用[J].电子技术应用,2000,(11):29-31.

[6]康华光,皱寿彬,秦臻.电子技术基础(数字部分)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[7]王智伟,等.FPGA系统设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2005.

[8]周润景,图雅,张丽敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD的数字系统设计实例[M].北京:电子工业出版社,2008.

2010-06-30

杨亚让(1972-),男,陕西岐山人,讲师,硕士。