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電子電路設計與仿真范文1
【關鍵詞】QuartusII；交通燈；控制電路
1.引言
EDA技術是以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計，它的應用大大簡化了硬件電路的設計過程，QuartusII軟件作為FPGA/CPLD集成開發環境，它提供了一種與結構無關的設計環境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。
采用數字電子技術實現數字信息處理、傳輸、控制的數字邏輯單元集合稱為數字系統，數字系統一般由數據子系統和控制子系統構成。
數據子系統由寄存器和組合電路構成，寄存器用于暫存信息，組合電路實現對數據的加工和處理。在一個操作步驟中，控制子系統發出命令信號給數據子系統，數據子系統完成命令信號所規定的操作。在下一個操作步驟中，控制子系統發出另一組命令信號，命令數據子系統完成相應的操作，通過多步操作（也稱操作序列），數字系統完成一個操作任務，控制子系統接收數據子系統的狀態信息及外部輸入來選擇下一步的操作。
控制子系統決定數據子系統的操作和操作序列?？刂谱酉到y決定操作步驟，它根據外部輸入控制信號和數據子系統的狀態信號來確定下一個操作步驟?？刂谱酉到y控制數字系統的整個操作過程。
本文利用QuartusII軟件，設計仿真實現十字路通燈控制電路。
2.系統功能與使用要求
十字路通燈控制系統要完成對十字路通信號燈的控制，系統功能與使用要求如下：
（1）十字路口由一條東西方向的主干道和南北方向的支干道構成，主干道和支干道均有紅、綠、黃3種信號燈。
（2）通常保持主干道綠燈、支干道紅燈，只有當支干道有車時，才轉為主干道紅燈，支干道綠燈。
（3）綠燈轉為紅燈過程中，先由綠燈轉為黃燈，5s后再由黃燈轉為紅燈；同時對方才由紅燈轉為綠燈。
（4）當兩個方向同時有車時，紅、綠燈應每隔30s變換一次，應扣除綠燈轉紅燈過程中有5s黃燈過渡，綠燈實際只亮25s。
（5）若僅一個方向有車時，處理方法是：
①該方向原來為紅燈時，另一個方向立即由綠燈變為黃燈，5s后再由黃燈變為紅燈，同時本方向由紅燈變為綠燈。
②該方向原來為綠燈時，繼續保持綠燈。當另一方向由車來時，作兩個方向均有車處理。
3.總體方案設計
根據交通燈控制系統的功能，車輛傳感器及交通示意圖，如圖1所示：
圖1 車輛傳感器及交通示意圖
（1）在東西南北4個方向各裝1個車輛傳感器，有車用1表示，無車用0表示。主干道（A道）的東西分別為AX1和AX2，只要AX1和AX2中有一個為1，就說明A道有車，令AX=AX1+AX2。支干道（B道）的南北分別為BX1和BX2，只要BX1或BX2中有一個為1，就說明B道有車，令BX=BX1+BX2。
（2）設黃燈5s時間到時T5=1，時間未到時T5=0；5s定時器由五進制計數器構成，C5是控制信號。設綠燈25s時間到時，T25=1，時間未到時T25=0；25s定時器由二十五進制計數器構成，從C25是控制信號。
（3）設主干道由綠燈轉為黃燈的條件為AK，AK=0時綠燈繼續，當AK=1時立即由綠燈轉為黃燈。設支干道由綠燈轉為黃燈轉為黃燈的條件為BK，當BK=0時綠燈繼續，當BK=1時立即由綠燈轉為黃燈。AK、BK與T25、AX、BX有關。
（4）設主干道的東側綠燈、黃燈、紅燈分別為AG1、AY1、AR1，主干道的西側綠燈、黃燈、紅燈分別為AG2、AY2、AR2。AG1、AG2、AY1、AY2、AR1、AR2分別并聯，即它們同時點亮或熄滅，分別用AG、AY、AR表示。設支干道的南側綠燈、黃燈、紅燈分別為BG1、BY1、BR1，支干道的北側綠燈、黃燈、紅燈分別為BG2、BY2、BR2。BG1、BG2、BY1、BY2、BR1、BR2分別并聯，即它們同時點亮或熄滅，分別用BG、BY、BR表示，兩個方向的交通燈有4種輸出狀態.
