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電路設(shè)計的一般步驟范文1

1.電子技術(shù)課程設(shè)計的重點與要求

本課程的重點是電路設(shè)計，內(nèi)容側(cè)重綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計制作較為復(fù)雜的功能電路或小型電子系統(tǒng)。一般給出實驗任務(wù)和設(shè)計要求，通過電路方案設(shè)計、電路設(shè)計、電路安裝調(diào)試和指標(biāo)測試、撰寫實驗報告等過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，提高電路設(shè)計水平和實驗技能。在實踐中著重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計的綜合分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐的能力。電子技術(shù)課程設(shè)計一般要求學(xué)生根據(jù)題目要求，通過查閱資料、調(diào)查研究等，獨立完成方案設(shè)計、元器件選擇、電路設(shè)計、仿真分析、電路的安裝調(diào)試及指標(biāo)測試，并獨立寫出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⑽睦硗樀膶嶒瀳蟾妗?/p>

具體地說，學(xué)生通過課程設(shè)計教學(xué)實踐，應(yīng)達到以下基本要求：建立電子系統(tǒng)的概念，綜合運用電子技術(shù)課程中所學(xué)習(xí)到的理論知識完成一個電子系統(tǒng)的設(shè)計；掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，了解電子系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)；進一步熟悉常用電子器件的類型和特性，掌握合理選用器件的原則；掌握查閱有關(guān)資料和使用器件手冊的基本方法；掌握用電子設(shè)計自動化軟件設(shè)計與仿真電路系統(tǒng)的基本方法；進一步熟悉電子儀器的正確使用方法；學(xué)會撰寫課程設(shè)計總結(jié)報告；培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2.電子技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)過程

電子技術(shù)課程設(shè)計是在教師指導(dǎo)下，學(xué)生獨立完成課題，達到對學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的綜合性訓(xùn)練，要求本課程設(shè)計涵蓋模擬電路知識和數(shù)字電路知識，因此課程設(shè)計的選題要求包含數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)。教學(xué)環(huán)節(jié)可以分為以下四個部分。

2.1課堂講授。

課程設(shè)計開始前，需要確定指導(dǎo)老師。由指導(dǎo)老師通過兩學(xué)時的教學(xué)，明確課程設(shè)計的要求，主要內(nèi)容包括課程介紹、教學(xué)安排、成績評定方法等。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)老師介紹課題的基本情況與要求，要求學(xué)生從多個課題中選擇一個。

2.2設(shè)計與調(diào)試環(huán)節(jié)。

2.2.1前期準(zhǔn)備、方案及電路設(shè)計。

前期準(zhǔn)備包括選擇題目、查找資料、確定方案、電路設(shè)計、電路仿真等。在確定方案時要求學(xué)生認(rèn)真閱讀教材，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，進行方案分析、論證和計算，獨立完成設(shè)計。設(shè)計工作內(nèi)容如下：題目分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、具體電路設(shè)計。學(xué)生根據(jù)所選課題的任務(wù)、要求和條件進行總體方案的設(shè)計，通過論證與選擇，確定總體方案。此后是對方案中單元電路進行選擇和設(shè)計計算，稱為預(yù)設(shè)計階段，包括元器件的選用和電路參數(shù)的計算。最后畫出總體電路圖（原理圖和布線圖），此階段約占課程設(shè)計總學(xué)時的30％。

2.2.2在實驗室進行電路安裝、調(diào)試，指標(biāo)測試等。

在安裝與調(diào)試這個階段，要求學(xué)生運用所學(xué)的知識進行安裝和調(diào)試，達到任務(wù)書的各項技術(shù)指標(biāo)。預(yù)設(shè)計經(jīng)指導(dǎo)教師審查通過后，學(xué)生即可購買所需元器件等材料，并在實驗箱上或試驗板上組裝電路。運用測試儀表調(diào)試電路、排除電路故障、調(diào)整元器件、修改電路（并制作相應(yīng)電路板），使之達到設(shè)計指標(biāo)要求。此階段往往是課程設(shè)計的重點與難點，所需時間約占總學(xué)時的50％。

2.3撰寫總結(jié)報告，總結(jié)交流與討論。

撰寫課程設(shè)計的總結(jié)報告是對學(xué)生寫科學(xué)論文和科研總結(jié)報告能力的訓(xùn)練。學(xué)生寫報告，不僅要對設(shè)計、組裝、調(diào)試的內(nèi)容進行全面總結(jié)，而且要把實踐內(nèi)容上升到理論高度。總結(jié)報告應(yīng)包括以下方面：系統(tǒng)任務(wù)與分析、方案選擇與可行性論證、單元電路的設(shè)計、參數(shù)計算及元器件選擇、元件清單和參考資料目錄。除此之外，還應(yīng)對以下幾部分進行說明：設(shè)計進程記錄，設(shè)計方案說明、比較，實際電路圖，功能與指標(biāo)測試結(jié)果，存在的問題及改進意見，等等。總結(jié)報告具體內(nèi)容如下：課題名稱、內(nèi)容摘要、設(shè)計內(nèi)容及要求、比較和選擇設(shè)計的系統(tǒng)方案、畫出系統(tǒng)框圖、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇。畫出完整的電路圖，并說明電路的工作原理。組裝調(diào)試的內(nèi)容，包括使用的主要儀器和儀表；調(diào)試電路的方法和技巧；測試的數(shù)據(jù)和波形并與計算結(jié)果比較分析；調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法。總結(jié)設(shè)計電路的特點和方案的優(yōu)缺點，指出課題的核心及實用價值，列出系統(tǒng)需要的元器件清單，列出參考文獻，收獲、體會，并對本次設(shè)計提出建議。

2.4成績評定。

課程的實踐性不僅體現(xiàn)實際操作能力，而且體現(xiàn)獨立完成設(shè)計和分析的能力。因此，課程設(shè)計的考核分為以下部分：設(shè)計方案的正確性與合理性。設(shè)計成品：觀察實驗現(xiàn)象，是否達到技術(shù)要求。（安裝工藝水平、調(diào)試中分析解決問題的能力）實驗報告：實驗報告應(yīng)具有設(shè)計題目、技術(shù)指標(biāo)、實現(xiàn)方案、測試數(shù)據(jù)、出現(xiàn)的問題與解決方法、收獲體會等。課程設(shè)計答辯：考查學(xué)生實際掌握的能力和表達能力，設(shè)計過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度、工作作風(fēng)和科學(xué)精神及創(chuàng)新精神，等等。

