任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)在EWB中的仿真實(shí)驗(yàn)

蔡娟娟

（福建師范大學(xué)人民武裝學(xué)院，福建 福州 350007）

任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)在EWB中的仿真實(shí)驗(yàn)

蔡娟娟

（福建師范大學(xué)人民武裝學(xué)院，福建 福州 350007）

EWB軟件用于數(shù)字電路教學(xué)中，可以把抽象的電子電路變得更加生動(dòng)、直觀，加深學(xué)生對(duì)電子電路的理解。以設(shè)計(jì)任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器為例，列舉幾種不同的設(shè)計(jì)方法用EWB軟件進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，同時(shí)指出若干設(shè)計(jì)方法在仿真實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

數(shù)字電路；EWB；電路仿真；計(jì)數(shù)器

《數(shù)字電路》是高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以使得學(xué)生對(duì)實(shí)際電路有更直觀、更感性的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)電路知識(shí)的理解和實(shí)際應(yīng)用能力。隨著教學(xué)方法的改革和教學(xué)手段多樣化的改善，可在教學(xué)中引入電路仿真軟件，如Electronics Workbench（EWB），建立“電子虛擬工作平臺(tái)”。該軟件的仿真結(jié)果與實(shí)際電路結(jié)果幾乎相同，將它用于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程中，還可減少儀器設(shè)備的損耗，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率。學(xué)生可在課后根據(jù)所學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)電路，用軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，從而大大提高學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

一、EWB軟件簡(jiǎn)介

EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的一款電子電路仿真分析、設(shè)計(jì)軟件，它具有直觀的界面，用戶(hù)學(xué)習(xí)操作十分簡(jiǎn)便，該軟件與其升級(jí)版本Multisim軟件相比，使用方式與實(shí)際更接近，同時(shí)它還帶有豐富齊全的元器件庫(kù)，根據(jù)需要可靈活改變各器件的參數(shù)，因此它能演示各種復(fù)雜電路系統(tǒng)，以查看結(jié)果。

EWB軟件的運(yùn)行界面主要由菜單欄（menus）、工具欄（toolbars）、電路工作窗口（circuit window）、元器件庫(kù)欄（parts bin toolbar）、描述窗口（description window）、啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)、暫停/恢復(fù)開(kāi)關(guān)、狀態(tài)欄(status line)等組成。在EWB軟件中創(chuàng)建電路，所需的各種元器件、測(cè)試指示器件都是直接從元器件庫(kù)欄中用鼠標(biāo)拖至電路工作區(qū)，且圖形與實(shí)物外觀接近。電路創(chuàng)建后，可點(diǎn)擊右上角的電源開(kāi)關(guān)開(kāi)始仿真，再次點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)，即可中途中斷仿真。

軟件中儀器庫(kù)的邏輯轉(zhuǎn)換儀能幫助我們快速地完成邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)或邏輯表達(dá)式、真值表、電路圖三者之間的轉(zhuǎn)換，為組合邏輯電路的分析、設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。此外，EWB軟件還可用于演示組合邏輯電路中可能出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)—冒險(xiǎn)現(xiàn)象，優(yōu)先編碼器、時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)等。

二、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)

下面以十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160為例進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。為能直接觀察計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過(guò)程，在以下設(shè)計(jì)中，CLK脈沖頻率均為1HZ，Q輸出端接譯碼數(shù)碼管以顯示十進(jìn)制數(shù)字。

1.單片計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

以7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)為例，由于7進(jìn)制計(jì)數(shù)器的模小于74160計(jì)數(shù)器的模，所以設(shè)計(jì)只需一片74160即可完成。設(shè)計(jì)方法有異步清零法、置數(shù)法（預(yù)置數(shù)為零）、置數(shù)法（進(jìn)位信號(hào)反饋），由于篇幅所限，這里先介紹置數(shù)法（預(yù)置數(shù)為零），仿真電路如圖1所示：

圖1 置數(shù)法（預(yù)置數(shù)為零）

計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)設(shè)為0，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到6時(shí)，使用同步置數(shù)端LOAD’，強(qiáng)制改變計(jì)數(shù)器的次態(tài)為預(yù)置數(shù)狀態(tài)0，從而實(shí)現(xiàn)了7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

2.計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

如果設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器的模大于74160的模，則需要多片74160計(jì)數(shù)器進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法有同步級(jí)聯(lián)、異步級(jí)聯(lián)，兩者的差別在于時(shí)鐘信號(hào)端是否相連。下面以23進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例介紹同步級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，仿真電路如圖2所示：

