仿真软件在电子技术实验中的应用

商丘师范学院学士学位毕业设计I仿真软件在电子技术实验中的应用摘要当前电子线路已大量采用计算机辅助仿真设计，尤其是电子设计EDA仿真技术。EDA仿真软件中MAX+PlusⅡ仿真设计分析软件是计算机数字电路与逻辑设计模拟和仿真的软件包，是实用的电子电路在线仿真工具，可加快产品的开发速度，提高工作效率。这里介绍一种基于EDA技术的4进制加法计数器的设计与仿真，并详细分析和归纳了D触发器的工作原理，以及由D触发器组成的一位4进制加法计数器电路的仿真电路，详细介绍了MAX+PlusⅡ的结构以及设计步骤，并提出了运用先进的MAX+PlusⅡ电子仿真软件对4进制加法计数器的设计过程进行仿真研究，最后对该实验设计结果进行全面的总结。关键词加法计数器；D触发器；仿真SimulationsoftwareintheelectronictechnologyexperimentAbstractTheelectronicdesignedaemulationsoftwareeda.themaxplusiiemulationsoftwaredesignandanalysisisthedigitalcircuitandlogicdesignofsimulatThecurrentelectroniccircuitryareusedbyacomputersimulationsdesign,especiallyionandemulationpackage,useistheelectroniccircuitonlinesimulationtoolsforthedevelopmentoftheproductandincreaseworkingefficiency.thiswillintroduceaedatechnologybasedonfourbinarycounteristhedesignandemulation,anddetailedanalysisandsummaryofthedtriggers.Keywordsaddingcounter,dflip-flop,imulation商丘师范学院学士学位毕业设计10引言负跳沿触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。当前电子线路已大量采用计算机辅助仿真设计，尤其是电子设计EDA（(ElectronicDesignAutomation)）仿真技术。EDA仿真软件中MAX+plus2仿真设计分析软件是计算机数字电路与逻辑设计模拟和仿真的软件包，是实用的电子电路在线仿真工具，可加快产品的开发速度，提高工作效率。MAX+plus2作为国际上著名的电子设计自动化软件之一，不仅可以用于电路分析和优化设计，与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化，被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件之一。本文以MAX+plus2为工具，对由双D触发器7474构成的一个4进制加法计数器进行仿真分析，得出了一些有价值的结论。1EDA技术及其仿真软件的介绍1.1EDA技术发展概述EDA是以计算机为平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制的电子CAD通用软件包，主要辅助进行三方面的工作：IC设计、电子线路设计以及PCB设计。回顾近30年电子设计技术的发展历程，可将EDA技术分为三个阶段：20世纪70年代为CAD阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作，产生计算机辅助设计的概念。20世纪80年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形设计功能之外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电器连接网络表将二者结合在一起,实现了工程设计，这就是计算机辅助设计的概念。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑图仿真，电路分析，自动布局布线，PCB分析。20世纪90年代为EDA阶段，尽管CAD/CAE技术取得了很大的成功，但并没有把人们从繁重的劳动中解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种软件界面千差万别，学习使用困难，互不兼容，直接影响到设计环节的衔接。基于以上环节不足，人们开始追求：贯彻整个设计过程的自动化，这就是EDA即电子系统设计自动化。1.2EDA技术在当今电路设计中的应用20世纪90年代以来，电子信息类产品的开发明显出现两个特点：一是产品的复杂程度加深；二是产品的上市时限紧迫。然而电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计(主要以数字电路为主)，设计的所有工作(包括设计输入、仿真和分析、设计修改等)都是在基本逻辑门这一层次上进行的。显然这种设计方法不能适应新的形势，为此引入一种高层次的电子设计方法，也称为系统的设计方法。高层次设计是一种“概念驱动式”的设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念构思上，一旦这些概念构思以高层次描述输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样，新的概念得以迅速有效地成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次的设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，在厂家的综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次的描述转化成对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。高层次设计步骤如下：（1）按照“自顶而下”的设计方法进行系统划分。（2）输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外EDA实验室采用MAX+plus2图形仿真输入，这种方法具有直观、容易理解的特点。（3）将以上设计输入编译成标准的VHDL文件.。对于大型的设计，还要进行代码级的功能仿真，商丘师范学院学士学位毕业设计2主要是检验系统功能设计的正确性。