EDA技术的发展与电子技术实验教学的改革

常瑞丽 崔国玮 韩 军

摘 要:在电子技术高速发展的今天,新器件、新设备不断出现,由于实验条件的限制,我国很多高等院校电子技术实验室无法及时满足各种电路设计和实验项目要求,而采用EDA技术仿真软件进行电子技术实验教学,不仅可以弥补实验仪器、元器件短缺以及规格不符合要求等不足,还能通过软件中提供的各种分析方法,帮助学生更快、更好地掌握教学内容,加深对课堂知识的理解,培养学生的创新能力,并使学生了解了通过EDA软件进行电子产品设计的基本过程。

关键词:EDA技术 电子技术实验 教学改革

人类社会已进入到高度发达的信息化社会,信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时,价格却一直呈现下降趋势,而且产品更新换代的步伐也越来越快,实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。其中生产制造技术以微细加工技术为代表,目前已进展到深亚微米阶段,可以在几cm2的芯片上集成数千万个晶体管,电子设计技术的核心就是EDA技术。

一、EDA技术及其发展

EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化,是以计算机为工具,在EDA软件平台上,以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段,完成文件的输入、编译、综合及优化、仿真、对特定目标芯片适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术涉及面广,内容丰富,从教学和实用的角度看,主要有以下4个方面内容:

(1)大规模可编程逻辑器件;

(2)硬件描述语言;

(3)软件开发工具;

(4)实验开发系统。

其中,大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体;硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段;软件开发工具是利用EDA技术对电子系统进行设计的工具;实验开发系统是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。

目前,可编程逻辑器件正处于高速发展的阶段。新型的FPGA/CPLD规模越来越大,成本越来越低。越来越高的性价比使可编程逻辑器件在硬件设计领域扮演着日益重要的角色。低端CPLD已经逐步取代了74系列等传统的数字元器件,高端的FPGA也在不断地夺取ASIC的市场份额,特别是目前大规模FPGA多数支持可编程片上系统(SOPC),与CPU、DSP Core的有机结合使FPGA已经不仅仅是传统的硬件电路设计手段,而逐步升华为系统实现工具。

EDA的精髓所在是其设计思路和设计理念,这一点给高等院校电子技术教学领域带来了重大变革。而电子技术实验教学是高等院校电子、电气和信息类专业的重要教学内容。由于它与工程实践联系紧密,近年来课程的实验内容随着新器件和新技术的涌现而不断更新,EDA技术也成为电子技术中的一个新兴内容。高等院校站在科学技术前沿,应当从一个比较高的角度看待EDA的教学,以向学生灌输新的设计思路和设计理念为主要任务。EDA技术给电子技术教学尤其是实验教学带来了一场革命。

二、为什么要对电子技术实验教学进行改革

1.高等院校电子技术实验室建设的现状

实验是高校教学活动的重要组成环节,实验室作为影响实验教学的外部因素,其状况决定了实验项目和实验质量,而且直接影响教学目标的实现。目前,在电子技术实验教学方面,多数高校采用现成的实验装置,以实物元器件进行硬件连线测试实验为主,由于实验室客观条件的限制,实验内容受到限制,实验项目单一,扩展性和开放性不足,给学生开设一些扩展型、设计型以及综合型实验存在一定困难,特别是在新器件不断出现,新设备价格昂贵的情况下,很多院校的电子实验室无法满足实际需求,这无疑给学生潜能的发挥及创新能力的培养带来了很大的限制,很难满足现代电子领域对高校培养具有高层次专业技术人才的需要。

目前,很多高校在实验室建设方面存在着资金短缺、仪器设备老化、专业维护人员缺少、维护技术落后等问题,同时,实验中的硬件电路性能不够稳定、效率低、损耗大,易耗品的保障和仪器设备的更新都受到经费的限制,给实验教学的顺利进行造成了一定的压力,这些因素正在严重制约电子技术实验教学的正常开展,影响着高校教学质量的提高。

2.EDA技术在实验教学中的优势

随着教学要求的不断提高及电子技术的迅速发展,实验设备的先进性面临着新的挑战。传统的实验是以实物为主,由于采用搭接线路进行调试,设备易磨损老化,出现故障较多,对于较为复杂的实验,学生在规定时间内难以调试成功;而通过EDA软件做实验,实验环境是一个虚拟环境,克服了实验室仪器设备与元器件在品种、规格和数量上不足的限制。随着软件的不断发展和完善,能够做的实验在不断地增加和扩展,把以前繁琐的实验室验证调试和人工制板工作全部在电脑上完成,在很短的时间内即可快速完成较复杂电路的连接、测试工作,避免了元器件损坏、接触不良等不利因素。对于一些抽象、繁杂的变化过程也可以借助EDA工具用波形、图像等形式生动形象地进行表现,加深了学生对课堂知识的理解;电路设计简单方便,实现了“硬件软化”,采用可编程器件,通过设计芯片来实现系统功能,节省了实验费用,缩短了实验时间,提高了实验效率。

