EDA工具软件

EDA工具软件（精选7篇）

EDA工具软件 第1篇

在目前的大规模集成电路设计中,系统级设计和逻辑设计往往是分开进行的。系统设计人员使用诸如C/C++、Matlab、COSSAP、SPW等系统设计语言和软件进行系统描述和算法仿真,并书写系统设计书,然后移交给电路设计部门。电路设计人员,首先要花大量的时间理解系统设计书后,才能利用VHDL或者Verilog HDL硬件描述语言进行电路设计。根据有关统计从系统级设计到电路级设计所花费的时间一般是系统级设计所花时间的3倍左右。因此在系统级设计与电路级设计之间架设一座桥梁已经成为电路设计领域极为迫切的任务。对于片上系统设计而言,除了上述问题以外,还面对着如何处理嵌入式CPU或DSP与大规模逻辑电路的软硬件协同设计问题。由于CPU或DSP多用C/C++或汇编语言来仿真和验证,而逻辑电路则使用VHDL或者Verilog-HDL硬件描述语言进行仿真和验证。因此,需要2种不同的仿真工具和仿真环境来支持设计工作。这2种不同的仿真和验证环境,不仅增加了设计周期和设计成本,而且容易造成设计错误。

为了实现系统级与电路级设计的融合,同时解决硬软件协同设计问题,最好的办法是寻求一个既能兼容系统级设计和逻辑设计,又能兼容逻辑电路软硬件仿真与验证的综合集成环境。基于MATLAB集成环境下的多EDA软件联合设计便可以很好地解决这个问题。

1 MATLAB环境下数字系统设计

1.1 设计工具

MATLAB结合第3方软硬件产品组成了在不同领域内的完整解决方案,实现了从算法开发到实时仿真再到代码生成与最终产品实现的完整过程。

主要的典型应用包括:

控制系统的应用与开发快速控制原型与硬件在回路仿真的统一平台dSPACE;

信号处理系统的设计与开发全系统仿真与快速原型验证,TI DSP、Lyrtech等信号处理产品软硬件平台;

通信系统设计与开发结合RadioLab 3G和Candence等产品;

机电一体化设计与开发全系统的联合仿真,结合Easy 5、Adams等。

MATLAB开放的产品体系使MATLAB成为了诸多领域的开发首选软件,并且,MATLAB还具有300余家第3方合作伙伴,分布在科学计算、机械动力、化工、计算机通讯、汽车、金融等领域。接口方式包括了联合建模、数据共享、开发流程衔接等等。

1.2 设计流程

传统的DSP系统开发人员在设计一个DSP系统时,一般先研究算法,再使用MATLAB或C语言验证算法,最后由硬件工程师在FPGA或DSP上实现并验证。在MATLAB集成环境下使用多EDA软件的典型DSP系统设计流程如下:

① 用数学语言描述算法;② 设计环境中使用双精度数实现算法;③ 将双精度运算变为定点运算;④ 将设计转换为有效的硬件描述语言实现。

设计人员先在MATLAB中对系统进行建模和算法验证,经过仿真后便可以直接将系统映射为基于FPGA的底层硬件实现方案。可用Simulink提供的图形化环境对系统进行建模,代码转换工具可自动生成FPGA综合、仿真和实现工具所需的命令文件,因此用户可以在图形化环境中完成系统模型的硬件开发。

1.2.1 建模

Simulink、Stateflow和Simulink Blocksets提供了一个集成的交互图形化动态建模环境。强大的仿真能力能够对离散、连续、条件执行、事件驱动、多速率、混杂系统等进行分析。通过使用Simulink、Stateflow、DSP Blocksets,可以快速、准确地仿真系统中每一部分的行为,包括实时DSP算法,数字、模拟和混合信号处理硬件,控制逻辑,通信协议和同步循环,还可以考虑信道、声学和其他物理效应。利用Simulink可视化的建模方式,可迅速地建立动态系统的框图模型,Simulink的分级建模能力使得体积庞大,结构复杂的模型构建也简便易行。

1.2.2 实时仿真[1,2]

为了完成仿真的实时性,要用到一个Simulink的配套工具Real-Time Workshop(RTW),它和C或C++编译器编译,可将程序生成独立于MATLAB环境的应用程序,运行到实时的工业过程中。Real-Time Windows Target使用一个很小的实时内核来保证它开发出来的应用程序可以实时运行。实时核心运行在Ring0级,使用内置PC时钟作为它的时钟来源,该内核在Windows获取之前截取PC时钟的中断,程序无法调用Windows系统提供的函数。正因如此,在C语言S函数中不允许使用Win32 API。内核使用时钟中断触发已编译模型执行,并能唯实时应用程序最高的优先级。

利用Simulink及其工具集运行仿真模型,调试控制参数。Simulink的示波器可以动画和图形显示数据,能够在仿真运算进行时监视仿真结果。

1.2.3 代码生成

在MATLAB产品族中,自动化的代码生成工具主要有Real-Time Workshop(RTW)和Stateflow Coder,这2种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效优化的程序代码。利用RTW生成的代码简洁、可靠、易读。目前RTW支持生成标准的C语言代码,并且具备了生成其他语言代码的能力。整个代码的生成、编译以及相应的目标下载过程都可以自动完成的,用户需要做的仅仅使用鼠标点击几个按钮即可。MathWorks公司针对不同的实时或非实时操作系统平台,开发了相应的目标选项,配合不同的软硬件系统,可以完成快速控制原型(Rapid Control Prototype)开发、硬件在回路的实时仿真(Hardware-in-Loop)、产品代码生成等工作。另外,MATLAB 开放性的可扩充体系允许用户开发自定义的嵌入式系统目标,利用Real-Time Workshop Embedded Coder能够直接将Simulink 的模型转变成效率优化的产品级代码。代码不仅可以是浮点的,还可以是定点的。

