探究数字电子技术实验中的EDA技术

张霁晨

（武汉轻工大学，湖北武汉，430023）

0 引言

现如今集成电路和计算机技术快速发展，使得EDA技术也获得了很大的进步，EDA软件是一项快速有效的电子设计自动化技术。它的出现猛烈的冲击了传统的数字电子技术实验的教学方法，极大的改变了原有的教学模式，为同学们的学习提供了便利的条件，研究EDA的设计流程，研究重要类型软件的特点，以及如何在实验中使用EDA技术，这些对提高学习的效率有十分重要的意义。

1 数字电子技术实验中应用EDA技术的优势

现如今EDA技术已经逐渐在数字电子技术实验中使用。科学技术在不断的发展，更新了数字逻辑电路的实验手段。比如使用常规的TTL逻辑器做实验，使用PLD计算机辅助软件做电子系统的设计，做模拟调试。使用硬件进行设计，降低了设计的难度，降低了修改设计的难度，而且设计的方案也比较容易实现。使用EDA技术保障了学生的安全，保障了设备的安全。这样我们就能大胆的进行实验，发挥我们的创造力，进行更多的尝试。另外可以多次对电路进行修改，提高实验的效率。增加实验的次数，增加电路的研发量，让我们设计现代数字电子系统的能力得到提高。在国内应用最多的 EDA软件有 Protel、EWB、Max-Plus、Quartus、Multisim，这些软件的实际应用有诸多的共同点，但也存在一定的差异。以Quartus为例，它更擅长数据系统的研发，能够更快更好的完成。再比如Multisim，这一软件更加适合组合逻辑电路的设计，所以在实际的设计研发过程中，我们应该选择合适的软件进行操作。

2 在数字电子技术实验中EDA技术的应用

■2.1 使用EDA技术构建实验模块

电子自动化设计技术就是EDA技术，它是电子行业中新兴起的一种技术，涉及的范围十分广阔，包含了较为丰富的内容。EDA技术运行的基础设备是可编程控制器，另外还要用到计算机和编程软件，能够实现的是电子硬件系统和软件系统的研发设计。EDA技术还具有仿真分析的功能，能够实现系统的优化设计，还能满足布线规划的需求[1]。在设计较为复杂的电路时，EDA技术表现出了不同于其他技术的优势，能够给出更为简洁明了的设计方案。使用EDA技术构建实验模块，能够让模块更加的完整，让模块的各个部分有着更为紧密的联系。基于原有的模拟系统，对模块加以完整的仿真分析，进而获得较为完整全面的数字资料。接着会使用虚拟平台对获得的数字资料进行评估，将有效的数据提取出来。这一过程较大程度的利用了EDA技术的仿真分析作用。在构建虚拟的实验模块时，EDA技术能够将收集到的数字资料存储起来，形成内容完整的数据库，这有着十分重要的意义。

■2.2 EDA技术设计思路的输入、综合、适配

EDA技术的设计思路让数字电子设计技术向前迈进了一大步，彻底改变了传统的电路设计理念。传统的设计思路是先规划好硬件，然后进行搭试，再进行调试，最终进入到焊接的环节。而EDA技术的设计理念是先进行输入的操作。在设计每一个项目时都要依靠一个或者是多个源文件，源文件包括的内容是原理图和VHDL文本，另外也有混合输入文件的源文件形式。EDA设计思路的第二个步骤是综合，在这一过程中发挥主要作用的是系统的软件综合器，用以实现VHDL软件和硬件之间的连接，这一步骤能够实现软件转化为硬件电路的重要操作，同时在综合的过程中，还要将其中的源文件综合起来。综合的过程能够将设计人员设计的逻辑级电路图转换为门级电路。EDA设计思路的第三个内容是布线布局，这一步骤也可以称作适配。使用适配器完成逻辑映射，此操作主要是针对于某一具体的目标器件，该操作作用的对象是综合后的网表文件。具体的操作有分割、优化，完成布局，在这一步骤中会产生的文件有网表文件和下载文件，主要用于时序仿真。

