逻辑电路设计方法范文

导语：如何才能写好一篇逻辑电路设计方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】组合逻辑电路；电路设计；解决方法

随着数字电子技术的不断发展，数字电路已被广泛应用于现代数字通信、自动控制、数字计算机、数字测量等各个领域，并已深入我们的日常生活中。数字电路又称逻辑电路，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两种。它们的区别在于时序逻辑电路有存储单元，具有记忆功能。而组合逻辑电路没有，它只由常用门电路组合而成，即没有从输出到输入的反馈连接，它的输出仅决定于该时刻的输入状态。在对组合逻辑电路原理进行设计时，可采用以下方法步骤：（1）分析设计要求，理清输入与输出的端口数和相互关系；（2）根据分析结果，设定变量并进行状态赋值，再列出相应的真值表；（3）由真值表写出逻辑电路的输出表达式；（4）利用卡诺图或逻辑公式将输出表达式进行化简；（5）根据最简表达式画出相应逻辑电路图。按照上述方法步骤，组合逻辑电路原理设计就完成了，但实际设计工作除此之外，还包括电路器件的选择，安装和调试等过程。而往往就是在这些环节中容易遇到问题，现将常遇问题及解决方法归纳如下：

1.接口电路的电平转换

在设计组合逻辑电路时，常常由于速度、功耗和带负载能力等问题需要将TTL门电路和CMOS门电路混合使用。这两种门电路的电源电压、参数指标等均有所不同，因此不能直接连接，而需要借助于接口电路。接口电路是指不同类型逻辑门电路之间或逻辑门电路与外部电路之间有效连接的中间电路。接口电路的设计主要分以下两种情况：第一，用TTL门电路驱动CMOS门电路。TTL门电路的电源电压为+5V，而CMOS的电源电压范围是3～18V，因此需要将TTL输出的高电平值升高来驱动CMOS门电路。方法是利用TTL门电路中的OC门做接口，适当选取OC门的外接电源和电阻来满足CMOS门电路对电源电压的要求。由OC门的功能分析可知，OC门输出的低电平约等于0.3V，高电平约等于UCC。所以，改变电源电压可以方便地改变其输出高电平。图1第二，用CMOS门电路驱动TTL门电路。方法是应用六反相缓冲器等专用接口器件直接驱动TTL负载电路，如图1所示。这类专用接口器件使用电源为+5V电源，与TTL负载电路一致，输入端允许超过电源电压，可与CMOS门电路电源相配合使用。

2.扇入问题

扇入问题是指门电路输入端口与实际电路输入端口的关系，一般分以下两种情况：（1）门电路多余输入端的处理设计电路时，需要用到的集成门电路的输入端多于实际电路需要的输入端数时，就需要将多余的输入端进行处理。在保证输入正确逻辑电平的条件下，可将多余的输入端接高电平或低电平。如果是与门或与非门，应将多余的输入端接高电平；如果是或门或或非门，应将多余的输入端接地或接低电平。为防止干扰，多余的输入端一般不能悬空。接高、低电平的方法可通过限流电阻接正电源或地，也可直接和地相连接，如图2所示。但要注意输入端所接的电阻不能过大，否则将改变输入逻辑状态。（2）门电路输入端少于实际电路需要输入端的处理当用到的集成门电路的输入端少于实际电路需要的输入端数时，可采用分组的方法进行解决。例如，实际电路需要与非门输入端口为A、B、C、D共4个，但集成门电路是2输入端与非门，可按以下分组连接解决，输出Y=，如图3所示。

3.扇出问题

逻辑电路的扇出问题，主要是指它的带负载能力，即在设计电路时，可能存在一个门电路的输出端所带的负载门太多，超出了它的带负载能力。门电路的带负载能力主要通过扇出系数N来说明，它代表电路能驱动同类型门电路的最大个数。当输出高电平、带拉电流负载时：如果NH≠NL，则把较小的个数定义为扇出系数。在设计电路时，可采用扇出系数大的门电路作为输出门。在设计组合逻辑电路时，除了以上所分析的问题外，还有一些细节需要注意的。如：用中规模集成电路实现组合函数会使电路连接简单很多；对逻辑表达式的变换与化简，是尽可能使其与给定的组合逻辑器件的形式一致，而不是单纯简化；设计时应考虑合理充分地应用组合器件的功能，应尽量选用结构原理比较简单的，但数量又少的器件来满足设计要求。综上所述，要成功设计出一个组合逻辑电路不容易，要设计一个结构简单、功能完整、参数合理的组合逻辑电路就更难，这需要设计者不断地去尝试、安装和调试，从设计的过程去积累经验。

参考文献

[1]余孟尝.数字电子技术基础简明教程(第三版)[M].高等教育出版社,2007,01.