对于FPGA设计,Xilinx公司的System Generator和Altera公司的DSP Builder允许用户建立位真实、周期精确的IP模型,将浮点模型调整为定点模型并在FPGA模块上实现这些模型。然后,所得的HDL将直接进入后序的综合流程。System Generator 和DSP Builder软件是由MathWorks分别与Xilinx公司和Altera公司合作开发而成,DSP设计人员可使用MATLAB和Simulink工具在FPGA内进行开发和仿真来完善DSP设计。该2种软件为系统级DSP设计与FPGA硬件实现的融合起到了桥梁作用,而这一点对于高性能DSP系统的设计者来说,正是至关重要的。

另外,用户可以使用FDATool或命令行函数调用的方式来设计滤波器,然后利用Filter Design HDL Coder来生成VHDL或Verilog代码。Filter Design HDL Coder 扩充了MATLAB的硬件实现能力。在Filter Design Toolbox中设计的定点滤波器利用Filter Design HDL Coder可以生成有效的、可综合和可移植的VHDL、Verilog代码,这些代码可以最终在ASIC和FPGA芯片上实现。利用Filter DesignHDL Coder同样可以自动生成用于快速仿真、测试和验证生成代码的VHDL、Verilog、ModelSim测试基准程序。

Link for ModelSim可以和Xilinx System Generator或Altera DSP Builder协同工作。这意味着你可以使用Xilinx System Generator以及Altera DSP Builder来完成你的部分系统设计。因此你可以在一个完整的环境下进行 MATLAB、C/C++、Simulink blocks、自己设计的HDL实体、以及Xilinx System Generator所提供的模块或Altera DSP Builder blocks所提供模块的联合仿真。Link for ModelSim是一个把MATLAB、Simulink和针对FPGA、ASIC的硬件设计流程无缝连结起来的联合仿真的接口扩展模块。它提供一个快速的双向连接将MATLAB、Simulink和硬件描述语言仿真器Modelsim连接起来。使二者之间直接的联合仿真成为可能,并且让你更高效地在MATLAB/Simulink中验证ModelSim中的寄存器传输级(RTL)模型。

2 设计实例

为了更加清楚地说明MATLAB环境下多EDA软件联合设计的优势,下面结合工程实践,介绍一个数字上变频器(DUC)的FPGA开发实例。设计在Simulink环境下建模、仿真、代码生成,自动调用System Generator软件、ISE软件,大大节省了开发时间[3]。

设计用System Generator实现DUC,DUC是调用Xilinx公司开发的IP Core。在Simulink环境下创建的模型如图1所示。

信号源是由正弦波发生器提供一个低频率的单频信号,它是由MATLAB/Simulink本身提供的,不属于Xilinx模块。信号源之后使Gateway In模块,它将浮点数转换成指定宽度的定点数,因为FPGA里面不能直接实现浮点运算。中间是Xilinx的DUC IP Core,主要是完成数字上变频的功能,也是进行代码转换的对象。Gateway Out模块的作用刚好与Gateway In模块的作用相反,是将定点数转换成Simulink能识别的浮点数,以便将信号送往示波器上显示。最后一级是信宿和示波器,主要是对上变频后的信号进行时域波形显示和频谱分析。

3 仿真验证

运行Simulink进行仿真,可以看到输出的波形及其频谱图,如图2所示。图2所示信号是将100 kHz信号上变频到10 MHz的结果。

确认DUC在Simulink环境下的仿真结果正确后,就可以通过System Generator生成已创建模型的VHDL等项目文件。用ISE软件打开生成的工程,分别执行翻译后仿真、映射后仿真、布局布线后仿真,在Modelsim窗口中可以看到,3个进程仿真后的结果与期待响应是完全匹配的,即System Generator生成的VHDL代码经过综合、翻译、映射和布局布线后得到的FPGA实现完全能实现Simulink模型的功能。确认布局布线没有出现错误后,生成FPGA编程文件,下载到硬件电路后验证,结果是正确的。

4 结束语

MATLAB是全球使用最广泛的算法开发产品之一,它长期服务于自己的领域,与EDA和硬件实现相距甚远。但随着它的开发商MathWorks公司与第3方供应商携手合作将MATLAB带入FPGA和ASIC设计领域,这种状况正在发生改变,MATLAB正迈向电子设计自动化的领域。

参考文献

[1]边新迎,刘亮,刘君.基于MATLAB环境的实时仿真研究[J].微计算机信息,2006(22):250-252.

[2]史维佳,何鹏举,李杰.Matlab/RTW实时仿真与嵌入式系统开发[J].单片机与嵌入式系统应用,2009(10):42-44.

