EDA仿真实验（精选8篇）
EDA仿真实验 篇1
传统的电力电子技术实验, 基本上是学生先准备好一些二极管、三极管、电阻、电容等常用电子元器件和万用表、电烙铁等, 通过实际搭建电路来获得电子线路的感性知识, 帮助学生加深理解理论课内容、提高实际动手能力。但在教学实践中, 由于电路板连线可靠性差, 学生的操作技术不够熟练, 产生错误的概率较高, 实验失败甚至损坏器件、仪器设备的情况经常发生。在辅导实验时, 教师需要花费大量精力去帮助学生检查连线错误, 排除一些技术上、工艺上的故障。电路仿真是利用EDA系统工具的模拟功能对电路环境 (含电路元件测试元器级测试仪器) 和电路过程进行仿真。这个工作对应着传统电子设计的电路搭建和性能测试。由于不需要真实电路环境的介入, 因此花费少、效率高, 而且结果准确、形象。
一、EDA概述
EDA (Ele c tronic De s ig n Automa tion) 即电子设计自动化, 是指以计算机为工作平台, 运用EDA软件完成电子电路的自动化设计工作。主要进行三方面的工作:电路设计、电路仿真及PCB设计。目前常用的EDA工具有Multisim、Or CAD及EWB软件。Multis im是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件, 其元件库提供千种电路元器件供选用, 同时也可以新建或扩展已有的元器件库;Multisim虚拟测试仪器仪表种类齐全, 有一般实验的通用仪器, 如万用表、函数信号发生器、示波器、直流电源等, 还有一般实验室少有或没有的仪器, 如数字信号发生器、逻辑分析仪、失真仪等, 并且仪表可多次调用;Or CAD可以完成以硬件描述语言 (VHDL) 和线路图绘制方式进行电路设计, 即FPGA和CPLD设计综合, 对数字、模拟和模/数混合电路进行模拟及印制电路板 (PCB) 设计等任务;EWB可以对模拟、数字、模拟/数字混合电路进行仿真。
二、仿真实例
下面采用Multisim对电力电子技术中的调光电路进行仿真, 通过一定范围内改变某器件参数, 将电路的工作状态更清晰、生动地展现在学生面前, 并且直观地观察到电路性能的变化。
(1) 编辑原理图。包括建立电路文件、设计电路界面、放置元件、连接电路等步骤, 得到电路原理图, 如图1所示。
(2) 进行仿真测量。利用Multisim的参数扫描功能, 调用示波器对该电路进行仿真, 观察输出波形的变化, 探究输出波形的形成, 即移相调光原理。仿真波形如图2所示。其六个波形依次是:电源电压、整流直流电压、灯泡两端电压、晶闸管两端电压、电容端电压、触发脉冲电压。
(3) 仿真结论。移相调光原理:调节电位器RP, 当RP电位器阻值小时, 电容C充电时间短, 看到的锯齿波、脉冲波数量较多, 触发角小而导通角大, 灯泡就亮。当RP阻值较大时, 电容C充电时间长, 脉冲后移, 看到的锯齿波、脉冲波数量较少, 触发角大而导通角小, 灯泡就暗。两种情况的波形一比较, 就明白了移相调光的原理。
总之, 从波形图中可以看出, 在晶闸管承受正向电压的时间内, 改变门极触发脉冲的输入时间, 负载上得到的电压就随着改变, 这样就控制了负载上输出电压的大小。
三、应用效果
从以上的这个例子的仿真设计过程, 可以看出该电路修改调试方便, 设计和实验同步进行;元器件及测试仪器仪表齐全;实验中不消耗元器件, 实验所需元器件的种类和数量不受限制, 没有真实元器件参数的离散和变化, 没有仪器精度变化带来的影响等等;可以方便地对电路参数进行测试和分析;实验结果反映的是实验的本质过程, 准确、真实、形象。如果能在仿真出现结果后再焊接制作电路板, 实验成本低, 效率高。
结束语:在Multisim的环境下进行电路仿真实验, 不仅与在现实环境下做的实验有许多相同的地方, 并且方便快捷, 其仿真结果对实际电路设计将是很好的参考。当然, EDA仿真也可以引入电工实验、电路分析实验、模拟和数字电路实验的辅助教学中, 形成虚拟实验和虚拟实验室, 这将极大地提高实践质量和教学效果。参考文献:
摘要：本文通过调光电路实例探讨了在《电力电子技术》课程教学中应用EDA仿真技术进行模拟实验的教学方法。可以看出, Multisim仿真软件为教学质量的提高提供了良好的促进手段, 对激发学生学习兴趣, 增加动手能力及研究分析问题的能力大有裨益。
关键词：EDA仿真技术,Multisim,电力电子
参考文献
[1]聂典.Mult isim计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社, 2007.
