EDA仿真在电子技术课程教学中的应用

摘要：电子技术课程的特点决定了其是一门理论与实践紧密结合的课程，在教学中引入新的手段与方法是在该门课程教学改革中必然面临的一个问题。本文针对这一问题，在传统理论教学的基础上利用在科学研究和工程实践中广泛采用的仿真技术构建了一套从系统、算法到电路与寄存器级仿真系统。为学生展示一个近于实际的电子系统基本设计流程，在传统电子技术实验之外使课堂理论教学摆脱了纯理论讲解的方式，能够有效促进教学与实践的结合。

关键词：EDA；仿真；电子技术；教学

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0068-02

一、引言

电子技术是一门重要的专业基础课程，不同于电路分析或电路基础等，其突出特点是集理论与实践于一体，是一门既需要理论讲解，亦须实际动手操作才能深刻体会的基础技术课程。在电子技术课程的教学中虽然另开设有实验课，但也存在诸多问题。其一，实验课程通常过于集中于有限的几个环节或典型实验，缺乏普遍性；其二，实验资源不足，且时间较短，造成只有少数学生能真正有效地进行动手实践；其三，实验的方法与手段，包括实验环境，由于各种原因导致其往往与实际情况脱节。

实际上，在工程实践中，现代电子系统的研究，包括大型复杂电子系统在内，几乎都是采用先进行系统建模与仿真（原理或算法仿真），而后进行综合设计，最后实现的方法。在设计中，对于每一个子系统或子功能，同样采取先建模仿真，而后设计，最后实现的方式来进行。有鉴于此，我们在电子技术课程理论教学中，引入EDA（EDA：Electronics design automation）仿真，使得纯理论教学不仅更加形象生动，而且体现了课程与实践的紧密结合。通常，对于电子系统的研究而言，仿真可以描述为对研究的实际物理对象进行数学建模，用计算机语言将其转化为一个软件化系统；并根据在实际情况下可能产生的输入条件在计算机中产生对应的输入信号送入这个软件化的虚拟系统，再对系统性能进行评估，并据此完善和修正所建模型的参数与结构，最终使得系统达到设计要求。不同于一些课堂中所采用的专为教学设计的仿真软件，为了使学生能够了解现代电子系统的设计工具与方法，我们选取了当前主流的EDA工具来构建电子仿真系统，以使教学改革更好地与实践接轨。

具体而言，我们采用Simulink+ISE+ModelSim的组合，并结合MATLAB与HDL搭建仿真系统。使教师能够在软件化的虚拟系统中向学生演示与验证电子系统的功能，以充分发挥仿真系统高效率、低成本的特点，还能培养学生积极思考、分析问题的能力，增强学习效果。

二、电子技术课程EDA仿真系统

本文所采用的电子技术课程EDA仿真系统由Simulink完成原理与系统级仿真，ISE进行电路设计与综合优化，使用ModelSim来进行功能与时序仿真。

1.Simulink。Simulink是MathWorks公司推出的用于动态系统的多领域仿真与基于模型的设计工具。通常，Simulink可以作为附加组件集成于MATLAB环境中，也可以独立安装和使用。从1984年推出正式版开始，MATLAB逐步成为当今世界公认的科学工程计算领域最为优秀的软件，给科学研究人员、工程师和学生提供了一个出色的开发环境。与MATLAB的紧密结合增强了Simulink的可扩展性和可重复使用性，它可以直接访问MATLAB所提供的工具箱和用户自己的代码来进行算法研究、仿真，进行可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制，以及信号属性和测试输入数据的定义。Simulink给用户提供了交互式图形化工作界面，支持线性和非线性系统，连续和离散时间系统，或是二者的混合系统以及多速率（多采样率）系统。可对各类系统，包括通信、控制、视频处理、导航、雷达与图像处理系统等进行设计、仿真与测试。