EDA教学改革思考 第2篇

关键词：EDA技术 数字电子技术 教学内容

EDA英文全称为“Electronic Design Automation”，意即“电子设计自动化”的缩写。它是以计算机技术为基础，综合了电路、数据库、图形学、计算数学等众多学科理论而形成的技术。利用它可以完成集成电路的设计、布线等工作。也可以通过原理图输入、逻辑综合、布局布线、模拟仿真、逻辑映射、程序下载，将一个集成电路浓缩到一块小小的FPGA/CPLD芯片上。

1 EDA教学的重要性

EDA是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发平台，以硬件描述语言HDL为设计语言，以大规模可编程器件FPGA/CPLD为载体，以ASIC/SOC芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计新技术。随着集成电路的发展，传统的电路设计方法已经远远不能满足现代电路设计的要求。而EDA技术在面对当今电子产品生命周期缩短、集成度高、需要及时融入新技术表现出了很好的适应性。因此，EDA技术已经成为当今电子设计的新手段，代表了电子设计的新潮流。据了解，在很多西方国家，EDA技术已经融入教学并且占有重要地位。不管从科技发展还是从培养人才的角度，还是为了我国电子行业能与国际上形成更有力的竞争，我们都应该引进和学习新的EDA技术，培养更多这方面专业素质的人才适应竞争的需要。因此，我们应该在高校开设EDA课程，而且应该在教学内容、教学方法和手段上狠下一番功夫，深入电子类专业课程体系，做出一番深入的探索。

2 本校EDA教学的实施

从2007年开始，我校在电子类两个专业开设了《EDA技术》这门专业课，开始了EDA教学尝试。由于我们是职业院校，给学生定下的培养目标是：具有看懂或组建EDA电子系统的初步能力；具有利用EDA及其VHDL语言设计电子系统的初步能力。

在教学内容的安排上，我们将其划分为六个单元。第一单元我们讲述EDA技术基本概况、CPLD/FPGA的结构及原理；第二单元介绍EDA的设计工具软件Quartus II以及原理图设计方法；第三单元讲述VHDL语言以及简单逻辑电路的设计；第四单元讲述组合逻辑电路系统设计；第五单元讲述时序逻辑电路系统设计；第六单元为有限状态机设计。在整个课程过程中，我们把重点放在了“如何去设计一个逻辑电路，怎样去设计，以及如何将设计好的电路通过CPLD/FPGA器件来实现”上，希望通过学生了解一种器件，掌握一门语言，熟悉一种设计工具。

本课程属于实践性很强的课程，为了实践环节的顺利实施。在学校及分院领导的重视下，我们配置了EDA实训室。该实训室共50台学生机以及1台教师机，并配备投影仪及实物展台。同时我们将课程开设在实训室，通过教师一边讲解，学生一边练习的理实一体的授课模式，让学生增强动手能力。

经过几年的教学实践，我们培养了一些不错的EDA人才。与此同时，考虑到EDA课程的重要性，我们将其开设到微电子专业，同时将编程语言更改为更接近于高级设计语言的Verilog HDL，并将实验设备主要器件从早期的CPLD更新为FPGA，满足EDA技术发展的需求。

3 EDA教学改革

EDA技术作为一门独立的课程教学在高校中已经存在了好多年。在所有的电子类专业中，我们都需要开设数字电子技术这门专业基础课，它的理论性以及工程实践性很强。在职业院校里，它的任务是为培养应用型高技能人才提供必要的基础理论和实验技能。在数字电子技术课程实施过程中，我们通常会安排若干个实验项目，有时会利用仿真软件multisim做模拟，有时会直接利用实验箱。在利用实验箱进行实验的过程中，存在接触点不稳定、损耗大、实验功能单一等等诸多的缺点。而且由于元器件不断重复使用，加上连线的可靠性变差，容易产生接触不良等诸多问题。我们可以尝试将EDA技术与数字电子技术融合而成一门专业课，在讲授数字电路的同时，通过EDA技术，让学生掌握设计以及实现的方法。将EDA引入数字电路是现代教育发展的趋势。通过计算机辅助软件来进行数字系统设计和模拟仿真，这种实现方法易于修改、易于实现并且安全，同时排除了学生对设备安全的担忧。利用EDA工具，学生可以在学习的过程中充分发挥创造力，做不同的尝试，大大激发学生的兴趣，培养和提高学生的创新意识和创新能力。

4 结束语

EDA教学在高校中具有至关重要的地位，围绕EDA教学的改革始终争论着，我们只有遵循教学规律，不断改革创新，为培养出高素质的应用技术型人才而努力。

参考文献：

[1]高玉宝.《DSP技术及应用》基于FPGA实践教学改革的探讨[J].科技信息，2008（18）.

[2]潘松，王芳，张筱云.EDA技术及其应用（第二版）[M].科学出版社，2011.

[3]黄明文，刘玉荣，刘汉华.EDA教学应以数字电路为基础[J].2002（1）.

EDA工具软件 第3篇

传统的课堂教学方法,使学生对于概念、定理的理解仅局限于板书或者多媒体投影的静态电路,无法构建具体直观的学习模式。EDA( 电子设计自动化 ) 不仅提供了一种现代电子设计技术,同时还为学习提供了一个极为方便的、科学的实验平台。将EDA技术融入到数字电子技术教学中,能提高学生的工程实践能力和自主学习、创新能力,使学生掌握如何在计算机上实现相关的数字系统,了解新的数字系统的设计方法。

1 Multisim软件在数电中应用

Multisim是美国国家仪器 (NI) 有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具适用于板级的模拟 / 数字电路板的设计工作。使用者可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。