EDA仿真实验 篇2
张佳兴 2220131738 电气工程及其自动化1班
一、Verilog语言反应硬件特性举例
1.module cc(clk,en,cout)、input、output，这三个语句用Verilog语言定义了一个逻辑器件，module后边括号内为端口名称，每个端口都对应硬件的一个引脚，引脚的输入输出性质都由input、output所定义，C语言中对变量的定义，都是int等反应数据大小的数据类型，不能反映硬件特性。
2.reg寄存器类型，表示一个具有保持作用的数据储存单元，它只能在always语句和initial语句中被赋值，并且它的值从一个赋值到另一个赋值被保存下来。这种类型就和实际芯片中的寄存器作用一样，可以将其中数据状态保存一定时间，C语言中没有这一类型。
3.always语句当其检测到适当状态时，执行其中内容。Always @（posedge clk）语句就表明，检测到高电平执行，和实际芯片引脚状态变化引起内部变化原理一致，C语言中没有过程赋值这种语句，C中也没有对高低电平、上升下降沿的判断条件。
4.Verilog语言中的模块例化，将各个模块程序在例化程序里结合起来，在硬件层面就相当于将各个小的模块互相连接，构成一个大的模块，C语言中类似的形式是函数，一个函数可以有子函数，但是C中的函数不能反应硬件特性。
二、数字频率计设计与调试总结
在进行课程设计的过程中我遇到了以下几点困难：
1.在最初设计时，没能利用硬件的思想来设计这个题目，导致频率频率计数的逻辑控制部分设计不清。在参考老师所提供的框图后了解应将逻辑控制部分单独设计成一个模块，通过en和clr来控制计数，这样技术部分就可以将之前的实验内容移植过来，十分简便。
2.在设计过程中的，锁存部分原理没有搞懂。按照老师的框图，从前向后分析，发现锁存的时钟clk是之前逻辑控制部分的lock引脚所提供，这样就将每个周期所计得的频率结果在同一个时序通过锁存器向后传输。
3.配置引脚时出错，将数码管的位选引脚顺序弄反，导致数码管显示错误。仔细检查，发现错误，改正后正常运行。4.在拓展功能一的设计中，将十分频部分弄错，最后出来的结果和预期差了一些。在当堂实验课中，这个错误我没能及时纠正，回来之后，我对应程序认真检查，发现我的十分频，被我设计成了逢9进1，导致最后结果错误。
5.发现了自己很多语法问题，比如在过程赋值中对wire类型数据进行赋值导致错误，module定义的模块名称没有和文件名称对应导致错误等，最终我通过PPT及网络途径解决了这些问题。
在这次实验中，基本功能全部实现，并且是我自行制作，拓展功能一，同样是我自行完成，不过我当时得到的结果有误差，实验后我已经发现了问题，改正了错误。拓展功能二没有实现。
三、对课程的建议
1.我希望老师以后的实验过程中能够有一个答疑环节，在实验前，我们可以对预习中不懂的部分进行提问。
EDA仿真实验 篇3
关键词：EDA,计算机硬件教学,仿真平台
随着计算机技术和电子信息技术的高速发展, 以及各种新技术的应用, 给高校教学方法和实验环节提出了新的要求, 也带来了难题。目前高校教学手段和教学设备远远落后于科学技术的发展, 严重制约教学的发展和人才的培养, 如何提高教学水平已经成为现在新技术学科教育的难题。
1、教学仿真平台的结构组成
实验教学环境主要包括软件和硬件环境两个部分, 基于EDA的计算机仿真技术是以计算机的可编程器件的开发软件以及实验系统为工具, 自动完成从软件到硬件的仿真平台。仿真平台主要以网络化的解决方案和网络EDA的一体化为基础, 结合仿真技术和虚拟的实验室环境, 以视觉或者文字等直观方式将难以表达的内容显示出来。仿真平台涉及到计算机的硬件教学的各门课程和技术。仿真平台主要由EDAXUEXI、模拟电路仿真、数字电路仿真、语言学习训练和外部系统接口构成一个完整的模拟系统。EDA学习集成了Quartus、EWB、DSPDNEG等多种EDA通用工具, 确立硬件系统为目标, 使用多种逻辑描述输入工具, 为教学的硬件设计提供保障, 建立适合于系统仿真的虚拟环境。模拟电路仿真是使用电子元件、模数混合和模拟电路等组成实验仿真, 需要对电路性能和工作条件进行仿真分析, 使整个教学过程更加快捷、方便和针对性。例如通过模拟电路仿真测试之后, 可以实现PCB电路板的设计。数字电路模拟主要是利用数字电路中的数字逻辑、计算机原理、数字电路知识、单片机系统以及接口系统等相关知识实现教学实验的仿真。语言学习训练主要是进行汇编语言和硬件描述语言等编程语言的学习训练, 在整个教学中学习硬件和软件的编程技巧, 提高计算机语言能力和硬件的设计能力。外部系统接口主要是指提供和外部的实验仪器设备的接口。
2、仿真平台的设计
仿真平台包含多种外部实验设备的接口, 主机可以通过这些接口与多种目标机建立连接, 对各种实验程序进行下载验证。软件系统是指Microsoft Visual Studi平台上设计开发的, 集成了多种EDA工具, 实现人机相交界面, 可以进行各种数据图表、实验参数的输入和仿真结果的输出。构成了以实验、教学和仿真为目的的完整仿真平台, 通过外部的I/O接口工具, 可以将各种实验程序进行下载和验证。
(1) 仿真平台的EDA集成。仿真平台的EDA的集成包含的EDA工具的种类比较多, 软件系统的设计中需要解决工作路径的选择、环境变量的设置、调用信息返回和软件参数的传递等关键问题来保证软件系统的正常工作, 实现仿真平台和EDA工具良好的结合。下面主要介绍仿真平台和Quartus的集成过程。
