EDA技術的發展與電子技術實驗教學的改革

常瑞麗 崔國瑋 韓 軍

摘 要:在電子技術高速發展的今天,新器件、新設備不斷出現,由于實驗條件的限制,我國很多高等院校電子技術實驗室無法及時滿足各種電路設計和實驗項目要求,而采用EDA技術仿真軟件進行電子技術實驗教學,不僅可以彌補實驗儀器、元器件短缺以及規格不符合要求等不足,還能通過軟件中提供的各種分析方法,幫助學生更快、更好地掌握教學內容,加深對課堂知識的理解,培養學生的創新能力,并使學生了解了通過EDA軟件進行電子產品設計的基本過程。

關鍵詞:EDA技術 電子技術實驗 教學改革

人類社會已進入到高度發達的信息化社會,信息社會的發展離不開電子產品的進步?，F代電子產品在性能提高、復雜度增大的同時,價格卻一直呈現下降趨勢,而且產品更新換代的步伐也越來越快,實現這種進步的主要原因就是生產制造技術和電子設計技術的發展。其中生產制造技術以微細加工技術為代表,目前已進展到深亞微米階段,可以在幾cm2的芯片上集成數千萬個晶體管,電子設計技術的核心就是EDA技術。

一、EDA技術及其發展

EDA(Electronic Design Automation)即電子設計自動化,是以計算機為工具,在EDA軟件平臺上,以硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)為系統邏輯描述手段,完成文件的輸入、編譯、綜合及優化、仿真、對特定目標芯片適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術涉及面廣,內容豐富,從教學和實用的角度看,主要有以下4個方面內容:

(1)大規?？删幊踢壿嬈骷?

(2)硬件描述語言;

(3)軟件開發工具;

(4)實驗開發系統。

其中,大規?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術進行電子系統設計的載體;硬件描述語言是利用EDA技術進行電子系統設計的主要表達手段;軟件開發工具是利用EDA技術對電子系統進行設計的工具;實驗開發系統是利用EDA技術進行電子系統設計的下載工具及硬件驗證工具。

目前,可編程邏輯器件正處于高速發展的階段。新型的FPGA/CPLD規模越來越大,成本越來越低。越來越高的性價比使可編程邏輯器件在硬件設計領域扮演著日益重要的角色。低端CPLD已經逐步取代了74系列等傳統的數字元器件,高端的FPGA也在不斷地奪取ASIC的市場份額,特別是目前大規模FPGA多數支持可編程片上系統(SOPC),與CPU、DSP Core的有機結合使FPGA已經不僅僅是傳統的硬件電路設計手段,而逐步升華為系統實現工具。

EDA的精髓所在是其設計思路和設計理念,這一點給高等院校電子技術教學領域帶來了重大變革。而電子技術實驗教學是高等院校電子、電氣和信息類專業的重要教學內容。由于它與工程實踐聯系緊密,近年來課程的實驗內容隨著新器件和新技術的涌現而不斷更新,EDA技術也成為電子技術中的一個新興內容。高等院校站在科學技術前沿,應當從一個比較高的角度看待EDA的教學,以向學生灌輸新的設計思路和設計理念為主要任務。EDA技術給電子技術教學尤其是實驗教學帶來了一場革命。

二、為什么要對電子技術實驗教學進行改革

1.高等院校電子技術實驗室建設的現狀

實驗是高校教學活動的重要組成環節,實驗室作為影響實驗教學的外部因素,其狀況決定了實驗項目和實驗質量,而且直接影響教學目標的實現。目前,在電子技術實驗教學方面,多數高校采用現成的實驗裝置,以實物元器件進行硬件連線測試實驗為主,由于實驗室客觀條件的限制,實驗內容受到限制,實驗項目單一,擴展性和開放性不足,給學生開設一些擴展型、設計型以及綜合型實驗存在一定困難,特別是在新器件不斷出現,新設備價格昂貴的情況下,很多院校的電子實驗室無法滿足實際需求,這無疑給學生潛能的發揮及創新能力的培養帶來了很大的限制,很難滿足現代電子領域對高校培養具有高層次專業技術人才的需要。

目前,很多高校在實驗室建設方面存在著資金短缺、儀器設備老化、專業維護人員缺少、維護技術落后等問題,同時,實驗中的硬件電路性能不夠穩定、效率低、損耗大,易耗品的保障和儀器設備的更新都受到經費的限制,給實驗教學的順利進行造成了一定的壓力,這些因素正在嚴重制約電子技術實驗教學的正常開展,影響著高校教學質量的提高。

2.EDA技術在實驗教學中的優勢

隨著教學要求的不斷提高及電子技術的迅速發展,實驗設備的先進性面臨著新的挑戰。傳統的實驗是以實物為主,由于采用搭接線路進行調試,設備易磨損老化,出現故障較多,對于較為復雜的實驗,學生在規定時間內難以調試成功;而通過EDA軟件做實驗,實驗環境是一個虛擬環境,克服了實驗室儀器設備與元器件在品種、規格和數量上不足的限制。隨著軟件的不斷發展和完善,能夠做的實驗在不斷地增加和擴展,把以前繁瑣的實驗室驗證調試和人工制板工作全部在電腦上完成,在很短的時間內即可快速完成較復雜電路的連接、測試工作,避免了元器件損壞、接觸不良等不利因素。對于一些抽象、繁雜的變化過程也可以借助EDA工具用波形、圖像等形式生動形象地進行表現,加深了學生對課堂知識的理解;電路設計簡單方便,實現了“硬件軟化”,采用可編程器件,通過設計芯片來實現系統功能,節省了實驗費用,縮短了實驗時間,提高了實驗效率。