2.ISE。ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD开发软件，它提供给用户一个集成综合化的开发环境。ISE集成了众多著名的FPGA/CPLD设计工具，其采用增量设计流程，支持HDL、原理图与IP核等多种输入方式，提高了设计效率与质量。同时，ISE还推出了结构设计向导，能方便地定制数字时钟管理单元和高速I/O口。对于在电子技术课程中的仿真，ISE中集成的HDL Bencher能够使师生根据输入条件方便地生成测试文件；对于时序逻辑电路，其集成的StateCAD可以根据从图形界面输入状态转移图而自动生成对应的代码，从而高效地实现对状态机的设计。此外，对第三方设计、综合与验证软件的支持越来越完善，扩展和丰富了其应用性。

3.ModelSim。ModelSim是由Model Technology公司开发的电子设计领域最受欢迎的仿真工具之一，其突出特点是其仿真速度快，仿真精度高。ModelSim支持VHDL、Verilog HDL以及二者的混合编程仿真，给用户提供了最大程度的便利性，它同时也是工业设计领域最通用的仿真器之一。ModelSim集成了性能分析、波形比较、数据流跟踪以及信号和变量显示等众多调试功能，支持行为级与寄存器级描述。

4.仿真系统结构。采用Simulink+ISE+ModelSim方式构建的电子技术课程EDA仿真系统结构如图1所示。

由图1可见，该仿真系统主要包括系统/算法级仿真子系统与电路/寄存器级仿真子系统两大部分。其中，系统/算法级仿真子系统主要借助Simulink平台实现，其中包含了采用M文件所建立的各类功能模块，通过S函数规则与Simulink接口。这一子系统完成系统与算法级仿真，主要用于向学生展示较复杂的大型电子系统设计与分析方法或过程。而其中的电路/寄存器级仿真子系统是依靠ISE与ModelSim建立的。依靠平台提供的原理图、HDL、IP核或状态机输入方式完成电路并输出仿真结果，主要用于对各种基本电路、门电路、组合逻辑与时序逻辑电路的教学，以及各类典型电路的功能与性能综合演示，引导学生深入理解理论教学内容。此外，系统还包括了人机接口，以实现对系统的控制及电路、激励模块的随时更新与修正。同时，通过从系统/算法级仿真到电路/寄存器级仿真，并接合人机接口对设计流程的控制这样一个完整的设计过程，可以使学生对实际设计流程有更切实的了解和体会，有利于以后的学习和实际工作。

三、结论

在电子技术理论教学中引入EDA仿真工具，使学生通过直观且易学易用的方式进行学习，并且亲自动手进行电路、寄存器或算法级的系统搭建，模块更新等实验，能够极大地激发学生的学习能动性和创造力，提高学习效率。同时，由于采用的是当下主流的仿真工具平台，能够使学生在学习的同时，接触到实际的开发应用环境，为今后的进一步深造和工作打下坚实的基础，达到学习与实际紧密结合的目的。

参考文献：

[1]田建艳，夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践，2005，（6）：54-55.

[2]潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2009.

作者简介：卢刚（1974-），男，四川成都人，博士，讲师，研究方向：雷达电子对抗。

摘要：电子技术课程的特点决定了其是一门理论与实践紧密结合的课程，在教学中引入新的手段与方法是在该门课程教学改革中必然面临的一个问题。本文针对这一问题，在传统理论教学的基础上利用在科学研究和工程实践中广泛采用的仿真技术构建了一套从系统、算法到电路与寄存器级仿真系统。为学生展示一个近于实际的电子系统基本设计流程，在传统电子技术实验之外使课堂理论教学摆脱了纯理论讲解的方式，能够有效促进教学与实践的结合。

关键词：EDA；仿真；电子技术；教学

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0068-02

一、引言

电子技术是一门重要的专业基础课程，不同于电路分析或电路基础等，其突出特点是集理论与实践于一体，是一门既需要理论讲解，亦须实际动手操作才能深刻体会的基础技术课程。在电子技术课程的教学中虽然另开设有实验课，但也存在诸多问题。其一，实验课程通常过于集中于有限的几个环节或典型实验，缺乏普遍性；其二，实验资源不足，且时间较短，造成只有少数学生能真正有效地进行动手实践；其三，实验的方法与手段，包括实验环境，由于各种原因导致其往往与实际情况脱节。