4.數據子系統設計
交通燈控制系統的數字子系統只有25s定時器和5s定時器。假設基準時鐘周期CP為1s，則需要設計一個二十五進制計數器和一個五進制計數器，且每個計數器應具有計數器使能控制端和計時間到信號輸出端。本設計中計數器采用可異步清零、同步置位的4位十進制加法計數器74LS160構成。
采用反饋置數法將十進制計數器74LS160設置成五進制計數器。在74LS160的數據輸入端有D3D2D1D0=0000，當輸入4個計數脈沖后，計數器有Q3Q2Q1Q0=0100。74LS160是同步預置數的，且低電平有效；在預置信號為低電平時并不立即置數，而必須再有一個有效時鐘信號，才能完成置數功能，使計數器的狀態為Q3Q2Q1Q0=0000。
二十五進制計數器是采用2片74LS 160同步級聯方式實現的。個位74LS160完成十進制計數，并將其進位輸出至十位74LS160的計數控制端P。
為實現“逢25清零”功能，當計數到24個時鐘脈沖時，使2片74LS160的清零端輸出低電平，在下一個時鐘脈沖上升沿到來時，整個計數器復位到全0狀態。只有當個位74LS160的計數狀態為Q3Q2Q1Q0=0100，且十位74LS160的計數狀態為Q3Q2Q1Q0=0010時，2片74LS160的清零端LD’能同時為0。
在五進制計數器中，當C5=1時，5s定時器開始工作；當5s定時時間到，T5=1。在二十五進制計數器中，當C25=1時，25s定時器開始工作；當25s定時時間到，T25=1。
5.控制子系統設計
設控制子系統的初始狀態為S0，此時主干道A道為綠燈，支干道B道為紅燈。要想脫離該狀態轉入A道黃燈、B道紅燈的S1狀態，必須同時滿足如下條件：B道有車（BX=1）；A道無車（AX=0），或者25s定時時間到（T25=1）。也就是，AK=BX（AX’+T25）。
同樣，在S2狀態，此時主干道A道為紅燈，支干道B道為綠燈。要想脫離該狀態轉入B道黃燈、A道紅燈的S3狀態，只需要滿足如下一種條件：B道無車（BX=0）；A道有車（AX=1），且25s定時時間到（T25=1），也就是，BK=BX’+AX·T25。
根據以上分析，可以列出交通燈控制器狀態轉換表，如表2所示。根據交通燈控制器激勵表狀態，以及輸入和輸出變量，選用兩個4選1數據選擇器74LS153分別實現AK和BK，選用另一個4選1數據選擇器74LS153實現表中的轉換條件。由狀態轉換圖可知共有4個狀態，故只需選用74LS161的QB和QA?？刂戚敵鍪褂?線-4線譯碼器74LS139，因譯碼器輸出是低電平有效，故需要加反相器。為此，十字路通燈控制子系統邏輯電路如圖2所示。
6.十字路通燈控制電路仿真實現
將控制子系統模塊電路和2個定時器模塊電路進行連接，得到實現交通燈控制的邏輯電路。該電路有2個數據信號輸入AX、BX，一個時鐘信號輸入CP，一個復位信號RESET’（低電平有效），6個輸出信號AR、AY、AG、BR、BY、BG。采用QuartusⅡ提供的各種常用邏輯部件，通過原理圖輸入，實現十字路通燈控制系統。輸入的原理圖如圖2所示。編譯并進行時序仿真，結果如圖3所示。
7.結論
根據數字系統功能要求，利用Qu-artusII軟件，設計完成了十字路通燈控制電路，并進行了仿真實現，通過仿真結果，可以看出完成后的系統滿足設計要求。
參考文獻
[1]鄭燕.基于vhdl語言與quartus ii軟件的可編程邏輯器件應用與開發[M].北京：國防工業出版社，2007.
[2]周潤景，蘇良碧.基于quartus ii的fpga/cpld數字系統設計實例（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2013.
電子電路設計與仿真范文2
1.1電子電路設計于教學中所存在的意義一般在電子電路的平時應用中會出現各式各樣的問題，所以在設計與研發時要投入大量的精力。這樣就要求在教學中采用實踐模擬的方式進行實驗，隨之科技的發達程度奠定仿真技術的展開。而這種仿真技術可以大大提高電子電路軟件在教學中使用的效率，使用計算機軟件可以加深對電子電路的研發。這就會體現出計算機在電子電路中的重要地位，而仿真技術的開展為電子電路教學的發展奠定了夯實的地基。在仿真教學中計算機軟件為電子電路設計的后續研發創造了良好的實踐環境，尤其是可以預先解決在實踐中所存在的問題可以及時避免了日后實際應用中所面臨的困難。在計算機教學過程中可以針對頻繁出現的問題進行一系列的分類整理，整理出一個系統的解決方案。在日后的實際應用時給予及時的幫助。而且如今的仿真教學可以開發學生在電子電路的設計中的腦力思維，有效將自己所學的理論知識與應用實踐有機的結合起來。開拓研發者的思維就是在對電子電路設計教學的創新，只有將電子電路設計進行不斷地修改及創新才能保證在計算機軟件的應用中立于不敗之地。因而將目光投入到電子電路設計上就是對計算機軟件教學的重視。