1.1半加器

数字系统的基本任务之一是进行算术运算。而在系统中加、减、乘、除均是利用加法来进行的,所以加法器便成为数字系统中最基本的运算单元。构成加法器电路的基本单元就是半加器和全加器。在不考虑低位的进位输出时,只考虑将两个二进制数相加,并产生进位输出,称之为半加器。真值表如表1所示,其中A、B为两个二进制输入,S为半加和,CO为高位进位输出。

1.2 Multisim 10仿真

在Multisim 10中,数字电路的生成可以由电路图得到真值表及表达式,也可以由真值表得到表达式及电路。从仪器工具栏中调出图1所示的逻辑转换仪,在其左边的真值表栏内按照表1进行设置。

图2所示为逻辑转换仪中设置的真值表S、Co。简化的逻辑表达式及电路如图3所示。

从Multisim 10基本界面元器件工具条的“Place CMOS”元器件库中调出异或门和与门各一个 ;从“Place Insicator”元器件库中调出两个指示灯。分别将他们放置在电子平台上,构成半加器的仿真电路,图4所示。

开启仿真开关,根据表1改变输入数据A和B,观察两个指示灯的情况,亮为1,不亮为0,其中,半加器和S指示灯为蓝色X1,进位Co指示灯为红色X2。记录半加器仿真电路输出表再与半加器电路真值表进行对比,可验证仿真结果。

1.3 Quartus II仿真

Quartus II是Altera公司的综 合性PLD/FPGA开发软件,是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境,是先进的EDA工具软件。其界面友好,使用便捷,功能强大,支持原理图、VHDL等多种设计输入形式,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。建立工程,输入半加器的VHDL描述程序,选择Processing中的Start Comlilation命令进行编译,或单击编译器快捷方式启动全程编译。编译成功后,再进行仿真。如果编译不通过则进行修改,一般在错误信息栏中的第一条错误信息开始修改,直到没有错误。

功能仿真结束后单击Open按钮,回到波形文件,得到功能仿真波形图如图。对照半加器逻辑的真值表,可以验证是否与真值表的逻辑完全相符。

2结束语

传统的数字电路设计需要经过逻辑抽象(列出真值表)、写出输出函数逻辑表达式、运用公式法或卡诺图化简、根据最简函数式画出逻辑图。其中所有过程都需要人工完成,而且对于复杂的数字系统来说效率太低,甚至无法实现。采用上面两种EDA软件设计方法,简化设计流程,大部分工作都由计算机自动完成,而且形象直观,便于学生理解掌握。真正使学生做到了变被动学习为主动学习,提高了学生的学习热情和积极性。相信在不久的将来,数电课程的教学和EDA技术的融合会更加紧密。

摘要：作为信息技术和电子技术的一个重要分支,EDA工具正在发挥着极大的作用,成为学习和应用现代电子技术的重要内容。将EDA技术引入到电类相关课程的教学中,不仅仅是满足教学改革的需要,更是满足市场对高水平人才的需要。针对数字电子技术课程,采用Multisim和Quartus II两种EDA软件对其中的内容进行教学实践,结果表明不但能顺利的完成教学任务,而且可将抽象的知识具体化、简单化、形象化。

EDA工具软件 第4篇

世界EDA (电子设计自动化) 工具供应商市场的营业额中, 如果按地域划分, 北美仍然是最大的市场, 接近半壁江山;亚洲以17%位居第四 (如图1) 。如果按照产品分类, CAE (计算机辅助工程) 市场份额最大 (图2) 。EDA市场的竞争厂商中, 呈现三雄鼎力、其他厂商补充的局面 (图3) 。

在EDA业的增长中, 亚洲是最活跃的地区 (图4) 。EDA行业的特点是, 在主要的EDA细分市场中, 都有一家占有垄断地位的公司 (图5) 。纵观近十年的EDA产业, 可以看出新方法是EDA产业增长的主要驱动力 (图6) 。

从Mentor看EDA和IC设计业的策略

近日, EDA业第二大公司Mentor Graphics公司的行业技术论坛 (Tech Design Forum China2011) 巡展北京站上, 董事长兼CEO (首席执行官) Rally Rhines介绍了该公司的发展策略。

经过80年代末90年代初的战略调整, Mentor Graphics由提供全套解决方案转向专攻某几个方面, 此后便处于一个持续增长的时期。去年的市场份额与90年代末相比有约50%的增长。最近四年来, Mentor Graphics营利增长超过50%, 预计今年年底营收将达10亿美元。

EDA是个专业化的、细分的市场, EDA厂商都是各有专长, 而非在各个层面或领域内都做到最优。因此Mentor Graphics的战略是:专注于其最强项的领域, 精益求精。

眼下各IC设计公司都在全力以赴开发新技术, 比如3D器件, 新制程 (比如20nm) , 需要很多新的EDA工具。这对EDA市场来说是难得的机遇这将有可能成为新的增长点。但最重要的是:EDA厂商应当善于发现新兴领域, 例如汽车电子, 航空航天, 嵌入式等。

3 D器件目前是热门话题之一, M e n t o r Graphics的2.5D产品已经开始使用, 未来将带来3D IC设计软件产品家族。在全球范围内, 台积电、三星等已经推出3D器件, 但中国大陆目前尚无客户。

谈到中国市场, 举例来说, 尽管手机产业的同质化较为严重, 但手机供应商和IC设计公司其实可以找到好的定位, 努力做到差异化, 提高产品/品牌的价值。EDA公司在帮助本土IC企业提高公司价值方面起着重要作用。当前, 产品推陈出新的速度加快, 产品潮流趋势变化莫测, 市场对功耗、成本、功能、研发周期这些因素尤为敏感, 所以, EDA公司应当主要从这些方面入手来服务IC设计公司。