实际上，在工程实践中，现代电子系统的研究，包括大型复杂电子系统在内，几乎都是采用先进行系统建模与仿真（原理或算法仿真），而后进行综合设计，最后实现的方法。在设计中，对于每一个子系统或子功能，同样采取先建模仿真，而后设计，最后实现的方式来进行。有鉴于此，我们在电子技术课程理论教学中，引入EDA（EDA：Electronics design automation）仿真，使得纯理论教学不仅更加形象生动，而且体现了课程与实践的紧密结合。通常，对于电子系统的研究而言，仿真可以描述为对研究的实际物理对象进行数学建模，用计算机语言将其转化为一个软件化系统；并根据在实际情况下可能产生的输入条件在计算机中产生对应的输入信号送入这个软件化的虚拟系统，再对系统性能进行评估，并据此完善和修正所建模型的参数与结构，最终使得系统达到设计要求。不同于一些课堂中所采用的专为教学设计的仿真软件，为了使学生能够了解现代电子系统的设计工具与方法，我们选取了当前主流的EDA工具来构建电子仿真系统，以使教学改革更好地与实践接轨。

具体而言，我们采用Simulink+ISE+ModelSim的组合，并结合MATLAB与HDL搭建仿真系统。使教师能够在软件化的虚拟系统中向学生演示与验证电子系统的功能，以充分发挥仿真系统高效率、低成本的特点，还能培养学生积极思考、分析问题的能力，增强学习效果。

二、电子技术课程EDA仿真系统

本文所采用的电子技术课程EDA仿真系统由Simulink完成原理与系统级仿真，ISE进行电路设计与综合优化，使用ModelSim来进行功能与时序仿真。

1.Simulink。Simulink是MathWorks公司推出的用于动态系统的多领域仿真与基于模型的设计工具。通常，Simulink可以作为附加组件集成于MATLAB环境中，也可以独立安装和使用。从1984年推出正式版开始，MATLAB逐步成为当今世界公认的科学工程计算领域最为优秀的软件，给科学研究人员、工程师和学生提供了一个出色的开发环境。与MATLAB的紧密结合增强了Simulink的可扩展性和可重复使用性，它可以直接访问MATLAB所提供的工具箱和用户自己的代码来进行算法研究、仿真，进行可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制，以及信号属性和测试输入数据的定义。Simulink给用户提供了交互式图形化工作界面，支持线性和非线性系统，连续和离散时间系统，或是二者的混合系统以及多速率（多采样率）系统。可对各类系统，包括通信、控制、视频处理、导航、雷达与图像处理系统等进行设计、仿真与测试。

2.ISE。ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD开发软件，它提供给用户一个集成综合化的开发环境。ISE集成了众多著名的FPGA/CPLD设计工具，其采用增量设计流程，支持HDL、原理图与IP核等多种输入方式，提高了设计效率与质量。同时，ISE还推出了结构设计向导，能方便地定制数字时钟管理单元和高速I/O口。对于在电子技术课程中的仿真，ISE中集成的HDL Bencher能够使师生根据输入条件方便地生成测试文件；对于时序逻辑电路，其集成的StateCAD可以根据从图形界面输入状态转移图而自动生成对应的代码，从而高效地实现对状态机的设计。此外，对第三方设计、综合与验证软件的支持越来越完善，扩展和丰富了其应用性。

3.ModelSim。ModelSim是由Model Technology公司开发的电子设计领域最受欢迎的仿真工具之一，其突出特点是其仿真速度快，仿真精度高。ModelSim支持VHDL、Verilog HDL以及二者的混合编程仿真，给用户提供了最大程度的便利性，它同时也是工业设计领域最通用的仿真器之一。ModelSim集成了性能分析、波形比较、数据流跟踪以及信号和变量显示等众多调试功能，支持行为级与寄存器级描述。

