利用EDA技术进行数字电路设计性实验的研究

Semiconductor Technology Vol. 31 No. 1January 2006

19１　引言电子设计自动化——ＥＤＡ技术是指以计算机为工作平台，融合了电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果的现代电子设计技术。随着ＥＤＡ技术的发展，电路的设计已由传统的手工设计转向为计算机辅助设计。传统的设计方法在分析和验证电路的正确性和完整性时十分麻烦，并存在大量的重复性的劳动。而ＥＤＡ技术中的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台作为ＰＣ级电路仿真工具软件，对电路特性不仅能进行具体的电路分析，还可以对电路元器件的参数进行统计仿真分析和对电路进行优化仿真设计，并将各种仿真分析的结果以波形、图表或文本的方式直观地反应出来。在数字电路实验教学中，引入先进的ＥＤＡ技术平台，以学生为主体，教师规范实验教学内容，学生进行开放性、设计性实验，以自行设计、测试与制作为主，教师从实验教学的创造性与正确性引导学生，为学生提供一个大胆思利用ＥＤＡ技术进行数字电路设计性实验的研究黄勤易（重庆科技学院电子信息工程学院，重庆 ４０００５０）摘要：通过实例分析，介绍了ＥＤＡ技术中Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台在数字电路设计性实验中的具体应用及特点，阐明了ＥＤＡ技术实验环境（仿真实验）与实际操作实验环境（实物实验）的优缺点，并提出数字电路设计性实验在教学中仿－实结合是现代数字电路设计性实验的最佳教学模式。关键词：电子设计自动化技术；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台；设计性实验；数字电路中图分类号：ＴＮ４３１．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００６）０１－００１９－０４Ｄｅｓｉｇｎ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＤｉｇｉｔａｌＣｉｒｃｕｉｔｓ　ｂｙ　Ｕｓｉｎｇ　ＥＤＡ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙHUANG Qing-yi（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００５０，　Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｅｘａｍｐｌｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｕｓａｇｅ　ａｎｄ　ｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆＥＤＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎ－ｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ＥＤＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ（ｉｍｉｔａｔｉｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ　ａｃｔｕａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ（ｍａｔｅｒｉａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ），ｔｈｉｓ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　“ｉｍｉｔａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”ｗｉｔｈ　“ｍａｔｅｒｉａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”ｉｓ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｘ－ｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ。Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＥＤＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｄｅｓｉｇｎ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ技术专栏半导体技术第３１卷第１期２００６年１月

