基于Logisim的时序逻辑电路仿真实验设计.pdf

:./.基于 的时序逻辑电路仿真实验设计侯静云 赵 静 骆昱天淮南师范学院计算机学院 安徽淮南 摘 要:针对目前数字电路实验中存在的费用高、易损坏、扩展难等问题提出了将 可视化仿真工具应用于实验中的教学方法 本文以计数器为例从 触发器入手借助 仿真工具提供的、等模块库进行设计和仿真实验 经实践测试运用 进行电路仿真设计会使繁杂的电路分析设计变得直观、生动有利于调动学生学习的积极性增强学生自由设计电路的能力关键词:数字电路实验设计 :.:近年来互联网的高速发展使得教学方法和手段也在不断更新 然而目前在理工类院校的教学过程中数字电路的实验课程大多采用试验开发板或实验箱来完成这种实验方式存在着一些弊端:()器材的购买费用较高且需要进行器材维护()受实验器材的影响实验项目较为有限()实验较难验证及扩展等采用这种传统的实验箱方式来完成课程的实验部分学生也仅仅只是按照老师的操作“照葫芦画瓢”并不能锻炼学生的电路分析与创新的能力 还有少部分院校则是通过在 上使用 编程语言来完成数字电路实验这种教学方式虽然能够解决实验箱实验项目有限的缺点但却要求学生具有 编程能力使数字电路实验变得更为抽象、复杂 为解决上述两种数字电路实验教学模式的问题本文提出将 软件应用于实验教学中 是一款免费开源、操作简单的教育工具软件提供了包括、/和 等丰富的组件库可用于数字电路、计算机组成原理等逻辑电路设计类实验 数字电路是电子信息、计算机等工科专业的学科基础课为后续课程如计算机组成原理、单片机原理等专业课程的学习奠定基础 该课程知识点众多其中时序逻辑电路是由组合逻辑电路和存储电路组成相比于组合电路结构更为复杂学生难于理解一直是数字电路这门课程的教学重难点因此本文用 取代当前普遍使用的数字电路实验箱以计数器为例对时序逻辑电路中的加/减法计数器进行建模仿真研究以提高数字电路课程的实验效果便于培养并提高数字电路课程学习者的设计能力 触发器图 触发器结构图 触发器包括以下五部分:输入端、时钟脉冲上升沿触发有效清零端置 端互补输出端、其仿真电路如图 所示 而表 展示了 触发器的功能可以看出当 时触发器的下一个状态将被置当 科技风 年 月电子信息 时将被置 当 时触发器状态保持不变当 时状态翻转其变化波形如图 所示表 触发器功能表图 触发器随输入端变化的波形图对表 触发器的功能表中的数据进行卡诺图化简便可得到 触发器的特征方程:()设计时序逻辑电路的一般步骤为:()根据给定的逻辑功能确定输入输出变量并建立原始状态图以及状态表()为简化电路组成对原始状态图以及状态表进行化简去除多余状态过程()根据公式 确定触发器的个数 其中 为状态数()选择触发器类型根据状态表利用卡诺图化简方式求出激励方程组和输出方程组()根据求出的方程画出逻辑电路图并检查是否具有自启动能力如图 所示图 时序逻辑电路设计一般步骤 基于 的时序逻辑电路仿真实验实例.带进位输出的七进制加法计数器通过 触发器设计带进位输出的七进制加法计数器首先可根据题意画出七进制加法计数器的状态图并根据状态数可确定需要 个 触发器通过系统的状态转换图可以分析得出:在第 个 脉冲的上升沿到来的时候触发器从 变为 在第 个 上升沿触发器又从 变到 随后电路在时钟脉冲的作用下依次加 逐步实现了七进制加计数器的功能 根据此状态图可画出如图 所示的次态卡诺图其中 为无关项图 七进制加法计数器次态卡诺图对次态卡诺图进行卡诺图化简可求得触发器的状态方程:()()将上述求得的状态方程与 触发器的状态方程 进行比对即可得到驱动方程:?