反饋置數(shù)法與反饋清零法仿真分析

高金定　許慧燕　鄔書躍

摘 要： 數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，EDA軟件輔助數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)是發(fā)展趨勢。利用Quartus II軟件，以74160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器芯片為例，采用原理圖輸入設(shè)計(jì)方法，分別用反饋置數(shù)法和反饋清零法設(shè)計(jì)了24進(jìn)制計(jì)數(shù)器并進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：將仿真軟件應(yīng)用到數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能直觀演示出復(fù)雜抽象的設(shè)計(jì)思想，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有重要的意義。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字電路； 反饋置數(shù)法； 反饋清零法； Quartus II； 計(jì)數(shù)器； 仿真分析

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）02-26-03

Simulation analysis of feedback number setting method and feedback clearing method

Gao Jinding， Xu Huiyan， Wu Shuyue

（School of information science and engineering， Hunan International Economics University， Changsha， Hunan 410205， China）

Abstract： Digital electronic technology is an important professional basic course of electronic information specialties. Using EDA software of digital electronic technology course teaching is the trend of development. In this paper， by using Quartus II software， taking 74160 decimal addition counter chip as an example， using Quartus II schematic diagram design method， the 24 binary counter are designed and simulated using feedback number setting method and feedback clearing method respectively. The results showed that： the application of simulation software to the digital electronic technology teaching can intuitively demonstrate the design idea of complex abstract. It is significant to improve the learning effect of students and stimulate students' interest in learning.

Key words： digital circuit； feedback number setting method； feedback reset method； Quartus II； counter； simulation analysis

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，也是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。如何提高數(shù)字電路課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，盡可能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是課程教學(xué)改革一直追求的目標(biāo)[1-4]。湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程是湖南省普通高等學(xué)校精品課程，多年來，通過統(tǒng)籌建設(shè)數(shù)字電子技術(shù)/EDA技術(shù)/SOPC技術(shù)課程群，將先進(jìn)EDA技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中來，注重仿真教學(xué)與實(shí)物設(shè)計(jì)相結(jié)合，取得了較好的效果[5]。本文以集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)為例，介紹Quartus II軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，這對數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革具有參考意義，相關(guān)成果榮獲2014年度湖南省普通高等學(xué)?，F(xiàn)代教育技術(shù)競賽二等獎。

1 Quartus II軟件概述

Quartus II是世界著名可編程邏輯器件供應(yīng)商Altera公司開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺。該平臺主要支持原理圖輸入和HDL硬件描述語言文本輸入兩大類設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)輸入完成后該軟件能自動將設(shè)計(jì)文件進(jìn)行分析、邏輯綜合、適配及時(shí)序網(wǎng)表提取等操作，設(shè)計(jì)者可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)序仿真與分析，以此來驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想[5-6]。

2 集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法

計(jì)數(shù)器是數(shù)字電路的基礎(chǔ)部件，其基本功能是對時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在此基礎(chǔ)上可以完成時(shí)鐘信號分頻等功能。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器還廣泛應(yīng)用于具有多種狀態(tài)的事件控制，此外與譯碼器相結(jié)合，還能完成一些較復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比如動態(tài)掃描控制，矩陣鍵盤掃描控制，花樣彩燈控制，樂曲演奏電路設(shè)計(jì)等等。反饋置數(shù)法和反饋清零法是集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的兩種基本方法，也是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)[7-12]。

3 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與仿真分析

反饋置數(shù)法和反饋清零法比較抽象，采用傳統(tǒng)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)方式學(xué)生很難理解透徹。利用Quartus II軟件仿真，則非常直觀，而且便于修改與發(fā)揮。以74160集成計(jì)數(shù)器為例，利用兩片74160芯片級聯(lián)，采用同步的方式設(shè)計(jì)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74160是同步置數(shù)、異步清零十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器芯片，其中CLK為時(shí)鐘信號，CLRN為清理信號，異步清零，低電平有效。ENT和ENP為計(jì)數(shù)使能信號，高電平有效。LDN為預(yù)置數(shù)使能信號，同步置數(shù)，低電平有效，A、B、C、D為預(yù)置數(shù)輸入端。QA、QB、QC、QD為計(jì)數(shù)器技術(shù)輸出，QD是最高位，QA是最低位，RCO為進(jìn)位信號。

采用反饋置數(shù)方法設(shè)計(jì)的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖1所示。從圖1可以看出，采用反饋置數(shù)的方式當(dāng)計(jì)數(shù)到23（s[1]=1& g[0]=1& g[1]=1）時(shí)，通過與非門產(chǎn)生有效的低電平給預(yù)置數(shù)使能端LDN，在時(shí)鐘上升沿到來時(shí)立即置數(shù)，又從預(yù)置的0開始計(jì)數(shù)。把en使能信號考慮進(jìn)來，主要是為了滿足級聯(lián)組成更大的計(jì)數(shù)器（比如電子鐘）時(shí)使用，以避免最后一個(gè)狀態(tài)23只保持1個(gè)時(shí)鐘周期。時(shí)序仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，采用反饋置數(shù)方法，臨界狀態(tài)23可以穩(wěn)定輸出。

采用反饋清零法設(shè)計(jì)的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖3所示。與反饋置數(shù)法不同，由于74160是異步清零，清零操作與時(shí)鐘信號無關(guān)，只要清零信號能夠被電路檢測到，清零操作立即完成。所以臨界狀態(tài)不能取23，只能取24，即當(dāng)g[2]=1并且s[1]=1時(shí)，通過二輸入與非門NAND2產(chǎn)生低電平作為清零信號。co進(jìn)位信號則任然只能從23這個(gè)狀態(tài)來取，因?yàn)?4保持的時(shí)間太短，只有幾個(gè)ns。圖4是時(shí)序仿真波形圖，可以看出，采用反饋清零方法，24這個(gè)臨近狀態(tài)保持的時(shí)間極短，不能作為計(jì)數(shù)器穩(wěn)定的輸出狀態(tài)來使用。

4 結(jié)束語

借助Quartus II軟件仿真，可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法用直觀的方式展現(xiàn)出來，能加深學(xué)生對課程理論內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生分析和解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張敬懷.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管

理，2003.56（7）：134-135

[2] 杜世民，楊相生，楊潤萍，殷金曙.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)

研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012.29（10）：93-96

[3] 張學(xué)成.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，

2011.30（8）：285-288

[4] 劉素芳，趙新穎.用EWB仿真計(jì)數(shù)器74160的可行方案[J].實(shí)驗(yàn)室研

究與探索，2008.27（2）：162-265.

[5] 高金定，鄔書躍，孫彥彬，周亞，侯玉寶.EDA技術(shù)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的

構(gòu)建與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011.28（2）：158-160

[6] 任愛鋒，孫萬蓉，石光明.EDA實(shí)驗(yàn)與數(shù)字電路相結(jié)合的教學(xué)模式的

實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009.26（4）：200-208

[7] 孫紅.基于異步計(jì)數(shù)器的實(shí)驗(yàn)探究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008.6：

18-21

[8] 邱紅.數(shù)字電路綜合性設(shè)計(jì)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008.11（1）：

87-88

[9] 牛小玲，袁小平，翟小東.基于可編程器件的任意進(jìn)制BCD 碼計(jì)數(shù)器

的設(shè)計(jì)方法[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012.15（6）：100-105

[10] 王爾申，龐濤，李鵬，鄭丹.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程

教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013.30（3）：78-81

[11] 張敏.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與學(xué)生動手能力的培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，

2008.4：92-94

[12] 楊德俊.現(xiàn)代電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)與能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，

2005.10：97-98