20维、不受约束、充分发挥创造性的实验环境。由加拿大Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司推出的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件是一个非常优秀的专门用于电路设计与仿真的软件。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台为电子工作平台，其设计试验区好像一块“面包板”，在上面可以建立各种电路进行仿真实验。与其他电路仿真软件（如Ｐｒｏｔｅｌ９９）相比，具有界面直观、操作方便等优点。他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路的元器件和测试仪器等均可直接从Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台上的元器件库和仪器库中直接选取。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０中的元器件库不仅提供了数千种电路元器件以供选用，而且还提供了各种元器件的理想值。因此，仿真的结果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理，开发、设计新电路极为方便，同时具有很大的灵活性。数字电路的设计、分析与仿真工作蕴含于轻点鼠标之间，不仅为数字电路设计带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。在进行设计性实验教学中，首先要求学生对自己所设计的电路通过ＥＤＡ技术Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台进行仿真模拟（虚拟仿真实验），再要求学生用硬件电路搭接出通过该软件平台仿真模拟所实现的电路即用硬件来实现该电路（实物实验），并将虚拟仿真实验的结果与硬件实验的结果进行对照分析。这样做的好处是，不仅培养了学生对数字电路进行仿真实验的能力和在软件平台上进行电路设计的能力，同时达到辅助学生系统掌握数字电路理论课程之目的。而且更便于学生随时可以改变电路结构、元器件参数来调整（修改）电路，使之更好地满足设计所提出的性能指标的具体要求，得到最佳的电路设计。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０仿真软件在设计性实验中的运用不仅便于实验方案的论证、选定和电路的设计，而且使电路设计调试目标化，既提高了工作效率，又可取得较好的实验教学效果。２　实例分析２．１ 序列脉冲检测器设计（１）　设计任务：设计一个序列脉冲检测器，当输入信号Ｘ为１１０序列脉冲时，该检测器电路输出Ｙ为１，否则其输出为０。（２）　任务分析：先设计出序列脉冲发生器，使用十进制计数器（７４ＬＳ９０）来实现非常简单，利用它的最高位输出端ＱＤ作为输入信号Ｘ。然后，再设计出序列脉冲检测器，可采用两个ＪＫ触发器（７４ＬＳ１１２）和与非门电路（７４ＬＳ００）组合构成的电路来实现。由同步时序电路的设计方法，得出ＪＫ触发器的激励方程、电路的输出方程（推导过程略）：１Ｊ＝Ｘ、１Ｋ＝Ｘ；２Ｊ＝ＸＱ０、２ｋ＝Ｘ；Ｙ＝ＸＱ１。最后，还应保证序列脉冲发生器和检测器满足同步的要求。（３）　电路设计及仿真分析：使用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台上的元器件，在该平台上设计出序列脉冲检测器电路（图１），图中的时序脉冲控制信号（省略该部分电路的设计）直接采用该软件平台上的脉冲信号源（频率１ｋＨｚ、幅值５Ｖ、占空比５０％）来替代。电路的输入Ｘ、输出Ｙ信号以及计数器的输出（ＱＤ、ＱＣ、ＱＢ、ＱＡ）均连接到显示器件（指示灯）上。该电路设计完毕，进行仿真分析实验：按下“启动／停止”开关，运行Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０模拟程序对所设计的实验电路进行模拟分析，其实验结果可以通过指示灯的发光与否来直接观测电路的状态。还可以用虚拟示波器ＸＳＣ２或逻辑分析仪ＸＬＡ１来观测脉冲控制信号、输入Ｘ和输出Ｙ信号的波形图及时序波形图（图１）。从图１上所显

图１ 序列脉冲检测器电路设计及仿真分析示Ｘ和Ｙ的波形得知，该电路能够实现序列脉冲发生器和检测器电路同步，完全满足电路设计的要求。而且，使用逻辑分析仪来观测电路，从电路输出的时序波形图上可清楚地观测到电路中各点波形之间所存在的时序关系，这是利用