1.2軟件應用對于電子電路設計的意義隨著對電子電路教學的拓展，應用實踐越開越得到重視。在教學過程中不再是拘泥于書本上的理論知識，而是更加重視在電子電路設計中對于實踐的開展以及應用。為了加大對學生的動手能力的提升，在電子電路教學過程中實踐應用占據了很大的部分。由于最后要回歸于計算機軟件的應用，所以在教學過程中會加大開展學生對電子電路與計算機軟件的聯系。只有明確這兩者間的必要聯系才會在電子電路設計中時刻考慮著在實際應用中對于計算機軟件的應用。在這之中也會存在著許多客觀因素，一些學校的教學設備沒有很好的完善或沒有相關與電子電路設計的實踐基地。這些因素都會影響電子電路設計教學的效果，達不到預期的期待值。這種情況就要求在教學中對于理論知識的加強以及鞏固，然后努力創造出可以培養學生對于電子電路設計的環境。只有使用計算機軟件設計才可以及時的改正電子電路的設計，才能引發學生能夠在徹底的對電子電路設計的創作思維。完全徹底掌握對于所學的理論知識的應用，只有將理論與實踐相結合起來才能提高在教學中對電子電路設計的質量。
2各類軟件在電子電路設計教學中的應用
2.1Portues軟件在電子電路設計中的應用在現如今的教學工作中，Portues軟件起到了很大的應用。Portues軟件是一種仿真的教學軟件，隨著科技的不斷發展進步這種軟件逐漸普遍應用在電子電路設計教學中。然而這種軟件的應用需要在界定的頁面中進行演示，再根據對于仿真練習的實驗結果得出一系列的結論，重新設計出相應解決方案。這樣一來大大提高了計算機軟件的使用效率，同時也可以利用此項仿真軟件得出一系列的圖象，進行加深的修改。一般情況下，我們需要對于已經完成的電子電路設計進行人工的檢測以及修改。但是使用Portues軟件就可以大大節省這樣的時間，在實際的應用過程中只需要將PortuesISIS軟件的窗口打開進行對于原始電子電路設計進行分析，系統就會自動生成相應的研究結果?？梢哉fPortues軟件的功能很全面應用起來也相應的簡單有效，為電子電路設計的過程中所出現的數據及時給于調整，用其自身所存在的功能幫助在電子電路設計教學中所出現的問題。而且可以代替以前落后的檢測方式，用更加科學的手法進行對于電子電路設計的檢查。這樣一來，可以在相同的時間完成更多的工作任務降低電子電路設計中的實驗成本。有效的提高在教學中電子電路設計的效率，以及可以減少電子電路設計的時間。有效的節約時間是端正學習態度的一種方式。
2.2CAD軟件在電子電路教學中的運用在電子電路設計教學中CAD軟件對于圖像的研究有著不一樣的特點，其實CAD軟件對于電子電路教學的應用比較普遍。隨著對于電子電路教學發展，CAD軟件不僅對于電路制圖有所幫助而且對于相關數據的核算以及相關幾何方面繪制也是有所助益的。在電子電路設計的教學歷程中，教師可以通過這個軟件進行元件的改善，在實踐的過程中可以根據不同的電子電路設計展現不同的解決方案。因為在實踐的過程中會遇到各種不同的問題，學生可以利用這個軟件進行簡單快捷的解決。通過對這個軟件的使用也可以幫助學生看到在電子電路設計中所存在的不同特點的問題。增強學生在實踐過程中經驗的累積，通過這些經驗可以幫助在教學過程中避免這些問題的干擾。CAD軟件不僅可以為教學中的電子電路設計設置相關的元件，而且CAD軟件本身也存在著元件整理庫，面對電路設計的問題可以直接提出解決方案并及時拿出對設計中所存在問題的解決方案。根據CAD軟件這樣的功能可以節省在教學過程中對于原理圖像制作的時間，同時可以加深學生在制作過程中對于所設計的圖像的印象。不過在實際操作過程中還要著重說明這個軟件的特點就是有真實元件與模擬元件的區分，要保證學生在設計電子電路過程中人身安全。
2.3EWB計算機軟件在電路教學中的應用EWB軟件與CAD軟件的不同之處就是在于它是一種仿真的技術型軟件，其中擁有更多的高科技元件以及相關電路模型在其中。作為仿真軟件EWB軟件所擁有的強大的使用功能，是對于電子電路的整體分析以及提出相應的問題。這項軟件擁有不同于其他軟件的適用性，對不同的電子電路設計有著不同的解決措施。所以在老師的教學過程中要強調這個軟件的不同之處，在保證可以充分利用EWB軟件主要功能的同時幫助學生使用軟件開展更多的功能實踐。舉例來說可以對電子電路的形式進行系統的掃描以及分析，EWB軟件包括各種函數仿真以及模擬電路的生成。學生可以透過這些高科技的元件使用進行自己的設計的電子電路完善，在進行這些功能的使用時教師應當對相關軟件的生成進行詳細的解釋說明，保證學生可以充分利用此軟件進行學習。只有深入的了解了這種計算機軟件才能完全融入到自己的電子電路的設計中這樣才能夠徹底展現EWB軟件的時效性以及精準程度。
3結語
電子電路設計與仿真范文3
[關鍵詞]數字電子電路；EDA技術；應用；探究
在微電子技術飛速發展的背景下，數字電子電路的設計的難度也在不斷加大，電子產品翻新的速度也在不斷加快，這給數字電子電路設計帶來了較大的壓力。EDA技術是數字電子電路的設計中較為先進的技術，具有其他技術不具備的優勢，使數字電子電路的設計得到了革命性的發展[1]。EDA技術的優勢在于當程序修改錯誤時，不需要使用額外的硬件電路，且在使用EDA技術進行電子產品設計時能夠使電子產品的成本降低和設計周期縮短。因而，EDA技術在數字電子電路設計中得到了越來越廣泛的運用，也推動了數字電子電路的設計領域的變革，促進電子產品的發展。對此，我們需要EDA技術在數字電子電路的設計中應用有所了解。
1EDA技術概述
EDA（ElectronicDesignAutomation，電子設計自動化）技術是逐漸從計算機輔助測試、計算機輔助制造、計算機輔助設計以及計算機輔助工程中發展而來的[2]。該技術主要是將計算機作為載體，在EDA軟件平臺上，設計者主要采用硬件描述語言VHDL進行設計，進而由計算機自動完成各項工作。EDA技術是一種融合了當前多種新型技術的新技術，它以計算機為載體，將計算機技術、信息技術、電子技術以及智能技術相互融合起來，進而完成電子產品的自動化設計工作，這樣有效促進了電路設計的可操作性以及效率性，不僅保障了電路設計的質量和效率，同時也極大地減輕了設計者的工作強度，同時也降低了電子產品的生產成本。具體來說，EDA技術的特點以及EDA技術設計流程如下。