首先安装2个EDA工具, 在仿真平台中修改软件环境变量和在Quartus中设置工作路径, 方便仿真结果的查看和分析以及在平台中可以做出相应的修改和调整;接着做参数处理, 在仿真平台中利用EDA工具在实验项目中启动参数, 传递到EDA工具中, 经过分析处理可以得到实验项目的仿真结果和仿真电路;最后软件平台集中处理EDA的返回信息, 并且提供给信息用户。
(3) 仿真的实现。仿真平台可以完成多种计算机硬件教学任务, 下面将介绍利用不同的EDA工具的不同软件配置和仿真过程实现在计算机仿真教学中的数字电路的设计。
数字电路的设计中首先要分析和确定电路的逻辑功能, 将逻辑函数进行化简;接着按照电路的原理选择门电路, 建立最优的逻辑电路。其中门电路的选择要满足教学实验要求的开放性和创新性, 可以引入FPGA技术来避免受到门电路因素的干扰, 最优的逻辑电路是整个数字电路设计中的重要环节, 使用RDA工具可以保证数字电路设计的准确性。
(3) 下载验证。已经通过仿真设计的数字电路, 通常需要检验电路的硬件功能, 需要将设计的电路下载到目标机中验证, 下面将介绍下载验证过程。
首先选择目标机的类型和FPGA型号进行全程编译和分配引脚操作, 生成“Bjp.sof”和“Bjp.pof”下载文件, 然后通过Active Serial方式将下载文件下作为永久保存的下载文件, 写入到串行配置器件, 在目标机按开机后自动写入FPGA中, 实现了数字电路的逻辑功能。在下载完成之后, 可以通过半加器对电路的正确性进行判断。
(4) 语言学习。在仿真平台可以学习多种编程语言, 例如VHDL等硬件描述语言, 可以学习硬件的结构和行为, 汇编语言是面向硬件可控制硬件, 是掌握计算机系统的原理和工作方式的途径, C语言在软硬件系统中应用比较广泛。仿真平台还可以组织各种语言的仿真设计以及给出仿真结果, 有助于在教学中理解各种程序和定时器的方作方式。
3、计算机硬件教学仿真平台上的应用
仿真平台可以学习很多课程的理论、仿真测试和实验验证。仿真平台的设计包含、计算机原理、数字电路、借口技术、嵌入式系统、单片机的知识、电路设计、电工学的基础、PCB的制作、各种汇编语言程序等, 有真值表、逻辑函数、原理图、仿真波形、三维图形、平面图形、程序代码、动画等多种演示的表现形式, 能偶从不同的角度展示教学内容, 提高学生的学习兴趣, 帮助学生学习和掌握相关的、教学内容, 学生也还可以通过仿真平台进行自主学习, 进行仿真和验证个人学习项目。仿真平台还可以对现有的EDA工具进行升级, 建立相应的学习环境, 进一步提高教学效果和丰富教学内容, 仿真平台的设计和建立革新了现代教学方式, 有助于学生的学习能力提高。
4、结语
基于EDA的计算机硬件教学仿真平台是将多种EDA工具进行集成和优化, 可以适用于各种课程的学习, 丰富现有的教学手段, 可以面向不同层次学生的课堂教学, 尤其是现行的教学实验设备不足的课程, 通过仿真平台的教学, 提高了学生的专业知识水平和动手能力。教学平台还可以借助网络平台进行远程教学, 推动网络教育的发展。
参考文献
[1]向明尚, 刘延军, 刘志刚等.基于EDA的计算机硬件教学仿真平台设计及应用[J].大庆石油学院学报, 2011 (5) :92-96.
EDA仿真实验 篇4
EDA教学的仿真部分可以充分利用仿真软件及虚拟的仿真器件对电类相关的实验课程进行实验的补充。比如可用于电子测量课程的实验实训的补充等。从而可以缓解电子测量实验的设备投入及经费紧张的情况。也可以在相同的教学时间内让学生掌握相对更多的知识及更快地提高学生的操作能力。
1 EDA仿真实训教学现状
1.1 EDA仿真实训教学与实验教学相脱离
EDA仿真实训的目的之一是在仿真的基础上验证各类实验结果。EDA实训教学如果集中安排在数周内完成, 实训内容多, 任务重且所做的实训内容往往是在各类实验之后进行。实验教学中可能出现的问题不能在EDA仿真实训中而加以强调, 从而学生在做实验的时候也就不可能加以注意;同时, 实验结果也不能通过EDA仿真实训加以模拟。当然实验结果出来之前也就不能形象地判断出最后的结果到底会出现什么问题, 更有的时候甚至实验不能成功。结果是仿真实训教学与实验教学本末倒置。
1.2 EDA仿真实训教学与电类课程设计相脱节
各类电类课程设计几乎是安排在EDA仿真实训教学的同一时间完成, 有的甚至是安排在EDA仿真之前完成。违背了设计的基本规律。即:功能设计, 功能模拟仿真和下载调试到硬件仿真试验的规律, 而直接是功能设计, 硬件搭接到硬件试验。从而可能会浪费大量的时间和资金, 延长了设计周期, 同时, 设计的成功率也大大降低。妨碍了学生自主学习的能力的发挥, 不利于创新人才的培养。
2 EDA仿真实训教学优势
2.1 EDA仿真实训教学可以辅助电子测量实验教学
EDA仿真实训教学通过仿真的形式把实验结果和实验过程加以模拟。
在用伏安法测量电阻时, 为了直观地讲述进行测量的电压表和电流表的内阻对测量结果的影响, 就可以用仿真软件所提供的虚拟电表, 比如更换内阻的大小, 在读数上直观地反映出来。效果比单纯的理论教学要好的多。
同时由于在仿真过程中可以模拟各种可能出现的实验情况, 从而把对应的实验过程中各种可能出现的问题以直观的形式展现在同学们的面前, 对各种可能出现的问题的处理老师也可以事先引导同学们想办法解决, 避免在实验过程中手忙脚乱的情况的发生, 也就避免了可能出现的危险问题。同时通过对仿真结果的分析, 可以帮助同学们在做实验之前对实验中可能出现的结果加以统计分析, 从而做到对实验情况的充分认识和掌握而提高实验的成功率, 同时, 可以缩短实验时间, 节省实验器材和成本。