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21灯的发光与否来直接观测电路的输出状态。还可用虚拟示波器ＸＳＣ１或逻辑分析仪ＸＡＬ１来观测闪烁和移位脉冲信号的输出波形图及时序波形图（图２）。从图２上所观测出的Ｘ１和Ｘ２波形得知，该控制电路能够实现Ｘ１和Ｘ２信号的正确切换，完全满足电路的设计要求。然后，分别进行彩灯控制器闪烁和移位电路部分的电路仿真设计（篇幅所限，该部分电路的仿真设计分析图略）。最后，再进行彩灯控制器电路的设计，即在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台上设计出图３所示的电路。该电路设计完毕，进行仿真分析实验，其实验结果用逻辑分析仪ＸＡＬ２来观测时序脉冲控制信号源、闪烁Ｘ１和移位Ｘ２脉冲信号、彩灯控制器电路的输出Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４等（依次从上到下）信号的时序波形图（图３）。从图３上所观测出的这些信号波形之间的相位关系得知，电路在数字电路设计性实验最为显著的特点。２．２ 彩灯控制器设计（１）设计任务：设计一个四路彩灯控制器，其具体要求为，程序①四路彩灯Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４中依次亮、最后全亮，要求４ｓ时间完成。程序②四路彩灯亮灭闪烁四次（同时全亮或全灭需０．５ｓ），要求４ｓ时间完成。程序③四路彩灯依次灭、最后全灭，用４ｓ时间完成。程序④四路彩灯灭亮闪烁四次，也要求４ｓ时间完成。再返回到程序①进行第二个周期循环状态。（２）任务分析：彩灯控制器在正常工作时，必须在四个程序（程序①→②→③→④）中循环工作，必须有一个时序脉冲控制信号来控制电路工作程序切换。其实质上就是在该控制信号作用下，电路完成四种工作状态（①依次亮、全亮→②亮、灭闪烁→③依次灭、全灭→④灭、亮闪烁）的状态转换。可以采用闪烁脉冲控制信号Ｘ１和移位脉冲控制信号Ｘ２分别来控制电路移位和闪烁工作状态之间的转换。该电路完成一个周期循环需要１６ｓ时间，因此，可采用１６进制计数器（７４ＬＳ１６１）和与非门电路（７４ＬＳ００）的组合构成彩灯控制器电路的控制电路部分，从而实现Ｘ１和Ｘ２信号之间的状态转换，这是设计彩灯控制器最为关键的一步。彩灯控制器的移位、闪烁工作状态可以分别采用移位寄存器（７４ＬＳ１９４）和异或门电路（７４ＬＳ８６）的组合构成的电路来实现。（３）　电路设计及仿真分析：首先，进行彩灯控制器控制电路部分的电路设计，在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台上设计出控制电路（图２），该电路设计完毕进行仿真分析实验，其实验结果也可以通过电路中指示正常工作时，其闪烁与移位信号之间存在着交替的工作方式，闪烁（或移位）信号工作即改变４次状态时，移位（或闪烁）信号才会开始工作即改变４次状态。而且，移位（或闪烁）信号工作时，电路实现移位（或闪烁）工作状态，则闪烁（或移位）脉冲信号不起作用（被屏蔽掉）。所设计的彩灯控制器电路完全满足电路所有的设计要求，而且波形良好。在电路仿真设计实验中采用逻辑分析仪可以同时观测到电路各个相关点的输出时序波形图（这在实际电路设计实验中是根本做不到的），以了解整个电路动态的工作状况。对电路设计中模糊不清的问题，比如彩灯电路的同步问题、移位状态、闪烁状态、移位状态和闪烁状态之间切换等问题，用时序图可以得到很好的解释。图２ 彩灯控制器控制电路设计及仿真分析图３ 彩灯控制器电路设计及仿真分析技术专栏半导体技术第３１卷第１期２００６年１月

22３ ＥＤＡ实验环境与实际操作实 验环境的比较从实例分析可见，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台本身含有强大的元器件库，从而不受经费和数量的限制，可以随时改变电路元器件参数来调整电路，使之更好地逼近设计要求。但仿真实验也有它自身的局限性，如果学生只在ＥＤＡ技术软件平台上进行仿真分析与设计实验，而不经过实际实验的验证，那么电路设计也只是纸上谈兵。仿真软件虽然有许多优点，但必须与实际操作实验相结合。通过仿真实验（虚拟实验）可以加深对理论的理解，建立动态、形象、直观的感性认识；而通过实际操作实验（硬件实验）能增强实际动手能力，积累设计、调试、革新等方面的实践经验，非常重要也是不可少的。仿真实验的结果必然要转化成现实的线路去完成一定的功能，成为一种实实在在的产品。电路的仿真实验和实际操作实验即电路的硬件实验之间的关系是相辅相成的，二者缺一不可。