[2]秀.电工电子学[M].高等教育出版社,2014,07.

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【关键词】时序逻辑电路；原始状态；电路设计

1.引言

数字电子技术是自动化、电气、通信、电子等电类专业必须掌握的重要专业基础，是《数字电子技术》的核心内容、学习的重点和难点。而时序逻辑电路的设计是实践教学的重要内容。时序逻辑电路的分析和设计只有通过对它的研究与实践，才能真正具有设计数字电路的能力。目前同步时序逻辑电路的设计方法可按以下几个步骤进行：设计要求；原始状态图；最简状态图；状态分配；选定触发器类型，求出状态方程、驱动方程和输出方程；画逻辑电路图[1]-[3]。在数字电子技术的通用教材中，对时序逻辑电路设计方法的叙述不够具体，以至于时序逻辑电路设计实例的设计过程往往不够清晰，教学过程中学生难于理解和掌握。本文通过对具体设计实例的设计过程和步骤进行分析研究。提出强化原始状态确定在给定逻辑问题的逻辑抽象过程中的应用，使设计过程更加清晰易懂。本文通过对具体实例的设计分析，对时序逻辑电路设计的一般规律、原则、方法及步骤作了探讨和研究。

2.设计实例剖析

设计一个自动售饮料机的逻辑电路，它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币。投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料；投以两元（两枚一元）硬币后，在给出饮料的同时找回一枚五角的硬币。

此设计实例是很多数字电子技术课程教材时序逻辑电路设计部分的设计实例，但其设计分析过程不甚清晰，学生在学习过程中理解困难，原因之一就是对原始状态的设定和分配没有阐述或阐述不清晰，如果通过逻辑分析和逻辑抽象首先确定电路的原始状态，那么后面的设计就会水到渠成。下面本文将从原始状态确定开始，从新对此设计实例进行设计剖析。

（1）确定原始状态

（2）原始状态化简

根据状态化简原则，首先寻找等价状态，在相同的输入下有相同的输出并转换到同一个次态的状态为等价状态。由表1-1可知，S0、S3和S4为等价状态，合并为S0状态。状态含义分别为：S0为初始状态，即等待新交易开始的状态；S1为投入一枚五角硬币后的状态；S2为投入满一元钱后的状态。从而得到化简后的状态装换表如表1-2所示。

（4）选定触发器并列状态及输出方程

3.总结

在时序逻辑电路的设计过程中，原始状态的分析和确定对于初学者来说非常重要，如果原始状态与系统的实际工作状态无法清晰地对应，后续所有的设计步骤都无从谈起，因此，无论对教或学的任何一个角度而言，在时序逻辑电路的设计的设计步骤中强化原始状态的确定都是十分重要的。本文通过对自动售货系统设计过程中原始状态的分析和确定，强化了对于给定逻辑问题的逻辑抽象过程中原始状态的重要性，使时序逻辑电路的设计思路更加清晰。另外，在设计过程中，考虑到了一元和五角同时投入的情况，即A、B同时为1时电路的工作情况，减少了系统在实际工作过程中进入混乱状态的几率，使整个逻辑系统更趋完善。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础(5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]夏路易.数字电子技术基础教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[3]秦曾煌.电工学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2001.

