1、概述

隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)與制造工藝地迅速發(fā)展，電子器件在最近幾十年經(jīng)歷了從小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)到大規(guī)模集成電路(LSI)以至超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展歷程Ⅲ。從集成電路、簡(jiǎn)單可編程器件到高密度大規(guī)模可編程器件地應(yīng)用，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析方法從根本上發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原來(lái)的手工設(shè)計(jì)，發(fā)展到了以EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)為代表的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法。隨著EDA技術(shù)地逐步發(fā)展，以美國(guó)的PSPICE.Multisim、歐洲的Tina Pro等為代表的各種EDA設(shè)計(jì)軟件包，在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真環(huán)節(jié)給電子工程師帶來(lái)了便利，極大的提高了工作效率。其中，Tina Pro更是以其功能強(qiáng)大、界面友好、性價(jià)比高等特點(diǎn)獲得了業(yè)晃認(rèn)可，廣泛流行于四十多個(gè)國(guó)家。

Tina Pro是歐洲D(zhuǎn)esignSoft Kft.公司研發(fā)的EDA軟件，支持包括中文在內(nèi)的二十多種語(yǔ)言。它帶有十分強(qiáng)大的元件庫(kù)和儀器庫(kù)，除具有直流分析、瞬態(tài)分析、正弦穩(wěn)態(tài)分析、傅立葉分析等常見(jiàn)的電路仿真分析功能外，還支持電路版圖設(shè)計(jì)、VHDL語(yǔ)言仿真及MCU仿真，其獨(dú)特的硬件設(shè)備TINALab II更是支持將實(shí)時(shí)測(cè)量的各種數(shù)據(jù)與虛擬仿真結(jié)果相比對(duì)，極大地方便了電子工程師進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2、TINA應(yīng)用探討

以簡(jiǎn)單交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)為具體例子，初步探究TINA在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析過(guò)程中的作用。

在簡(jiǎn)單交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用數(shù)字系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即由功能概述到狀態(tài)圖(或ASM圖)，然后設(shè)計(jì)硬件單元電路實(shí)現(xiàn)具體功能這樣一種自上而下的設(shè)計(jì)方法。該交通燈控制系統(tǒng)的邏輯功能如表1所述，約定綠燈持續(xù)時(shí)間為25t，黃燈持續(xù)時(shí)間為St，則紅燈持續(xù)時(shí)間為30t，為此需設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)這部分的定時(shí)功能;表1中交通燈控制器的狀態(tài)分為S0～S3(共4種狀態(tài))，其狀態(tài)圖如圖1所示。我們采用中規(guī)模集成IC直接構(gòu)成狀態(tài)控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能。

表1 控制器功能表

根據(jù)邏輯功能分析，在此可采用4位。

圖1 系統(tǒng)狀態(tài)圖

二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74163來(lái)定時(shí)控制器的時(shí)序;選用雙4選1數(shù)據(jù)選擇器74153及D觸發(fā)器構(gòu)成控制系統(tǒng)，來(lái)控制定時(shí)器與譯碼電路。為了電路簡(jiǎn)潔美觀，在此利用TINA的“新建宏向?qū)?rdquo;工具，將上述兩子電路打包成宏功能模塊，分別命名為DSQ(定時(shí)器)和Control(控制器)，結(jié)合輸出端用門電路構(gòu)成的譯碼電路，即可實(shí)現(xiàn)表1要求的交通燈控制器。電路如圖2所示。

圖2 交通燈控制系統(tǒng)

TINA支持文本、波形、圖片等直接粘貼在工作區(qū)，對(duì)電路進(jìn)行輔助說(shuō)明和美化，如圖2所示場(chǎng)景電路。在此調(diào)用了TINA的交通燈顯示模塊，輔以十字路口的背景圖片，設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)場(chǎng)景形象逼真。啟動(dòng)”Digital”仿真功能，控制系統(tǒng)將按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈的控制功能。

值得補(bǔ)充的是，TINA還支持元器件3D視圖地展示，適當(dāng)場(chǎng)景下可將電路元器件、電路連線、實(shí)驗(yàn)波形等非常逼真地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，這在教育培訓(xùn)環(huán)節(jié)有著十分重大的作用，而其他軟件在這一方面的功能與之相比則顯得薄弱了很多。

接下來(lái)分析TINA對(duì)VHDL編程的支持。由于可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，用描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法。TINA不僅支持VHDL語(yǔ)言編程，還很好的支持了VHDL功能模塊與具體數(shù)模電路綜合在一起進(jìn)行仿真。

圖3即用VHDL編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器模塊“Digital Wave”在正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)之中的應(yīng)用。將這個(gè)VHDL功能模塊與由8位CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MV95308構(gòu)成的DA轉(zhuǎn)換電路，及由視頻運(yùn)放TL081構(gòu)成的末級(jí)濾波電路連接在一起，即可實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)發(fā)生器。

圖3 VHDL模塊設(shè)計(jì)的正弦信號(hào)發(fā)生電路

運(yùn)行Transient Analysis命令，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后確認(rèn)，即可得到如圖4所示的波形。其中CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘，OUT1為DA轉(zhuǎn)換后的輸出，VP1為末級(jí)輸出?？梢?jiàn)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了正弦波信號(hào)的產(chǎn)生。

圖4 電路中各測(cè)量點(diǎn)信號(hào)波形

選中Digital wave模塊后，在右鍵菜單中執(zhí)行“Enter Macro”命令，即可進(jìn)入如圖5所示的VHDL程序編輯窗口，在該窗口可以輸入或修改程序，若程序有語(yǔ)法錯(cuò)誤，在運(yùn)行時(shí)會(huì)在窗口下方提示相關(guān)錯(cuò)誤信息。

圖5 VHDL編輯窗口

3、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合上述兩個(gè)TINA的基本應(yīng)用實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)研發(fā)人員若能合理熟練地運(yùn)用TINA軟件，在規(guī)范設(shè)計(jì)流程、提高工作效率、縮短開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約設(shè)計(jì)成本等方面將會(huì)得到很大的幫助。更為突出的是TINA在教育培訓(xùn)環(huán)節(jié)體現(xiàn)出來(lái)優(yōu)勢(shì)，節(jié)約硬件資源投入，減少實(shí)驗(yàn)損耗，提高教學(xué)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)讓TINA在教育行業(yè)越來(lái)越受到人們的重視。