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EDA技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐論文

時(shí)間:2023-02-14 14:15:27 其他類論文 我要投稿
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EDA技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐論文

  摘要:EDA技術(shù)是電子類專業(yè)的一門重要課程,應(yīng)用非常廣泛。本文從初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)層次,開展教學(xué)實(shí)踐培訓(xùn),旨在提高學(xué)生技能。

EDA技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐論文

  關(guān)鍵詞:EDA技術(shù) 教學(xué)途徑

  EDA技術(shù)的學(xué)習(xí)應(yīng)貫穿在電子類高職專業(yè)的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中,貫穿于電子仿真實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié),筆者分別應(yīng)用EDA技術(shù)在初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)層次中的應(yīng)用作些探析。

  一、EDA技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容

 。ㄒ唬┏跫(jí)教學(xué)內(nèi)容

  初級(jí)教學(xué)內(nèi)容主要包括用EWB、PSpice、Protel等軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、電路仿真。一句話,初級(jí)教學(xué)內(nèi)容就是學(xué)習(xí)使用工具軟件。下面簡(jiǎn)介三款軟件。

  EWB(英文全稱為Electronics Workbench)是加拿大交互圖像技術(shù)有限公司于1988年開發(fā)的電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件,它被稱為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。相對(duì)其它EDA軟件而言,它是個(gè)較小巧的軟件,功能也比較單一,主要進(jìn)行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真,但它的仿真功能十分強(qiáng)大,可以近似完全地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果,而且它在桌面上提供了萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具,它的器件庫(kù)中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片,器件庫(kù)中沒有的元器件,還可以由外部模塊導(dǎo)入,在眾多的電路仿真軟件中,EWB是最容易上手的,它的工作界面非常直觀,原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi),學(xué)生稍加學(xué)習(xí)就可以熟練地使用該軟件,對(duì)于電子設(shè)計(jì),它是個(gè)很好的EDA工具,許多電路你無(wú)需動(dòng)用烙鐵就可得知它的結(jié)果,而且若想更換元器件或改變?cè)骷䥇?shù)也十分方便。EWB可以作為電子類專業(yè)輔助教學(xué)軟件使用,它是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具,利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)訓(xùn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況,熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。

  PSpice是由SPICE(Simulation Program withIntergrated Circuit Emphasis)發(fā)展而來(lái)的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序,PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能,以圖形方式輸入,自動(dòng)進(jìn)行電路檢查,生成圖表,模擬和計(jì)算電路。它的用途非常廣泛,不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),還可用于電子線路、電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。PSPICE是最為流行的電子電路仿真軟件。

  Protel是Protel公司在20世紀(jì)80年代末推出的EDA軟件,在電子行業(yè)的CAD軟件中,它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多EDA軟件的前面,是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件。目前Protel高端版本是完全一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng),是一款完整的板級(jí)設(shè)計(jì)軟件,它是將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB設(shè)計(jì)、可編程器件(如FPGA)設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品,一種同時(shí)進(jìn)行PCB和FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決方案,具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。在教學(xué)時(shí)可以選擇Protel99SE,它共分5個(gè)模塊,分別是原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)(包含信號(hào)完整性分析)、自動(dòng)布線器、原理圖混合信號(hào)仿真、PLD設(shè)計(jì)。

  教學(xué)中,應(yīng)處理好初級(jí)教學(xué)內(nèi)容中的三款軟件關(guān)系,找準(zhǔn)各自側(cè)重點(diǎn)。EWB側(cè)重點(diǎn)為電子技術(shù)訓(xùn)練工具,虛擬電子實(shí)訓(xùn)室;Pspice側(cè)重點(diǎn)為電路仿真;Protel側(cè)重點(diǎn)為原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)。

  (二)中級(jí)教學(xué)內(nèi)容

  中級(jí)的教學(xué)內(nèi)容是利用VHDL完成對(duì)CPLD/FPGA的開發(fā)。常用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL、Verilog、ABEL等,這里只介紹VHDL。VHDL(VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language)就是超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言,是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言。因此它主要應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。在中國(guó),目前主要用在FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計(jì)中。

  VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),行為,功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外,VHDL的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì),或稱設(shè)計(jì)實(shí)體(可以是一個(gè)元件,一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部(或稱不可視部分),涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后,一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后,其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。

  CPLD(Complex Programmable Logic Device)即復(fù)雜可編程邏輯器件,是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái),用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法,生成相應(yīng)的目標(biāo)文件,通過(guò)下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì),因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。

  FPGA(Field-Programmable Gate Array),即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

  中級(jí)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué),應(yīng)達(dá)到學(xué)生會(huì)熟練地借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)QuartusⅡ,用VHDL硬件描述語(yǔ)言方法,生成相應(yīng)的目標(biāo)文件,通過(guò)下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到CPLD/FPGA目標(biāo)芯片中,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

  (三)高級(jí)教學(xué)內(nèi)容

  高級(jí)教學(xué)內(nèi)容主要是專用集成電路(ASIC)的設(shè)計(jì)。ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路,即專用集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求,ASIC在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

  ASIC的設(shè)計(jì)方法和手段經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展演變,從最初的全手工設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在先進(jìn)的可以全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。從設(shè)計(jì)手段演變的過(guò)程劃分,設(shè)計(jì)手段經(jīng)歷了手工設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ICCAD)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化ESDA以及用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程器階段。

  就設(shè)計(jì)方法而言,設(shè)計(jì)集成電路的方法可以分為全定制、半定制和可編程IC設(shè)計(jì)三種方式。全定制設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者完成所有電路的設(shè)計(jì),因此需要大量人力物力,靈活性好但開發(fā)效率低下。

  如果設(shè)計(jì)較為理想,全定制能夠比半定制的A-SIC芯片運(yùn)行速度更快。半定制使用庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元(Standard Cell),設(shè)計(jì)時(shí)可以從標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元庫(kù)中選擇SSI(如門電路)、MSI(如加法器、比較器等)、數(shù)據(jù)通路(如ALU、存儲(chǔ)器、總線等)、存儲(chǔ)器甚至系統(tǒng)級(jí)模塊(如乘法器、微控制器等)和IP核,這些邏輯單元已經(jīng)布局完畢,而且設(shè)計(jì)得較為可靠,設(shè)計(jì)者可以較方便地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

  高級(jí)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)是在中級(jí)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,學(xué)生主要掌握設(shè)計(jì)方法,并以項(xiàng)目為載體進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

  二、實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

  EDA技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用至少體現(xiàn)在四個(gè)方面。

 。ㄒ唬╇娮与娐氛n程模擬仿真實(shí)驗(yàn)利用EWB可以進(jìn)行《電路基礎(chǔ)》、《電工基礎(chǔ)》、《電子技術(shù)》、《電子電路》、《數(shù)字電路》等課程的模擬仿真實(shí)訓(xùn)。

  (二)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

  電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)可以用Protel設(shè)計(jì)電路,用Pspice進(jìn)行仿真。

  (三)畢業(yè)設(shè)計(jì)從事簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電子類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)很多涉及電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),Protel、Pspice、EWB、QuartusⅡ等軟件、VHDL等硬件描述語(yǔ)言、ASIC設(shè)計(jì)方法都可派上用場(chǎng)。

  (四)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)

  各級(jí)各類的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽,EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三層更是大有用武之地。

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