EDA工具软件 第5篇

1 单-双踪示波器转换电路的各部分电路设计

单-双踪示波器转换电路的电路原理如图1所示。

1.1 前置放大电路

在示波器电路中,对前置放大器的基本要求是,输入电阻高、输出电阻低、通频带宽。在单-双踪示波器转换电路中,前置放大器由两块高速运放TL082组成,其中IC1A(IC2A)构成电压跟随器,IC1B(IC2B)构成放大倍数约为-R1/R13的电压放大器,符合对前置放大器的要求。

1.2 开关电路

1.2.1 矩形波变换电路

由图1可知,单-双踪示波器转换电路的通道转换、触发信号的产生部分均在矩形波信号作用下工作。而被测信号可能是各种各样的波形,因此必须把被测信号变换成矩形波信号,这一任务可借助IC4B、IC7A(TL082)运算放大器、限幅二极管D1、D2、555时基电路IC8来完成[1]。

矩形波转换电路的输入信号为Y1通道的输出信号uy1。由于被测信号大小不一,所以要把被测信号变换成矩形波,必须对其进行放大。采用IC4B、IC7A运放对被测信号进行放大,再经由IC8构成的施密特触发器整形,在IC8(3)脚输出与被测信号同频的矩形波uo2。

1.2.2 10倍分频电路

为了能使被测信号在示波器荧屏上同步显示,并真实地反映两被测信号的相位关系,一方面,示波器应工作在常态触发条件下,需用一个与被测信号相频关系相关的信号去作示波器的外触发信号;另一方面,测量时示波器荧屏上通常显示2~10个周期的被测信号,扫描信号的周期应为被测信号周期的2~10倍,在单-双踪示波器转换电路中,选择扫描信号周期为被测信号周期的10倍,即在示波器荧屏上可显示大约8个周期的被测信号[2]。因此,与被测信号同频的矩形波经过10分频之后即可作为示波器的外触发信号。

10倍分频器电路由IC10(LS161)、IC9A(LS00)组成。LS161同步计数器采用同步置数归零的方式构成10进制计数器。其Q4(11脚)输出10分频的矩形波用作示波器的外触发信号[3]。

1.2.3 通道转换开关及其驱动电路

将IC6A(LS74)D触发器的端与D端相连,得到T′触发器,用LS161计数器的归零信号作为D触发器的时钟脉冲,每来一个时钟脉冲,触发器翻转一次,Q、Qˉ端输出的高、低电平持续时间均为被测信号y1周期的10倍,此信号经变换后作为模拟开关IC3(CD4066)的驱动信号。

用IC3作为Y通道转换开关,CD4066在±5V电源供电时,可传送峰值为±5V的交流信号,但要求其使能信号也为±5V。因此,D触发器Q、端输出的0~+5V脉冲不能直接作IC3的使能信号,必须将其变换为-5V~+5V的脉冲[1]。

D触发器Q及端输出方波的平均值约为2.5V,设法使其平均值为0,即幅值约为-2.5V~+2.5V的方波,再将其乘以2,即可变换为-5V~+5V的方波。由IC5A、R19、R 21、R 9及IC5B、R 22、R 20、R 10、-5V电源构成的反相比例求和电路可完成上述任务。所以,当D触发器Q端输出高电平、端输出低电平时,开关S1、S2接通,S3、S4关断;当D触发器Q端输出低电平、端输出高电平时,开关S1、S2关断,S3、S4接通。

1.3 垂直位移电压产生电路

为了使示波器荧屏上显示的两被测信号在垂直方向上错开,需用一直流电平信号与被测信号相叠加。直流电平产生电路由R17、R3、R18、±15V电源串联而成,其输出电压Vy1与Y1通道的被测信号相叠加,输出电压Vy2与Y2通道的被测信号相叠加,由于Vy1Vy2,所以,Y1、Y2通道的被测信号分别显示在荧屏的上、下部,改变电阻R3值可改变两被测信号在垂直方向上的间距[4]。

2 信号叠加与放大电路

IC4A、R4~R8构成信号叠加与放大电路,其任务将任一Y通道的被测信号及其位移电平叠加并加以放大。

当D触发器的端为高电平,Q端为低电平时,开关S3、S4接通,S1、S2断开,来自IC2B的信号uy2与垂直位移电平Vy2相加、放大后由IC4A的uo端输出,并在示波器荧屏下部显示;当Q端为高电平,端为低电平时,开关S1、S2接通,S3、S4断开,来自IC1B的信号uy1与垂直位移电平Vy1相加、放大后也由IC4A的uo端输出,并在示波器荧屏上部显示。因此,示波器对被测信号的显示为交替方式,每次扫描可显示近10个周期的被测信号。

3 电路仿真

运用EDA软件对电路进行仿真首先遇到的便是仿真模型问题,其次就是电路较为复杂时,容易出现“Singular Maxtrix”、“Gmin stepping failed”、“Source stepping failed”、“Iteration limit reached”、“Timestep too small”、“Run simulation(s)aborted”等仿真错误,对这些问题可分别采取措施加以解决[5]。