4.仿真系统结构。采用Simulink+ISE+ModelSim方式构建的电子技术课程EDA仿真系统结构如图1所示。

由图1可见，该仿真系统主要包括系统/算法级仿真子系统与电路/寄存器级仿真子系统两大部分。其中，系统/算法级仿真子系统主要借助Simulink平台实现，其中包含了采用M文件所建立的各类功能模块，通过S函数规则与Simulink接口。这一子系统完成系统与算法级仿真，主要用于向学生展示较复杂的大型电子系统设计与分析方法或过程。而其中的电路/寄存器级仿真子系统是依靠ISE与ModelSim建立的。依靠平台提供的原理图、HDL、IP核或状态机输入方式完成电路并输出仿真结果，主要用于对各种基本电路、门电路、组合逻辑与时序逻辑电路的教学，以及各类典型电路的功能与性能综合演示，引导学生深入理解理论教学内容。此外，系统还包括了人机接口，以实现对系统的控制及电路、激励模块的随时更新与修正。同时，通过从系统/算法级仿真到电路/寄存器级仿真，并接合人机接口对设计流程的控制这样一个完整的设计过程，可以使学生对实际设计流程有更切实的了解和体会，有利于以后的学习和实际工作。

三、结论

在电子技术理论教学中引入EDA仿真工具，使学生通过直观且易学易用的方式进行学习，并且亲自动手进行电路、寄存器或算法级的系统搭建，模块更新等实验，能够极大地激发学生的学习能动性和创造力，提高学习效率。同时，由于采用的是当下主流的仿真工具平台，能够使学生在学习的同时，接触到实际的开发应用环境，为今后的进一步深造和工作打下坚实的基础，达到学习与实际紧密结合的目的。

参考文献：

[1]田建艳，夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践，2005，（6）：54-55.

[2]潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2009.

作者简介：卢刚（1974-），男，四川成都人，博士，讲师，研究方向：雷达电子对抗。

摘要：电子技术课程的特点决定了其是一门理论与实践紧密结合的课程，在教学中引入新的手段与方法是在该门课程教学改革中必然面临的一个问题。本文针对这一问题，在传统理论教学的基础上利用在科学研究和工程实践中广泛采用的仿真技术构建了一套从系统、算法到电路与寄存器级仿真系统。为学生展示一个近于实际的电子系统基本设计流程，在传统电子技术实验之外使课堂理论教学摆脱了纯理论讲解的方式，能够有效促进教学与实践的结合。

关键词：EDA；仿真；电子技术；教学

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0068-02

一、引言

电子技术是一门重要的专业基础课程，不同于电路分析或电路基础等，其突出特点是集理论与实践于一体，是一门既需要理论讲解，亦须实际动手操作才能深刻体会的基础技术课程。在电子技术课程的教学中虽然另开设有实验课，但也存在诸多问题。其一，实验课程通常过于集中于有限的几个环节或典型实验，缺乏普遍性；其二，实验资源不足，且时间较短，造成只有少数学生能真正有效地进行动手实践；其三，实验的方法与手段，包括实验环境，由于各种原因导致其往往与实际情况脱节。

实际上，在工程实践中，现代电子系统的研究，包括大型复杂电子系统在内，几乎都是采用先进行系统建模与仿真（原理或算法仿真），而后进行综合设计，最后实现的方法。在设计中，对于每一个子系统或子功能，同样采取先建模仿真，而后设计，最后实现的方式来进行。有鉴于此，我们在电子技术课程理论教学中，引入EDA（EDA：Electronics design automation）仿真，使得纯理论教学不仅更加形象生动，而且体现了课程与实践的紧密结合。通常，对于电子系统的研究而言，仿真可以描述为对研究的实际物理对象进行数学建模，用计算机语言将其转化为一个软件化系统；并根据在实际情况下可能产生的输入条件在计算机中产生对应的输入信号送入这个软件化的虚拟系统，再对系统性能进行评估，并据此完善和修正所建模型的参数与结构，最终使得系统达到设计要求。不同于一些课堂中所采用的专为教学设计的仿真软件，为了使学生能够了解现代电子系统的设计工具与方法，我们选取了当前主流的EDA工具来构建电子仿真系统，以使教学改革更好地与实践接轨。

具体而言，我们采用Simulink+ISE+ModelSim的组合，并结合MATLAB与HDL搭建仿真系统。使教师能够在软件化的虚拟系统中向学生演示与验证电子系统的功能，以充分发挥仿真系统高效率、低成本的特点，还能培养学生积极思考、分析问题的能力，增强学习效果。