3.電子技術(shù)課程設(shè)計的步驟

在“電子技術(shù)基礎(chǔ)”理論課程教學(xué)中，通常只介紹單元電路的設(shè)計。然而，一個實用的電子電路通常是由若干個單元電路組成的。通常將規(guī)模較小、功能單一的電子電路稱為單元電路。因此，一個電子系統(tǒng)的設(shè)計不僅包括單元電路的設(shè)計，還包括總體電路的系統(tǒng)設(shè)計（總體電路由哪些單元電路構(gòu)成，以及單元電路之間如何連接，等等）。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各種通用和專用的模擬和數(shù)字集成電路大量涌現(xiàn)，電子系統(tǒng)的設(shè)計除了單元電路的設(shè)計外，還包括集成電路的合理選用。電子電路的系統(tǒng)設(shè)計越來越重要，不過從教學(xué)訓(xùn)練角度出發(fā)，課程設(shè)計仍應(yīng)保留一定的單元電路內(nèi)容。電子系統(tǒng)分為模擬型、數(shù)字型及兩者兼而有之的混合型三種。雖然模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計的方法有所不同（尤其單元電路的設(shè)計），但總體電路的設(shè)計步驟是基本相同的。電子電路的一般設(shè)計方法與步驟包括：總體方案的設(shè)計與方案論證、單元電路的設(shè)計、單元電路間的連接方法、繪制總體電路草圖、關(guān)鍵電路試驗、EDA仿真、繪制正式的總體電路圖等。

電路設(shè)計的一般步驟范文2

關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；電路設(shè)計；工作原理

1 電路設(shè)計背景和目的

通過多年的教學(xué)經(jīng)驗和對中職院校的學(xué)生進行的調(diào)研情況來看，中職院校的學(xué)生普遍文化基礎(chǔ)薄弱，對文化課、理論課不感興趣，但是大部分中職學(xué)生對實訓(xùn)課程感興趣，喜歡動手操作，能夠嘗試動手去做一些實驗，有的甚至能獨立完成一些電子產(chǎn)品的安裝與調(diào)試。例如，簡單的門鈴電路，流水燈電路等。因此，針對中職院校學(xué)生的實際情況，結(jié)合我學(xué)院電氣工程系的學(xué)生學(xué)習(xí)情況，今年，我系領(lǐng)導(dǎo)決定對學(xué)生的課程安排進行了大膽改革，去掉純粹的理論課，所有專業(yè)課程都變?yōu)橐惑w化課程，讓學(xué)生通過動手操作掌握理論知識，真正做到在做中學(xué)，在學(xué)中做，在這樣的背景下，我嘗試了將所擔(dān)任學(xué)科《電子技術(shù)基礎(chǔ)》這門理論課程融入到《電子電路的安裝與調(diào)試》這門實訓(xùn)課程中去，變理論課實訓(xùn)課程為一體化課程。依托這樣的改革前提，我嘗試對直流穩(wěn)壓電源的電路進行了以下設(shè)計，目的就是為了更好的適應(yīng)電氣工程系的改革實踐，同時也能夠使學(xué)生在實際動手操作過程中深刻理解相應(yīng)的電子專業(yè)理論知識，能夠培養(yǎng)學(xué)生掌握理論知識的能力，激發(fā)學(xué)生熱愛電子專業(yè)的熱情，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，最重要的是讓學(xué)生學(xué)會了技能，一技在手，更好地走上工作崗位，盡快地適應(yīng)社會。

2 電路設(shè)計實驗設(shè)備及器件

所謂巧婦難為無米之炊，電路設(shè)計同樣需要必要的實驗設(shè)施和工具，而實驗條件的好壞和選擇工具的正確與否是設(shè)計的關(guān)鍵和前提。下面我來具體闡釋我的設(shè)計思路中所需要的實驗條件、實驗工具和必要的原材料：

2.1 電路所需實驗設(shè)施和工具

本次設(shè)計的完成需要在專業(yè)的電子試驗臺上進行，需要的工具如下：示波器、萬用表、變壓器（12v）、電烙鐵、鉗子和鑷子等，另外需要必要的焊錫和連接線。

2.2 電路所需元器件清單

元器件清單如下：

1A二極管IN4007，V1、V2、V3、V4，4只；發(fā)光二極管V5，1只；熔斷絲FU 參數(shù)為1A1只；100uF 50 V電容C1，1只；10uF25V電容C2，1只；500uF 16V電容C3，1只；2200uF電容C4，1只；開關(guān)SW，1只；2.7KΩ電阻R1，1只；190Ω電阻R2，1只；280Ω電阻R3，1只；1KΩ電位器R4，1只；三端集成穩(wěn)器CW7812 U（可調(diào)范圍1.25V～12V），一只；可調(diào)電阻RW，1只。

3 電路設(shè)計思路

直流穩(wěn)壓電源又稱為直流穩(wěn)壓器，其作用就是將交流電轉(zhuǎn)化成相應(yīng)用電器所需要的穩(wěn)定電壓的直流電。其關(guān)鍵是輸出直流電壓的穩(wěn)定性，所以我們設(shè)計電路的著眼點就是電路轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性。

3.1 直流穩(wěn)壓電源的工作原理

直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，其組成框圖如圖1：

直流穩(wěn)壓電源各部分的作用

（1）電源變壓器：主要是降壓器，用于把220V的交流電轉(zhuǎn)換成整流電路所需要的交流電壓Ui。（2）整流電路：利用整流二極管單向?qū)щ娦裕呀涣麟奤2轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。（3）濾波電路：利用濾波電容將脈動直流電中的交流電壓成分過濾掉，濾波電路主要有橋式整流電容濾波電路和全波整流濾波電感濾波電路。（4）穩(wěn)壓電路：利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，用于將不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換成較穩(wěn)定的直流電壓。

3.2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法

直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，是根據(jù)其輸出電壓UO、輸出電流IO等性能指標(biāo)的要求，確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的相關(guān)性能參數(shù)，選擇出這些元器件。

具體設(shè)計方法分為三個步驟：第一步：根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO、最大輸出電流IOMAX，確定出穩(wěn)壓器的型號及電路形式。第二步：根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓Ui，確定出電源變壓器二次側(cè)電壓U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流IOMAX，確定出流過電源變壓器二次線圈的電流I2和電源變壓器二次線圈的功率P2；再根據(jù)P2，確定出電源變壓器一次線圈的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇合適的電源變壓器，一般為12v。第三步：確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓URM和濾波電容的容量值以及耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇合適的整流二極管和濾波電容。

4 電路設(shè)計步驟

電路設(shè)計思路想出后，考慮實際電路具體設(shè)計步驟，完整的設(shè)計步驟是整個電路的核心部分，因此在設(shè)計過程中實際設(shè)計步驟顯得尤為重要，具體步驟為以下幾步：