3.1 用EDA软件Protel99E对电路进行仿真

使用EDA软件Protel99SE对图1所示电路进行仿真,首先遇到的问题便是Protel99SE软件无CD4066仿真模型,为解决这一问题,可以将图1中虚线框所围部分用图2所示电路替代,其中TTL为Protel99SE软件中的虚拟开关[6]。

现利用单-双示波器转换电路对一微分电路进行仿真测试。先在Protel99SE原理图编辑环境中按仿真要求画出图1,用图2替代图1中虚线框所围部分,再去掉Rw1、Rw2,选取f=15k HZ,幅值为300m Vp的方波信号,将Y1通道输入端、1000P电容C与5kΩ电阻R串联网络接在信号源上,电阻R一端接地,RC串接点接Y2通道输入端,即将电阻上的微分信号接入Y2通道。

电路仿真测试采用“Transient/Fourier Analysis”(瞬态特性分析)方式。仿真方式、测试点的设置步骤是,在原理图编辑窗口,执行“Simulate”菜单下“Setup”命令,进入“Analysis Setup”仿真设置窗口,在“General”标签中选中“Transient/Fourier Analysis”,在“Available Signals”激活信号栏中选择要观测的信号“uo”、“uo6”、“Vc1”、“uo4”、“Vc2”、“utr”、“uo3”、“uo2”、“y1”、“y2”,在“Sim View Setup”栏中选中“Show Active Signal”;再单击“Transient/Fourier Analysis”标签,去掉“Always set defaults”选项,取“Start Time”、“Stop Time”、“Step Time”、“Maximum Step”分别为:0、3.0m、10μ、10μ,然后单击“Run Analyses”即可完成仿真。仿真结果如图3所示,其中,utr为送往示波器的触发信号,uo为送往示波器Y通道的被测信号。从图3中可以看出,一方面,utr的下降沿与开关驱动信号Vc1、Vc2的上升沿或下降沿对齐;另一方面,Vc1为高电平时,荧屏(uo)显示y1被测信号,Vc2为高电平时,荧屏(uo)显示y2被测信号,并且两信号直流电平不同,故y1、y2信号在示波器荧屏垂直方向上错开,与设计要求相一致。

3.2 用EDA软件Multisim10对电路进行仿真

用Mutisim10对图1所示电路进行仿真,因不存在CD4066仿真模型问题,图1可直接采用,其余准备工作及条件与采用Protel99SE软件仿真相同。

仿真时,使用Mutisim中的虚拟示波器。仿真测试的步骤是,单击仿真库中的虚拟示波器将其调出,将图1中uo、LS161的Q4分别联接至示波器通道“A”、外触发输入“Ext Trig”,再双击虚拟示波器打开其操作界面,在“时间轴”区域:“比例”选择“50μS/Div”,“X位置”选择“0”,再选择“Y/T”;在“通道A”区域:“比例”选择“5V/Div”,“Y位置”选择“0”,再选择“DC”;在“触发”区域:“类型”选择“标准”,“边沿”选择“下降沿”、“外部”,“电平”选择“0”。最后单击仿真开关,得到图4所示波形。

由图4可知,在示波器荧屏上、下部分别显示y1、y2信号。

4 使用方法

利用单-双示波器转换电路将单踪示波器变为双踪示波器时,首先应理解示波器的工作原理,熟练掌握其使用方法,操作时分别将转换电路的输出端uo、触发信号utr接至通用示波器的Y通道输入端、外触发输入端,再将两路被测信号接至示波器转换电路的y1、y2输入端即可。

通用示波器的Y通道耦合方式应选择“直流”,触发源应选择“外触发”、触发方式应选择“常态”或“标准”,触发极性选则“下降沿”或“负”,选择合适的触发电平及示波器扫描速度Sx,使被测信号周期Ty与Sx应满足Ty>Sx的关系,即可观测到两个稳定的被测信号波形。

摘要：示波器是常用的电子测量仪器。在实际应用中,为了对信号进行测量和比较研究,需要把有确定频率、相位关系的不同信号同时显示在示波器荧光屏上。为了实现这一目的,通常采用多线或多踪示波器,在仪器设备不能满足要求的条件下,用单-双踪示波器转换电路仍然是一种有效的方法。

关键词：波形变换,模拟开关,分频,触发

参考文献

[1]董守愚.用模拟开关构成的示波器多踪扩展电路[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2005,4(6):76-78.

[2]林占江,李玉杰.单/多踪示波器转换电路的设计[J].今日电子,2003(2):10-11.

[3]胡靖,温殿忠.基于扫描D触发器的可逆电路测试综合方法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2012(3):420-426.

[4]曹新亮,杨延宁.单踪示波器双线显示功能的实现[J].延安大学学报:自然科学版,2002,21(2):34-35.

