Matlab/Simulink在“數(shù)字電路”中的應(yīng)用

何 松

（常州工學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213032）

Matlab是由美國The MathWorks公司開發(fā)的軟件，是MatrixLaboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，一種高效的工程計(jì)算機(jī)語言。它集概念設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、建模仿真、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)于一體，方便使用且適于集成環(huán)境。Matlab的一個(gè)重要的分支產(chǎn)品是Simulink，它結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力，是一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的工具。Simulink模型是用繪制方框圖代替程序編寫，使得系統(tǒng)編寫具有了可視化的功能，同時(shí)也可借助模擬示波器等虛擬設(shè)備更加直觀地顯示仿真動(dòng)態(tài)結(jié)果。Simulink也是目前動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真等方面應(yīng)用最為廣泛的軟件之一[1]。

“數(shù)字電路”課程是信息、電子類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。數(shù)字電路由若干個(gè)數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。按照邏輯功能不同特點(diǎn)，可以分成組合邏輯、時(shí)序邏輯兩大類電路。傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)中，大多采用實(shí)驗(yàn)箱，讓學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)電路，操作簡單。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，除了關(guān)注學(xué)生的動(dòng)手操作能力，更加強(qiáng)調(diào)知識體系的分析和應(yīng)用能力。如果能夠較好地利用Matlab/Simulink方針技術(shù)，將可以使教師的講解更加生動(dòng)，學(xué)生也可以更加直觀地看到電路運(yùn)行時(shí)的波形變化，更加容易被學(xué)生理解，從而提高學(xué)習(xí)效率[2]。

1 仿真實(shí)例

本文以并行寄存器為例。設(shè)計(jì)中使用基本RS觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)2位并行寄存器。并行寄存器就是能夠同時(shí)存儲(chǔ)幾個(gè)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的寄存器。Simulink中提供了基本RS觸發(fā)器模塊。首先在Matlab中運(yùn)行Simulink，然后新建一個(gè)模型，將RS觸發(fā)器的模塊添加到模型中，通過在這個(gè)模塊上右擊鼠標(biāo)，單擊彈出菜單中的“Look Under Mask”（查看下封裝下的電路）命令，可以看到這個(gè)模塊內(nèi)部電路?；綬S觸發(fā)器模塊及其內(nèi)部電路如圖1所示。

圖1 基本RS觸發(fā)器模塊及內(nèi)部電路

1.1 設(shè)計(jì)原理

觸發(fā)器（Flip Flop）是一種可以存儲(chǔ)電路狀態(tài)的電子元件。最簡單的是由兩個(gè)或非門，兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端組成的RS觸發(fā)器，邏輯符號如圖2所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖2 RS觸發(fā)器邏輯符號

圖3 RS觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換

RS觸發(fā)器的真值表如表1所示。

表1 RS觸發(fā)器真值表

復(fù)雜一些的有帶時(shí)鐘（CLK）端和D（Data）端，當(dāng)CLK端是高電平時(shí)跟隨D端狀態(tài)，當(dāng)CLK端變?yōu)榈碗娖降乃查g鎖存信號。更常用的是兩個(gè)簡單D觸發(fā)器相級聯(lián)，在時(shí)鐘下跳沿鎖存信號的邊緣D觸發(fā)器，廣泛應(yīng)用于計(jì)數(shù)器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器等電子器件。

1.2 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)一個(gè)兩位并行寄存器需要2個(gè)基本RS觸發(fā)器，而且這個(gè)寄存器要在同一個(gè)激勵(lì)下，從輸入端讀入數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)一段時(shí)間后，在下個(gè)周期將信號輸出，同時(shí)讀入新的信號。這就需要將時(shí)鐘源信號作為輸入信號的控制端，由于輸入信號R和S不能同時(shí)為1，所以通過一個(gè)非門將它們聯(lián)系起來，迫使兩個(gè)端口信號不同時(shí)為高電平[3-4]。

1.3 模塊參數(shù)設(shè)置

用基本RS觸發(fā)器構(gòu)造并行寄存器，需要5個(gè)模塊：RS觸發(fā)器、時(shí)鐘源、脈沖源、邏輯運(yùn)算模塊、示波器。搭建模型后，需要修改模塊參數(shù)。RS觸發(fā)器模塊只有一個(gè)參數(shù)即觸發(fā)器的初始狀態(tài)，也就是Q端的初始值，默認(rèn)值為0。時(shí)鐘源模塊的參數(shù)時(shí)鐘周期，采用默認(rèn)值2。4個(gè)邏輯運(yùn)算模塊均設(shè)置為2輸入與非門。將脈沖源模塊的Pulse Type選擇Sample based，其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。示波器輸入端口改為5個(gè)，完成參數(shù)設(shè)計(jì)部分[5]。

表2 并行寄存器脈沖源參數(shù)設(shè)置

1.4 仿真結(jié)果

將各模塊擺放合適，完成連線，仿真圖如圖4所示。仿真時(shí)間默認(rèn)為10 s，開始仿真，通過示波器觀察到輸出波形，如圖5所示。

圖4 2位并行寄存器電路

圖5 示波器輸出結(jié)果

從波形上可以看出，當(dāng)時(shí)鐘源處于低電平時(shí)，觸發(fā)器輸出保持在時(shí)鐘跳變前的數(shù)值，對于D1和D0輸入的變化沒有改變，而當(dāng)時(shí)鐘源處于高電平時(shí)，輸入的信號全部送入輸出端，這是一個(gè)不穩(wěn)定的因素，也是電平觸發(fā)的觸發(fā)器的一個(gè)缺點(diǎn)。并且兩個(gè)觸發(fā)器完全獨(dú)立工作，互不影響，這就是并行的特點(diǎn)。

2 結(jié)語

雖然Mat lab軟件中還沒有提供用于數(shù)字電路仿真的專用工具箱，但提供一些常用的模塊，可以使用已有的模塊，自行構(gòu)建所需模塊，組成一個(gè)小型的虛擬實(shí)驗(yàn)箱，來滿足基本的教學(xué)需要，同時(shí)可以作為學(xué)生的課外學(xué)習(xí)或?qū)嶒?yàn)使用。

在未來的教學(xué)中，可以考慮將Matlab/Simulink和GUI部件相結(jié)合，對數(shù)字電路進(jìn)行仿真運(yùn)行，為數(shù)字電路教學(xué)提供另外一種很好的方法。GUI用戶界面的融合，提高了仿真的效率，操作非常簡便，使用者不需要掌握計(jì)算機(jī)語言，一切操作都可以在鼠標(biāo)的點(diǎn)擊和拖動(dòng)下完成，而且具有可開發(fā)性。它為數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的方式，也為數(shù)字電路的理論教學(xué)提供了一種輔助教學(xué)手段。

[參考文獻(xiàn)]

[1]唐競新.數(shù)字電子電路[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]潘曉明.基于Matlab數(shù)字電路建模與仿真[J].柳州師專學(xué)報(bào)，2007（4）：128-129.

[3]張森，張正亮.Matlab仿真技術(shù)與實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]劉磊.Matlab在“數(shù)字電路”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008（5）：79-81.

[5]陳懷琛.Matlab及在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.