浅谈EDA工具软件在电子技术综合实验教学中的应用

潘远翠达州职业技术学院教务处，四川达州 635001

浅谈EDA工具软件在电子技术综合实验教学中的应用

潘远翠达州职业技术学院教务处，四川达州 635001

电子技术综合实验主要任务是培养电子类专业学生电子系统的设计能力，学习系统设计的过程，训练工程实践能力。本文探讨了以EDA工具软件为教学工具，在综合实验中培养学生的电子电路设计能力，具体以数据采集实验作为实例加以阐述。

EDA工具软件；电子技术综合实验；教学应用

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。电子技术综合实验主要任务是培养电子类专业学生的电子系统的设计能力，学习系统设计的过程，训练工程实践能力。前承基础模块的实验，从具有单一功能的实验电路转为完整的系统电路；后启创新实践模块，为学习独立设计系统打下良好的基础。

1 EDA工具软件

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前，EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如，在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等3类。

目前，进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、PSPICE、multiSIM10(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

2 EDA技术是综台实验的重要教学工具

从教学角度思考，综合实验主要针对的是学生电子设计能力的培养，进入这一层次学习的学生还没有什么设计电路、搭建电路的经验，如果直接要求他们根据设计需求制作电路，由于学生的水平不一，部分学生难免会出现学习的惰性，等待抄袭其他同学的设计成果，或者等待教师在看不下去的情况下给出电路，失去本层次数学的意义，这种弊端是我们在教学中要尽量避免的。我们采取的教学方法是以点带面，将实验系统的实现分为几个必须的步骤，每一步都有重要知识点，每个知识点的掌握则是通过完成一定的任务而达成的，实现的重要手段之一便是采用EDA仿真技术。通过课堂教学、督导，“逼迫”学生进入电路设计状态，完成相关设计知识的学习。

本层次的实验涉及了模拟电路、数字电路及单片机技术等课程内容，设计的实验项目有的偏重模拟系统，有的偏重数字系统，有的以单片机为核心，均是具备一定功能的完整电子系统。

教学模式则根据所选题目的不同而略有不同。总体上采用的是，首先建立电子系统的概念，作系统总体设计；其次按模块分别设计并作系统仿真；最后完成系统设计。对数字系统来说，主要是基于CPLD和FPGA的，因此综合设计的过程主要在针对性较强的数字逻辑系统的EDA软件中完成硬件描述语言的编写及仿真调试，最后下载到芯片上进行实际的测试。对模拟系统而言，先作系统设计并在Orcad或EWB上作电路仿真，然后进行硬件电路的搭建、调测。对单片机类电路，同样是先作系统设计，然后作一些外围硬件电路的仿真，再编写程序并作仿真调试，最后是硬件和软件的联调。

3 EDA技术在数据采集实验中的应用

考虑到进入本层次学习的学生是初次接触到系统的概念，为了与他们前面的单元式功能模块的实验相衔接，系统模块都是给出的。

以数据采集实验为例，主要分为如下几个主要教学步骤，并配合仿真软件的使用：

绘制系统电路图→电路功能的仿真→系统软件的设计、编写及仿真执行→编写程序，并在实验板上验证

3.1 绘制系统电路图

此步骤看似与设计要求不相关，但是结合指导毕业设计的经验，发现缺少了这一环节的培养，大量做硬件课题的学生到了毕业设计阶段，从头开始学习绘制电路原理图及PCB板的设计，占用了非常多的时间，使得关注于课题设计的时间被占用，影响设计效果。绘制原理图及PCB又是实践性极强的，单独设课的教学效果不好，结合以上情况及参照本校实践类课程教学计划，我们在综合实验中用几个学时的时间对学生进行初步的培养，深入的学习研究留给他们课后去做。另一个目的是让学生熟悉系统电路，这比单纯的对着课件讲述一遍留下的印象要深一些。采用的绘图工且是protel99SE（主要是实验空条件所限），基本任务是绘制电路原理图，构建网络表，应用自动布局、布线来完成PCB图，学一些基本技巧。

3.2 用EWB进行部分原理电路的仿真

这一步通过对两个系统外围电路的仿真，训练学生正确选择器件，完成电路的设计、搭建，并进行仿真调试。实验要求完成555多谐振荡器（振荡频率＞400kHz）的设计（该电路是ADC的时钟源）和8位ADC的工作仿真。自拟电路，计算出正确的参数。

我们选择multisim2001电路仿真软件完成这部分的教学。multisim2001在保留了EWB以往版本形象直观等诸多优点的基础之上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，同时还大大扩充了元件库中伤真元件的数量，特别是增加了若干个与实际元件相对应的建模精确的真实仿真元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠。

任务虽然简单，但是我们在教学中始终贯彻工程训练与实际应用紧密联系的教学思想，要求学生选用multisim8中提供的实际标准值器件。比如：multisim中提供的555电路有两种，一种是频带较窄的器件，一种是带宽较宽的，如果选择不当，则在系统要求的频段范围内输出失真的脉冲波。仿真8位ADC时，模拟电压输入端接一个可变电位器，改变输入电压的值，记录输出的数字值，验证转换结果，并改变参考电压，观测不同的输入电压对应的输出结果，理解在ADc转换精度固定的情况下，提高分辨率的方法。

3.3 程序的设计及仿真执行

我们采用的是wave6000作为系统程序的编译环境。该程序界面清晰，汇编代码调试方便。此环节，我们采取的教学模式是：以模块程序入手，根据系统功能，添加连缀语句，完成系统程序。

为了让学生熟悉单片机的编程环境，先编写几个本系统会用到的子程序，如延时、数据传输、BCD码的转换、查表等。通过这个环节，掌握程序调试的基本步骤，如编译、跟踪执行、从数据入口送数、在数据出口读数、差错修改等。

进一步按照系统工作的原理，利用几个已有的子程序，添加单片机的初始化、ADC的控制语句及所需的中断服务和必要的连接语句，形成完整的系统程序。

在这个环节，在软件调试环境中，完成编译、调试，重点放在观察程序运行的顺序是否正确，即确保数据采集是定时循环进行的。调试通过后，将程序饶写到单片机中在实验板上运行，并用仪器观测控制脉冲等信号。因为软件调试环境中未必能对所有硬件操作进行调试，这时也可看到电路中不能进行软件仿真的部分，其工作是否正常。往往软件调试完全正确的程序，挠写到芯片上运行却不完全正确，就需要在程序的某些地方作些调整。

综上所述，经过3个步骤循序渐进的学习过程，利用EDA工具软件重要的教学辅助作用，引导学生建立起了电子电路设计的概念。从分析、理解电路性能，到模块电路的设计，并结合硬件工作原理来设计软件，提高了工程实践能力，在电子技术综合实验中完成了电路设计知识的基础培养，为学生进一步的学习打下了良好的设计基础。

[1]王军.电子技术综合实验[M].成都：电子科技大学出版杜，200l.

[2]段玉生，王艳丹，何丽静.电工电子技术与EDA基础[M].北京：清华大学出版社，2004.

TP31

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1674-6708（2010）32-0246-02

潘远翠，讲师，主要从事电子信息教学与研究