西北工業(yè)大學(xué) 呂宗锠

此次研究在原電路實(shí)驗(yàn)問題基礎(chǔ)之上提出利用EDA技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)字電路，全面提升學(xué)生對(duì)數(shù)字電路綜合應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)思路。此次所研究的數(shù)字頻率計(jì)屬于MSI器件綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按照該種試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路制定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：基于EDA設(shè)計(jì)數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠更加深刻地理解和掌握課程內(nèi)容，提升其學(xué)習(xí)積極性和參與度，可以應(yīng)用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐。

在電子信息專業(yè)課程中數(shù)字電路屬于基礎(chǔ)課程。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生深入理解和掌握數(shù)字電路知識(shí)以及理論方法。現(xiàn)階段，我國大部分高校所開展的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)均采用74系列器件，該種試驗(yàn)器具可以幫助學(xué)生理解和掌握電路知識(shí)，然而此種試驗(yàn)方法也存在弊端，無法有效聯(lián)系各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，保持學(xué)生不能掌握系統(tǒng)性數(shù)字電路知識(shí)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用造成影響。其次，由于受到教學(xué)內(nèi)容以及課程學(xué)時(shí)的影響，導(dǎo)致高校所實(shí)施的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多都是驗(yàn)證性教學(xué)為主。

1 MAX＋PlusⅡ軟件

該軟件主要是在微軟環(huán)境下所研制開發(fā)的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)軟件。此種設(shè)計(jì)軟件簡單易學(xué)，容易掌握，可以推廣應(yīng)用在高校教學(xué)當(dāng)中。設(shè)計(jì)人員使用自身所掌握的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。MAX＋PlusⅡ可以自動(dòng)將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)，通過該軟件所包含的編程編輯功能，芯片功能以及仿真設(shè)計(jì)功能全面優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)字電路系統(tǒng)。除此之外，該軟件還能夠提供多種模型庫和器件庫，在實(shí)施電路設(shè)計(jì)教學(xué)期間能夠有利于學(xué)生掌握電路原理圖設(shè)計(jì)方法。其次，MAX＋PlusⅡ軟件在數(shù)字電路分析和仿真功能方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以通過時(shí)序以及邏輯功能仿真功能對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行分析，結(jié)合EDA試驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)和電纜可以將設(shè)計(jì)電路上傳到EDA開發(fā)系統(tǒng)上，對(duì)硬件的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

2 數(shù)字頻率計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 方案設(shè)計(jì)

在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)當(dāng)中所應(yīng)用的待測(cè)信號(hào)主要來源于信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)幅度處于±5V波動(dòng)范圍，包括矩形波，三角波和正弦波。待測(cè)信號(hào)的頻率范圍在（0.1-10MHz），所以在設(shè)計(jì)期間需要使用門電器和集成器件對(duì)數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效測(cè)量信號(hào)，并且可以在數(shù)碼管上以動(dòng)態(tài)掃描方式顯示檢測(cè)結(jié)果，使用計(jì)數(shù)法作為頻率測(cè)量方法。按照設(shè)計(jì)要求可以將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路劃分為脈沖發(fā)生電路、測(cè)頻控制和計(jì)數(shù)電路等，除此之外還包含動(dòng)態(tài)化掃描模塊，圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和各模塊間的關(guān)系。信號(hào)整形電路的作用在于將各類波形的新華轉(zhuǎn)化為相同頻率的矩形波，這樣就能夠使時(shí)鐘脈沖信息更好地應(yīng)用在計(jì)數(shù)電路中。脈沖發(fā)生電路可以提供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需的不同頻率脈沖信號(hào)。測(cè)評(píng)控制電路的頻率能夠?qū)刂菩盘?hào)進(jìn)行測(cè)量，例如存儲(chǔ)電路信號(hào)、計(jì)數(shù)能力以及清零信號(hào)等。存儲(chǔ)電路和計(jì)數(shù)電路在測(cè)評(píng)控制電路控制下能夠?qū)Υ郎y(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以將結(jié)果存儲(chǔ)到寄存器中。動(dòng)態(tài)化掃描模塊可以將存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)果發(fā)送到數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示。

為了全面展現(xiàn)出EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)條件，全面縮短芯片使用時(shí)間以及設(shè)計(jì)時(shí)間。在圖1中，虛線框內(nèi)部所包含的各個(gè)模塊均能夠通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。學(xué)生可以利用信號(hào)整形和脈沖發(fā)生電路進(jìn)行芯片搭建，這樣可以確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有較高的綜合性，并且強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)際操作能力和知識(shí)應(yīng)用能力。

圖1 數(shù)字頻率計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

（1）信號(hào)整形電路模塊。按照設(shè)計(jì)要求選擇三種待測(cè)信號(hào)波形。所以在對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)之前需要轉(zhuǎn)換波形。此次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要采用施密特觸發(fā)器芯片變換待測(cè)信號(hào)，在變換后能夠得到矩形脈沖信號(hào)，此時(shí)就可以將其作為計(jì)數(shù)電路的輸入時(shí)鐘信號(hào)。

