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数字电路虚拟实验的建模与仿真

2014/7/28    来源:百度文库    作者:张春芳  马志彬      
关键字:虚拟实验  仿真  数字电路  
文章介绍了为解决一般单位教学必须的实验设备不齐全的问题,对数字电路课程的虚拟实验系统进行了分析与设计,运用数学模型、VHL文本编辑、图形建模仿真等方法实现了数字电路的虚拟实验,实现了可设计性、操作的任意性和具有真实感的功能,为学生提供了逼真的、不受时间、地域限制的虚拟空间实验平台,自己动手编程、调试、运行程序、模拟仿真结果。

    数字电路是计算机及应用专业一门实践性很强的专业基础课程,为使学生更好地理解和掌握基本理论和方法,获得一定的分析问题的能力、综合操作技能和实验技巧,必须通过实验设计来验证和理解,但是一般单位教学必须的实验设备不齐全,这对学员掌握课程内容是一个很大的障碍。虚拟实验系统通过软件模拟硬件行为,可以为学员提供逼真的实验室环境,不受时间、地域的限制自己动手编程、调试、运行程序、模拟仿真结果,以获得真实的实验效果的目的。

1 虚拟实验系统的组成

    虚拟实验(Virtual Experiment)是采用计算机技术实现的各种虚拟实验环境,实验者以交互的方式进行实验操作,可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目,最大限度地模拟真实实验的场景,并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验;而且,用软件模拟实现数字电的一种新的仪器模式,它是具有独立功能的、彼此存在联系的模拟器件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成,使计算机成为一个数字化实验平台。用户在屏幕上生成各种仪器面板,完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。

    虚拟实验系统完成了数据从外部输入、加工操作、内部存储到外部输出的整个过程,其结构如图1所示。

 图1 虚拟实验系统的结构

图1 虚拟实验系统的结构

2 虚拟实验系统的建模

2.1行为建模

    行为建模是一种对所分析问题的抽象描述,即设计实体整体功能的描述,是一种高层次的概括。它只给出系统数据的输入、输出的描述,如图2所示。

图2 行为建模示意图

图2 行为建模示意图

    虚拟实验的数学模型是行为建模的细化,是整个分析、设计的基础,是虚拟仪器的实现原理,它描述了各种虚拟仪器间的数据交换,决定了元器件的选择、元器件之间的联系:经常用数学表达式或过程分析语言来描述。

2.2结构建模

    结构建模是利用基本逻辑单元组成复杂数字电路,首先分析系统需求,从给定的逻辑功能要求出发,通过逻辑函数的化简,进而写出逻辑表达式,在选定所用器件后画出实现其功能要求的逻辑电路图并进行仿真。加深综合性设计的分析理解能力。

2.3实例分析

    下面介绍利用MAX+plus II工具进行数字电路中一位全减器的设计和仿真过程。

    ①分析题意:全减是指在进行高位运算时考虑来自低位的借位的运算,能实现全减运算的电路称为全减器,题意要求通过软件平台来设计,就要首先确定参数及其功能,设X是被减数输入,Y是减数输入,Cl是低位借位输入,SO是差结果输出,CO是向高位的借位输出。

    ②建立数学模型,写出输出表达式:

 公式一 输出表达式

公式一 输出表达式

    ③利用VHDL语言描述该过程:

    library IEEE;

    use IEEE.std_logic_1164.all

    entity Fullsubtract is

      port(x,y,ci:in std_logic);

         so,co:out std_logic);

    end entity Fullsubtract;

    architecture concurrent of Fullsubtract is

    begin

      so<=x xor y xor ci;

      co<=((notx) and y)or(x and y and ci)or((notx) and (noty) and ci);

    end architecture concurrent;

    ④在MAX+PLUS II的图形输入环境下组织如下设计图3。

 图3 一位全减器的逻辑电路图

图3 一位全减器的逻辑电路图

    MAX+PLUS II是复阵列矩阵及可编程逻辑用户系统的缩写,具有强大的逻辑综合能力及与器件结构独立的设计环境,提供了全集成化的一套可编程逻辑开发工具。

    ⑤画出仿真图如图4。

 图4 一位全减器的仿真结果

图4 一位全减器的仿真结果

    用户在软件操作平台上形成虚拟实验室的实验环境,完成建模活动后要对搭建的模型进行仿真分析,通过输出波形信号来分析和处理,以确定所建模型在功能和时序上的正确性。

3 结束语

    本文运用数学模型、VHDL文本编辑、图形建模仿真等方法实现了数字电路的虚拟实验,实现了可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能,使学生能像操作真实实验一样操作它,拓宽了学生由感性认识上升到理性认识的途径,使学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识,另一个方面,也更好地完善了实验教学的结构,激发学生的创造性思维。达到了良好的教学效果。

责任编辑:吴星星
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