3.增加開放性實驗,激發學生的實驗積極性

傳統的實驗需要用到許多專門的儀器,而實驗室的規模和開放時間是有限的,學生在課后無法繼續自己的實驗。以EDA技術為基礎的實驗教學,打破了空間和時間的限制,克服了傳統實驗教學必須在規定時間、規定的地點進行實驗這一缺點。軟件不僅提供了各種豐富的分立元件和集成元件,還提供了各種豐富的調試測量工具,是一個全開放性的仿真實驗平臺,學生可以很好地完成必做的實驗項目,也可以根據自己的興趣愛好和自己擇業的需要,完成一些實用的開發項目,還可以在老師的指導下參與科研項目中的一些子項目或功能模塊。既解決了因經費短缺、使用不當等很多因素對實驗教學的制約,也提高了學生的學習興趣,有利于學生對課堂知識和新技術的掌握。

另外,傳統實驗室很難滿足新電路設計和調試的需求,且靈活性差,學生運用課堂知識進行創新性設計存在一定困難,而EDA工具給學生創造了優良的環境,強化了學生在教學活動中的主體地位,使學生具有更大的設計自由度,可以盡情發揮自己的想象力、創造力,在計算機上對設計內容進行仿真測試、調整元件等,進行多種設計方案的比較,大膽實踐而不必考慮元器件的損壞。在計算機上主動設疑、實驗,選擇最佳設計方案,然后再通過實際器件連接調試,在驗證、測試、設計、糾錯和創新等方面進行不同形式的訓練,逐步培養學生的綜合設計能力、創新能力和應用新技術的能力,并且提高了學生的動手能力和綜合素質。

4.現代電子技術發展的需要

EDA技術具有先進性和科學性,是現代電子系統最有效的設計工具,也是未來電子技術發展的方向,因此,市場對EDA人才有著迫切的需求。掌握先進的EDA技術,與國際通信、電子設計技術的要求相適應。EDA軟件不僅適用于實際生產的設計環節,也適用于實驗教學環節。并且學生在EDA技術的使用過程中可接觸到業界最新的元器件、電路以及技術。在市場經濟環境下,電子產品開發的復雜程度增加、上市時間緊迫,產品的研制和開發必須具有較高的效率和較短的周期。目前,很多企業越來越不愿意接受學生實習,學生很難了解到IC生產制造的全過程,而EDA為學生提供了真實的實踐舞臺,可使學生直接進行IC設計和測試的過程,有利于學生接觸業界先進技術和成果,將所學知識與社會應用相對應,從而加強學校教學與社會實踐的聯系,增強了學生就業的競爭能力。

三、實驗教學改革中應注意的問題

將EDA技術應用于實驗教學中,能把復雜事物簡單化,變抽象為具體、微觀的事物放大、宏觀事物縮小;同時可以把很多抽象和難以理解的內容變得生動有趣,化難為易;還能模擬一些用語言難以清楚表述和現實中不易進行的內容。它不僅提高了教學質量,改善了教學手段,豐富了教學內容,而且培養了學生的自學能力、創新能力、分析和解決問題的能力。當然,任何一種科學技術都是一把雙刃劍,有利也有弊,如果僅僅以完成虛擬實驗來取代實物實驗,就會使學生只會在電腦上設計、仿真,對實際元器件的封裝、檢測等認知程度降低,對實際儀器的操作能力降低,缺少對實際電子產品設計的布局能力、布線能力和安裝調試能力。為了避免這些問題,我們必須采用虛實結合,一方面要強調仿真實驗對教學的輔助作用,同時也要認識到實際動手能力的重要性,兩者必須相輔相成,有機結合。既要選擇科學、合理的仿真實驗題目,讓學生通過實驗掌握知識,提高學習興趣;又要讓學生做一些設計性的實驗,通過自己的設計、安裝和調試,使他們把虛擬的仿真實驗變成看得見摸得著的電子產品,把仿真實驗教學和實際工程能力結合起來。

通過仿真實驗與傳統硬件實驗的結合,可以使學生學會通過EDA工具完成一般電路的分析和仿真,采用CPLD、FPGA等邏輯器件完成較復雜電路的設計,從而提高學生采用現代電子設計技術進行電路設計的能力,初步了解傳統的基于電路板的設計和現代的基于芯片的設計。

四、結束語

電子設計自動化(EDA)代表了當今電子設計技術的最新發展方向,EDA技術在實驗教學中的應用是現代教育發展的一種趨勢?？傊?EDA技術已經以其鮮明的時代特征走入了我們的教學,為學生的電子技能訓練開辟了一個廣闊的天地,為學生參加科研活動或創新實驗創造了有利條件,其經濟性和實用性是任何傳統實驗室都無法比擬的。

參考文獻

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