雷霞 張華忠 鐘勉

摘要：為滿(mǎn)足新工科與工程認(rèn)證的人才培養(yǎng)要求，豐富數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和設(shè)計(jì)能力，將Matlab應(yīng)用到課程教學(xué)中。利用Matlab中GUI和Simulink仿真工具箱，開(kāi)發(fā)了可視化的數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以對(duì)數(shù)字電路中常見(jiàn)的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行仿真。通過(guò)GUI模塊建立的可視化界面控制Simulink的參數(shù)并運(yùn)行Simulink仿真，把仿真結(jié)果顯示在圖形用戶(hù)界面中，方便學(xué)生直觀(guān)地觀(guān)察結(jié)果和加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞：Simulink；Matlab；數(shù)字電路；仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）11-0001-04

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，在電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案的課程體系中起著重要作用。本專(zhuān)業(yè)在工程認(rèn)證背景下，基于OBE理念對(duì)課程進(jìn)行了教學(xué)改革和建設(shè)，將Matlab仿真引入課程教學(xué)中，利用Simulink仿真模塊對(duì)一些數(shù)字電路模塊進(jìn)行仿真，利用GUI呈現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面，直接在界面中調(diào)整Simulink 模型參數(shù)，直觀(guān)地觀(guān)察到仿真結(jié)果，利于學(xué)生理解和分析電路[1-2]。將Simulink和GUI虛擬仿真應(yīng)用到數(shù)字電路教學(xué)中，不僅可以節(jié)約硬件設(shè)備資源，也有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生利用理論知識(shí)和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[3-4]。

1 數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于Matlab的GUI 設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，系統(tǒng)主要由組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩部分組成，點(diǎn)擊界面相應(yīng)按鈕跳轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)電路模塊進(jìn)行仿真，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架和仿真平臺(tái)主界面如圖1所示。

2 基于Matlab Simulink的數(shù)字電路仿真模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 組合邏輯電路仿真

2.1.1 全加器的設(shè)計(jì)及仿真

1 位全加器電路是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的重點(diǎn)電路[5]，用于計(jì)算兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加。將兩個(gè)單獨(dú)的二進(jìn)制數(shù)和低位的進(jìn)位相加，產(chǎn)生一個(gè)本位和以及一個(gè)向高位的進(jìn)位。在Simulink模塊庫(kù)中選擇Logicand Bit Operations子庫(kù)內(nèi)的Logic Operator模塊，根據(jù)邏輯表達(dá)式設(shè)置對(duì)應(yīng)的功能模塊參數(shù)，參照邏輯電路圖將功能模塊放置合適的位置后用連接線(xiàn)連接各模塊。需要注意的是，實(shí)現(xiàn)Simulink和GUI 界面之間的數(shù)據(jù)傳遞，3個(gè)輸入端需要設(shè)置為From Workspace模塊，2個(gè)輸出端設(shè)置為T(mén)o Workspace模塊。同時(shí)，為保障電路順利運(yùn)行還需加上Power GUI模塊。Matlab的GUI通過(guò)open_system加載需要控制的Simulink模型，在GUI控件的回調(diào)函數(shù)中設(shè)置Simulink仿真所需的輸入?yún)?shù)。建立的Simulink模型，需要存放在與GUI的FIG（.fig） 文件相同的位置，通過(guò) From Workspace 模塊跨空間將GUI界面中設(shè)置的輸入?yún)?shù)傳遞給Simulink 模型計(jì)算，同時(shí)通過(guò) To Workspace 模塊將Simulink仿真后計(jì)算結(jié)果輸出至工作空間，從而實(shí)現(xiàn)Simulink和GUI之間的參數(shù)相互調(diào)用[6-9]。

