楊志強

（青海師范大學 計算機學院，青海 西寧 810008）

《數(shù)字邏輯》是計算機專業(yè)的一門專業(yè)基礎課[1]。電子技術飛速發(fā)展推動了計算機日新月異的變化，反之，計算機的普及又推動了電子技術的發(fā)展。傳統(tǒng)的電子電路實驗比較復雜、費時，首先要將大量的電子元器件、測量儀器和設備按電路原理圖連成實際的電路，實驗過程中進行性能指標的測量、記錄數(shù)據(jù)和描繪波形[2]。在實驗過程中不可避免的會遇到實驗箱中面包板上的接觸點接觸不良，導致元器件電路不通、儀器缺乏、性能不穩(wěn)等問題[3]，實驗就無法完成。因此，將電子設計自動化（EDA）系統(tǒng)納入電子電路實驗，可彌補傳統(tǒng)的實驗的不足。利用計算機進行仿真實驗可提高實驗效率，增加實驗的深度和廣度，既可以實現(xiàn)硬件電路實驗功能，又能為課程設計和畢業(yè)設計提供電路的仿真。

常見的仿真軟件有加拿大Interactive Image Technologies Ltd公司研制開發(fā)、基于PC平臺的電子設計軟件Electronics Workbench5.5（EWB55）、美國Orcad公司的電路仿真工具PSPICE語言、Protel Technology公司Protel軟件以及Multisim和proteus等軟件。這些軟件提供了一個操作簡便且與實際很相似的虛擬實驗平臺，內容豐富，功能較強，可在數(shù)字電路實驗中應用虛擬技術完成各種電路的實際運行和演示。

Electronics Workbench稱為電子工作平臺[4-5]，是一種在電子技術界廣為應用的優(yōu)秀計算機仿真設計軟件，被譽為“計算機里的電子實驗室”。 其特點是圖形界面操作，易學、易用，快捷、方便，真實、準確，使用EWB可實現(xiàn)大部分硬件電路實驗的功能。其主要特點：

1）器件庫中包含了許多晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片。還可根據(jù)需要新建或由外部模塊導入擴充元件庫。

2）提供了用于電路仿真所需要的測試分析儀器。雙通道1000MHz數(shù)字存儲示波器、999 MHz數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器、波特圖儀、16路數(shù)字信號邏輯分析儀等。可進行靜態(tài)和動態(tài)分析、時域和頻域分析、噪聲及失真度、器件的線性與非線性分析，還能進行離散傅立葉分析、零極點和蒙特卡羅分析等多種高級分析。

3）工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內。利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的數(shù)值和輸出波形。

4）可以進行原理圖輸入、模擬和數(shù)字混合仿真。同其它流行的電路分析、設計和制板軟件如Protel、Orcad等方便地交換數(shù)據(jù)。

5）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物模型相似，在仿真的同時允許修改電路的結構和元件參數(shù)，實時顯示測量結果。還可以儲存測試點的所有數(shù)據(jù)、測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。

1 基于EWB的邏輯電路的仿真

利用EWB軟件進行仿真，實驗中搭接電路，對元件接線及參數(shù)進行設定，并且可以調整和修改元件器件參數(shù)屬性、設置故障點，在調試和測量過程中，掌握各種儀器的基本使用，充分發(fā)揮了學生的主動性、積極性[6-7]，使學生對邏輯電路的基本理論易于理解。

仿真分析是基于實際電路的一個方便、有效的捷徑。根據(jù)系統(tǒng)需求建立邏輯電路，用虛擬器件在工作區(qū)建立電路；對元件進行參數(shù)和標號的設置；連接信號源等虛擬儀器；分析功能和參數(shù)；不斷運行仿真和調試電路；保存電路圖和仿真結果。設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程Fig.1 Design flow