2.2 EDA仿真实训教学可以深化电子测量实训理论教学
电子测量课程的理论教学理论性强, 有的概念和定理等不容易理解掌握, 信号发生器的原理中的不少知识点就是理论性强, 不易理解, 如系统的概念, 各种常见的低通, 高通, 带通等滤波系统, 学生没有直观的印象, 对他们的功能也理解不深, 在教学中通过EDA仿真实训可以让学生对各类系统的功能有个直观的了解, 有利于理论教学的进一步深化。提高学生学习理论知识的兴趣。
2.3 EDA仿真实训教学可以缓解实验设备不足的压力
学校新建了新校区, 电子测量实验设备短缺, 不能满足教学需要。而EDA软件是安装在计算机上, 相当于增加了很多的实验设备, 投入少, 学生可以通过计算机完成一般的仿真实验。缓解了学校的设备不足的压力。
2.4 为学生的知识应用和知识创新提供了一个合适的平台
EDA软件系统包括许多子模块, 设计数据库子模拟, 分析验证子模块, 综合仿真模块, 布局布线子模块等, 通过EDA技术学生可以快速地设计电子系统, 很容易地实验修改及完善, 同时, 利用EDA软件的丰富的实验器材, 学生可以根据自己的学习进度合理安排实验时间, 同时可以根据自己的兴趣爱好等选取实验室提供的实验项目, 也可以根据自己的一些新想法, 自己择业的需要, 完成一些实用的开发项目, 大大提高学生的学习兴趣有利于学生对知识的掌握和创新意识的培养。从而为学生的知识应用和知识创新提供了一个合适的平台。有利于学生的竞争。
3 EDA仿真实训教学的几点思考
3.1 EDA仿真实训教学和理论教学相结合
EDA仿真实训教学要为理论教学服务, 为枯燥高深的理论教学提供一个可以看得见摸得着的一个可视化的平台, 惯穿于教学的始终。有助于理论教学的提高和深入, 从而为学生的理论学习打下一个坚实的基础, 使他们对学习理论产生深厚的兴趣。有利于理论教学质量的提高。
3.2 EDA仿真实训教学要与电类实验相结合
EDA仿真实训和电类实验不是相冲突的, 两者可以相结合, 学生可以通过虚拟仪器进行模拟实验, 同时, 对模拟结果进行思考, 做实验时可以更好的理解实验所得到的结果。把实验结果和实际情况及理论情况进行有效的比较。有助于培养学生的独立思考的能力。
3.3 EDA仿真实训教学为电类课程设计服务
电类的课程设计可以先通过EDA仿真的形式进行, 他们可以方便地通过语言描述编程仿真, 模拟下载等快速在完成电类的课程设计, 节约时间和成本, 有助于学生创新能力的培养。与此同时, 它与电类课程设计也不是完全对立的, 可以先仿真, 然后再实现的形式, 最后的效果肯定是不错的。
4 总结
EDA仿真实训教学是一门不断更新的课程, 在今后的教学中必将担当越来越重要的角色。只有不断的创新教学体系, 才能更好地培养出合格的有一定创新能力的新型人才。S
参考文献
[1]曲伟建.EDA技术在数字电路设计中的应用[J].电测与仪表, 2004 (5) :30-32.
[2]焦素敏, 杨志晓.EDA技术在数字电路教学中的应用研究[J].机械与电子, 2007 (31) :106.
EDA仿真实验 篇5
关键词：EWB,仿真,限幅,放大
EDA(Electronic Design Automation：电子设计自动化）技术，是一种对电子线路系统或芯片进行自动化设计与开发的计算机辅助设计技术。EDA技术的发展为电子系统设计和电子产品开发提供了全新的手段，也为电子技术人员的培养提供了全新的教学手段。EWB是EDA技术中常用的软件之一，是掌握EDA技术的入门基础。
EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的专门用于电子线路仿真的“虚拟电子工作台”，Electronics Workbench软件，它可对模拟、数字及混合电路进行仿真，目前已在电子工程设计及教学等领域得到广泛的应用。
(1)如图1所示，体现了《电路分析基础》中的基本定律：欧姆定律和基尔霍夫定律，用在电压和电流的电量分析上，学习和应用者结合参考方向和分流、分压关系进行电路分析，与日常生活接洽，家用电器间多是并联的分流结构。
1）直观显示出各并联器件上电压相等、串联器件上电流相等。2）每一二端元件本身伏安关系符合欧姆定律。3）在12V直流电压源作用下，各电流满足基尔霍夫电流定律；闭合的绕行回路满足基尔霍夫电压定律。4）日常用电都是经过变压器变压后的220V，我家里的户内控制箱：总开关400V～、各分开关220V～。5）日常生活中用电高峰期经常遇到电压不稳的状况，当高功率的某电器超出额定值时，会发生跳闸现象。
(2)《模拟电子技术》中的二极管的限幅应用，利用的是二极管的单向导电特性，正向导通状态、反向截止状态。如图2为上限幅电路结构和波形，图3为下限幅电路结构和波形。现实中二极管主要用做限幅、整流、显示等，使用中注意辨别极性。常见的普通二极管和稳压二极管，通过外封装上的色环识别其阴极，在LED显示屏中常用的是红、绿、蓝三种发光二极管，引脚长正短负，从侧面看进去两引脚在内部结构中形状小的为正。
(3)《模拟电子线路》中的三极管放大电路，根据三极管的连接方式分为三种组态：共发射极、共基极、共集电极。因为三极管的非线性引起的失真，称为非线性失真。工作点的不合适将引起饱和失真和截止失真；输入信号过大，超出线性工作范围将引起双向失真。在实际应用中一定要选择合适的工作点，确保核心放大器件工作在线性区，可以不失真的放大信号。