所以，对于设计性实验电路应要求学生自己设计好电路之后，必须使用ＥＤＡ技术软件平台Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０进行电路仿真分析，以得出最佳、最优的电路设计方案。最后，再做线路板、安装电路进行调试，即用硬件电路来实现，这才是现代数字电路设计性实验最佳的实验教学模式。将Ｍｕｌｔｉｓｉｍ８．０软件平台的仿真实验和实际动手操作实验两者有机地结合起来，可使综合设计性实验的实验教学方法更加充实、更加完善，而且通过仿－实结合、相互补充的实践教学方式强化了学生工程实践能力，增强了实验教学的效果。４ 结语利用ＥＤＡ技术进行数字电路设计性实验是一种全新的现代数字电路设计性实验的教学新方法，也是一种全新的培养学生实际动手能力的有效工具，能帮助学生熟悉和掌握最先进的电路设计方法和技能。这种仿－实结合的数字电路实验教学新模式，既加强了学生计算机应用能力、实际操作能力的培养，又提高了学生的综合设计能力，充分体现了创新人才培养之教学目的。参考文献：［１］ 骆新全，黄玲玲．　电路仿真与ＰＣＢ设计棗Ｐｓｐｉｃｅ８．０，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ７及Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ的应用［Ｍ］． 北京：　北京航空航天大学出版社，２００４．［２］ 周常森．　电子电路计算机仿真技术［Ｍ］． 山东：山东科学技术出版社，２００１．［３］ 康华光．　电子技术基础（数字部分）［第三版］　［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，１９８９，Ｐ２６４－２６８［４］ 曾建唐，谢祖荣．电工电子基础基础实践教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２，１０６－１０８．［５］ 杨金华．ＥＷＢ在数字电子电路综合课程设计中的应用［Ｊ］．现代电子技术，２００４，１８４（１７）：１４－１５．［６］ 卢学英，张惠群，刘曼华．　利用软件平台进行设计型实验的开发与研究［Ｊ］．　实验室研究与探索，２００４，２３（４）：４１－４３．［７］ 王月香，马瑞霞，杨连祥，等．　ＥＤＡ实验环境与实际操作实验环境的比较［Ｊ］　．　实验技术与管理，２００２，１９（２）：５３－５５．［８］ 黄培根，　奚慧平．　Ｍｕｌｔｉｓｉｍ７．０及与电子技术实验［Ｍ］． 浙江：浙江大学出版社，２００５．（收稿日期：２００５１１１５）作者简介：黄勤易（１９６３－），男，重庆人，毕业于重庆大学电气自动化专业，大学本科，实验师，研究方向为计算机仿真技术、电子电路ＣＡＤ和ＥＤＡ技术。［２］ ＨＥＹＶＡＥＲＴ　Ｉ，　ＶＡＮ　ＨＯＶＥ　Ｍ，　ＷＩＴＶＲＯＵＷ　Ａ．　Ｅｆｆｅｃｔｏｆ　ｏｘｉｄｅ　Ｗ－ＣＭＰ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｌａｙｅｒｅｄ　ａｌｕｍｉｎｕｍｍｅｔａｌｌｉｓａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　２０００，５０（１－４）：　２９１—２９９．［３］ ＳＥＯ　Ｙ　Ｊ，　ＬＥＥ　Ｗ　Ｓ，　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｘｉｄｉｚｅｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅＷ－ＣＭＰ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　２００５，１１８（１－３）：　２８１—２８４．［４］ ＢＩＥＬＭＡＮＮ，　Ｍ，　ＭＡＨＡＪＡＮ　Ｕ，　ＳＩＮＧＨ　Ｒ　Ｋ，　ｅｔ　ａｌ．Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｕｓｉｎｇ　ｓｔａｂｌｅ　ａｌｕｍｉｎａ　ｓｌｕｒｒｉｅｓ［Ｊ］．　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄＳｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　１９９９，　２（３）：　１４８—１５０．（收稿日期：２００５０３１５）作者简介：李薇薇（１９７８－），女，河北唐山人，博士在读，主要研究集成电路工艺、集成电路设计、半导体材料与技术等；刘玉岭（１９４２－），男，河北衡水人，博士生导师，主要研究方向纳米材料的制备、集成电路工艺、半导体材料与技术等。（上接第２８页）技术专栏