2 EWB具體實現(xiàn)邏輯電路設計

2.1 四位同步二進制可逆計數(shù)器（74191）

計數(shù)是一種最簡單、最基本的運算，在各種數(shù)字系統(tǒng)中，往往需要對脈沖進行計數(shù)、分頻，實現(xiàn)測量、運算、控制等各項功能。四位同步二進制可逆計數(shù)器74191功能如表1所示[8-10]。

表1 74191的功能表Tab.1 74191 menus

2.2 計數(shù)器的硬件描述語言

module count_yzq（out，data，clk，load，reset）；

output[3:0]out；

input[3:0]data；

input load，reset，clk；

reg[3:0]out；

always@（posedge clk） //clk上升沿觸發(fā)

begin

if（!reset）out=9'h000； //同步清零，低電平有效

else if（load）out=data； //同步預置

else if（out＞=15）out=9'h000； //計數(shù)最大值為 15，超過清零

else out=out+1； //計數(shù)

end

endmodule

2.3 用EWB實現(xiàn)四位同步二進制可逆計數(shù)器

啟動EWB，根據(jù)電路原理圖在EWB的不同的器件庫取出所需的各種元器件以及虛擬儀器，拖曳到電路工作區(qū)中，按照電路原理圖進行布局調整，連接成實驗電路。對實驗電路中的元器件、儀器儀表、導線及節(jié)點進行設置。設置元器件標識、參數(shù)；設置儀器儀表標識、參數(shù)和有關的功能或控制選項；設置導線及節(jié)點的標識及顏色。用74191芯片構成的四位同步二進制可逆計數(shù)器實驗電路如圖2所示。

檢查電路，確認無誤后單擊主窗口的啟動開關 “O/I”按鈕，電路開始仿真，若再單擊此按鈕，則仿真實驗停止。運行過程中，可對元器件的參數(shù)進行實時調整，觀測譯碼數(shù)碼管數(shù)字變化（以16進制進行顯示）、5個顯示燈的模擬顯示。雙擊數(shù)字邏輯信號分析儀，打開面板，用于數(shù)字邏輯的高速采集和時序分析。單擊Clock組合框中的Set按鈕，對電路的Intemal Clock rate進行設置，同時單擊增減按鈕，設置Clooks per division，可以觀察波形的變化，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確與否。用74191芯片構成的四位同步二進制可逆計數(shù)器實驗電路波形圖如圖3所示。

圖2 四位同步二進制可逆計數(shù)器實驗電路圖Fig.2 The four synchronous binary reversible counter

圖3 四位同步二進制可逆計數(shù)器實驗波形顯示框Fig.3 The four synchronous binary reversible counter experiment circuit waveform chart

通過對四位同步二進制可逆計數(shù)器設計。在EWB系統(tǒng)中，有許多指示電路工作狀態(tài)和顯示電路數(shù)值的器件，靈活的運用它們可使仿真效果更加逼真、生動。用彩色指示探頭可以實時標識數(shù)字電路輸出端子是處于高電平還是處于低電平；用譯碼數(shù)碼管可以直接連在數(shù)字電路輸出端子上，實時顯示它們的數(shù)字信息。使用彩色指示探頭時要注意它是單端器件，工作電壓應匹配。而譯碼數(shù)碼管則需注意輸入的是四位二進制數(shù)，顯示為十六進制數(shù)。數(shù)字邏輯信號分析儀可以實時監(jiān)測波形的變化。

3 結 論

EWB軟件是一個全開放性的仿真試驗平臺，對傳統(tǒng)實驗方法的充實與改進。EWB仿真軟件集成了成千上萬的元器件，具有獨立的電子元件、集成電路、數(shù)字電路、信號發(fā)生器（模擬和數(shù)字）、顯示器件和測量儀器儀表等。功能強大，能夠方便地實現(xiàn)各種電子線路的仿真實驗，對電子電路進行綜合分析、設計和創(chuàng)新。實驗過程非常接近實際操作的效果，各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，電路調試變得快捷方便。通過電腦屏幕來觀察仿真測量儀器上的數(shù)據(jù)及波形變化情況，分析電路的效果和結果來驗證設計的可行性。

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