4.1 電路圖設(shè)計方法

電路圖設(shè)計使用PCB制圖軟件制作

4.2 電路原理圖的設(shè)計

電路原理設(shè)計使用Protel2000制圖軟件設(shè)計電路原理圖如圖2。

4.3 直流穩(wěn)壓電源實物設(shè)計

如圖3所示安裝直流穩(wěn)壓電源電路的前半部分整流濾波電路，然后從穩(wěn)壓器的輸入端加入直流電壓UI？燮12V，調(diào)節(jié)RW，如果輸出電壓也跟著發(fā)生變化，說明穩(wěn)壓電路工作正常。用萬用表測量整流二極管的正、反向電阻，正確判斷出二極管的極性后，先在變壓器的二次測線圈接上額定電流為1A的保險絲，然后安裝整流濾波電路。安裝時要注意，二極管和電解電容的極性不能接反。經(jīng)檢查無誤后，才將電源變壓器與整流濾波電路連接，通電后，用示波器或萬用表檢查整流后輸出電壓UI的極性，若UI的極性為正，則說明整流電路連接正確，然后斷開電源，將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路連接起來。然后接通電源，調(diào)節(jié)RW的值，如果輸出電壓滿足設(shè)計指標(biāo)，說明穩(wěn)壓電源中各級電路都能正常工作。

5 電路設(shè)計總結(jié)

通過論述直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計過程，強化了本人所教學(xué)科《電子技術(shù)基礎(chǔ)》中模擬電路部分知識和《電子電路的安裝與調(diào)試》實驗部分知識。所設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源電路，廣泛運用于生活中，例如手機的充電電源、冰箱的穩(wěn)壓電源等。同時，也通過查閱參考書，網(wǎng)上資料等拓寬了自己專業(yè)方面的知識面。論述過程中，通過邊教學(xué)邊調(diào)研邊實踐的方式使本人對直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計過程有了一些新的認(rèn)識，特別是強化了自己的教學(xué)能力，增強了所教專業(yè)學(xué)生掌握理論知識的能力，提高了其動手操作的能力。通過一段時間的教學(xué)效果來看，我所教授專業(yè)的學(xué)生對學(xué)院的此種教學(xué)改革適應(yīng)快，容易接受，對教師所設(shè)計的教學(xué)模塊感興趣，并且激發(fā)了繼續(xù)探究這一教學(xué)模塊的動力，這也充分證明了學(xué)院提出的此種教學(xué)改革是可行的。

參考文獻

[1]郭S.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社.

[2]王建.維修電工技能訓(xùn)練（第四版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社.

電路設(shè)計的一般步驟范文3

關(guān)鍵詞：學(xué)分制；“數(shù)字電子技術(shù)”；項目式；教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）45-0194-04

一、引言

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)積極推動本科教學(xué)，提出本科生的完全學(xué)分制教育，將“數(shù)字電子技術(shù)”課程的學(xué)時壓縮至54學(xué)時，留出更多的時間讓學(xué)生來主動學(xué)習(xí)和增強動手能力。筆者試圖在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的基礎(chǔ)教學(xué)中增加一個項目式教學(xué)環(huán)節(jié)，它使學(xué)生自己通過設(shè)計和搭建一個實用電子產(chǎn)品雛形，鞏固和加深在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的理論基礎(chǔ)和實驗中的基本技能，訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時的動手能力。這需要研究出適合學(xué)生動手實踐的項目，學(xué)生根據(jù)項目要求設(shè)計出符合要求的電路，從而掌握數(shù)字電路的一般設(shè)計方法和步驟，訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力，同時為畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開發(fā)打下一定的基礎(chǔ)[1]。

二、項目式教學(xué)的目的

通過數(shù)字電子技術(shù)項目式教學(xué)，使學(xué)生能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，能合理、靈活地應(yīng)用各種標(biāo)準(zhǔn)集成電路（SSI、MSI、LSI等）器件實現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)[2]。培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立準(zhǔn)備資料、獨立設(shè)計規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力，培養(yǎng)學(xué)生書寫綜合設(shè)計實驗報告的能力[3]。

三、項目式教學(xué)的步驟

學(xué)生根據(jù)設(shè)計教師步驟的項目任務(wù)，從選擇設(shè)計方案開始，進行電路設(shè)計[4]；選擇合適的器件，畫出設(shè)計電路圖；通過安裝、調(diào)試，直至實現(xiàn)任務(wù)要求的全部功能，對電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，經(jīng)驗收合格后，寫出完整的課程設(shè)計報告[5]。

1.總體方案選擇。設(shè)計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設(shè)計任務(wù)要求及性能指標(biāo)，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)提出的各項要求和技術(shù)指標(biāo)[6]。設(shè)計過程中，往往有多種方案可以選擇，應(yīng)針對任務(wù)要求，查閱資料，權(quán)衡各方案的優(yōu)缺點，從中選優(yōu)。

2.單元電路的設(shè)計。（1）設(shè)計單元電路的一般方法和步驟：①根據(jù)設(shè)計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設(shè)計要求，必要時應(yīng)詳細(xì)擬定主要單元電路的性能指標(biāo)。②擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設(shè)計。③單元電路設(shè)計應(yīng)采用符合的電平標(biāo)準(zhǔn)。（2）元器件的選擇。針對數(shù)字電路的課程設(shè)計，在搭建單元電路時，對于特定功能單元選擇主要集成塊的余地較小。比如時鐘電路選555，轉(zhuǎn)換電路選0809，譯碼及顯示驅(qū)動電路也都相對固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過選擇參數(shù)來確定集成塊型號。一個電路設(shè)計，單用數(shù)字電路課程內(nèi)容是不夠的，往往同時摻有線性電路元件和集成塊，因此還需熟悉相應(yīng)內(nèi)容，比如運算放大器的種類和基本用法、集成比較器和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法。總之，構(gòu)建單元電路時，選擇器件的電平標(biāo)準(zhǔn)和電流特性很重要。普通的門電路、時序邏輯電路、組合邏輯電路、脈沖產(chǎn)生電路、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、采樣和存儲電路等，參數(shù)選擇恰當(dāng)可以發(fā)揮其性能并節(jié)約設(shè)計成本。

單元電路設(shè)計過程中，阻容元件的選擇也很關(guān)鍵。它們的種類繁多，性能各異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設(shè)計可以使其功能多樣化、完整化。