（2）測(cè)評(píng)控制電路模塊。數(shù)字頻率計(jì)試驗(yàn)中測(cè)量頻率的方法主要為計(jì)數(shù)法。因此該模塊在實(shí)際應(yīng)用期間需要自行產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈寬為1s，之后能夠在計(jì)數(shù)電路充當(dāng)計(jì)數(shù)進(jìn)行控制。當(dāng)完成計(jì)數(shù)之后，需要在寄存器中存儲(chǔ)各類結(jié)果，這樣能夠保障數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性。自此之后可能會(huì)產(chǎn)生新的鎖存信號(hào)。其次，在存儲(chǔ)計(jì)數(shù)結(jié)果之后需要通過清零信號(hào)將計(jì)數(shù)結(jié)果清零，以便下次測(cè)量和顯示。

（3）脈沖發(fā)生電路模塊：該電路模塊屬于一種頻率信號(hào)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)生產(chǎn)過程中提供必要信號(hào)，因此主要包含動(dòng)態(tài)掃描電路的掃描頻率和時(shí)基信號(hào)。脈沖發(fā)生電組成部分包括若干阻容元件，晶振，二進(jìn)制分頻器等。由于脈沖發(fā)生電路模塊所需時(shí)基信號(hào)為2Hz，因此對(duì)時(shí)鐘精度具有較高的要求。晶體振蕩器在應(yīng)用期間的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在頻率穩(wěn)定性方面，脈沖電路在應(yīng)用期間所需的振蕩器會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)。在經(jīng)過多級(jí)分頻之后會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在不同管腳輸出時(shí)鐘信號(hào)。

（4）計(jì)數(shù)電路模塊。該電路模塊能夠計(jì)量調(diào)整之后的待測(cè)信號(hào)，因此該模塊的組成主要包括十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，應(yīng)用同步級(jí)聯(lián)方式。測(cè)評(píng)控制電路輸出信號(hào)可以對(duì)計(jì)數(shù)的開始和暫停進(jìn)行控制。在存儲(chǔ)計(jì)數(shù)結(jié)果之后，測(cè)評(píng)控制電路會(huì)產(chǎn)生清零信號(hào)，此時(shí)可以全部清零所有計(jì)數(shù)器，為下次計(jì)數(shù)做好準(zhǔn)備。

（5）鎖存電路模塊。該電路模塊的作用在于存儲(chǔ)計(jì)數(shù)電路的結(jié)果，其所具備的清零信號(hào)觸發(fā)器能夠同時(shí)并聯(lián)多個(gè)時(shí)鐘，之后由測(cè)頻對(duì)電路輸出信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。計(jì)數(shù)后測(cè)評(píng)控制電路會(huì)輸出多個(gè)計(jì)數(shù)器結(jié)果，并將其存儲(chǔ)在寄存器當(dāng)中。

（6）數(shù)字頻率計(jì)整體電路。在完成電路模塊設(shè)計(jì)之后，需要根據(jù)框圖對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)組裝，在設(shè)計(jì)路模塊之后，按照相應(yīng)的組成框圖組裝設(shè)計(jì)電路，可以得到圖2所示的整體電路圖。在該電路圖中，虛線框中主要包括存儲(chǔ)電路，計(jì)數(shù)電路，測(cè)評(píng)控制電路和動(dòng)態(tài)掃描顯示電路等。

圖2 數(shù)字頻率計(jì)整體電路圖

3 硬件驗(yàn)證和軟件仿真

3.1 軟件仿真

MAX＋PlusⅡ軟件的分析能力和仿真能力都比較強(qiáng)大。在設(shè)計(jì)期間首先需要優(yōu)化設(shè)計(jì)功能模塊，之后利用MAX＋PlusⅡ仿真工具對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行邏輯仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相比，此種仿真功能也屬于EDA技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)。按照?qǐng)D3動(dòng)態(tài)掃描顯示電路仿真波形圖可以看出，此次設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期所設(shè)定的功能，并且模塊仿真與此設(shè)計(jì)比較類似。

圖3 動(dòng)態(tài)掃描顯示電路仿真波形圖

3.2 硬件驗(yàn)證

在對(duì)整體電路和不同模塊實(shí)施仿真驗(yàn)證后，可以通過引腳鎖定電路輸出和輸入端口；利用下載電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)電路，將優(yōu)化結(jié)果上傳到EDA試驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)上。該系統(tǒng)在接收到信號(hào)發(fā)生器所傳輸?shù)拿}沖電路時(shí)基待測(cè)信號(hào)，就可以對(duì)設(shè)計(jì)電路硬件功能實(shí)施驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中能夠發(fā)現(xiàn)，該數(shù)字頻率計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并且滿足預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用EDA技術(shù)開展數(shù)字電器綜合試驗(yàn)屬于現(xiàn)代化數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)方法。在教學(xué)期間所應(yīng)用的數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ叫枰浞职l(fā)揮出EDA技術(shù)作用，利用數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，包括設(shè)計(jì)方法和單元電路。所以，此種模式可以在較大程度上使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決。實(shí)際問題，幫助學(xué)生深入了解和掌握電路設(shè)計(jì)方法和操作步驟，全面提升學(xué)生實(shí)際操作能力。