1.1EDA技術的特點
相比于傳統的CAD（ComputerAidedDesign，計算機輔助設計）技術而言，EDA技術具有顯著的特點。首先一點，EDA技術在硬件電路選擇軟件設計方式方面上，它可以選擇多種設計輸入，如VHDL語言、波形等等，它在完成下載配置前能夠在沒有硬件設備的情況下能夠自行完成。與此同時，它在修改硬件設備也是非常簡單、易于操作，這種修改硬件設備的方式和軟件程序修改方式非常接近，采用軟件測試的方法對其進行測試，這樣就能科學有效地設計特定功能的硬件電路[3]。第二點，EDA技術能夠儀自動化的形式進行產品直面設計。它可以通過HDL語言和電路原理圖等自動化的邏輯編譯的相關程序輸入其中，并生成相應的目標系統。簡單說來，這種技術能夠以計算機為依托，從電路功能模擬、電路性能分析、電路的設計以及優化、電路功能的測試和完善等全部流程都可以以自動化的形式實現。第三點，EDA技術具有較高的集成化特點，并可以自身構成片上系統。EDA技術在數字電子電路設計中是以芯片為載體進行設計的一種設計方式。因而，當前大規模集成線路的不斷發展能夠有效促進繁雜的芯片設計工作的完成，同時也能夠完成專業化的集成電路設計[4]。第四點，EDA技術可以大大提高系統升級的工作效率，它能夠當場進行目標系統的編程，實現有效的系統升級。第五點，EDA技術具有自動化的特點，且進行技術開發的時間并不長，且能夠有效節約設計的費用，避免了資源的浪費，同時EDA技術也具有極大的靈活性和實用性，可操作性較強。
1.2EDA技術設計流程簡介
EDA技術對于數字電子電路設計的意義可以認為是它將推動了數字電子電路設計的一個發展變革，使其進入了一個發展的新時期。傳統的電路設計的模式多是以硬件搭試調試焊接的方式，而E-DA技術以計算機自動化的設計模式對傳統的電路設計模式進行了創新。EDA技術設計流程主要包含8個流程依次為[5]：設計指標設計輸入（將電路系統采用一定的表達式輸入計算機，其中包括圖形輸入以及文本輸入）邏輯編譯（將設計者在EDA中輸入的圖形或文本進行有效的編排轉化）邏輯綜合（將電路中高級的語言轉化為低級的，并與基本結構相應射）器件適配（將由綜合器產生的網表文件配置到指定文件中，使之能夠下載文件）功能仿真（跟進吧算法和仿真庫對涉及進行模擬，以驗證其涉及是否和要求一致）下載編程（將適配后生成的配置文件和下載文件以編程器下載）目標系統。
2可編程邏輯器件
數字邏輯編輯器具有自身的發展歷程，一般可以將其分為分立元件、中小型標準芯片以及可編程邏輯器件等三個階段。對邏輯器分類方面可以將其分為固定邏輯器和可編程邏輯器。其中固定邏輯器的電路是固定的、不可變的，而可編程邏輯器則可以為使用者提供多種邏輯能力，也可以在不同的時間內進行改變，進而完成不同的功能[6]?？删幊踢壿嬈骷╬rogrammablelogicdevice，PLD）產生于通用集成電路，根據使用者對器件編程來確定其邏輯功能?？删幊踢壿嬈骷哂休^高的集成度，一般能夠滿足大多數數字系統設計的需求。在科學技術快速發展的情況下，可編程邏輯器件也隨之不斷發展。當前，可編程邏輯器件已經成為解決邏輯方案的首選，這主要是因為它能夠根據用戶的需求進行相應的產品功能增加以及產品升級，且操作較為簡便，具有低成本、低消耗、多功能、高集成性等優勢。與此同時，當前一些公司也在不斷對其進行研究，不斷完善可編程邏輯器件的功能，并獲得了較為顯著的效果，如Altra公司的FLEX10K的系列產品、Xilinx公司的XC4000的系列產品[7]。
3VHSIC硬件描述語言
VHSIC硬件描述語言（Very-High-SpeedInte-gratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，VHDL）是電路設計中使用的一種高級語言，主要在20世紀80年代由美國國防部認定的標準硬件描述語言，之后其他公司紛紛推出了VHSIC硬件描述語言設計環境。對此，我們需要對VHSIC硬件描述語言具有一個較為清晰的了解。數字電子電路設計的第一步就是使用EDA技術以及相應的軟件開發工具進行設計輸入。簡單地說就是簡要描述電路設計、硬件設計以及測試方法。在設計一些規模不大的數字電子電路時，一般硬件描述的方式為原先的時序波在設計一些大規模的數字電子電路時，其描述方式就需要采用具有較強針對性的硬件描述語言。VHSIC硬件描述語言不僅能夠詳細描述硬件電路的功能、定時與信號連接的關系，而且還能采用簡潔的模式準確描述硬件電路中邏輯較為抽象的部分[8]。由于VHSIC硬件描述語言具有詳細準確描述硬件電路功能的特征，因而，VHSIC硬件描述語言成為EDA技術在數字電子電路設計中最為常用的設計輸入方式和描述語言。在數字電子電路設計中，VHSIC硬件描述語言已經成為使用最為廣泛的硬件電路應用描述語言。這主要是因為VHSIC硬件描述語言具有硬件特點的語句，其結構和語法具有高級計算機具有高度相似性。除此之外，VHSIC硬件描述語言在程序結構上也有著十分明顯的優勢，它進行實體設計時能夠將其設為可視部分和不可視部分。