3.增加开放性实验,激发学生的实验积极性

传统的实验需要用到许多专门的仪器,而实验室的规模和开放时间是有限的,学生在课后无法继续自己的实验。以EDA技术为基础的实验教学,打破了空间和时间的限制,克服了传统实验教学必须在规定时间、规定的地点进行实验这一缺点。软件不仅提供了各种丰富的分立元件和集成元件,还提供了各种丰富的调试测量工具,是一个全开放性的仿真实验平台,学生可以很好地完成必做的实验项目,也可以根据自己的兴趣爱好和自己择业的需要,完成一些实用的开发项目,还可以在老师的指导下参与科研项目中的一些子项目或功能模块。既解决了因经费短缺、使用不当等很多因素对实验教学的制约,也提高了学生的学习兴趣,有利于学生对课堂知识和新技术的掌握。

另外,传统实验室很难满足新电路设计和调试的需求,且灵活性差,学生运用课堂知识进行创新性设计存在一定困难,而EDA工具给学生创造了优良的环境,强化了学生在教学活动中的主体地位,使学生具有更大的设计自由度,可以尽情发挥自己的想象力、创造力,在计算机上对设计内容进行仿真测试、调整元件等,进行多种设计方案的比较,大胆实践而不必考虑元器件的损坏。在计算机上主动设疑、实验,选择最佳设计方案,然后再通过实际器件连接调试,在验证、测试、设计、纠错和创新等方面进行不同形式的训练,逐步培养学生的综合设计能力、创新能力和应用新技术的能力,并且提高了学生的动手能力和综合素质。

4.现代电子技术发展的需要

EDA技术具有先进性和科学性,是现代电子系统最有效的设计工具,也是未来电子技术发展的方向,因此,市场对EDA人才有着迫切的需求。掌握先进的EDA技术,与国际通信、电子设计技术的要求相适应。EDA软件不仅适用于实际生产的设计环节,也适用于实验教学环节。并且学生在EDA技术的使用过程中可接触到业界最新的元器件、电路以及技术。在市场经济环境下,电子产品开发的复杂程度增加、上市时间紧迫,产品的研制和开发必须具有较高的效率和较短的周期。目前,很多企业越来越不愿意接受学生实习,学生很难了解到IC生产制造的全过程,而EDA为学生提供了真实的实践舞台,可使学生直接进行IC设计和测试的过程,有利于学生接触业界先进技术和成果,将所学知识与社会应用相对应,从而加强学校教学与社会实践的联系,增强了学生就业的竞争能力。

三、实验教学改革中应注意的问题

将EDA技术应用于实验教学中,能把复杂事物简单化,变抽象为具体、微观的事物放大、宏观事物缩小;同时可以把很多抽象和难以理解的内容变得生动有趣,化难为易;还能模拟一些用语言难以清楚表述和现实中不易进行的内容。它不仅提高了教学质量,改善了教学手段,丰富了教学内容,而且培养了学生的自学能力、创新能力、分析和解决问题的能力。当然,任何一种科学技术都是一把双刃剑,有利也有弊,如果仅仅以完成虚拟实验来取代实物实验,就会使学生只会在电脑上设计、仿真,对实际元器件的封装、检测等认知程度降低,对实际仪器的操作能力降低,缺少对实际电子产品设计的布局能力、布线能力和安装调试能力。为了避免这些问题,我们必须采用虚实结合,一方面要强调仿真实验对教学的辅助作用,同时也要认识到实际动手能力的重要性,两者必须相辅相成,有机结合。既要选择科学、合理的仿真实验题目,让学生通过实验掌握知识,提高学习兴趣;又要让学生做一些设计性的实验,通过自己的设计、安装和调试,使他们把虚拟的仿真实验变成看得见摸得着的电子产品,把仿真实验教学和实际工程能力结合起来。

通过仿真实验与传统硬件实验的结合,可以使学生学会通过EDA工具完成一般电路的分析和仿真,采用CPLD、FPGA等逻辑器件完成较复杂电路的设计,从而提高学生采用现代电子设计技术进行电路设计的能力,初步了解传统的基于电路板的设计和现代的基于芯片的设计。

四、结束语

电子设计自动化(EDA)代表了当今电子设计技术的最新发展方向,EDA技术在实验教学中的应用是现代教育发展的一种趋势。总之,EDA技术已经以其鲜明的时代特征走入了我们的教学,为学生的电子技能训练开辟了一个广阔的天地,为学生参加科研活动或创新实验创造了有利条件,其经济性和实用性是任何传统实验室都无法比拟的。

参考文献

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