3.單元電路調(diào)整與連調(diào)。數(shù)字電路設(shè)計以邏輯關(guān)系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關(guān)系與它們之間的正確傳遞決定了設(shè)計內(nèi)容的成敗。具體步驟要求每一個單元電路都須經(jīng)過調(diào)整，有條件的情況下可應(yīng)用邏輯分析儀進行測試，確保單元正確。各單元之間的匹配連接是設(shè)計的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅(qū)動電流匹配。它也是整個設(shè)計成功的關(guān)鍵一步。

4.衡量設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。工作穩(wěn)定可靠；能達到預(yù)定的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚浑娐泛唵危杀镜停牡停黄骷?shù)目少，集成體積小，便于生產(chǎn)和維護。

5.課程設(shè)計報告要求。課程設(shè)計報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：對設(shè)計課題進行簡要闡述；設(shè)計任務(wù)及其具體要求；總體設(shè)計方案方框圖及各部分電路設(shè)計（含各部分電路功能、輸入信號、輸出信號、電路設(shè)計原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器件等）；整機電路圖（電路圖應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯符號繪制，電路圖中應(yīng)標(biāo)明接線引出端名稱、元件編號等）；器件清單；調(diào)試結(jié)果記錄；課程設(shè)計報告應(yīng)內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊、數(shù)據(jù)翔實。

四、項目式教學(xué)實例

1.實例簡述。為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停車；綠燈（G）亮表示允許通行。交通燈控制器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.設(shè)計任務(wù)和要求。設(shè)計一個十字路通信號燈控制器，其要求如下。

（1）滿足如圖2的順序工作流程。圖中設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。它們的工作方式，有些必須是并行進行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。

（2）應(yīng)滿足兩個方向的工作時序，即東西方向亮紅燈時間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。時序工作流程圖見圖3所示，假設(shè)每個單位時間為3秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮的時間分別為15秒、3秒、18秒，一次循環(huán)為36秒。其中紅燈亮的時間為綠、黃燈亮的時間之和，黃燈是間歇閃耀。

（3）十字路口要有數(shù)字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。

（4）可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。

（5）在完成上述任務(wù)后，可以對電路進行以下幾方面的電路改進或擴展。①在某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向（如東西）為次干道，主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間可以選定為次干道綠燈亮的時間的2倍或3倍。②用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當(dāng)某一方向綠燈亮?xí)r，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當(dāng)遇到黃燈亮?xí)r，移位發(fā)光二極管就停止，而過了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動；紅燈亮?xí)r，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。

3.可選用器材。①通用實驗底板；②直流穩(wěn)壓電源；③交通信號燈及汽車模擬裝置；④集成電路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及門電路；⑤顯示：LC5011-11，發(fā)光二極管；⑥電阻；⑦開關(guān)。

4.設(shè)計方案提示。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路，設(shè)計方案可以從以下幾部分進行考慮。

（1）秒脈沖和分頻器。因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮?xí)r間比例分別為5∶1∶6，所以，若選4秒（也可以3秒）為一個單位時間，則計數(shù)器每計4秒輸出一個脈沖，這一電路就很容易實現(xiàn)。邏輯電路參考前面有關(guān)課題。

（2）交通燈控制器。計數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進制計數(shù)器。計數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器。扭環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)表如表1所示。

由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時標(biāo)1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。

（3）顯示控制部分。顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當(dāng)綠燈亮?xí)r，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1，直到計數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示可用74LS248 BCD碼七段譯碼器，顯示器用LC5011-11共陰極LED顯示器，計數(shù)器材用可預(yù)置加、減法計數(shù)器，如74LS168、74LS193等。

（4）手動/自動控制、夜間控制。這可以用一個選擇開關(guān)進行。置開關(guān)在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開關(guān)在自動位置時，則交通信號燈按自動循環(huán)工作方式運行。夜間時，將夜間開關(guān)接通，黃燈閃亮。

（5）汽車模擬運行控制。用移位寄存器組成汽車模擬控制系統(tǒng)，即當(dāng)某一方向綠燈亮?xí)r，則綠燈亮“G”信號使該路方向的移位通路打開，而當(dāng)黃、紅燈亮?xí)r，則使該方向的移位停止。如圖4所示，為南北方向汽車模擬控制電路。

五、結(jié)語

項目教學(xué)法主張先練后講、先學(xué)后教，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動參與，從嘗試入手，從練習(xí)開始，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)造性、積極性等，學(xué)生唱“主角”，而教師轉(zhuǎn)為“配角”，實現(xiàn)了教師角色的換位，有利于加強對學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者就多個方面對項目教學(xué)法進行了嘗試性的研究與實踐，也取得了非常好的效果。

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電路設(shè)計的一般步驟范文4

計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經(jīng)驗表明，要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍(lán)本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過千萬年基因進化，使得人體可以在某些細(xì)胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機理，科學(xué)家們研究出可進化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤，而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴(yán)格地說，EHW具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中；另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。

對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設(shè)計方法。

1．1遺傳算法

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產(chǎn)生一群個體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機制選擇個體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。

1．2現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)

現(xiàn)場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,LookupTable)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言（HDL）描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會把設(shè)計方案通過編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設(shè)計中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2進化電子電路設(shè)計架構(gòu)

本節(jié)以設(shè)計高容錯性的數(shù)字電路設(shè)計為例來闡述EHW的設(shè)計架構(gòu)及主要設(shè)計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產(chǎn)生容錯性，所設(shè)計的電路系統(tǒng)可以看作一個具有持續(xù)性地、實時地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯誤，設(shè)計要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。

從進化論的角度來看，當(dāng)這些變化發(fā)生時，個體的適應(yīng)度會作相應(yīng)的改變。當(dāng)進化進行時，個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度。基于進化論的電子電路設(shè)計就是利用這種原理,通過對設(shè)計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應(yīng)變化的能力。

電子電路進化設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計的兩種進化，分別是內(nèi)部進化和外部進化。其中內(nèi)部進化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當(dāng)然通過外部進化得到的最終設(shè)計結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來實際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程，其中是根據(jù)進化算法（遺傳算法）的計算結(jié)果來進行的。整個進化設(shè)計包括以下步驟：

（1）根據(jù)設(shè)計的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串）來表示，其中每個個體表示的是設(shè)計的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上，用來定義FPGA的開關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來設(shè)計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會導(dǎo)致器件的損害。

（2）將設(shè)計結(jié)果與目標(biāo)要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據(jù)適應(yīng)度進行排序，下一代的個體將由最優(yōu)的個體來產(chǎn)生。

（3）根據(jù)適應(yīng)度再對新的個體組進行統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一

部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據(jù)遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對硬件進行進化。

（4）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個體，直到新的個體表示的設(shè)計方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。

