蔡娟娟

（福建師范大學(xué)人民武裝學(xué)院，福建 福州 350007）

任意進制計數(shù)器設(shè)計在EWB中的仿真實驗

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、直觀，加深學(xué)生對電子電路的理解。以設(shè)計任意進制的計數(shù)器為例，列舉幾種不同的設(shè)計方法用EWB軟件進行仿真實現(xiàn)，同時指出若干設(shè)計方法在仿真實驗中可能出現(xiàn)的錯誤。

數(shù)字電路；EWB；電路仿真；計數(shù)器

《數(shù)字電路》是高校計算機專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的實踐性。通過實驗，可以使得學(xué)生對實際電路有更直觀、更感性的認(rèn)識，提高學(xué)生對電路知識的理解和實際應(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”。該軟件的仿真結(jié)果與實際電路結(jié)果幾乎相同，將它用于數(shù)字電路實驗課程中，還可減少儀器設(shè)備的損耗，降低實驗成本，提高實驗效率。學(xué)生可在課后根據(jù)所學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計電路，用軟件對電路進行仿真，驗證設(shè)計結(jié)果的正確性，從而大大提高學(xué)生的分析設(shè)計能力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

一、EWB軟件簡介

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)計軟件，它具有直觀的界面，用戶學(xué)習(xí)操作十分簡便，該軟件與其升級版本Multisim軟件相比，使用方式與實際更接近，同時它還帶有豐富齊全的元器件庫，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）、元器件庫欄（parts bin toolbar）、描述窗口（description window）、啟動/停止開關(guān)、暫停/恢復(fù)開關(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、測試指示器件都是直接從元器件庫欄中用鼠標(biāo)拖至電路工作區(qū)，且圖形與實物外觀接近。電路創(chuàng)建后，可點擊右上角的電源開關(guān)開始仿真，再次點擊開關(guān)，即可中途中斷仿真。

軟件中儀器庫的邏輯轉(zhuǎn)換儀能幫助我們快速地完成邏輯函數(shù)的化簡或邏輯表達式、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)計帶來很大的方便。此外，EWB軟件還可用于演示組合邏輯電路中可能出現(xiàn)的競爭—冒險現(xiàn)象，優(yōu)先編碼器、時序邏輯電路設(shè)計、計數(shù)器的設(shè)計等。

二、計數(shù)器設(shè)計的仿真實驗

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

1.單片計數(shù)器的設(shè)計

以7進制計數(shù)器設(shè)計為例，由于7進制計數(shù)器的模小于74160計數(shù)器的模，所以設(shè)計只需一片74160即可完成。設(shè)計方法有異步清零法、置數(shù)法（預(yù)置數(shù)為零）、置數(shù)法（進位信號反饋），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）

計數(shù)器預(yù)置數(shù)設(shè)為0，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到6時，使用同步置數(shù)端LOAD’，強制改變計數(shù)器的次態(tài)為預(yù)置數(shù)狀態(tài)0，從而實現(xiàn)了7進制計數(shù)器。

2.計數(shù)器的級聯(lián)設(shè)計

如果設(shè)計的計數(shù)器的模大于74160的模，則需要多片74160計數(shù)器進行級聯(lián)設(shè)計。設(shè)計方法有同步級聯(lián)、異步級聯(lián)，兩者的差別在于時鐘信號端是否相連。下面以23進制計數(shù)器為例介紹同步級聯(lián)的設(shè)計方法，仿真電路如圖2所示：

圖2 同步級聯(lián)設(shè)計的23進制計數(shù)器

計數(shù)器（1）為高位計數(shù)器，計數(shù)器（2）為低位計數(shù)器，兩片時鐘信號端接在一起，計數(shù)器（2）的進位信號連到計數(shù)器（1）的計數(shù)使能端，以控制高位計數(shù)器的計數(shù)，通過此同步級聯(lián)方法把兩片連接成100進制計數(shù)器，同時計數(shù)器（1）和計數(shù)器（2）預(yù)置數(shù)端均接0，設(shè)置計數(shù)器計數(shù)到22時，利用同步置數(shù)端把兩片計數(shù)器的次態(tài)均改為0，從而達到設(shè)計的目的。

以上設(shè)計仿真結(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行仿真的，該軟件存在一些問題及瑕疵，因此用它進行電路分析設(shè)計時，有時會出現(xiàn)錯誤，影響正確的電路設(shè)計。例如：

1.置數(shù)法（進位信號反饋）

計數(shù)器預(yù)置數(shù)接3，進位信號端通過非門連到同步置數(shù)端，仿真電路如圖3所示：

圖3 置數(shù)法（進位信號反饋）

從理論上分析，計數(shù)器計數(shù)到9時，進位信號為1，利用此時的同步置數(shù)端有效，強制改變計數(shù)器的下個狀態(tài)為預(yù)置數(shù)3，之后正常計數(shù)，此電路可實現(xiàn)7進制計數(shù)器。但實際仿真結(jié)果與預(yù)期不同，計數(shù)器置數(shù)后，即停止計數(shù)。經(jīng)試驗，預(yù)置數(shù)為3或5時，計數(shù)器的仿真運行均不能正常計數(shù)，而預(yù)置數(shù)為其他值時，計數(shù)器可正常工作。

2.異步級聯(lián)法（以100進制計數(shù)器為例）

與同步級聯(lián)法方法不同的是，計數(shù)器（2）的進位信號通過非門連到計數(shù)器（1）的時鐘信號端，兩片計數(shù)器的時鐘信號端并未連在一起，仿真電路如圖4所示：

圖4 異步級聯(lián)設(shè)計的100進制計數(shù)器

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

在實踐中發(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有撤銷恢復(fù)功能；線路較復(fù)雜時，移動某段線路可能會造成其他線路中斷；有時線路節(jié)點非自動生成；數(shù)碼管幫助中的功能說明與實際使用不符；TTL門輸入端懸空時的處理、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驗器材在規(guī)格、數(shù)量上的限制。但需要注意的是，仿真設(shè)計的電路并不能完全等同于實際設(shè)計的電路，兩者是有所差別的，經(jīng)軟件仿真設(shè)計后，應(yīng)當(dāng)利用實物元器件安裝調(diào)試，以驗證所設(shè)計電路的正確性。由此可見，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)取長補短、優(yōu)勢互補，將新教學(xué)手段合理地融合到傳統(tǒng)教學(xué)過程中，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］.桂林師范高等專科學(xué)校學(xué)報，2009，（1）：174-177.

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