■2.3 EDA技术设计思路的仿真和编程下载

EDA设计思路的第三个步骤是仿真，使用EDA工具测试适配生成的结果，这一模拟过程就是仿真的过程，仿真是EDA设计中的重要环节，包括时序和功能门级的仿真，可以实现该仿真过程的工具是PLD公司研发的EDA。这一技术能够实现两种级别仿真测试，其中之一是功能仿真，测试的是逻辑功能，这一仿真过程能够让人们看到系统所能实现的最终功能，便于人们检验系统最终的功能是否和当初的设计目的一致。功能仿真存在一定的缺陷，就是没有将具体器件的硬件性能考虑其中。第二级别仿真是时序仿真，时序仿真的模拟对象是网表文件，能够较大程度的还原真实器件的运行特性，也就是说时序仿真能够更好的反映器件的硬件特性，因此有着更高级别的仿真精度。EDA设计思路的第四个步骤是编程下载，编程下载的过程要用到Byteblaster下载电缆线，下载的对象是适配之后的配置文件和设计的项目，下载的方式是JTAG，保存的位置是CPLD器件，保存的目的是便于验证和调试硬件的功能。综合归纳，EDA设计思路流程图如图1所示。

图1 EDA设计思路流程图

3 数字电子技术中EDA技术应用的实例

■3.1 数字电子技术实验平台的构建

如今在我国已经拥有了较为完整的数字电子技术实验平台，并且也拥有了虚拟的实验平台，平台的建立能够大量的进行虚拟实验，当实验项目不具备实际操作的条件时，就可以进行虚拟实验，在模拟仿真的过程中实现一定的目的。构建虚拟数字电子技术的实验框架要完成两个部分，一是用来学习EDA技术的知识平台，二是虚拟的实验平台。建立学习平台的关键之处是要实现仿真的功能。建立虚拟实验平台要有对实验的管理功能，要有对实验的评估功能，还要能够管理实验平台的信息，两个部分的之间的信息交互功能必不可少，总之要保证平台具有完善的功能。仿真功能有四个模块，分别是基础学习模块、项目信息模块、虚拟实验模块、结果分析模块[2]。各个模块之下还要细分，以基础学习模块为例，有EDA工具学习、编程语言学习、实验原理知识、实验器材知识。

■3.2 第二代Quartus的显著特点

在第二代Quartus中存在一个元器件库，内部含有丰富的电子元器件，多达数千种。比如基本元件库、工作库，还有宏工能元件库，以及参数可设置兆功能库。这些丰富的原器件，让我们能够更加全面的学习各种类型的数字电路元器件，了解它们的参数以及能够实现的功能。第二代Quartus软件具有仿真电路的功能，还能实现模拟测试，可以分析时序，这一软件展现的仿真分析条例清晰，结果准确。第二代Quartus可以设计电路，测试电路的功能，准确的演示时序，分析逻辑电路实现的可能性。另外该软件还有具有设置故障的功能，使用这一功能，我们在练习时可以模拟多种故障，锻炼自己排除故障的能力，同时也锻炼了我们分析电路的能力。与传统的教学器件TTL逻辑相比，有着较为明显的优势，TTL逻辑软件使用的是中小规模的集成电路，会用到面包板和导向，在实验时直接使用实验箱，如果电接触发生不稳定的情况，那么意味着电能损耗大，效率低。而且该逻辑软件功能单一。

■3.3 EDA技术应用的实例

以设计一个加法计数器为例，该计数器采取4位二进制的形式，使用的实验板是EP1C6Q240C8,使用的EDA开发软件是第二代Quartus6.1版本，使用VHDI完成代码描述。通过第二代Quartus6.1版本完成编辑、输入、综合、适配、仿真的操作，之后会得到一个仿真波形，如图2所示的4位二进制加法计数器的仿真波形图，从波形图来看，可以知道实现的逻辑功能和设计的目的基本一致。之后可以将已经设计好的项目下载到器件中。然后使用硬件设备实际的验证实现的功能是否符合要求。此时我们可以较为直观的了解到计数器能够实现的功能，会让我们真正的掌握其中的原理。使用第二代Quartus6.1可以让我们观察到加法计数器的RTL电路图。逐层点击相应的模块，我们就可能直观的看到电路结构，可以观察到该电路的主要部分有两项，一是组合电路加1器，二是4位锁存器[3]。

图2 4位二进制加法计数器的仿真波形图

4 总结

综上所述，在数字电子技术实验中使用EDA技术，就是利用EDA技术模拟实验的过程，经过仿真验证之后，我们再进行实际的实验操作。在此过程中，能够较为直观的准确的掌握电路的工作原理和工作的具体流程。此时我们不会再对电路有抽象难以理解的感觉，并且在头脑中也更加容易理解理论的含义，使同学们的思维空间得到扩展。