一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設(shè)計結(jié)果，最后設(shè)計方案具有對設(shè)計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過程又叫內(nèi)部進化或硬件進化。

圖中的右邊展示了另一種設(shè)計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結(jié)果才在器件上實施。

進化電子電路設(shè)計中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個體變異的程度，也關(guān)系到個體對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應(yīng)，但個體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計方案時可以保持穩(wěn)定。

對于可進化數(shù)字電路的設(shè)計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進行進化設(shè)計，一個是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進化細(xì)胞機（CellularAutomaton）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只需要定義整個模塊的適應(yīng)度，而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對于超大規(guī)模線路的設(shè)計可以采用這一方法來將電路進行整體優(yōu)化設(shè)計。

3可進化電路設(shè)計環(huán)境

上面描述的軟硬件進化電子電路設(shè)計可在圖2所示的設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境下進行。這一設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境對于測試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進化設(shè)計很有用處。該設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。

遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現(xiàn)。由它來實現(xiàn)進化計算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結(jié)果傳回計算機。適應(yīng)度評估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個接口碼將GA與硬件連接起來，可能的設(shè)計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設(shè)計結(jié)果的可視化和將問題形式化。通過執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設(shè)計，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應(yīng)軟件來評估設(shè)計結(jié)果。

4結(jié)論與展望

進化過程廣義上可以看作是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在這個意義上，可以將“可進化”這一特性運用到無數(shù)的人工系統(tǒng)中，只要這些系統(tǒng)的性能會受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應(yīng)用到可進化系統(tǒng)中。雖然目前設(shè)計出的可進化硬件還存在著許多需要解決的問題，如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來的發(fā)展中，電子電路可進化的設(shè)計方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計方法，系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構(gòu)能力對于那些在復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統(tǒng)來說將帶來極大的影響。因此可進化硬件的研究將會進一步深入并會得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。

電路設(shè)計的一般步驟范文5

關(guān)鍵詞:專用集成電路;寄存器傳輸級;門級網(wǎng)表;可靠性;手工綜合

中圖分類號:TN402.22文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-004-03

Research on Manual Synthesis Based on ASIC Design

WANG Xiaohua,LUO Xiaoshu,YIN Yangang

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract:With the development of ASIC design rapidly,it is key technology of the front-end IC design that the register transfer level description is manually synthesized the register transfer level.Through artificial participation,behave-level code by some of the most basic logic gates(such as nand-door,non-door,nor-door,etc.) gets the corresponding gate-level circuit according to the corresponding synthesized circuit model.Such methods used in ASIC design not only can optimize the circuit structure,but also can guarantee the correct logic function.At the same time,it can reduce the transmission delay and improve the reliability of chip design.Therefore,research on the ASCI design by manual synthesis is of practical value.

Keywords:application specific integrated circuit;register transfer level;register transfer level;reliability;manual synthesis

0 引 言

隨著專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit)設(shè)計的迅速發(fā)展,將寄存器傳輸級(RTL)描述的手工綜合成門級網(wǎng)表,是IC前端設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。在當(dāng)前IC設(shè)計中,通常在行為級功能驗證后,采用軟件進行自動綜合的方式。這種方式雖然縮短了ASIC設(shè)計的周期,但是利用軟件綜合的門級電路存在很大的冗余,從而影響到整個芯片的版圖面積和延時。如果采用手工綜合,則會得到最簡的電路結(jié)構(gòu)和最少的線路延時。在總體上,手工邏輯綜合可分為時序邏輯綜合和組合邏輯綜合[2]。

在此,以成功開發(fā)的無線發(fā)碼遙控編碼芯片為實例,詳細(xì)介紹手工綜合RTL級代碼的理論依據(jù)和實用方法,重點介紹時序邏輯綜合的實現(xiàn)方法,將時序邏輯綜合的實現(xiàn)方法歸納出各種描述的一般特征,將用戶多種多樣的描述歸整為五種形式,避免了綜合過程中的盲目性,使得整個綜合過程有據(jù)可依,從而提高綜合的效率和準(zhǔn)確性[3],并對手工綜合進行深入的研究。

1 組合邏輯綜合

組合邏輯綜合的功能是對組合邏輯函數(shù)的描述形式進行一系列轉(zhuǎn)換和優(yōu)化,求取實現(xiàn)該邏輯函數(shù)性能最佳的組合邏輯結(jié)構(gòu)形式,并生成與邏輯功能描述相等價的優(yōu)化的邏輯級結(jié)構(gòu)描述。由于行為級描述或寄存器傳輸級描述經(jīng)轉(zhuǎn)換后所得到的邏輯級的邏輯函數(shù)表示通常都是非優(yōu)化的表示,因此就需要使用邏輯優(yōu)化工具對其進行綜合和優(yōu)化。

組合邏輯綜合的目標(biāo)通常有:其一是為了在滿足延遲的約束下將面積最小化;其二是為了提高電路的可測試性[4]。

組合邏輯電路設(shè)計是數(shù)字電路設(shè)計的基礎(chǔ)。相對時序邏輯電路而言其綜合過程要簡單,可參考上面的手工綜合步驟,在這里設(shè)計了兩個電路對ASIC的手工綜合進行具體研究。

1.1 單增量加法器(4位)

所謂單增量加法器,就是在二進制計算中,行使代碼換算的任務(wù),即二進制計算中若輸出有N值存在,接下來的數(shù)值就是N+1,為了把輸出值從N變?yōu)镹+1就必須做一個電路。若其Verilog HDL描述語言為:

counter_disp

則綜合步驟為:

(1)列出真值表(略);

(2) 從真值表可以得出其邏輯表達式為:

sum[0]=NOT disp[0]sum[1]= disp[0] XOR disp[1]

sum[2]= disp[2] XOR (disp[0] AND disp[1])

sum[3]= disp[3] XOR (disp[0] ANDdisp[1]AND disp[2])

(3) 綜合后的電路圖如圖1所示。

圖1 單增量加法器手工綜合后電路

1.2 數(shù)值比較器(4位)

完成A

對應(yīng)的描述語言為:

if(counter disp

(1) 列出真值表(見表1)。其中“X”表示任意值。

(2) 從真值表寫出比較結(jié)果的邏輯表達式,再通過化簡得到最簡表達式為:

A_small_B =A3n•B3+(B2B2)A2n•B2+(A3B3)(A2B2)A1n•B1+(A3B3)(A2B2)(A1B1)•A0n•B0

(3) 畫出綜合后的電路圖(見圖2)。

表1 真值表

輸入輸出

A3B3A2B2A1B1A0B0A

A3>B3XXX0

A3

A3=B3A2>B2XX0

A3=B3A2

A3=B3A2=B2A1>B1X0

A3=B3A2=B2A1

A3=B3A2=B2A1=B1A0>B00

A3=B3A2=B2A1=B1A0

A3=B3A2=B2A1=B1A0=B00

圖2 數(shù)值比較器手工綜合后電路

2 時序邏輯綜合

時序邏輯綜合的主要研究集中于同步時序電路的設(shè)計綜合。異步時序電路由于其設(shè)計和控制過程的復(fù)雜性,自動綜合十分困難。同步時序電路邏輯綜合研究的內(nèi)容主要有:同步時序電路的綜合方法(即有限狀態(tài)機的綜合)、時序的優(yōu)化以及時鐘系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化等。

有限狀態(tài)機綜合的主要任務(wù)是根據(jù)給定的邏輯功能,選取觸發(fā)器和鎖存器等時序元件,尋求優(yōu)化的時序狀態(tài)激勵函數(shù)。同步時序電路綜合的目標(biāo)是獲得芯片面積優(yōu)化的高性能電路結(jié)構(gòu)形式,其中包括時序重構(gòu)和時序邏輯優(yōu)化等方面。時序優(yōu)化與時鐘系統(tǒng)的優(yōu)化通過分析時序電路的數(shù)據(jù)傳輸行為,設(shè)置合理的參數(shù),提高系統(tǒng)的效率,消除時序錯誤,解決時序沖突[6]。優(yōu)化電路,得到最終的門級電路網(wǎng)表。

在進行了格式判別,確定采用何種時序元件后,就可以從相應(yīng)的目標(biāo)庫中提取相應(yīng)的元件,組織成符合最終輸出形式的網(wǎng)表格式。在提取元件時應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶的輸入描述取得最優(yōu)化的結(jié)果,當(dāng)然,這種優(yōu)化問題也可以在得到最終的數(shù)據(jù)通道之后進行。對于同步/異步復(fù)位及上升/下降沿觸發(fā)的問題,在一般的目標(biāo)庫中,都有各種不同類型的時序邏輯電路元件,同步/異步復(fù)位元件為其中之一[7]。同步/異步復(fù)位觸發(fā)器的綜合與其他元件的綜合有所不同,綜合時考慮的不僅是某一條賦值語句,而是將用戶的描述作為一個整體來考慮。在提取賦值語句時,同時分析相互有關(guān)聯(lián)的語句以及這些語句的相關(guān)條件,根據(jù)上下文語義得出最終的結(jié)論。

下面針對上述理論用一實例來說明:在采用上面的綜合步驟預(yù)處理和綜合實現(xiàn)算法后,得到輸出信號outA的賦值情況如下:

條件X1成立時outA≤0;條件X2成立時outA≤0;條件Y1成立時outA≤1;條件Y2成立時outA≤in1;其他條件下outA保持。

其處理過程如下:

(1) 將所有使輸出信號為0的條件標(biāo)識為A1,A2等A類(A1=X1,A2=X2);

(2) 將所有使輸出信號為1的條件標(biāo)識為B1,B2等B類(B1=Y1);

(3) 將所有使輸出信號為某個輸入信號或中間信號值的條件標(biāo)識為C1,C2等C類(C1=Y2);

(4) 寫出其邏輯表達式:

outA=(A1+A2+in1_not C1)(B1+in1•C1+outA)

=(X1+X2+in1_not Y2)(Y1+in1•Y2+outA)

(5) 將目標(biāo)信號的邏輯表達式進行畫簡(這里設(shè)定已為最簡式);

(6) 畫出對應(yīng)的邏輯電路圖(見圖3):(其中in1_not表示為in1的非,其余類同。)

圖3 綜合后電路

具有數(shù)據(jù)通道的有限狀態(tài)機是描述數(shù)字系統(tǒng)的最常用的模型。有限狀態(tài)機分為兩個部分:數(shù)據(jù)通道部分和控制部件部分。數(shù)據(jù)通道部分包括數(shù)據(jù)的處理部件、存儲部件、傳輸部件及其互連[8]。控制部分主要完成數(shù)據(jù)通道的時序控制,以及根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)、外部控制輸入和數(shù)據(jù)通道內(nèi)部狀態(tài)產(chǎn)生外部控制輸出和數(shù)據(jù)通道控制信號等。邏輯綜合接受算法級行為描述,通過將其編譯轉(zhuǎn)換成為內(nèi)部表示形式,然后經(jīng)過操作調(diào)度和硬件資源分配等處理過程,最終產(chǎn)生表示數(shù)據(jù)通道的寄存器傳輸級網(wǎng)表,并根據(jù)調(diào)度的需要提取控制信息產(chǎn)生控制部件的行為描述(即有限狀態(tài)機的描述,一般為狀態(tài)轉(zhuǎn)換表/圖)[9]。控制流綜合對行為描述的有限狀態(tài)機進行分解、化簡、分配等處理,選取時序元件,導(dǎo)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)和控制輸出函數(shù)。

下面以一個實例來介紹控制部分的邏輯綜合過程和方法。

按照前面的步驟,分析Verilog HDL代碼,已得出該控制流部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(見圖4),在這里只列出用符號代替的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件,未寫出各輸出端信號。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

這是LED驅(qū)動控制芯片核心模塊(顯示和鍵掃控制模塊)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,下面以DISPLAY狀態(tài)為目標(biāo)求其狀態(tài)轉(zhuǎn)移電路圖,如圖5所示。

圖5 狀態(tài)DISPLAY 綜合后電路

(1) 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖列出與DISPLAY狀態(tài)相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件:

當(dāng)A=1,DISPLAY=1 D=1時,DISPLAY=1;

當(dāng)B=1,DISPLAY=0 C=1時,DISPLAY=0

(2) 推斷出DISPLAY狀態(tài)保持的條件,設(shè)為E:

E=(B && DISPLAY) ||(C&& DISPLAY)+H=

BC&& DISPLAY+H=BC&& DISPLAY

(3) 化簡并得出DISPLAY的邏輯表達式:

DISPLAY≤A+D+E (4) 畫出其邏輯電路圖(狀態(tài)機采用獨熱碼編碼方式)。

3 結(jié) 語

在此歸納出一套手工邏輯綜合的方法和綜合步驟,該方法適用于中小規(guī)模和超大規(guī)模中的核心電路部分的電路綜合。同時手工綜合后的效果與自動綜合軟件相比,其電路可靠且使用的門電路規(guī)模減少,功耗降低,延時達到最小。

參考文獻

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電路設(shè)計的一般步驟范文6

1電路設(shè)計和儀器選擇的基本理論依據(jù)

1.1電路的選擇

（1）測量電路――電流表內(nèi)、外接電路的選擇.

