仿真软件在电子技术实验中的应用.doc

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1、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+Plus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+Plus的结构以及设计步骤，并提出了运用先进的MAX+Plus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

2、计数器；D触发器；仿真Simulation software in the electronic technology experimentAbstractThe electronic design eda emulation software eda. the max plus ii emulation software design and analysis is the digital circuit and logic design of simulatThe current electronic circuitry are used by a computer simulations

3、 design, especially ion and emulation package, use is the electronic circuit online simulation tools for the development of the product and increase working efficiency. this will introduce a eda technology based on four binary counter is the design and emulation, and detailed analysis and summary of

4、 the d triggers.Keywordsadding counter ,d flip-flop, imulation0 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（(Electronic Design Automation)）仿真技术。EDA仿真软件中MAX+plus2仿真设计分

5、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。1 EDA技术及其仿真软件的介绍1.1 EDA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

6、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

7、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。1.2 EDA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

8、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。（

9、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，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

10、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

11、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P

12、CB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。1.2.1 EDA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

13、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

14、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+PLUS II

15、是一种与结构无关的全集成化设计环境,使设计者能对Altera 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+PLUS II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。 1.2.2 MAX+PLUS II软件介绍MAX+PLUS II是Multiple Array Matrix and Programmable Logic User Syst

16、em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+PLUS II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

17、所需的格式。(3) 特别是在原理图输入等方面， MAX+PLUS II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。1.2.3 MAX+PLUS II结构MAX+PLUSII 10.2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，也可以组合起来使用。（2）项目处理部分由编译器构成

18、。（3）设计校验部分由仿真模块、时间分析模块和波形编辑模块组成。（4）器件编程部分由编程器构成。编程器使用各类编程电缆，通过JTAG接口将设计文件下载到芯片内部。1.2.4 MAX+PLUS II设计步棸介绍设计的前五个步骤不需要硬件支持，在一台计算机即可完成。设计描述完成设计的准备工作，如根据任务要求确定系统所需完成的功能、复杂程度、器件选择、器件利用率、系统设计等等；设计输入由MAX+PLUSII设计输入部分完成，可采用：原理图文件(*.gdf)方式；时序波形文件(*.wdf)方式；硬件描述语言文件(*.vhd)方式；第三方EDA工具生成的设计网表文件(*.sch, *.edf, *.xn

19、f)方式。原理图文件或时序波形文件具有直观方便的优点，常用来对简单的逻辑结构进行描述；对于复杂的系统设计，通常采用AHDL、VHDL或VerilogHDL等硬件描述语言文件进行输入。设计编译主要由MAX+PLUSII系统中的设计编译模块完成，用户需要设定目标器件型号，为设计引脚定义器件的实际物理引脚。系统编译器模块自动对设计实体进行网表提取、数据库建立、逻辑综合、模块划分、器件适配、时间SNF提取和装配操作。并生成相应的报告文件(*.rpt)、时序信息文件(*.snf)和器件编程文件(*.pof, *.sol, *.jed)，供分析、仿真和器件编程使用。 图1 设计流程图设计校验过程包括功能校

20、验和时序校验，由MAX+PLUSII系统中的设计校验部分的波形编辑器、仿真模块和时间分析模块完成；仿真模块提供功能仿真和时序仿真两种仿真模式：功能仿真是在不考虑器件延时的情况下对设计项目功能的一种模拟验证方法，又称前仿真，通过功能仿真能验证设计逻辑的正确性；时序仿真是在考虑设计项目的具体适配器件的各种延时的情况下，对设计项目进行模拟项目验证方法，又称后仿真。时序仿真真正模拟实际器件工作的时序波形，在对器件编程前进行全面检测，分析在最坏条件下器件的运行情况，确保器件稳定工作。时间分析模块对器件内部各节点间的传输路径延时、时序逻辑参数和器件内部各寄存器的建立保持时间进行分析，提供设计芯片的性能参数

