西北工业大学 吕宗锠

此次研究在原电路实验问题基础之上提出利用EDA技术优化设计数字电路，全面提升学生对数字电路综合应用的实验思路。此次所研究的数字频率计属于MSI器件综合应用实验结果，按照该种试验设计思路制定系统设计方案：基于EDA设计数字电路综合实验，使学生能够更加深刻地理解和掌握课程内容，提升其学习积极性和参与度，可以应用理论知识指导实践。

在电子信息专业课程中数字电路属于基础课程。数字电路实验能够帮助学生深入理解和掌握数字电路知识以及理论方法。现阶段，我国大部分高校所开展的数字电路实验均采用74系列器件，该种试验器具可以帮助学生理解和掌握电路知识，然而此种试验方法也存在弊端，无法有效联系各个实验之间的关系，保持学生不能掌握系统性数字电路知识，对实际应用造成影响。其次，由于受到教学内容以及课程学时的影响，导致高校所实施的数字电路实验教学大多都是验证性教学为主。

1 MAX＋PlusⅡ软件

该软件主要是在微软环境下所研制开发的可编程逻辑器件设计软件。此种设计软件简单易学，容易掌握，可以推广应用在高校教学当中。设计人员使用自身所掌握的设计方式进行软件设计。MAX＋PlusⅡ可以自动将设计方案转化为对应，通过该软件所包含的编程编辑功能，芯片功能以及仿真设计功能全面优化设计数字电路系统。除此之外，该软件还能够提供多种模型库和器件库，在实施电路设计教学期间能够有利于学生掌握电路原理图设计方法。其次，MAX＋PlusⅡ软件在数字电路分析和仿真功能方面也具有显著优势，可以通过时序以及逻辑功能仿真功能对数字电路进行分析，结合EDA试验开发系统和电缆可以将设计电路上传到EDA开发系统上，对硬件的各项性能进行测试和验证。

2 数字频率计实验系统设计分析

2.1 方案设计

在此次实验设计当中所应用的待测信号主要来源于信号发生器，信号幅度处于±5V波动范围，包括矩形波，三角波和正弦波。待测信号的频率范围在（0.1-10MHz），所以在设计期间需要使用门电器和集成器件对数字频率计进行设计，有效测量信号，并且可以在数码管上以动态扫描方式显示检测结果，使用计数法作为频率测量方法。按照设计要求可以将实验系统电路划分为脉冲发生电路、测频控制和计数电路等，除此之外还包含动态化扫描模块，图1为实验系统结构框图和各模块间的关系。信号整形电路的作用在于将各类波形的新华转化为相同频率的矩形波，这样就能够使时钟脉冲信息更好地应用在计数电路中。脉冲发生电路可以提供实验系统所需的不同频率脉冲信号。测评控制电路的频率能够对控制信号进行测量，例如存储电路信号、计数能力以及清零信号等。存储电路和计数电路在测评控制电路控制下能够对待测信号进行计数，可以将结果存储到寄存器中。动态化扫描模块可以将存储技术结果发送到数码管实现显示。

为了全面展现出EDA技术实验条件，全面缩短芯片使用时间以及设计时间。在图1中，虚线框内部所包含的各个模块均能够通过实验开发系统实现相关功能。学生可以利用信号整形和脉冲发生电路进行芯片搭建，这样可以确保实验内容具有较高的综合性，并且强化学生的实际操作能力和知识应用能力。

图1 数字频率计结构框图

2.2 实验系统

（1）信号整形电路模块。按照设计要求选择三种待测信号波形。所以在对信号进行计数之前需要转换波形。此次实验系统主要采用施密特触发器芯片变换待测信号，在变换后能够得到矩形脉冲信号，此时就可以将其作为计数电路的输入时钟信号。

（2）测评控制电路模块。数字频率计试验中测量频率的方法主要为计数法。因此该模块在实际应用期间需要自行产生脉冲信号，脉宽为1s，之后能够在计数电路充当计数进行控制。当完成计数之后，需要在寄存器中存储各类结果，这样能够保障数据显示稳定性。自此之后可能会产生新的锁存信号。其次，在存储计数结果之后需要通过清零信号将计数结果清零，以便下次测量和显示。

（3）脉冲发生电路模块：该电路模块属于一种频率信号，能够为系统生产过程中提供必要信号，因此主要包含动态扫描电路的扫描频率和时基信号。脉冲发生电组成部分包括若干阻容元件，晶振，二进制分频器等。由于脉冲发生电路模块所需时基信号为2Hz，因此对时钟精度具有较高的要求。晶体振荡器在应用期间的优势主要表现在频率稳定性方面，脉冲电路在应用期间所需的振荡器会出现相应的信号。在经过多级分频之后会导致信号在不同管脚输出时钟信号。

（4）计数电路模块。该电路模块能够计量调整之后的待测信号，因此该模块的组成主要包括十进制加法计数器，应用同步级联方式。测评控制电路输出信号可以对计数的开始和暂停进行控制。在存储计数结果之后，测评控制电路会产生清零信号，此时可以全部清零所有计数器，为下次计数做好准备。

（5）锁存电路模块。该电路模块的作用在于存储计数电路的结果，其所具备的清零信号触发器能够同时并联多个时钟，之后由测频对电路输出信号进行驱动控制。计数后测评控制电路会输出多个计数器结果，并将其存储在寄存器当中。

（6）数字频率计整体电路。在完成电路模块设计之后，需要根据框图对电路进行设计组装，在设计路模块之后，按照相应的组成框图组装设计电路，可以得到图2所示的整体电路图。在该电路图中，虚线框中主要包括存储电路，计数电路，测评控制电路和动态扫描显示电路等。

图2 数字频率计整体电路图

3 硬件验证和软件仿真

3.1 软件仿真

MAX＋PlusⅡ软件的分析能力和仿真能力都比较强大。在设计期间首先需要优化设计功能模块，之后利用MAX＋PlusⅡ仿真工具对所设计的电路进行逻辑仿真，验证设计准确性。与传统设计技术相比，此种仿真功能也属于EDA技术的重要优势。按照图3动态扫描显示电路仿真波形图可以看出，此次设计的电路能够实现预期所设定的功能，并且模块仿真与此设计比较类似。

图3 动态扫描显示电路仿真波形图

3.2 硬件验证

在对整体电路和不同模块实施仿真验证后，可以通过引脚锁定电路输出和输入端口；利用下载电缆优化设计电路，将优化结果上传到EDA试验开发系统上。该系统在接收到信号发生器所传输的脉冲电路时基待测信号，就可以对设计电路硬件功能实施验证。在验证过程中能够发现，该数字频率计能够实现稳定运行，并且满足预期效果。

4 结束语

综上所述，利用EDA技术开展数字电器综合试验属于现代化数字电路实验方法。在教学期间所应用的数字电路综合实验模式需要充分发挥出EDA技术作用，利用数字电路课程设计实验过程，包括设计方法和单元电路。所以，此种模式可以在较大程度上使学生应用所学知识解决。实际问题，帮助学生深入了解和掌握电路设计方法和操作步骤，全面提升学生实际操作能力。