如图4所示，共发射极放大电路可以放大电压信号，其输出端电压与输入端电压相位相反，大小之比大于1。在实际应用中，共发射极电路用来实现反相器或倒相器，多设计在中间级，体现信号电压放大。
如图5所示为共基极电路，输出电压与输入电压相位相同，多用在高频放大信号。
如图6所示为共集电极电路，输出电压与输入电压相位相同，大小接近，在输出级做射随器，用于功率放大和电流放大。
(4)常见仪器仪表中的正弦波（图7）、方波（图8）等波形发生电路。
1）正弦波振荡电路：
a频率与RC选频网络有关，根据公式f=1/（2πRC）计算得到近似为1592赫兹。
b输出电压最大值10.7V左右。c利用两个反向并联的二极管，保证输出波形正负半周对称，实现稳幅，借助并联的电阻，改善波形的失真。
2）简单过零电压比较器实现方波输出（图8）:
a输出电压的大小与集成芯片的输出正向和负向饱和电压有关，且受到两个反向串联的稳压二极管的影响，导致输出限幅。
b输出只有两个状态，且在输入为零的位置上发生跳变。
(5)实验实践中常见的直流稳压电源。通过变压器将电网电压降压为需要的交流电；利用二极管的单向导电特性将正负半周交替出现的交流电变为单一方向下的交流电；采用电容滤波将单一方向下的交流电变为比较平滑的直流电压，如图9所示；借助稳压电路使得输出电压稳定。以下采用的是EWB升级版multisim2001实现的仿真。（图9)
(6)结束语：EWB是EDA技术中的常用基础软件，具有界面直观、操作方便等优点。通过电路仿真，可以熟悉常用仪器仪表的使用，基本指标的的测量与调试方法，进一步培养综合分析和开发、创新能力。
参考文献
[1]钟欣.基于EWB的电子电路仿真分析和设计[J].中国高新技术企业,2008,(11).
[2]王树昆等.EDA仿真环境的研究与应用[J].山东省青年管理干部学院学报,2006-01-10.
EDA时代如何做好数字设计实验 篇6
在高等工科院校的教学过程中,实验教学与理论教学具有同等重要的地位。数字电路与逻辑设计实验课是专业基础实验课之一,实验的根本目的是培养学生的理论应用能力,以及分析问题和解决问题的能力,归根到底是培养学生的实践创新能力。然而由于各种原因,实验室储备的电子元器件和集成芯片有限,无法满足各种电子电路的设计和实验要求。再者,对于一些较复杂的实验特别是设计型实验,学生要用大部分的精力和时间进行电路连接和线路的检查,而用于分析问题、解决问题的时间不足,实验效果不理想。近年来,EDA(El ect r oni cs Des i gn Aut omat i on)技术的出现与发展,标志着数字电路设计现代化的到来。EDA技术引入了软件仪器和软件器件,即虚拟仪表和虚拟元器件,从而产生了一系列电子实验和设计方法的改变,利用EDA技术进行数字电路设计实验,可弥补传统的实物实验的不足,为解决上述问题提供可能。
1 EDA技术概述
EDA(El ect r oni cs Des i gn Aut omat i on,电子设计自动化)技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。从它的几个主要应用来讲:EDA技术是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、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术[1,2]。
EDA工具层出不穷,目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:EWB、PSPI CE、Or CAD、PCAD、Pr ot el、Vi ewl ogi c、Ment or、Gr aphi cs、Synops ys、LSI l ogi c、Cadence、Mi cr o Si m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,同时以可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。按主要功能或主要应用场合,分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、I C设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。
数字设计实验就是EDA在PLD设计方面的应用,实验室所使用的软件MAX+PLUSI I是ALTERA公司较成功的PLD开发平台,其主要产品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、St r at i x等。实验室所采用的芯片是ACEX1K系列,实验箱是北京革新科技有限公司开发的EDAPRO/240H综合实验系统。
2 传统实验教学中的不足
传统的数字设计实验,主要是一种结合课程的教学内容进行验证性和综合性的实验,它以电子技术实验箱为实验平台,学生通过搭接各种中、小规模数字集成电路(MSI、SSI)来获得电路的感性知识[3]。这对帮助学生加深理论课内容和提高实际动手能力是有效的,但在实验教学中,设计只能在面包板上进行,是一种搭积木式的方式,使复杂电路的设计、调试十分困难。如果某一过程存在错误,查找和修改十分不便,同时由于元器件不断重复使用,加上连线的可靠性较差,容易产生接触不良和元器件、线之间相互干扰而难以调试等问题,而且还会发生在规定时间内实验内容做不完或失败甚至损坏元器件、仪器设备等情况[4]。在实验过程中如出现问题,教师要花费大量时间去帮助学生检查连线错误,排除一些技术上、工艺上的故障。同时,由于电路的测试要用到许多专门的仪器,加上受实验室的规模和开放时间的限制,如果学生没有完成实验也无法利用课后时间继续进行,不利于提高学生学习积极性。电子技术发展到今天,分立元件门及中小规模的电路已经被大规模集成电路所取代,此类电路实验已不能适应电子技术飞速发展的需要,其重要性会不断降低。