建立Simulink 仿真模型后，利用Matlab 軟件的GUIDE工具進(jìn)行用戶(hù)界面設(shè)計(jì)。界面設(shè)計(jì)主要包括界面布局、設(shè)置控件的屬性、編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)三個(gè)方面，保存會(huì)自動(dòng)生成兩個(gè)文件，其中文件FIG（.fig） 中包含了 GUI 對(duì)象的布局信息和屬性設(shè)置，M文件（.m） 中保存所需函數(shù)用以實(shí)現(xiàn)具體功能[6]。1位全加器仿真界面如圖2所示，整個(gè)仿真過(guò)程流程如下：左上方是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)，輸入相應(yīng)的參數(shù)A、B和CI后點(diǎn)擊下方“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕，跳轉(zhuǎn)到Simulink全加器電路仿真，右上方實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出區(qū)顯示CO和S的計(jì)算結(jié)果。點(diǎn)擊“真值表”按鈕在界面左下方顯示全加器真值表，點(diǎn)擊“Simulink仿真模型”按鈕顯示Simulink 全加器仿真電路模型。整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)界面整潔美觀(guān)、層次結(jié)構(gòu)清晰，同時(shí)增加各種控件用以豐富課件的功能和知識(shí)性，可以一定程度地提高教學(xué)效果和效率，增加學(xué)生對(duì)該課程的興趣。

2.1.2 3-8譯碼器的設(shè)計(jì)及仿真

3-8 譯碼器是一種常用的組合邏輯電路，輸入的3 位二進(jìn)制代碼共有8種狀態(tài)，譯碼器將這8種狀態(tài)譯為對(duì)應(yīng)的8 位高、低電平信號(hào)。譯碼器的每個(gè)輸出都對(duì)應(yīng)著一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)確定的輸入，且只有一個(gè)輸出會(huì)被置為1，其他輸出都為0。譯碼器可以將三輸入變量的全部最小項(xiàng)進(jìn)行譯碼輸出。

3-8譯碼器電路實(shí)驗(yàn)仿真GUI界面如圖3（a）所示。整個(gè)仿真過(guò)程流程如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整輸入?yún)?shù)，單擊“ 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕，跳轉(zhuǎn)到Siumink仿真電路頁(yè)面，右上方輸出區(qū)顯示計(jì)算結(jié)果。點(diǎn)擊“真值表”按鈕顯示3-8 譯碼器的真值表，點(diǎn)擊“Simulink 仿真模型”按鈕顯示Simulink 電路仿真模型。根據(jù)真值表和邏輯函數(shù)表達(dá)式，利用Simulink搭建3-8譯碼器電路，搭建完成后的3-8譯碼器Simulink 仿真電路圖如圖3（b）所示。以A2=1，A1=0，A0=1 為例，輸出高電平有效，只有Y5=1，其余輸出均為0，通過(guò)Simulink仿真得到的計(jì)算結(jié)果如圖3（a）所示。

2.1.3 優(yōu)先編碼器的設(shè)計(jì)及仿真

編碼器的邏輯功能是將輸入的每一個(gè)高低電平信號(hào)編譯為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼。在優(yōu)先編碼器電路中，事先確定所有輸入信號(hào)的優(yōu)先順序，編碼方式是優(yōu)先級(jí)較高的輸入信號(hào)擁有較高的權(quán)重。允許同時(shí)輸入兩個(gè)及以上的輸入信號(hào)，電路只對(duì)其中優(yōu)先級(jí)最高的一個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼。

根據(jù)經(jīng)典8線(xiàn)-3線(xiàn)優(yōu)先編碼器74HC138的內(nèi)部邏輯電路圖，在Simulink選擇相應(yīng)模塊搭建8線(xiàn)-3線(xiàn)優(yōu)先編碼器電路，搭建完成后的8線(xiàn)-3線(xiàn)優(yōu)先編碼器電路實(shí)驗(yàn)仿真界面如圖4（a）所示，Simulink 仿真電路圖如圖4（b）所示。用戶(hù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整輸入?yún)?shù)，以Y0=0，Y1=0，Y2=1，Y3=0，Y4=1，Y5=0，Y6=1，Y7=1 為例，代表Y2、Y4、Y6、Y7這4路輸入信號(hào)均有編碼需求，編碼器電路只對(duì)優(yōu)先級(jí)最高的Y7信號(hào)進(jìn)行編碼，輸出結(jié)果為111。通過(guò)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解優(yōu)先編碼器電路原理，可以方便、有效地對(duì)電路進(jìn)行分析。

