虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

鐘海麗

摘 要 將虛擬技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中，是目前高校電子技術(shù)改革的一個(gè)熱點(diǎn)。在多媒體教室，教師在計(jì)算機(jī)上用Quartus II對(duì)所講部分電路進(jìn)行仿真，可以演示課堂上和實(shí)驗(yàn)室無法做到的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，化解學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，很好地體現(xiàn)理論和實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)原則。

關(guān)鍵詞 Quartus II 仿真實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用

1 Quartus II的特點(diǎn)及在教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

利用軟件的方式來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)之一，而Quartus II作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境， 界面友好、功能強(qiáng)大，可以完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、布局布線及邏輯優(yōu)化和仿真測(cè)試，直到實(shí)現(xiàn)既定電子線路系統(tǒng)功能，因此越來越多地應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。[1][2]在數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)當(dāng)中，教師采用Quartus II在計(jì)算機(jī)上虛擬出一個(gè)測(cè)試儀器先進(jìn)、元件品種齊全的電子工作臺(tái)，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室“搬”到課堂，很好地體現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)原則，通過對(duì)電路的仿真、改進(jìn)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題與解決問題的能力，因此將虛擬技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中，是目前高校電子技術(shù)改革的一個(gè)熱點(diǎn)。

2 電路仿真的一般流程

采用Quartus II進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)流程如下：首先是建立工程，輸入程序源或者設(shè)計(jì)原理圖，并進(jìn)行全程綜合與編譯。接下來打開波形編輯器設(shè)置端口節(jié)點(diǎn)，設(shè)置激勵(lì)信號(hào)波形，啟動(dòng)仿真器，分析仿真結(jié)果。

3 電路仿真在教學(xué)中應(yīng)用舉例

計(jì)數(shù)器是時(shí)序邏輯電路中的基礎(chǔ)電路，也是學(xué)生在設(shè)計(jì)中經(jīng)常出錯(cuò)的電路之一。若已有N進(jìn)制計(jì)數(shù)器（如74LS160），現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)M進(jìn)制計(jì)數(shù)器，只能用已有的計(jì)數(shù)器經(jīng)過外電路的不同連接方式實(shí)現(xiàn)。在M>N的情況，必須用多片N進(jìn)制計(jì)數(shù)器組合起來，才能構(gòu)成M進(jìn)制計(jì)數(shù)器。[3]連接方式有串行進(jìn)位方式、并行進(jìn)位方式、本文以串行進(jìn)位方式的方式構(gòu)成100進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

3.1 采用圖形輸入法（見圖1）

3.2 對(duì)電路進(jìn)行仿真（見圖2）

很明顯仿真結(jié)果顯示計(jì)數(shù)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，“08”之后應(yīng)該是“09”，而仿真圖變成“19”，不符合100進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)規(guī)律。

3.3 根據(jù)這個(gè)實(shí)例，可以引導(dǎo)學(xué)生找出錯(cuò)誤原因

由于74LS160是上升沿觸發(fā)，且“1001”與進(jìn)位輸出“1”是同時(shí)出現(xiàn)的，如果直接用低位進(jìn)位信號(hào)去觸發(fā)高位計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)臀粡摹?000”變?yōu)椤?001”的時(shí)候，低位的進(jìn)位輸出從“0”變?yōu)椤?”，正好有個(gè)跳變，這個(gè)跳變將觸發(fā)高位計(jì)數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)“08”之后變成“19”的錯(cuò)誤。所以低位的進(jìn)位輸出必須通過一個(gè)非門接入高位的時(shí)鐘信號(hào)端。[4]

3.4 修改后電路重新仿真（見圖3）

從改正后的電路仿真圖可以看出，低位的進(jìn)位輸出通過一個(gè)非門接入高位的時(shí)鐘信號(hào)端后，“08”之后為是“09”， “09”之后為“10”，完全符合100進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)規(guī)律。

4 結(jié)語

Quartus II 是一種較理想的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)工具，其界面直觀、操作方便，輸入方式靈活，在多媒體教室，教師采用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)對(duì)所講部分電路進(jìn)行仿真，使學(xué)生對(duì)每一堂課的內(nèi)容有個(gè)感性認(rèn)識(shí)，既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，又提高了教學(xué)效率，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，較好地培養(yǎng)他們的自主創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].第四版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 宋萬杰等.CPLD技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[3] 盧毅，賴杰.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2015.