從中可以發現，VHSIC硬件描述語言與綜上所述，可以看出VHDL硬件描述語言比傳統的其他硬件描述語言相比，如AHDL、VBLE，具有強大的描述功能，能夠有效規避器件的復雜結構，進而對數字電子電路設計進行有效的描述[9]。具體說來，與其他硬件描述語言相比，VHSIC硬件描述語言的特點主要有以下幾個方面：其一，具有強大的功能以及靈活的設計。這主要是VHSIC硬件描述語言有著功能強大的語言結構，能夠采用簡短的語言進行復雜邏輯的描述；同時，它也具備多層次的設計功能，支持多種設計方法。其二，具有廣泛的支持性，且易于修改。由于VHSIC硬件描述語言已經成為使用最為廣泛應用描述語言，因而具有廣泛的支持性；由于其結構化和易讀化的特征，因而易于修改。其三，系統硬件描述能力強大，VHSIC硬件描述語言可以進行結構描述、寄存器傳輸描述、行為描述，也可以進行三者混合描述。其四，與器件設計相對獨立，在進行VHSIC硬件描述語言可以不用考慮器件設計情況，專心用于VHSIC硬件描述語言設計的優化。其五，移植能力強，能夠共享。VHSIC硬件描述語言設計完成后可以將成果進行分享，避免電路的重復設計。除此之外，VHSIC硬件描述語言還具有其他的特征：其一，VHSIC硬件描述語言屬于設計輸入語言，它能夠通過計算機詳細描述硬件電路的運行狀態，并將其與數字電路的設計系統自動綜合。其二，VHSIC硬件描述語言是常用的測試語言，它能夠以測試基準對數字電子電路進行可以仿真與模擬，進而判斷其功能情況。其三，VHSIC硬件描述語言是標準化語言，它是當前設計語言中使用最為廣泛的語言之一，也是當前電子領域普遍認可的標準化語言。其四，VHSIC硬件描述語言是可讀性語言，它不僅可以被計算機識讀，同時也可以被設計者識讀。其五，VHSIC硬件描述語言一種網表語言，它獨特的語言結構讓其在計算機設計中工作較好，同時它在設計工具間聯系的格式中屬于低級設計工具，即它在門級網表文件形成中具有相互轉化的功能和高度兼容性。
4EDA技術在數字電子電路設計中的應用
我們可以通過設計一個數字鐘電路來展現E-DA技術在數字電子電路設計中的應用，該數字電路鐘能夠顯示秒、分、時。
4.1準備的設備
本次實驗主要是選用FPGA芯片EDA技術實驗工具以及電子計算機。
4.2實驗設計方法
依照EDA技術的設計規范進行分層設計，其內容包括數字鐘；時計數、分計數、秒計數以及譯碼顯示；24進位制計數器、60進位制計數器以及譯碼顯示電路。在VHDL語言描述上，要使用VHDL語言對60進位制計數器、24進位制計數器進行描述編程，并將兩者進位標準進行調整，使其一致。關于譯碼顯示電路的設計。在設計中可以使用動態譯碼掃描處理電路進行處理，這能夠某個時間點點亮單個數字碼而達到6個同時顯示的視覺效果，這樣不僅將電路能耗降到最低，同時也節約了器件資源，并延長了器件的使用壽命[11]。關于頂層設計，在這一設計中需要建立在底層設計模塊的基礎上，通過原理圖方法將兩者進行有機的融合，進而獲得一個完整電路。
4.3編譯下載
電子電路設計與仿真范文4
【關鍵詞】EDA；電子系統；CPLD/FPGA；VHDL
1.引言
電子設計自動化（Electronic Design Aut-omation）的縮寫即是EDA。EDA技術是把計算機技術應用在電子設計過程的一門技術，從而實現了電子設計的自動化進行，現今EDA技術已經廣泛用于電子電路的設計仿真以及集成電路版圖設計、印刷電路板的設計和可編程器件的編程等工作中。EDA技術是一門綜合的學科，它代表了未來電子設計技術的發展方向，打破了軟硬件之間的隔閡。
我們依據計算機輔助技術介入程度的不同，將電子系統設計分為以下三類：
1.1 人工的設計方法
此種設計方法從提出方案到驗證方案等等均需要由人工來完成，并且方案的驗證必須搭建實際的電路來完成驗證。這種人工的設計方法缺陷在于：開銷特別大，但是效率卻極低，并且周期比較長，還有一點就是現在的產品不是單單靠人工就能夠完成的。
1.2 計算機輔助設計CAD
1970年以來，計算機開始被應用于Ic版圖設計以及PCB布局布線，后來發展為可對電路功能和結構進行設計，并且在原來的基礎上增添了邏輯仿真、自動布局布線等等的功能。可以這么說CAD技術的應用取得了可喜的成果。但我們也不能過于樂觀，因為各種各樣的軟件層出不窮，每一種設計軟件只能夠解決一部分的問題，這就造成了軟件不能完全脫離人去設計，智能化程度不能夠滿足人們的需求。
1.3 EDA電子設計自動化
1990年以后是EDA時代的到來。伴隨著電子計算機的不斷發展，計算機系統被廣泛的應用于電子產品的設計和電子產品的測試以及電子產品的制造等各環節當中。由于電子產品的性能不斷提高以及精密度的增加，產品的更新所需要的時間越來越短。相應的，電子產品的設計和電子產品的測試以及電子產品的制造也必須跟上更新的步伐。同時EDA也是CAD向前發展的必然產物，是電子設計的核心內容。
2.EDA的基本特征
作為現今社會電子設計最前沿的技術，電子設計工程師可以通過EDA從協議、算法等等開始對電子系統進行設計，這樣可以使計算機完成大量的工作，并實現了從電路設計以及性能分析至設計出PCB版圖整個過程完全在計算機上實現自動化處理。EDA設計工程師采用從系統設計入手，對功能方框圖進行劃分以及對結構進行設計。設計工程師對系統硬件功能的完成需要依靠EDA軟件和硬件描述語言。