[5]郭勇.EDA技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

EDA工具软件 第6篇

在变频调速技术中,作为两大难题之一的SPWM控制方式,虽然已经在先进的微机控制技术中得到很好的解决,但在调制中,正弦波与三角波交点所对应在时间上的开关点的选择计算,是SPWM信号生成中的一个难点。在采样法中,参数确定的实时计算与控制,因查表定时的相关参数需占用计算机太多内存和时间,而仅限于频率段较少的场合。在最佳法中,为去掉指定阶次的谐波,使计算工作量很大。而利用模拟、数字及模数混合集成器件等组成的三相对称SPWM调制器,可以既简单又方便的完成其主要功能。归纳SPWM调制的主要过程如图1所示。

框图中,频率给定/积分、函数发生器、绝对值运算器和压控振荡器部分电路的主要作用,是产生一幅值恒定、频率可调且升降变化速度受限的标准正弦波电压信号ur,极性鉴别器用于对电动机旋转方向选择的判断,输出作用三相正弦波发生器并使其相序改变。三相正弦波发生器输出ura、urb、urc与三角波发生器输出信号uc经比较器输出三相对称SPWM调制信号uoa、uob、uoc。

2 三相SPWM模拟控制变频调制器

在电路的实际设计中,为实现三相SPWM变频调制器的功能,全部电路由七个子电路组成,其功能框图如图6所示。通过计算机,借助电子设计自动化软件Multisim7,利用其提供的设计、仿真功能,完成全部设计。

(1)正弦波发生器及积分/移相环节[1]

电路如图2所示,由通用集成运放F741及部分电阻、电容、稳压二极管等组成RC低频振荡器和积分/移相环节,采用将RC参数与积分/移相环节参数统调的方法,选择Rw1=Rw2=Rw4=20k的同轴六联电位器RWA,生成频率可调、幅值稳定的标准正弦波信号ur。为使电路能快速起振而输出波形又不失真,选择R2=100k≥2R1。在负反馈回路上串入两并联的二极管,用于限幅。综合限幅回路调节电阻Rw3,对R1选用不同值时的输出波形进行计算机仿真,结果如图3所示,最终确定R1=9k。

在积分/移相器的基础上,增加由Rw5组成的负反馈可调电阻,构成比例积分环节,用于在改变RC参数进行变频时,抑制输出波形的畸变,使其迅速、稳定的形成正交输出。通过仿真,调出最佳数值。

(2)三相对称正弦波发生器电路

以标准正弦波电压ur为参考相量,经积分电路,得到与ur在相位上互差90度的正交信号电压uO1,通过反相、比例加法器对ur和uo1的运算处理,将ur分解出幅值恒定、频率随ur可调、在相位上与之互差120度的三相对称交流电压信号uA、uB、uC。利用Multisim7软件中提供的四综示波器,对三相波形进行分析,调整RW4阻值及比例加法器的放大倍数,得到三相对称正弦交流电压波形,为SPWM调制提供三相基准正弦信号。图4为三相正弦波高频起振及变频调谐的过程。

(3)三角波发生器电路

由同相滞回比较器和单时间常数有源积分构成三角波发生器,输出载波电压信号ut,其频率ft和幅值由取样电位器和鼻环电压放大倍数来决定。输出波形如图5所示,根据调频的范围,可调节积分电容C改变ft,以达到分段同步调制的目的。

(4)比例取样环节

由同轴多联电位器RWA中的RW8～RW10和分压电阻组成。设计中,在三角波幅值恒定的情况下,通过改变调制波信号幅值,改变输出电压,用以满足变频调速中按f/u=C进行控制的原则。经比例取样环节中的RW8～RW10对三相基准正弦信号比例取样,得到三相对称正弦调制信号ura、urb、urc。改其变其幅值,SPWM调制输出信号的脉宽随之变化,使输出电压改变。为此,需将正弦波发生器中正反馈网络的调频电位器RW1、RW2与正交移向积分环节及比例取样环节中的RW4和RW8～RW10电位器进行连调,以达到调频调压之目的。经计算机仿真,选择上述电位器的阻值均为20k。RW11～RW13用于变频器的输出转矩给定及不同频率下的转矩调节。

(5)SPWM调制

以三相对称正弦波ura、urb、urc为调制信号,三角波电压信号ut为载波信号,通过比较器输出三个SPWM调制波,仿真结果如图6所示,红色和蓝色矩形波分别表示了A、B两相在不同频率下的正弦波幅值、相位关系及所对应的双极性SPWM调制波。

(6)频率显示电路

由集成定时器LM555(U18)、与门74LS00(U19)及电阻R24～R26、电位器RW14,电容C5等组成秒发生器,LM555(U20)、R27组成史密特触发器,用于对正弦波整形并作为计数脉冲,与秒发生器输出信号相与,经与门U17作用计数器74LS290,由两块七段显示器DCD-HEX(U13、U16)显示给定和运行频率(1～99Hz)。

(7)换相控制电路[3]

有两块四双向模拟开关CD4066、转换按钮J1及接地电阻组成。通过对J1的操作,可使三相SPWM调制波U、V、W换相输出。

3 电路原理框图

电路中各环节的控制关系如图7所示。

4 PCB板制作

利用Multisim7完成对电路原理进行的前端设计后,通过其主菜中提供的Transfer(转换)功能,选择Transfer to Ultiboard 7,将SPWM电路原理图转换到的后端设计软件Ultiboard 7。在其界面下对PCB板进行相应设置,通过自动布线功能Autoroute/Pplace,启动自动布线器Ultiroute,分别得到SPWM调制器的PCB板图和3D视图。

5 装置的控制功能

(1)频率/转矩控制及显示

利用同轴多联电位器在正弦波、三角波发生器、积分移相、电压的比例取样环节的调节作用,对调制器进行频率、电压协调控制,以满足电动机恒转矩调速的机械特性。

(2)启动转矩的选择

根据电机所带负载对启动特性的要求,可单独调节不同启动频率下所需的电压。

(3)换相控制及显示

用于三相交流电机的正反转控制。

6 结束语

设计中,需要掌握一定的电工电子技术基础知识,了解变频器内部的基本结构,熟悉Multisim7和Ultiboard7的功能和使用。同时还要具有分析和解决问题的能力,灵活应用器件的特性,在元器件参数的调节与确定、验证设计思路的正确与否、设计方案的确定等过程中,电子线路的自动化设计软件Multisim7和Ultiboard7对设计的进行起到了极其关键的作用。

参考文献

[1]宋书中.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2]吴运昌.模拟集成电路原理与应用[M].广州:华南理工大学出版社,1995.