因为对大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。（4）利用仿真器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用生产的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的特性，是较为粗略的，一般设计这一仿真步骤可略去。（5）利用适配器件将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告，包括芯片内部资源利用情况、设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真模型；器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性(如延时特性)，所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。（6）将适配器件生产的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片CPLD/FPGA中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。EDA在教学、科研、产品设计与制造等方面都发挥着巨大的作用。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、学习MAX+plus2软件、掌握VHDL语言的编写规范、掌握逻辑理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单的设计。学习电路仿真工具和PLD开发工具的使用，为今后的工作打下基础。科研方面主要利用电路仿真工具，利用虚拟仪器进行产品测试，将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中，从事PCB设计和ASIC设计等。在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、产品测试等各个环节，如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。另外，EDA软件的功能日益增大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多用途。EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。EDA技术的广泛应用，现在已涉及各行各业，EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步，EDA市场日趋成熟。1.2.1EDA仿真技术的基本功能电工、电子类专业的教学目的就是要求学生掌握各类电工、电子器件的类型、电路图的读图和绘制以及电路的工作原理，并能掌握分析电路的方法。EDA软件恰到好处的适合电工、电子类专业的教学环节和目的。其功能如下：(1)EDA软件建立了各类元件设计数据库模块。它包括：电源库、基本元器件库、二极管库、晶体管库、模拟集成器件库、TTL数字器件库、CMOS器件库、其它数字器件库，混合器件库、指示器件库、混杂器件库、射频器件库、机电类器件库等。丰富的元器件库为学生了解各类电工、电子元器件铺垫了坚实的基础，也可以通过元器件库了解到各种器件的性能及参数，并能为创新设计提供了用之不尽且无任何经济负担的试验元件。(2)EDA软件能够进行元器件创建和编辑。可以对自主研发的新器件编辑、修改和创建新的元器件。这一功能为学生的独立创新提供了较好的技术平台。因此充分利用EDA技术教学，是提高学生创新思维教学的好手段。(3)EDA软件具有电路原理图的设计输入子模块。通过这一功能可以完成各类元器件构成的电路原理图。通过原理图的设计可以帮助学生理解原理图的结构及各级电路之间的关系，对学生读图和识图起到事半功倍的作用。(4)EDA软件的综合仿真模块配置了如：万用表、电流表、电压表、函数信号发生器、示波器、功率表、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真分析仪、频谱分析仪等仪器仪表。它们为各类模拟电路提供仿真的动态电压、电流参数及波形分析图。对数字逻辑电路可以测试门电路的真值表及分析门电路的时间波形图。(5)多种类型的仿真分析。MAX+PLUSII是一种与结构无关的全集成化设计环境,使设计者能对商丘师范学院学士学位毕业设计3Altera的各种CPLD系列方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。MAX+PLUSII开发系统具有强大的处理能力和高度的灵活性。其主要优点:与结构无关、多平台、丰富的设计库、开放的界面、全集成化、支持多种硬件描述语言(HDL)等。分析结果以数值或波形直观地显示出来，为学生对电路的分析提供了丰富直观的逼真数据，使其得出的结论更加满足理论值论证和接近实践性[1,2]。1.2.2MAX+PLUSII软件介绍MAX+PLUSII是MultipleArrayMatrixandProgrammableLogicUserSystem的缩写，是Altera公司推出的第三代PLD开发系统(Altera第四代PLD开发系统被称为：QuartusII，主要用于设计新器件和大规模CPLD/FPGA)。MAX+PLUSII具有以下几个特点：(1)MAX+PLUSII系统提供了一种与结构无关的设计环境，使用MAX+PLUSII的设计者无需精通器件内部的复杂结构，就能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。(2)MAX+PLUSII具有开放式的界面，可以方便地与其他标准的EDA设计输入、综合及校验工具连接，设计者可用自己熟悉的标准的设计描述方式(如原理图输入或硬件描述语言)进行设计，MAX+PLUSII把这些设计转换成最终结构所需的格式。(3)特别是在原理图输入等方面，MAX+PLUSII被公认为是最易使用，人机界面最友善的PLD开发软件，特别适合初学者使用。（4）MAX+PLUSII提供了丰富的逻辑功能库供设计人员调用，其中包括74系列全部器件的等效宏功能和多种特殊的宏功能模块以及参数化的宏功能(Magefunction)模块。1.2.3MAX+PLUSII结构MAX+PLUSII10.2由设计输入、项目处理、设计校验和器件编程四大部分组成：（1）设计输入部分由文本编辑模块、图形编辑模块、符号图元编辑模块、平面布置模块和波形编辑模块组成。可以单独使用，也可以