另一方面，電子設計的仿真和調試是在高層次上進行完成的，這樣做的好處是方便在初期發現一些錯誤，主要是結構設計上的，這樣可以有效地減少設計資源的浪費，同時避免了做大量的邏輯功能仿真工作，使設計能夠取得一次性成功。又由于電子產品日趨復雜，集成度又顯著提高，現存的中小型規模的集成電路已經不能夠滿足我們的要求，這就導致了電子電路設計由小規模芯片轉向了大規模甚至超大規模芯片，產生了具有高集成度和低功耗等功能的可編程ASIC器件。
3.EDA的應用
隨著EDA技術的迅猛發展，EDA技術主要在以下兩個方面發揮了巨大作用。首先，在科研方面的應用：
主要是應用仿真工具，比如PSPICE、VHDL等，利用這些工具進行電路的設計以及電路的仿真；還用虛擬儀器對產品進行測試；在儀器中應用CPLD/FPGA器件；從事一些ASIC或者PCB的設計等等，總之EDA技術在科研方面獲得了廣泛的應用。取得了顯著地經濟和社會效益。其次，在教學方面的應用：可以這么說幾乎設置有電子信息這個專業的院校，無論理工科還是文科類的高校，幾乎都設有EDA的課程，設置這門課程的目的在于，讓同學們了解EDA的原理，能夠學會利用HDL對系統邏輯進行描述，同時掌握用其進行仿真實驗的操作方法，達到無論是做畢業設計還是以后參加了工作，都能夠進行簡單的設計。為此我國每2年舉辦一次大學生電子設計的競賽，這也是在考察學生的EDA技術水平，可以這么說，EDA技術已經是電子領域里不可或缺的一門技術。
4.EDA的常用軟件
EDA軟件很多，大體上分為PCB設計軟件、IC設計、電路設計以及仿真工具等，下面簡單介紹在我國應用比較多的幾個軟件。
4.1 電子電路設計以及仿真工具
電子電路設計以及仿真工具有：SPICE、EWB等等。
（1）SPICE工具是由美國加州大學研發出的電路分析軟件，由于其廣泛的被使用，同時功能足夠強大，被認為是國際上對電子電路性能模擬的一個標準，具有文本輸入和電路原理圖的圖形輸入兩種功能。
（2）EWB工具是加拿大Interactive Image Technologic Ltd公司研發的電子電路仿真工具。這款軟件可以提供多種類型的虛擬儀器，可以像操作實際儀器一樣對其進行操作。并且軟件可以提供的元器件種類繁多，器件比較齊全，它在功能上模仿了SPICE，但是沒有SPICE那么多的分析功能。
4.2 PCB設計軟件
PCB設計軟件包括Protel、Cadence PSD、OrCAD、PowerPCB等等，其中Protel在我國應用最廣泛，它是由澳大利亞Protel Technology公司研發的電路板設計軟件。許多理工類高校都設有這么課程，而且電路公司幾乎沒有一個不使用它的，它能夠全方位的對電路進行設計，并且Protel具有易于使用、界面友好等優點，電路設計和PCB設計是其最有代表性的功能。
5.EDA的發展前景
21世紀后，大規模的FPGA、CPLD器件的涌出，使得EDA軟件持續更新，EDA技術取得了更大的發展。如果想參與世界范圍電子市場的競爭，提高競爭能力，那么EDA技術是需要熟練掌握的，只有這樣電子企業才能夠生存和發展下去。
參考文獻
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[2]顧青華.談電子EDA技術的應用與發展[J].信息與電腦（理論版），2010（08）.
電子電路設計與仿真范文5
將管理、運籌以及控制等方面技術融合在一起，形成系統工程技術。由于該技術涉及領域眾多，因此在應用環節中需要根據使用需求做出調整，將不必要的程序省去，有效縮短系統構成所用時間。對電子電路進行設計時，會出現大量不確定因素，需要計算分析，系統工程技術了幫助設計師快速判斷需要重點研究的項目，制定出合理的優化方案。電子電路系統設計需要有確定的目標，再對各組成部分優化處理。系統工程技術會將設計中的影響量整理下來，依次做出比較。通過這種方法來確定設計過程中需要加入的抗干擾功能。系統工程還可在電子電路中形成功能網絡，傳統設計理念只是對局部電路進行加強處理，缺少模塊之間的配合，從設計方案分析以及足夠成熟，但使用時很容易產生阻礙影響。應用這一技術后可有效解決配合不當的問題，使電路設計方案更具有可行性，電子系統運行控制成本也會有明顯減少。
2電子電路設計中體現的系統工程理念相關性
2.1元器件的集合性。
元器件是電路組成的基礎部分，在選擇準備階段引入系統工程理念可幫助元件形成一個集合。只有在相互配合的狀態下元器件功能才得以實現，這也正是系統性的體現。隨著設計工作的深入，一些不必要的元器件會被替代或者省略掉，以此來追求運行環節的簡便，系統工程在形成初期會幫助設計人員確定不必要的部件，并對實現功能的模塊組成進行簡化處理。以電子電路系統設計層面對這種形成進行分析，可以稱之為元器件的集合性。
2.2組成要素相關性。
系統是由不用功能設備組成的，根據使用需求這些電氣設備在供電環節中會獨立存在。明確電路的導通原理后可以對系統進行有效設計，既可以為控制環節提供便捷，又能在使用功能上做出進步，電子元件的導通原理相似，由此可以將系統工程技術中的相關性引入其中?？梢源_定重要組成模塊之間的關聯性，以此來降低導通線路的復雜程度。
2.3電路系統層次性。
電子電路運行指令由控制模塊發出，信號通過傳輸與接收裝置后被功能模塊感知到，并做出相應指令。這一環節中體現出了電路的層次性質，系統工程技術同樣具有嚴謹的層次劃分，這一特異性為技術應用提供了空間。系統工程理念引入到設計工作中，可以將設備運行不同階段產生的參數變化記錄下來，明確影響因素后方便技術人員制定出調節方案，電子電路在使用過程中也更安全穩定。