3 在实验教学中引入EDA技术的优势
3.1 实验内容更加丰富
传统的单纯依靠数字实验箱的数字设计实验内容单一,输入是逻辑电平开关电路,输出是LED显示和数码显示,实验题目无非是加法器、乘法器、计数器、抢答器等较简单的实验内容;而引入EDA技术后,增加了动态键盘扫描模块、频率模块、USB模块、模数转换模块、点阵模块、语音功放电路模块、单片机接口模块等,相应的实验内容大大丰富,霓虹灯、打地鼠、密码锁、电子琴、答案提示板、跑马灯等有趣的实验题目大大提高了学生的兴趣。
3.2 实验方法更加有效
传统的数字设计实验中,学生的大部分时间都花在面包板的连线上面。在一些复杂的实验中,经常会因操作不当而观察不到实验结果,而且常常由于简单的连线错误导致整个实验失败,从而否定设计思路。在实验教学中引入EDA技术,学生在实验前先利用EDA软件完成设计,并进行项目编译及功能仿真,充分做到课前预习,这样在上课时学生就可以把精力集中到硬件调试及解决实际问题上。实验的操作就会变得相对简单,实验条件很容易改变,在同样的时间里可以完成多个实验方案的比较,大大提高了实验的效率和质量。
3.3 实验手段更加灵活
将EDA技术引入实验教学,在时间和空间上不受课时和实验器材的限制。由于大部分工作是在软件平台上进行,加上计算机的普及,使得设计工作可以走出实验室,设计完成后,直接把文件下载到实验箱中,测试芯片在系统中的实际运行性能,使实验变得方便、灵活、高效。学生可以独立主动设计实验,不断得到实验结果,并且可以修改参数,在不必担心损坏仪器的情况下,迅速进行实验仿真,这对提高学生的学习积极性大有益处。
4 引入EDA技术所取得的教学效果
燕山大学电子实验中心从2006年下半年开始在实验教学中引入EDA技术,经过3年的尝试,取得了良好的教学效果。
4.1 提高实验的可靠性
将EDA仿真引入实验教学,可以克服传统实验的不足,提高实验效率,实验结果具有较强的可靠性,能够直观反映出电路设计可能存在的差错和时序竞争。如在实际电路中,各级门电路由于延时关系,会引起电路的竞争与冒险,即在正常信号中出现不正常的尖脉冲(这是必须要克服的),但受设备条件限制,根本观察不到这种现象。应用EDA软件,不仅可以观察到这种实验现象,还可以通过仿真来分析并解决这个问题。
4.2 提高学生的积极性
提高实验技能的关键除了提高数字电路知识水平之外,还要勤于动手、勤于动脑,坚持多问、多练、苦练、巧练,善于博采众长;要热爱实验,“兴趣是最好的老师”,对实验有了强烈的兴趣,实验技能就会迅速提高。在数字设计实验中引入EDA技术后,实验室EDA设计题目将近40个,而每个班的学生人数一般不会超过40个,这样就确保每个学生一个设计题目,为学生的独立自主设计提供了舞台。学生们可以充分地把自己学到的理论知识运用到工程设计实践中,通过一系列的步骤:总体思路确定———利用软件输入完成设计———调试解决软件中遇到的问题———器件编程下载到硬件———发现硬件方面的问题———解决问题———成功实现设计要求,使同学们体验了一个简单的工程设计开发流程,大大提高了同学们的动手积极性和学习热情。
4.3 提高学生的实践能力和动手能力
在数字设计实验过程中,让学生掌握这种先进的电子设计自动化技术,再利用它去开发、研究设计性及综合性实验,会产生事半功倍的效果。这样在激发学生学习兴趣的同时,使学生能逐渐将新知识、新技术、新手段应用到实践中去,极大地提高了学生的实践能力,同时还为学生留下了无限的想象空间,有助于学生创新意识的增强。
5 结束语
将先进的EDA技术引入数字电子技术实验中,采用先进的技术手段,对传统的实验教学方法进行大胆创新,可以给学生提供一个现代科学技术平台,不仅符合电子技术的发展趋势,更是实施素质教育的重要途径。
参考文献
[1]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究[J].电子科技大学学报(社科版),2002,(2):91-94.
[2]黄春耀.现代EDA技术与电子类基础课实验教学改革[J].龙岩学院学报,2005,23(3):122-124.
[3]刘银萍,陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索,2006,25(8):981-983.
EDA课程实验教学方法探讨 篇7
EDA技术已成为现代数字系统设计的主要手段, EDA技术使得设计者的主要工作是利用软件的方式完成对系统硬件功能的实现。使用计算机在EDA工具软件平台上完成系统设计, 自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试, 直至实现电子线路系统硬件功能[1]。设计行业和社会对熟练掌握EDA开发的高素质大学毕业生需求量逐渐增加。对技术的需求也反映到教学和科研领域中, EDA技术相关课程是高校相关专业必不可少的课程。很多院校EDA技术课程教学过程选择基于现场可编程逻辑门阵列FPGA平台的设计开发, 源于FPGA器件应用广泛, 实验开设成本低, 可重复编程, 以及其设计方法在EDA设计中具有典型性和通用性。本文对EDA课程实践教学实施进行分析探讨。