EDA技术教学探讨 第7篇

以《数字逻辑电路》和《计算机组成原理》两课程为例,我们做了一些积极的探索和实践。这两门课程,传统的教学方法,学生在学习书本知识的同时,做一定量的演示性实验和一些简单的数字电路设计实验。其最终的教学效果,学生仅掌握部分理论概念,而对计算机整体及实际工作原理仍把握不足,并且几乎不能掌握复杂逻辑电路、专用芯片以及CPU芯片的设计和调试。众所周知,计算机是实用性极强、发展速度极快的高科技产品。显而易见,传统教学的内容和手段,都已经跟不上时代的发展,其结果势必导致我们的学生知识水平落后,实际动手能力不强。因此迫切需要为这些课程的教学,引入先进的教学手段,提供一个理论与实践相结合的,具有实际应用价值的实验平台。EDA技术对于《数字逻辑电路》和《计算机组成原理》等计算机硬件课程来说,堪称是目前技术最先进、实际应用价值最高的实验平台。EDA技术提出了一种全新的、方便的、实用性极强的设计理念和方法。

《数字逻辑电路》是高校计算机专业必修的一门专业课。《数字逻辑电路》是实践性很强的课程。以往《数字逻辑电路》在大学的教学中分为理论课和实验课。由于环境和条件的限制,学生在实验课上仅能用传统的方法,设计、制作、调试简单的数字逻辑电路。学生使用EDA技术,对数字逻辑电路和专用芯片进行分析、设计、调试,彻底颠覆了以往传统设计过程中繁琐的设计调试过程。

《计算机组成原理》课程侧重于计算机硬件,并且表述了软件与硬件之间的相互关联。学习《计算机组成原理》课程的目的,是让学生全面、整体的了解计算机内部结构和工作原理,特别是了解和掌握CPU的内部结构和工作原理,以便为学生的未来发展奠定良好的专业基础。由于EDA技术包括:EDA硬件开发平台和硬件描述语言工具软件平台。对于《计算机组成原理》课程,我们首先将《计算机组成原理》课程分为课堂教学和实验教学两部分。在课堂教学中给学生讲述《计算机组成原理》和EDA的使用方法;在实验教学中要求每个学生,用所学知识亲自动手动脑设计一小型CPU系统,简称模型机。具体的实验教学分为6个阶段:

第一阶段:从手工设计一位二进制加法器到使用EDA工具去完成设计。在这阶段让学生感到手工设计的繁琐和EDA设计的简便。激励学生用EDA去完成设计。

第二阶段:要求学生采用自底向上的方法,先设计1位半加器,再设计1位全加器,再设计4位加法器。要求学生既要掌握用原理图描述设计构想,也要掌握用硬件描述语言VHDL进行设计构思。使学生切身感受到用VHDL硬件描述语言的巨大优越性。

第三阶段:使用EDA技术完成处理器的设计。在这阶段,首先要求学生根据课堂教学内容,完成处理器的结构示意图。在示意图中,简明扼要的表示出数据通路中主要部件以及这些部件的相互关系。图中还要标明这些部件所需的控制信号,这些控制信号来源于控制器。此结构示意图的完成,有助于学生理清设计思路,但远远不能满足手工设计的需求,而用于指导写出处理器的VHDL硬件描述语言代码已经满足要求。因此,在此基础上可以高效率的完成处理器的设计。

第四阶段:使用EDA技术设计存储器。由于EDA硬件平台上的可编程器件亦含有存储单元,在设计中可利用这些存储单元构建自己的存储器。从而使设计简单化。

第五阶段:处理器与存储器相连组成一台模型计算。学生为了检验模型机是否实现了预期的功能,必须为其编写一段调试程序,并将此调试程序预先存入存储器模块中。利用EDA的工具软件平台对模型机仿真。在仿真过程中不断修改完善,直到模型机达到预期的设计要求。

第六阶段:可编程器件的物理实现。确定可编程器件,和该器件与模型机引脚对应关系,将设计结果下载到该可编程逻辑器件,使之成为设计要求的模型机。

我们通过一段时间的教学实践,以及和其他院校计算机专业教师们相互沟通,了解到在市场众多EDA工具中,性能价格比最好的是Altera公司提供的开发集成环境:ED2硬件开发平台和QuartusII工具软件平台。Altera公司针对市场需求,推出了一款多媒体开发板卡ED2硬件开发平台。ED2板卡通过下载电缆和计算机相连,ED2板卡上装有可编程逻辑器件等辅助电路。应用QuartusII工具软件平台,用硬件描述语言或原理图的方法,对数字电路进行设计、仿真调试、时序分析测量等。由于QuartusII工具软件平台是运行于计算机中的软件,所以这个过程可以非常方便、快捷,并且可以不断的修正错误,反复多次的设计、调试、分析,直到达到满意的设计结果。然后将调试好的电路,下载到ED2板卡上可编程器件中。最后,用仪器仪表测量被装载的可编程器件,实际测量后稍加修正,便可得到预想的设计结果。