二、电子技术课程EDA仿真系统

本文所采用的电子技术课程EDA仿真系统由Simulink完成原理与系统级仿真，ISE进行电路设计与综合优化，使用ModelSim来进行功能与时序仿真。

1.Simulink。Simulink是MathWorks公司推出的用于动态系统的多领域仿真与基于模型的设计工具。通常，Simulink可以作为附加组件集成于MATLAB环境中，也可以独立安装和使用。从1984年推出正式版开始，MATLAB逐步成为当今世界公认的科学工程计算领域最为优秀的软件，给科学研究人员、工程师和学生提供了一个出色的开发环境。与MATLAB的紧密结合增强了Simulink的可扩展性和可重复使用性，它可以直接访问MATLAB所提供的工具箱和用户自己的代码来进行算法研究、仿真，进行可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制，以及信号属性和测试输入数据的定义。Simulink给用户提供了交互式图形化工作界面，支持线性和非线性系统，连续和离散时间系统，或是二者的混合系统以及多速率（多采样率）系统。可对各类系统，包括通信、控制、视频处理、导航、雷达与图像处理系统等进行设计、仿真与测试。

2.ISE。ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD开发软件，它提供给用户一个集成综合化的开发环境。ISE集成了众多著名的FPGA/CPLD设计工具，其采用增量设计流程，支持HDL、原理图与IP核等多种输入方式，提高了设计效率与质量。同时，ISE还推出了结构设计向导，能方便地定制数字时钟管理单元和高速I/O口。对于在电子技术课程中的仿真，ISE中集成的HDL Bencher能够使师生根据输入条件方便地生成测试文件；对于时序逻辑电路，其集成的StateCAD可以根据从图形界面输入状态转移图而自动生成对应的代码，从而高效地实现对状态机的设计。此外，对第三方设计、综合与验证软件的支持越来越完善，扩展和丰富了其应用性。

3.ModelSim。ModelSim是由Model Technology公司开发的电子设计领域最受欢迎的仿真工具之一，其突出特点是其仿真速度快，仿真精度高。ModelSim支持VHDL、Verilog HDL以及二者的混合编程仿真，给用户提供了最大程度的便利性，它同时也是工业设计领域最通用的仿真器之一。ModelSim集成了性能分析、波形比较、数据流跟踪以及信号和变量显示等众多调试功能，支持行为级与寄存器级描述。

4.仿真系统结构。采用Simulink+ISE+ModelSim方式构建的电子技术课程EDA仿真系统结构如图1所示。

由图1可见，该仿真系统主要包括系统/算法级仿真子系统与电路/寄存器级仿真子系统两大部分。其中，系统/算法级仿真子系统主要借助Simulink平台实现，其中包含了采用M文件所建立的各类功能模块，通过S函数规则与Simulink接口。这一子系统完成系统与算法级仿真，主要用于向学生展示较复杂的大型电子系统设计与分析方法或过程。而其中的电路/寄存器级仿真子系统是依靠ISE与ModelSim建立的。依靠平台提供的原理图、HDL、IP核或状态机输入方式完成电路并输出仿真结果，主要用于对各种基本电路、门电路、组合逻辑与时序逻辑电路的教学，以及各类典型电路的功能与性能综合演示，引导学生深入理解理论教学内容。此外，系统还包括了人机接口，以实现对系统的控制及电路、激励模块的随时更新与修正。同时，通过从系统/算法级仿真到电路/寄存器级仿真，并接合人机接口对设计流程的控制这样一个完整的设计过程，可以使学生对实际设计流程有更切实的了解和体会，有利于以后的学习和实际工作。

三、结论

在电子技术理论教学中引入EDA仿真工具，使学生通过直观且易学易用的方式进行学习，并且亲自动手进行电路、寄存器或算法级的系统搭建，模块更新等实验，能够极大地激发学生的学习能动性和创造力，提高学习效率。同时，由于采用的是当下主流的仿真工具平台，能够使学生在学习的同时，接触到实际的开发应用环境，为今后的进一步深造和工作打下坚实的基础，达到学习与实际紧密结合的目的。

参考文献：

[1]田建艳，夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践，2005，（6）：54-55.

[2]潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2009.

作者简介：卢刚（1974-），男，四川成都人，博士，讲师，研究方向：雷达电子对抗。