2 EDA课程实验课建设
EDA课程是一门实践性强的课程, 实践环节必备综合性实验和相关硬件实验环节。学生打好基础后, 注重实践能力和创新能力的培养。我校EDA课程开设了通信工程专业的FPGA原理与应用, 电子信息工程专业的电子设计自动化和生物医学专业的可编程逻辑门阵列。生产可编程逻辑器件的厂家很多, 代表性的有Altera、Xilinx、Lattice等公司, 其中以Altera、Xilinx为主, 他们的FP-GA/CPLD产品最有代表性。我校以Altera公司的FPGA和相应的开发系统为基础, 建立了FPGA与嵌入式系统实验室。实验室配置了EDA/SOPC实验箱, 它是集EDA和SOPC开发为一体的综合性实验箱, 它不仅可以独立完成几乎所有的EDA设计, 也可以完成大多数的SOPC开发。实验室建设保证了教学工作的顺利进行, 为EDA人才培养创造了有利条件。
2.1 合理的实验内容。
根据教学内容, 实验项目分层次开设[2], 安排针对性较强的实验项目。按强化重点可分为基础实验、综合实验、创新实验。
2.1.1 基础实验。
掌握利用软件进行EDA开发的基本流程, 与数字电路课程相结合, 通过简单数字逻辑电路和时序电路实例的原理图设计、HDL设计, 让学生从一开始就将理论知识与具体电子电路设计结合起来。
2.1.2 综合实验。
设置较复杂的数字电路系统的设计实验, 让学生学会原理图与硬件描述语言相结合的混合输入设计方法, 引入模块化设计、分层设计, 让学生理解自顶向下的设计思想和自底向上的实现思想的概念。针对对本课程有兴趣的同学, 结合专业特点设置不同领域的设计项目, 使学生更加熟练掌握基本设计方法。开发流程基本要点如下[3]:a.选择一种硬件描述语言;b.选择EDA综合工具;c.熟悉所用FPGA器件的性能;d.创建一个概要的系统设计;e.遵循所推荐的编码指导原则;f.分割设计模块, 并逐一实现;g.确定每个设计模块的指标, 即速度、功耗和面积;h.逐个编译设计模块, 进行面积和性能的估计;i.对每个模块进行仿真;j.完成整个设计的仿真。
2.1.3 创新实验。
实验要有一定难度, 主要面向实际应用, 能启发学生自主创新意识, 鼓励学生设计和组装一些电子产品, 进而可以参加一些电子设计大赛。
这样的层次化安排, 由逻辑行为的实现-控制与信号传输功能的实现-SOPC开发的层次[4], 有助于初学者入门, 及后续的深入学习。
2.2 多样化的教学模式
2.2.1 引导式实验教学。
由浅入深的引导式教学过程, 首先让学生了解当前电子设计行业主流企业的软硬件产品及芯片系列, 学会行业账号注册方法, 软件的官方资料的获取方法, 学会获取在线培训课程。实验课从集成环境中基于原理图的设计演示开始, 让学生熟悉EDA开发流程, 进而过渡到HDL语言设计简单的数字电路, 从实例的介绍中学习体会该语言的语法含义, 理解硬件软件化的设计思想。学生具备基础知识后, 进一步深入运用一些HDL语言的高级语法, 引导学生在基础实验上进行一些改进和发挥。最后讲解复杂数字电路系统设计的方法, 注重混合输入设计方式和模块化设计方法的引导, 提高设计的通用性。模块化设计对于复杂的数字电路系统, 可以根据功能要求划分成子模块实现, 针对每一个模块选择合适的设计输入方式, 原理图的设计输入方式比较直观, 推荐顶层设计, 开发系统通常提供丰富的设计资源可直接调用, 硬件语言适合描述复杂的逻辑, 移植性好, 通常一个大的数字电路系统采用混合式输入。然后讲解设计步骤, 给学生演示每个功能模块仿真结果, 最后配置实验箱演示实物。至此学生基本熟悉一类主流EDA器件, 一种硬件描述语言, 一种软件实验平台、一类硬件实验平台。
2.2.2 自主式教学。
在学生掌握基本设计流程和设计方法后, 教师给出不同综合性设计项目, 学生根据自己的熟练程度, 选择不同的方法来完成。在完成自己的项目后, 可安排做不同项目的同学间进行分组讨论和交流, 让每个学生用极少的时间分享到不同设计项目的精华, 鼓励学生动手设计, 增强自己的FPGA综合设计能力。然后在给出一些提示的情况下让学生提出自主创新性设计的项目。
2.2.3 开放式教学。
由于每门课程的实验计划内学时的限制, 以及课堂教学的局限性, 我校在传统实验室的基础上搭建了开放式本科生创新实验基地, 采用开放式实验教学, 学生可申请进入创新实验基地, 在课外时间强化学习, 另外借鉴其他高校的教改措施, 实验室可配备一些FPGA实验开发板, 供学生借用, 集成的实验箱是课堂实验必不可少的设备, 相对于实验室购置的集成实验箱, 小巧的开发板, 携带方便, 更有利于后期提高学生动手能力, 投资少, 在不浪费原有实验设备的同时达到了激发学生自主创新设计的兴趣。
3 EDA课程实践环节指导思想
首先, 电子设计自动化技术发展非常快, 新技术、新工具层出不穷, 在教学上及时更新教学内容。
第二, 将科研成果实例引入实践教学, 提高课程的工程性。
第三, 高校支持各类竞赛, 开阔学生的视野, 丰富学生和教师的经验。
第四, 提高教师队伍水平, 对教师定期进行技术培训, 及时了解行业新动态、新技术。
参考文献
[1]潘松, 黄继业.EDA技术与VHDL (第四版) [M].北京:清华大学出版社, 2013.
[2]张惠国, 潘启勇.EDA课程层入式教学及实验平台建设[J].常熟理工学院学报, 2011 (12) .
[3]Philip Simpso著, 何春译.FPGA设计:基于团队的最佳实践[M].北京:机械工业出版社, 2014.