3系統工程技術在電子電路系統設計中的應用
3.1電子電路系統設計總體方案的確定。
開展設計工作前首先要有一個明確的設計方案，作為設計工作進行的理論依據。還要對總電路系統進行劃分，根據實現功能的不同來完成，劃分后的電路模塊稱之為單元，是需要單獨設計的。為避免工作開展出現混亂，可以借助計算機設備擬定程序框圖，將電子元件導通順序標記在其中。例如電流的放大環節，首先是電流的產生，沿著導通方向流動，進入到放大模塊中，設備捕捉到有用功后會選擇性放大，在這一環節前會有濾波設備對干擾進行過濾。其次是模擬電路的輸出環節，模塊將信號轉換為系統可以接受的相似電信號，向接受環節傳輸。從理論層面分析這一流程較為復雜，但制定程序框圖后可清晰的呈現在計算機中。
3.2設計任務及目標系統分析。
設計任務的設定要以使用功能為前提，同時還要體現出電力系統的先進性，具有抗干擾和保護能力。系統工程技術可以用來分析目標的可行性，并根據各設計團隊的操作能力合理分配設計任務。在對電路導通原理進行分析時要考慮設備安裝現場的實際條件，以方案與現實不符，對安裝階段造成影響。確定上述內容后可得出準確的設計目標，設計工作也可以正常開展。
3.3整體方案論證與優化選擇。
方案的選擇在整體系統設計過程中起到很重要的作用，要求根據自身所掌握的知識和資料，針對系統提出的要求、條件和任務來完成功能設計，最后設計完整的框架?？蚣軋D需全面不僅反映系統各組成部分功能和完成的任務，還需要清楚的表示出系統各部分之間的相互關系。具體內容如下：
3.3.1根據系統的要求，可以把電路劃分成若干功能塊，這樣可以粗略得到系統框圖。每個框圖又可以包含多個單元電路，將總指標分配給每個單元電路，最后根據單元電路的任務來完成電路的總結構。
3.3.2系統的框架圖和單元電路的結構呈現多樣化的特點，要仔細的比較和研究設計方案，力爭使方案的設計做到可靠、合理、經濟和技術先進等。依據較高的可靠性和技術可行性來選定最后的方案。
3.4元器件模塊的選擇
電子電路中出現的各種故障往往表現為元器件的故障和損壞。究其原因往往不是元器件本身所存在的缺陷，而是由于對元器件的選擇不當導致的。因此在進行總方案的設計和參數的計算時，要考慮選擇合適的元器件。選擇元器件主要從以下兩方面來考慮：
3.4.1在元器件的選擇上需要從電路的總體方案和具體問題上出發，考慮好每個元器件要具備什么功能。單元電路的參數要根據電路的工作環境和指標要求等來計算，以確保元器件參數額定值的準確性，并且要留出足夠的富裕量，保證在低于額定值的條件下來工作。
3.4.2在電路設計指標達標的條件下，要盡量減少元器件的種類和規格，提高元器件的重復利用率。最后利用模型分析對構成電子系統各個元器件模塊進行性能微調，使其更好的接近理想狀態。
3.5整體電路仿真。
Multisim等仿真軟件的使用，極大的滿足了電子電路系統設計中的仿真要求。其通過使用軟件模塊庫提供的內容，設計電路、修改參數，建立系統動力學模型。通過系統工程動力學數值分析計算。評價其穩定性、可靠性。從而為最終的電子系統性能提供評價，從整體上增加了設計驗證的準確性。
3.6電子系統總體價值分析。
經過上述步驟，一個較完備的電子電路系統基本建立。使用系統工程中的決策分析技術，能夠通過效用分析、沖突分析等手段分析該系統的成本、風險以及可能存在的隱患。在電子系統形成產品前盡可能完善其功能，得到技術上穩定、安全、可靠的電子電路系統。
4結論
電子電路設計與仿真范文6
課題內容設計合理與否，將直接影響到課程設計的綜合訓練效果。在具體課題內容設計時，應注意以下幾點：
選擇具有實用性和趣味性的課題從學生的實際水平出發，幫助學生選擇適合自己的題目，使題目與理論知識密切相關，又具有較強的趣味性和實用性，與生產實際相結合。例如，要求學生組裝一整的收音機、家居生活中能用到的聲光控開關、門窗防盜報警器等。又如我們選用的《音樂彩燈控制器設計》、《多功能數字鐘的電路設計》、《交通燈控制邏輯電路設計》等課題，學生做起來積極性很高。更重要的是通過這一過程，學生運用專業技能解決實際問題的綜合能力得到了提高。
選擇能綜合應用理論知識的課題要求學生綜合運用本課程的基本理論和知識，獨立完成一項實際課題。通過查閱資料、線路設計、選擇元器件、電路安裝調試，使學生所學的基本理論和知識充分運用于解決實際問題。例如電子脈搏計這一課題，要應用到傳感器、放大電路、有源濾波電路、整形電路以及數字電路中的各種門電路、觸發器、計數器及譯碼、驅動顯示電路。又如數字鐘電路設計這一課題，數字鐘是一個典型的數字電路系統，選此作為設計題目，可使學生將學過的比較零散的數字電路知識有機地、系統地聯系起來用于實際，培養綜合分析、設計電路的能力。還可選用有源濾波器的設計題目，使學生進一步加深領會運算放大器在信號處理電路中的應用，選用交流寬帶放大器的設計，使學生對放大電路的三種不同組態的特點、應用場合以及電路的設計方法得到練習，并通過這個對基本放大電路的放大倍數、輸入電阻、輸出電阻、頻帶寬度以及引入負反饋對放大器性能的改善得到進一步的理解，同時提高學生理論聯系實際的能力。