()输出方程为:()根据 触发器的驱动方程和计数器的输出方程采用 软件进行建模实现同步五进制加法计数器如图 所示 在图 中七进制加法计数器主要包括 个上升沿触发的 触发器、个与门和 个或门可从 软件中的 和 组件中手动拖拽添加再利用导线进行连接 此外还可根据导线的颜色判断电路状态是否出错图 中出现的深绿色以及绿色导线表示电路设计无误若出现红色则表示电路出错学生可根据导线情况随时纠错 个 触发器共用一个时钟信号该电路为同步时序电路图 带进位输出的七进制加法计数器.异步十进制加法计数器 个 触发器可以构成如图 所示的异步十进制加电子信息科技风 年 月法计数器该电路没有统一的时钟信号也没有外部输入信号因此其为摩尔型的异步时序逻辑电路图 异步十进制加法计数器()时钟信号分析:()()驱动方程:()()输出方程:()()状态方程:()状态转换真值表是根据触发器的状态方程进行推导的因为是异步时序逻辑电路触发器进行状态转换时起到很重要的作用触发器状态发生变化的前提条件是时钟信号必须到来如果接收不到时钟信号触发器的状态将保持原来的状态从图 电路图分析触发器 的时钟信号是 脉冲的下降沿触发器、的时钟信号是触发器输出端 的下降沿的时钟信号是 的下降沿 个 触发器从低位到高位依次按照、从左向右其中最低位放在最左端最高位放在最右端 在外部时钟 的下降沿到达后取反由 变为 同时 产生一个上升沿由于 没有产生下降沿所以、将保持输出不变即保持 不变的时钟是 由于 没有变化所以 也保持 不变电路由 再观察第二行在外部时钟 的下降沿到达后取反由 变为同时产生一个上升沿由于 产生了下降沿所以、将根据公式 状态发生变化的时钟是产生了一个上升沿而不是下降沿所以 保持 不变电路由 其他状态以此类推图 异步十进制计数器状态图 图 展示异步十进制计数器的状态图从图中可以看出有效循环共 个状态从 递增到 所以该循环构成了十进制加计数器 图 可通过上述传统理论方式分析得到也可通过利用 软件仿真的如图 所示的电路图得到 具体操作办法是通过观察 触发器最中间深绿色的小圆圈中显示的数值即每个触发器的输出值但需要注意的 个触发器对应的高低位各是什么否则将影响结果 另外六个无效循环经过一个或者两个时钟脉冲后也能到达有效循环因此该电路具有自启动的能力 应用效果通过上文对仿真电路的设计将时序逻辑电路中涉及的逻辑抽象、状态化简等理论问题借助 软件以更为直观的方式呈现同学通过观察记录电路运行的实际情况会更加深入地思考电路运行的内在机理体会实际电路与经典理论之间的联系与区别从而激发同学们夯实理论知识体系和解决实际问题的创新性思维能力 总结本文对时序逻辑电路中的计数器进行探讨先从功能真值表、卡诺图、特征方程、状态转换图、驱动表等五个方面将计数器结构分析清楚然后借助 仿真软件中的 触发器和逻辑门等模块进行设计和仿真实验 经实践教学验证采用 软件进行电路仿真不仅简单直观而且能够降低实验的成本丰富教学方法和手段 此外通过设计性实验还可以帮助学生更好地理解电路设计知识提高学生的学习兴趣改善教学质量参考文献:胡世昌.用 改革数字电路实验.沈阳师范大学学报(自然科学版)():.冯清娟.时序逻辑电路的教学设计及其在 中的仿真.电子测试():.孙沫丽恽鸿峰杨晓辉.基于虚拟仿真技术的“数字电路实验”教学系统设计.无线互联科技():.郭映张祖锋.数字电路课程实践教学探析.中国现代教育装备():.马习平冉兴萍.基于 的新工科数字逻辑课程改革探索.电脑知识与技术():.基金项目:安徽省高校优秀青年科研项目“煤炭超细粉碎微观能耗模型研究”()安徽省级质量工程线上课程“数字电路与系统设计”()淮南师范学院质量工程项目“物联网应用技术教学团队”()作者简介:侯静云()女安徽淮南人硕士助教主要从事物联网应用技术研究 科技风 年 月电子信息