由于電壓表的分流作用和電流表的分壓作用，造成表的示數(shù)與通過負(fù)載的電壓或電流真實值之間產(chǎn)生誤差，為減小此系統(tǒng)誤差，當(dāng)待測電阻阻值Rx為小電阻時，有RVRx或RVRx>RxRA，電壓表分流很小時，選擇電流表外接電路；

當(dāng)待測電阻阻值Rx為大電阻時，有RARx或RVRx

（2）控制電路――滑動變阻器限流與分壓接法電路的選擇：

①當(dāng)負(fù)載電壓要求從零開始調(diào)節(jié)，采用分壓

電路.

②當(dāng)滑動變阻器阻值小于負(fù)載電阻時，一般采用分壓電路；當(dāng)滑動變阻器阻值大于負(fù)載電阻時，一般采用限流電路.

③當(dāng)電源電動勢較大、滑動變阻器阻值較小，不能滿足限流要求時，采用分壓電路.

1.2電路實驗器材和量程的選擇，應(yīng)考慮以下幾點

（1）電路工作的安全性，即不會出現(xiàn)電表和其它實驗器材因過載毀壞現(xiàn)象.

（2）能否滿足實驗要求（常常要考慮便于多次測量求平均值）.

（3）選擇器材的一般思路是：首先確定實驗條件，然后按電源―電壓表―電流表―滑動變阻器順序依次選擇.

①電源的選擇：在不超過待測器材所允許的最大電壓值的情況下，選擇電動勢較大的電源（以獲得更多的測量數(shù)據(jù)）.在相同電動勢情況下，通常選擇內(nèi)電阻較小的電源（以獲得較穩(wěn)定的路端電壓）.

②電表的選擇：在不超過電表量程的條件下，選擇量程較小的電表（以便測量時示數(shù)能在滿刻度的2/3左右）.

2測量電阻的電路設(shè)計和儀器選擇

2.1伏安法即用電流表測出流過Rx的電流I，用電壓表測出Rx兩端電壓U，再根據(jù)歐姆定律（Rx =U/I）求出Rx

根據(jù)這一原理，在設(shè)計測量電路時，必須有電壓表和電流表，同時還要滿足三個條件：第一，選好電壓表、電流表的量程，量程太大或太小，都會違反讀數(shù)原則；第二，正確選擇好電流表的內(nèi)、外接法；第三，確定滑動變阻器的限流式接法或分壓式接法.此外，在選擇各種儀器時，還要考慮儀器所能承受的最大電壓、電流及電功率，這一點最容易忽視.

例1用伏安法測量一個定值電阻的阻值，備用器材如下 ：

待測電阻Rx （阻值約為25 kΩ）

電流表A1：（量程100 μA，內(nèi)阻2 kΩ）

電流表A2：（量程500 μA，內(nèi)阻300 Ω）

電壓表V1：（量程10 V，內(nèi)阻100 kΩ）

電流表V2：（量程50 V，內(nèi)阻500 kΩ）

電源E：（電動勢15 V，允許最大電流1 A）

滑動變阻器R：（最大阻值1 kΩ）

電鍵S，導(dǎo)線若干

為了盡量減小實驗誤差，要求測多組數(shù)據(jù).

（1）電流表應(yīng)選，電壓表應(yīng)選.

（2）畫出實驗電路圖.

解析（1）器材選擇（測量電路）

從減小電表讀數(shù)引起的偶然誤差的角度考慮，兩電表及電表與電源間的配置要合理.注意到電源電動勢遠(yuǎn)小于電壓表V2的量程，而跟電壓表V1的量程較接近，若選用電壓表V2來測量電壓，其最大偏轉(zhuǎn)量達不到量程的13，讀數(shù)時偶然誤差太大，所以選用V1較恰當(dāng)；而此時通過電流表的最大電流

Im=UmRx=102.5×104 A=400 μA，

因此，電流表A2與V1配置較好.

（2）電路選擇（控制電路）

電路選擇主要從滑動變阻器對電路的控制和調(diào)節(jié)的角度考慮.若采用限流電路控制，注意到測量部分的總電阻約為20 kΩ，遠(yuǎn)大于滑動變阻器的總電阻（1 kΩ），要保證電表安全，變阻器分得的電壓至少為5 V，阻值應(yīng)調(diào)到10 kΩ，顯然，限流不能起到保證電表安全的作用，更不能進行有效調(diào)節(jié)，所以，只能采用分壓電路控制，實驗電路如圖1所示.

點評 伏安法測電阻是測電阻實驗的物理模型，其他方法是這一物理實驗?zāi)Ｐ偷霓D(zhuǎn)換和遷移.因此，理解伏安法測電阻的實驗原理、電路設(shè)計和儀器選擇的依據(jù)、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析、電路的連接也是電學(xué)實驗的基礎(chǔ)和前提.

2.2“安安”法是利用兩塊電流表測電阻的一種方法，這一方法的創(chuàng)新思維是運用電流表測電壓（或算電壓），此方法適用于電壓表不能用或沒有電壓表等情形

設(shè)計電路時除考慮電流表的量程外，還要考慮滑動變阻器分壓與限流的連接方式.

例2用以下器材測量一待測電阻的阻值.器材（代號）與規(guī)格如下：

電流表A1（量程250 mA，內(nèi)阻r1為5 Ω）；

標(biāo)準(zhǔn)電流表A2（量程300 mA，內(nèi)阻r2約為5 Ω）；

待測電阻R1（阻值約為100 Ω）；

滑動變阻器R2（最大阻值10 Ω）；

電源E（電動勢約為10 V，內(nèi)阻r約為1 Ω）；

單刀單擲開關(guān)S，導(dǎo)線若干.

（1）要求方法簡捷，并能測多組數(shù)據(jù)，畫出實驗電路原理圖，并標(biāo)明每個器材的代號.

A.1 kΩB.5 kΩC.10 kΩD.25 kΩ

解析（1）實物連線如圖8所示.

（2）電阻箱的阻值

R1=0×100 Ω+8×10 Ω+6×1 Ω+3×0.1 Ω

=86.3 Ω.

本題測量電流表的內(nèi)阻的方法是“替代法”.即用電阻箱的阻值替代電流表A1的內(nèi)阻值，其條件是：開關(guān)S2分別扳到a處和b處時，保持滑動變阻器R2不變，且使電流表A2讀數(shù)相同.所以，待測電流表A1的內(nèi)阻.

RA=R1=86.3 Ω.