課題內容要注重集成電路和新技術、新產品的應用當今時代電子技術飛躍發展，新技術、新產品層出不窮，課程設計可以彌補教材的滯后性。在電路設計中，應盡量采用集成電路，特別是集成運算放大器和某些專用芯片（如模擬乘法器、鎖相環）作為電路的重要構件，體現出現代電子電路的設計是各種集成電路構件的組合的先進設計理念，尤其是將模擬電路、數字電路與微處理器相結合，以數字電路為主，軟硬件結合，以硬件電路設計為主，符合現代電子電路結構的發展方向。例如我們原來經常選定分立元件OTL和OCL功放電路設計課題，隨著目前大量的集成功放芯片的上市，我們就把這些課題內容并入《集成電路音響放大器》、《音頻信號發生器》等課題中。又如在數字脈搏計課題中，介紹了鎖相倍頻的新概念，同時介紹了集成電路CC4046和C14526構成的鎖相倍頻電路。通過這些課題設計將一些集成電路的工作原理以及使用方法介紹給學生，并在實踐中得到練習，使所學的理論知識更加豐富。
選擇適應專業需要，結合專業特點的課題為了拓寬學生的知識領域，使學生對專業有所認識和了解，提高學生對專業的興趣和學習的積極性，在課程設計中引入了一些結合專業特點的課題。例如數字轉速測試系統與頻率計設計，由于轉速測量在工業控制領域和人們的日常生活中經常遇到，在工廠里測電機每分鐘的轉速，自行車里程測速計，心率計以及汽車時速的測量等都屬于這一范疇。又如PWM（電動機調速系統），由于該系統在工業控制的調速系統中得到廣泛地應用，同時，又由于該系統由脈寬調制器和脈沖放大器兩大部分組成，而脈寬調制器又包括鋸齒波發生器和電壓比較器，密切地聯系了電子技術課程的基本內容。這些課題對掌握基礎知識，開闊學生的視野，增強對專業課的認識，提高學習的積極性都能起到較大的作用。
注意選擇和后續專業課有關的課題為對電子技術課程的進一步提高和為后續課程打下一定基礎，可考慮選擇一些模擬電路和數字電路綜合性的課題，以使學生對電子技術有一個全面的、綜合的認識，對后續專業課有一定了解，為后面的學習打好基礎。例如《調速系統的給定積分器》課題。
課程設計的組織實施
以人為本，因材施教教師只在大思路上作一定的引導，對具體方案不做過多干預，只起組織、引導、檢查、把關和解決一些疑難問題的作用，放手讓學生大膽實踐，以充分發揮學生的主動性和創造性。我們的改進做法是:在注重結論正確的同時，強調整個設計方案實施的全過程，即使得出的結論不盡如人意，甚至是錯的，只要學生能找出其中的原因并提出相應的改進措施，仍然可獲得較好的成績;相反，如果結論是抄襲得來的，即便是正確的，設計成績也按不及格處理。如電子脈搏計的設計課題，只給出設計方案的原理框圖，講明基本原理、總體構思和適當的設計提要，在設計任務書中給出原始數據及主要技術要求，而具體的原理圖及元件的參數，集成電路的選擇，電路的安裝調試等工作則要求學生獨立完成，這樣做可培養學生的自學和獨立解決問題的能力，學生的收獲更大。
虛實結合，重在“真品”（1）采用機輔分析。電子設計自動化(EDA)技術是以計算機為工作平臺，對電子電路或系統進行自動分析和設計的計算機輔助技術，它的應用使得電路功能、參數的分析和設計都可以脫離具體對象，在構筑于計算機平臺上的虛擬環境中通過仿真處理而自動實現。EDA技術已成為現代電子工程開發與應用領域的支撐技術，在電子行業，Miltisim、Protel等電子仿真軟件，已成為電子工程設計的必備工具。學習和掌握應用計算機對電子電路的分析是目前和今后發展的必然趨勢，將其應用到課程設計領域也是教學改革的方向。一是應用Miltisim設計電路仿真。在學生根據設計課題擬定初步方案后，要求他們先在電路仿真與分析軟件Milltisim平臺上對于所設計的電路進行仿真，觀察電路功能是否滿足設計要求，分析主要元器件參數對電路指標的影響，初步了解電路靜態和動態的工作情況，在Milltisim平臺上調試電路使之達到技術指標，為電路的實調做準備。二是應用ProtelForWindows設計印刷電路板。在Milltisim仿真后，給學生介紹印刷電路板的自動化設計軟件ProtelForWindows和設計印刷電路板的基本工程知識，要求學生應用ProtelForWindows設計軟件繪制本組設計的電路原理圖并設計出印刷電路板圖。通過幾年課程設計的實踐，對有源濾波器、交流寬帶放大器、數字溫度計、數字鐘、交通燈控制器等設計課題采用MilltisimEDA軟件與虛擬樣機，指導學生進行電子技術課程設計，取得了較好的教學效果。（2）結合傳統設計。近年來，全國各高校都開設了EDA技術的教學和實踐課程。對機電類專業的學生而言，電子技術課程設計是學生在學完電子技術理論課程后進行的一次綜合性訓練，其目的是培養學生綜合運用所學理論知識的能力、獨立設計電子產品的能力和對電子產品實際安裝、調試的能力。如果學生沒有從原理圖設計開始一直做到樣機調試成功，經歷整個電子產品的設計、開發過程，又如何能提高電子技術課程設計的作用?所以要將傳統課程設計與EDA技術的訓練相結合，比較電路實測的性能和計算機的仿真結果，以認識計算機仿真在電路設計中所起的作用，使學生對EDA技術的了解不只是停留在軟件系統的操作上，而是對該技術在電子設計中所起的作用有一個整體的認識，能對學生綜合能力的培養有所幫助。
形成組合，團結協作在組隊方面，采取電子設計競賽的組織方式，2～3人為一組，要求學生不僅要共同討論設計課題和選擇設計方案，還必須落實自己具體的設計任務，如計算機輔助分析、硬件電路的制作、調試、資料的查閱、整理和總結等，有分工有合作，以培養學生的團隊精神。