圖2 同步級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)的23進(jìn)制計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器（1）為高位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器（2）為低位計(jì)數(shù)器，兩片時(shí)鐘信號(hào)端接在一起，計(jì)數(shù)器（2）的進(jìn)位信號(hào)連到計(jì)數(shù)器（1）的計(jì)數(shù)使能端，以控制高位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，通過(guò)此同步級(jí)聯(lián)方法把兩片連接成100進(jìn)制計(jì)數(shù)器，同時(shí)計(jì)數(shù)器（1）和計(jì)數(shù)器（2）預(yù)置數(shù)端均接0，設(shè)置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到22時(shí)，利用同步置數(shù)端把兩片計(jì)數(shù)器的次態(tài)均改為0，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

以上設(shè)計(jì)仿真結(jié)果均與理論分析一致。

三、軟件的局限性

EWB軟件雖然應(yīng)用廣泛，但它通常是在較理想的情況下進(jìn)行仿真的，該軟件存在一些問(wèn)題及瑕疵，因此用它進(jìn)行電路分析設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，影響正確的電路設(shè)計(jì)。例如：

1.置數(shù)法（進(jìn)位信號(hào)反饋）

計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)接3，進(jìn)位信號(hào)端通過(guò)非門(mén)連到同步置數(shù)端，仿真電路如圖3所示：

圖3 置數(shù)法（進(jìn)位信號(hào)反饋）

從理論上分析，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到9時(shí)，進(jìn)位信號(hào)為1，利用此時(shí)的同步置數(shù)端有效，強(qiáng)制改變計(jì)數(shù)器的下個(gè)狀態(tài)為預(yù)置數(shù)3，之后正常計(jì)數(shù)，此電路可實(shí)現(xiàn)7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。但實(shí)際仿真結(jié)果與預(yù)期不同，計(jì)數(shù)器置數(shù)后，即停止計(jì)數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)，預(yù)置數(shù)為3或5時(shí)，計(jì)數(shù)器的仿真運(yùn)行均不能正常計(jì)數(shù)，而預(yù)置數(shù)為其他值時(shí)，計(jì)數(shù)器可正常工作。

2.異步級(jí)聯(lián)法（以100進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例）

與同步級(jí)聯(lián)法方法不同的是，計(jì)數(shù)器（2）的進(jìn)位信號(hào)通過(guò)非門(mén)連到計(jì)數(shù)器（1）的時(shí)鐘信號(hào)端，兩片計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)端并未連在一起，仿真電路如圖4所示：

圖4 異步級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)的100進(jìn)制計(jì)數(shù)器

仿真結(jié)果與理論分析存在少許誤差，高位計(jì)數(shù)從1開(kāi)始，而不是預(yù)期的0。其原因是EWB軟件進(jìn)行電路仿真時(shí)，所有器件初態(tài)均為0，因此電路一激活，經(jīng)非門(mén)后，時(shí)鐘信號(hào)從0到1，出現(xiàn)有效上升沿，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器立刻加一。但循環(huán)一周后計(jì)數(shù)器可恢復(fù)正常工作，從0計(jì)數(shù)到99。

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，EWB軟件還存在一些不足的地方，比如：該軟件編輯菜單中沒(méi)有撤銷(xiāo)恢復(fù)功能；線(xiàn)路較復(fù)雜時(shí)，移動(dòng)某段線(xiàn)路可能會(huì)造成其他線(xiàn)路中斷；有時(shí)線(xiàn)路節(jié)點(diǎn)非自動(dòng)生成；數(shù)碼管幫助中的功能說(shuō)明與實(shí)際使用不符；TTL門(mén)輸入端懸空時(shí)的處理、Π的取值均有誤等。

EWB仿真軟件用在數(shù)字電路輔助教學(xué)中，能提高教學(xué)效率，增強(qiáng)課堂氣氛的活躍度，加深學(xué)生的理解能力，還可以從根本上克服實(shí)驗(yàn)器材在規(guī)格、數(shù)量上的限制。但需要注意的是，仿真設(shè)計(jì)的電路并不能完全等同于實(shí)際設(shè)計(jì)的電路，兩者是有所差別的，經(jīng)軟件仿真設(shè)計(jì)后，應(yīng)當(dāng)利用實(shí)物元器件安裝調(diào)試，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性。由此可見(jiàn)，像這種新教學(xué)手段的引入并不能完全取代傳統(tǒng)的教學(xué)方法，兩者應(yīng)當(dāng)取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將新教學(xué)手段合理地融合到傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，才能取得更好的教學(xué)效果。

［1］曾柳娟，全宏瑞，王艷玲.EWB仿真軟件在《數(shù)字電路》課程教學(xué)中的輔助作用［J］.桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，（1）：174-177.

［2］陳潔，成曉梅，龐壽全，呂集爾.EWB5.0在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（3）：40-44.

［3］陳夢(mèng)喆.仿真軟件EWB的優(yōu)劣分析［J］.煤炭技術(shù)，2010，（2）：23-25.

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