（3）當(dāng)R2調(diào)為零時，要使電路中的電流I不超過電流表A2的量程，根據(jù)閉合電路歐姆定律可知，電路總電阻R總至少為：

R總=EIA2=4200×10-6=2×104 Ω=20 kΩ.

由于電流表A1、A2的內(nèi)阻（約為100 Ω）遠(yuǎn)小于R總，故保護電阻R3應(yīng)選用20 kΩ的電阻，但若選用200 kΩ的電阻，則電路中電流太小，電流表A1、A2指針偏轉(zhuǎn)量太小，讀數(shù)不明顯，實驗誤差太大.所以，正確的選項為B.

（4）由于R3=20 kΩ，調(diào)整滑動變阻器R2時，要使電流表A2的讀數(shù)為150 μA，則

R2≈EI-R3=4150×10-6 Ω-2×104 Ω≈7 kΩ.

若選用1 kΩ或5 kΩ滑動變阻器，則不能滿足實驗要求（A2讀數(shù)為150 μA）；若選用25 kΩ的滑動變阻器，則調(diào)節(jié)范圍太小（不方便調(diào)節(jié)），所以，選用10 kΩ的滑動變阻器較合適，正確的選項為C.

注：對于直接等效替代法，除電流等效替代外，也可采用電壓等效替代（如圖9所示），其實質(zhì)是相同的.

2.5.2間接等效法測電流表或電壓表的內(nèi)阻，這種方法又稱半偏法.

測電流表的內(nèi)阻

①電路圖如圖10所示：

a.如圖連接，R1為電阻箱，可以是滑動變阻器，R2為電阻箱.b.閉合S1，調(diào)節(jié)R1，使電流表指針滿偏.c.閉合S2，保持R1不變，調(diào)節(jié)R2，使電流表指針半偏d.從電阻箱上讀出R2的電阻值R2，認(rèn)為rg =R2′

②誤差分析

滿偏時：Ig=ER1+Rg

半偏時：Ig2=ER1+RgR2Rg+R2×RgR2Rg+R2×1Rg，

故R2′=RgR1R1+Rg

當(dāng)R1Rg時，測量值R2接近Rg，要減小誤差，應(yīng)使R1Rg.

此時認(rèn)為流過電源的總電流仍為Ig，這是因為R1的電阻遠(yuǎn)大于表頭的電阻.S2合上與否，對整個電路的總電阻的影響是極小的.此時，由于流過表頭的電流為Ig/2，則流過R2的電流也為Ig/2，即流過表頭與R2的電流相等，則表頭與R2的阻值肯定也相等，所以，只要讀出R2的阻值，即為表頭的阻值.實際上，當(dāng)S2合上時，總電阻變小，總電流變大，即流過R2的電流大于Ig/2，根據(jù)并聯(lián)電阻的分流原理，可知R2小于表頭的阻值，測量結(jié)果偏小.

測電壓表的內(nèi)阻

①電路如圖11所示，原理：在R觸頭不變的前提下認(rèn)為上圖中支路兩端電壓不變，當(dāng)R′=0時，電壓表滿偏，調(diào)節(jié)R，使電壓表半偏，則

RV = R′.

②誤差：當(dāng)調(diào)節(jié)R時，支路電阻變大，電壓實際上變大，即大于電壓表的滿偏電壓，而電壓表半偏，R′上的電壓大于電壓表的電壓，因此R′>RV，即測量值偏大.

③條件：只有RRV（或R′）時，調(diào)R′時，才能近似認(rèn)為支路電壓不變.

例6為了較準(zhǔn)確地測定一只量程為3 V，內(nèi)阻約3 kΩ的電壓表的內(nèi)阻值，在手頭沒有電流表可用的情況下，某同學(xué)設(shè)計了如圖12所示的實驗電路.其中R1是最大阻值為9999 Ω的電阻箱，R2是最大阻值為20 Ω的滑動變阻器.電源是電動勢為6 V的蓄電池.

①試用筆畫線代替導(dǎo)線，將如圖13所示實驗器材連接成實驗電路.（有兩根線已經(jīng)接好，不得改動）

②在接通電路前，應(yīng)將滑動變阻器的滑動觸頭置于端（填A(yù)或B），將電阻箱阻值調(diào)到（填最大或最小）.

③根據(jù)實驗電路，按合理的順序?qū)懗霰緦嶒灥闹饕襟E，包括須記錄的數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)寫出測量結(jié)果的表達式.

解析①圖略 ②A，最大 ③按電路圖接好電路；閉合S1、S2，調(diào)節(jié)R2的滑動觸頭，使電壓表滿偏；斷開電鍵S2，保持滑動觸頭的位置不變，調(diào)節(jié)R1的阻值，使電壓表半滿偏；記錄這時電阻箱的阻值R；電壓表內(nèi)阻RV=R.

點評利用直接等效法時，應(yīng)保持其他部分電路不變，只更換待測電阻和電阻箱并使電表的示數(shù)相同，此種方法無系統(tǒng)誤差；利用間接等效法時，應(yīng)先使電表滿偏，再保持其他部分電路不變，在并入電阻箱后使電表的示數(shù)為半偏，認(rèn)為電流或電壓相等，從而認(rèn)為電阻相等，此種方法存在系統(tǒng)誤差，且只能測電表的內(nèi)阻.

2.6“ 阻值相減法”即利用測出的待測電阻和其他電阻的總阻值然后減去其他電阻阻值的方法

例7如圖14所示，選取合適的器材，按電路圖連接好電路后，該實驗操作過程的第一步是：閉合電鍵S1，將電鍵S2接2，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1和R2 ，使電壓表和電流表的示數(shù)盡量大些，讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U1、I1.（1） 請你寫出該實驗操作過程的第二步，并說明需要記錄的數(shù)據(jù)：.（2） 請你寫出由以上記錄的數(shù)據(jù)計算被測電阻Rx的表達式：.

解析（1） 由該實驗操作過程的第一步，閉合電鍵S1，將電鍵S2接2，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1和R2 ，讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U1、I1.再由部分電路歐姆定律得（Rx+R1 +RA ）=U1/ I1.為了消除（R1+RA）所帶來的誤差， 實驗操作過程的第二步是：閉合電鍵S1，將電鍵S2接1，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1和R2 ，使電壓表和電流表的示數(shù)盡量大些，讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U2、I2，并記錄示數(shù)U2、I2.

（2）實驗操作過程的第一步，得

Rx+R1+RA=U1I1（1）

實驗操作過程的第二步，得

R1+RA=U2I2（2）

聯(lián)立（1）、（2）得

Rx=U1I1-U2I2=U2I2-U2I1I1I2，

測電阻Rx，表達式是Rx=U1I1-U2I2.