2.2 時(shí)序邏輯電路仿真

2.2.1 移位寄存器的設(shè)計(jì)及仿真

移位寄存器是一種常用的時(shí)序邏輯電路，具有存儲(chǔ)代碼和移位的功能，在移位脈沖的作用下寄存器里存儲(chǔ)的代碼可以依次左移或右移。移位寄存器不僅可以存儲(chǔ)代碼，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、串行-并行轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算等。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，利用D觸發(fā)器構(gòu)建右移移位寄存器，參照電路原理圖，從Simulink 庫(kù)瀏覽器中選擇對(duì)應(yīng)的模塊，連接所有的信號(hào)線(xiàn)，使得模型中的所有端口連接正確，其中第一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端用來(lái)接收輸入信號(hào)，剩下的3個(gè)觸發(fā)器的輸入端均與前面一個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q相連，建立的右移移位寄存器的Simulink 模擬模型和仿真波形圖如圖5（a） 和（b）所示。

2.2.2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及仿真

計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中使用最多的時(shí)序邏輯電路，可以對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)、分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等。同步計(jì)數(shù)器通常由T觸發(fā)器構(gòu)成，可以控制輸入端T 的狀態(tài)和控制時(shí)鐘CLK信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，通過(guò)計(jì)數(shù)器電路的不同狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的CLK脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。參照同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的原理圖在Simulink中搭建好電路，用JK觸發(fā)器構(gòu)成T 觸發(fā)器，所有觸發(fā)器共用同一個(gè)時(shí)鐘，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)時(shí)，使需要翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器輸入控制端T=1，不需要翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器輸入控制端T=0，建立的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的Simulink 模擬模型和仿真波形圖如圖6（a）和（b）所示。由圖6（b）可知，十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路可以實(shí)現(xiàn)從0000開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，計(jì)入第九個(gè)輸入脈沖后，電路進(jìn)入到1001狀態(tài)，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)輸入脈沖到達(dá)后，電路返回到0000狀態(tài)并且輸出進(jìn)位信號(hào)C=1。

2.2.3 順序脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)及仿真

順序脈沖發(fā)生器可以由移位寄存器構(gòu)成。采用移位寄存器構(gòu)成環(huán)形計(jì)數(shù)器，當(dāng)環(huán)形計(jì)數(shù)器工作在每個(gè)狀態(tài)中只有一個(gè)為1的循環(huán)狀態(tài)時(shí)，就在時(shí)鐘脈沖的依次作用下，各觸發(fā)器依次輸出正脈沖，并不斷循環(huán)輸出順序脈沖。

根據(jù)電路原理圖從Simulink 庫(kù)中選擇相應(yīng)的模塊，將模塊依次連接。建立的順序脈沖發(fā)生器的Simulink 模擬模型和仿真波形圖如圖7（a）和（b）所示。觸發(fā)器的輸入端使用時(shí)鐘模塊來(lái)模擬時(shí)鐘信號(hào)， 觸發(fā)器的輸出端連接Scope 模塊進(jìn)行可視化展示，用于觀(guān)察脈沖序列的輸出波形和周期性等特征。在仿真過(guò)程中，可以調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)頻率、仿真時(shí)間等仿真參數(shù)，并實(shí)時(shí)觀(guān)察仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

本文基于Matlab的GUI技術(shù)和Simulink仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電子基礎(chǔ)課程中涉及的常見(jiàn)的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真，充分地結(jié)合界面操控與模型仿真的優(yōu)點(diǎn)，提高軟件實(shí)用性。將枯燥、難懂的理論知識(shí)變成直觀(guān)、易解的框圖模型，有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)字電路理論的理解，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而有利于促進(jìn)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)效果和質(zhì)量的提高。

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【通聯(lián)編輯：王力】