21、，比如最高工作频率等3,6。以由双D触发器7474组成的4进制加法计数器为例，来介绍仿真软件MAX+PLUSII在电子技术实验中的应用。2 4进制加法计数器的设计与仿真2.1 触发器的组成框图及工作机理触发器的状态方程为:。其状态的更新发生在脉冲的边沿，74LS74（CC4013），74LS175（CC4042）等均为上升沿触发，故又称之为上升沿触发器的边沿触发器，触发器的状态只取决于时针到来前端的状态。触发器应用很广，可用做数字信号的寄存、移位寄存、分频和波形发生器等。 图2 边沿D 触发器逻辑图图3 边沿D触发器的逻辑符号工作过程：（1）时，与非门和封锁，其输出，触发器的状态不变。同时，因

22、此可接收输入信号。 （2）当由0变1时触发器翻转。这时和打开，它们的输入和的状态由和的输出状态决定。由基本触发器的逻辑功能可知，。（3）触发器翻转后，在时输入信号被封锁。这是因为和打开后，它们的输出和和的状态是互补的,即必定有一个是0，若为0，则经输出至输入的反馈线将封锁，即封锁了通往基本触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。为0时，将和封锁，端通往基本触发器的路径也被封锁。输出端至反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；输出至输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维

23、持-阻塞触发器。总之，该触发器是在正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。2.2 双触发器7474的介绍本设计是应用双触发器7474，7474的引出端功能图和逻辑符号如下：图4 7474的引出端功能图图5 7474的逻辑符号表1：7474的特性表 7474中集成了两个触发器单元，它们都是上升沿出发的边沿触发器，异步输入端和，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当且时,不论输入端为何种状态，都会使，即触发器置1；当且时，触发器的状态为0, 和通常又称为直接置1和置0端。7474的主要特点：（1）边沿（上升沿或下降沿）触发。在脉冲

24、上升沿（或下降沿）时刻，触发器按照特征方程的规定转换状态，实际上是加在端的信号被锁存起来，并送到输出端。（2）抗干扰能力强。因为是边沿触发，只要在触发沿附近一个极短暂的时间内，加在端的输入信号保持稳定，触发器就能够可靠地接近，在其他时间里输入信号对触发器不会起作用。（3）只有置1、置0功能，在某些情况下，使用起来不够方便7,9。2.3 由双D触发器7474设计一个4进制加法计数器的仿真电路 图6 4进制加法计数器仿真电路2.4 采用MAX+PLUS II对一个4进制加法计数器设计仿真2.4.1 MAX+PLUS II设计步骤在进行一个4进制加法计数器进行逻辑设计时，采用由顶向下的设计方法，在进

25、行设计输入时，需要由下至上分级入，步棸如下：（1）双击MAX+PLUS II 10.2快捷图标，打开“MAX+plus II Manager”窗口，选择“File” “Project” “Name”，打开“Project Name”窗口，新建一工程，在 “Directories”区选中刚才为项目所建的目录；在“Project Name”区键入项目名，点击“OK”按钮即项目建立完成。（2）选择“File”“New”命令，打开“New”对话框，在File Type选择Graphic Editor file，即选择图形输入文件格式。(3)在“New”对话框的“File Type”区域内，选择“Gra

26、phic Editor file”，单击“OK”，打开“Graphic Editor”窗口。在“Graphic Editor”窗口空白处可以进行图形的输入编辑。 图7 输入后的仿真电路（4）在“Graphic Editor”窗口空白处单击右键，弹出快捷菜单，选择“Enter Symbol”项，或双击“Graphic Editor”窗口中空白部分亦可。（5）“Enter Symbol”对话框的“Symbol Libraries：”列表框中双击基本逻辑元件库prim，“Symbol Files”列表中将显示该库中所有的符号文件。（6）在“Symbol Files：”中选择要输入的元件符号，例如：7

27、474，单击“OK”按钮，在“Graphic Editor”窗口中出现相应的7474元件符号。（7）按照（4）（6）的方法，分别在“Graphic Editor”窗口中再添加所需要的其余的元件符号Input、Output、VCC。 （8）按照4进制加法计数器的仿真电路图，将“Graphic Editor”窗口中的元件连接起来，完成后如图6所示。 （9）自定义管脚名，在引脚PIN-NAME处双击使之变黑，键入引脚名，其中输入为CP，输出分别为out0和out1。（10）保存文件，使用默认的文件名（与工程文件同名）。（11）选择“File”菜单“Project”子菜单的Set Project to