EDA仿真实验 篇8
《电工基础》是工科电类相关专业的一门专业基础理论课程。该课程的教学目的是系统地介绍直流电路、交流电路、一阶动态电路的基本概念、基本定理定律、基本分析方法。它是《模拟电子技术》、《数字电子技术》等课程的前修基础课程。它在专业课程中的地位是举足轻重、不可动摇的。它对培养学生的逻辑思维能力，提高学生的分析问题、思考问题、解决问题的能力，加强学生的动手操作、实践能力都有着十分重要的作用。
实验课程是理论课程的延续，是对理论知识的验证，是对理论知识的巩固和拓展。由此可见，实验课程是课程教学中不可或缺的一个重要环节，它关系到学生能否将所学的理论知识巩固拓展，举一反三，关系到学生的动手操作能力、分析和解决问题的能力、创新设计能力能否得到培养和提高。况且电工基础实验是电类相关的专业学生第一次接触到的专业基础实验课程，是学生从理论学习到实践验证的一个重要途径。随着无线电通信技术、互联网技术、电子信息技术的不断飞速发展，新理论、新技术、新成果的不断涌现，电工基础实验这门课程的内容也要随之不断更新，要用发展的观念来对待这门课程，不断与时俱进，补充新知识、新技术、新实验。
2. 电工基础实验的现状
很多高校在实验室的硬件建设方面存在或多或少的问题，诸如：实验室设备投入少，仪器设备老化严重，仪器设备的维护技术落后，专业实验室管理人员缺少，专业设备维护人员缺少等。同时，电工基础实验使用的设备比较多，设备使用率较高，再加上学生的一些不当操作，比如仪表量程的选择错误、实验线路的搭建错误等，实验设备经常会出现一些故障，如果不能及时维修，就会影响到实验课程的正常教学，影响到高校教学质量的提高。
传统的电工基础实验教学存在很多问题，比如：强调定理定律的验证，验证型的实验太多，而且学生又容易忽略对误差的分析。扩展型、创新型、设计型、工程型等综合性实验太少，对学生的创新能力、设计能力缺乏培养和提高。教学的模式比较单一，实验手段比较落后，使学生觉得做实验就是在完成任务，实验的积极性不高，影响了实验的效果和实验课程在学生心目中的地位。
3. EDA技术的发展简介
随着电子技术和计算机技术的发展，EDA技术得到了迅猛的发展。EDA技术的发展经历了三个阶段，20世纪70年代为计算机辅助设计(CAD技术)阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑，PCB布局布线，取代了手工操作;20世纪80年代为计算机辅助工程(CAE技术)阶段，与CAD技术相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合到一起，实现了工程设计;20世纪90年代为电子设计自动化(EDA技术)阶段，这时的EDA工具不仅具有电子系统的设计能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。
4. 基于EDA技术的电工基础实验改革
高校的实验教学应该以训练学生的基本实验技能，培养学生的逻辑思维和分析解决问题的能力，培养学生的综合设计能力和创新思维为教学目标。因此，将不受实验室硬件条件限制的EDA技术引入到电工基础实验中来，是高校实验课程改革的必然趋势。学生可以通过EDA软件仿真的方法完成验证型、创新型、设计型、工程型的全部综合性实验。高校还可以根据电子技术的发展，开发适应工程实践需要的实验项目，切实联系实际开设实验。
基于EDA技术开设电工基础实验，利用软件进行仿真实验，可以弥补实验设备不足、实验设备老化、元器件短缺、专业维护人员缺少、维护技术落后的缺点，从而降低实验教学成本。还能利用软件中的各种仪器设备和分析方法，使学生更快更好地完成实验内容，帮助学生更快更扎实地掌握基本知识，提高教学效率和效果。将EDA仿真技术和传统的电工基础实验教学相结合是现代教育发展的必然趋势，是对传统的电工基础实验教学的一次改革，同时能更好地培养学生的分析问题、解决问题的能力、逻辑思维能力和创新设计能力，提高学生的竞争力，适应市场对人才的需求。
目前，在各个高校的实验课程教学中普遍采用的EDA软件主要有Multisim 2001和EWB (Electronics Workbench，即电子设计工作平台)两种。这两种EDA软件都是加拿大交互图像技术有限公司(Interactive Image Technologies，简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟电路、数字电路的设计工作。它包含电路原理图的图形输入，具有丰富的仿真分析能力，利用它们提供的虚拟仪器可以以比在实验室中更灵活的方式进行电工基础实验、仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
EDA仿真技术与传统电工基础实验相结合，既能够传授实验技能，又能启发学生的创新思维，促使学生融会贯通、举一反三，更好地理解和掌握知识。因此在教学中，要遵循由浅入深，由易到难、由基础到综合、由理论验证到创新设计、循序渐进的原则，按照基础型、综合型、创新型三个层次开展实验教学。基础型的实验以定理定律的验证为主，由学生通过EDA软件搭建实验电路进行仿真。综合型的实验以学生动手为主，教师辅导为辅，教师只给出设计要求或者设计指标，让学生自由发挥，自己查阅资料，设计电路。创新型实验就是学生自己动手，自己动脑，主动学习，通过无题目、无要求、无步骤的自主型实验，培养学生的独立思考能力，充分调动他们的学习积极性，给他们更多的时间和空间发挥想象，激发学生的创造力。
5. 结语
通过对高校电工基础实验课程改革的探索研究，本文对基于EDA技术的电工基础实验课程与传统的实验课程进行了比较，总结归纳出基于EDA技术的电工基础实验课程的诸多优点和优势。只有将基于EDA技术的电工基础实验课程和传统的实验课程有机地结合起来，发挥各自所长，才能满足高校对于开设创新型、设计型、工程型的综合性实验的要求。这对于提高学生的学习兴趣和积极性，提高学习效率和效果，提高高校的教学质量，有着非常深远的意义。
参考文献
[1]陈松, 金鸿.电子设计自动化技术.南京:东南大学出版社, 2003年8月.
[2]王涌, 顾伟驷, 贾立新.电工学实验改革以及自制实验示范建设.电气电子教学学报, 2006年12月第28卷第5期:70-71.