28、 Current File项，使项目文件与当前设计文件相同。（12）选择器件。点击“Assign”菜单“Device”项，选择与下载主板芯片型号统一的器件。（13）点击“File”菜单“Project”子菜单的“SaveCheck”项对文件进行存盘并进行语法检查，然后点击“START”按钮进行编译。编译结果如下图8所示: 图8 编译结果（14）点击MAX+PLUS II菜单“Waveform Editor”子菜单，出现“Waveform Editor”窗口。点击“Node”菜单“Enter Node Form SNF”在“Enter Node Form SNF”对话框中点击“List”按钮和“

29、OK”按钮。保存波形文件，使用默认文件名“add.scf”。（15）点击“Options” 菜单“Grid Size” 打开“Grid Size”对话框，设置好相应的值100.0us。（16）在“Name”项下，选择相应的输入端CP，设定输入波形（可以利用工具栏中的有关按钮）。如下图9所示：（17）点击“File”菜单“Project”子菜单的“SaveCompile”项对文件进行存盘编译。（18）点击“Simulator”按钮，出现仿真界面。Simulator：Timing Simulator对话框的Start Time和End Time中设定起始和终止时间，点击“Start”开始仿真。（1

30、9）点击“Open SCF”按钮，观察仿真结果。设计过程总结：a.新建一项目；b.打开图形编辑窗口，选择元器件，连线，定义管脚名；c.保存并将文件设置为当前项目；d.选择器件型号；e.编译；f.打开波形图输入窗口，加载输入输出节点；g.设置仿真时间；h.设置输入信号波形；i.仿真；j.打包封装，存入元件库，以备后用。 图9 设定后的cp波形2.4.2 一个4进制加法计数器仿真结果分析打开“Open SCF”按钮，可以得到如下图10所示的仿真图形： 图10 仿真后得到的波形cp是输入信号，可以利用工具栏中的有关工具设定输入波形CP。out0是结果低位输出位，out1是高位输出位。由对4进制加法计

31、数器的仿真过程可以得出，运用MAX+PLUS II仿真软件对电子实验进行仿真，可以节省大量时间且易于改正错误，便于我们在实验前进行预习，另一方面是对理论结果进行验证。使实验结果更加形象化10,12。3 结语运用EDA技术对一位4进制加法计数器进行设计并仿真，极大方便了电路设计，提高设计效率和准确性。MAX+PLUS II作为EDA软件，功能强大，可视化界面清晰，且易学易用，可作为高校电路实验和综合电路设计等配套软件，在该实验环境中，设计者不仅可精确地进行电路分析，深入理解电子电路原理，同时也可设计电路与系统，有利于培养设计者的创新思维和创新能力。实践证明运用EDA技术对一位4进制加法计数器进行

32、设计与仿真的研究方案可行，该实验可节省大量时间且易于改正错误，降低设计成本，也使实验设计结果更加形象化。参考文献1高歌.电子技术.EDA设计仿真M.北京：中国电力出版社.2007.2郭勇.EDA技术M.北京：高等教育出版社.2004.3李忠波,袁宏等.电子设计与仿真技术M.北京：机械工业出版社.2004.4朱力恒.电子技术仿真实验教程M.北京：人民邮电出版社.1987.5郑富龙.仿真实验与传统实验的教学探索J.实验室研究与探索,2005,(09):85-92.转6邱关源.电路M.北京：高等教育出版社.2003.7韩桂英.数字电路与逻辑设计实用教程M.北京：国防工业出版社.2005.8阎石,王红

33、.数字电子技术基础 M.北京：高等教育出版社.2006.9余孟尝.清华大学电子学教研组. 数字电子技术基础简明教程M.北京：高等教育出版社. 1998.10卜庆凯,贾振红,赵光胜. 用VHDL和MAX+plus2进行数字电路的设计与仿真J.新疆大学学报(自然科学版).2004,(03):50-71. 11John G,KassakianPrinciples of Power Electronics Addis onMWesley publishing company1991.12Ra Shid M H.Power ElectronicsJPrentice Hall,Inc1998, (09):21-36.