作者简介：

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数字电路教学设计项目教学学习兴趣现代化电子技术飞速发展，数字电路更是以系统集成化、设计自动化、用户专业化和测试、智能化的趋势出现。数字电路教学中如何能应对电子技术的发展，同时又遵循高等职业教育以职业为基础、以能力为本、理论够用为度的原则，圆满完成课程的教学任务，用项目教学法是行之有效的手段。

一、关于项目教学法

1.项目教学的概念

项目教学法，是围绕一个实践项目而展开的教学活动，其目的是在项目实施过程中使理论与实践教学同步进行，从而充分调动学生参与的积极性，提高学生解决实际问题的综合能力。

2.项目教学法的关键

项目教学法的关键，是把整个学习过程分解为一个个具体的工程或事件，设计出一个个合适的项目教学方案。这样，不仅传授给学生理论知识和操作技能，更重要的是培养他们的职业能力。

3.项目教学法的优点

项目教学法，是让学生实施一个具体的项目，学生学习的目的很明确，能极大地调动学生的学习积极性，提高学习兴趣。项目教学法大多要分小组完成，通过小组内及小组间的充分交流、讨论、决策等，提高学生合作能力，强化学生的团队意识。而合作能力和团队意识，恰恰是当前社会化大生产所要求的基本素质。项目教学法在实施过程中会涉及到很多学科知识，能促进课程间的整合。

二、项目教学法的教学实践

数字电路课程是高职电气专业一门承上启下的专业基础课，具有较强的逻辑性、应用性和工程实践性。内容包括数字电路基础、组合逻辑电路基础、组合逻辑集成电路、时序逻辑电路基础、时序逻辑集成电路、半导体存储器与可编程逻辑器件、数模和模数转换器和脉冲信号的产生与整形共8章节。按照“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目课程为主体的模块化专业课程体系”的总体教学设计要求，本门课程以培养灵活应用常用数字集成电路来实现逻辑功能的能力为基本目标，打破学科课程的设计思路，紧紧围绕工作任务完成的需要来选择和组织课程内容，突出工作任务与知识的联系，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识，增强课程内容与职业岗位能力要求的相关性，提高学生的就业能力。本课程可以分成6个项目完成，分别是：全加器电路设计、抢答器的设计与制作、同步计数器电路设计、数字钟电路的设计与制作、用可编程逻辑器件设计数字钟电路和A/D 和D/A 转换功能仿真。第1到3章划为第一个项目，内容是：全加器电路设计。以下就以第一个项目为例完成教学设计。

1.教材分析

这部分内容包含3个章节：数字电路基础、组合逻辑电路基础、组合逻辑集成电路。每章节后面都有本章小结、思考题与习题、技能要求和实训内容以及书最后的实验内容部分。很显然，编者也在强调技能和实训的重要性，但在进行教学设计时采用项目教学法能很好地体现实践能力为主。

2.教学设计

此部分内容重点是掌握逻辑函数的表示方法，会进行逻辑函数的变换和化简；能正确理解基本门电路逻辑功能；会用基本逻辑门电路设计简单组合逻辑电路。如何把内容连贯，用某个项目来体现，我们可以结合实验内容以及常见的电路来解决。那么，学习项目选取的基本依据是该门课程涉及的工作领域和工作任务范围，在具体设计过程中，还以相关专业的典型产品为载体，使工作任务具体化，产生具体的学习项目。项目的难度要适中，要适合学情，让学生都能动手参与，能充分调动他们的积极性，使学习更有目的性，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识。本项目内容是全加器的电路设计。采用全加器的设计这样的项目内容，那么，组合逻辑集成电路，此部分章节中的编码器、译码器与数码显示器等内容暂时就使用不到，我们可以把这些内容划分到下一个项目中去，而只是涉及到它的前面一部分内容二进制加法器。这样，不会显得项目量过大，知识太拥挤，学生学习困难的问题。

3.教学过程的组织实施

项目教学法的教学步骤，具体是以下六个步骤：情景设置，操作示范，独立探索，明确项目，协作学习，学习评价。本项目可以包含这几个模块：（1）完成基本门电路的测试；（2）用74LS00实现多种逻辑功能；（3）用基本门电路设计全加器电路。每个模块参考学时都可以是4学时，它们的学习目标不相同，由浅入难，循序渐进，慢慢引导学生掌握理论知识，增加实践经验。每个模块除了列出的工作任务以外，根据学生层次的不同，还可添加相应的拓展知识。模块一逻辑门电路测试工作任务包含测试TTL门电路74LS00、74LS04、74LS20、74LS32、74LS86逻辑功能并记录测试数据和整理归纳总结，列出74LS00、74LS04、74LS32、74LS86 逻辑表达式，状态真值表。它相关的理论知识：基本逻辑运算和复合逻辑运算，基本门电路逻辑功能，逻辑函数的基本表达式。模块二用与非门电路实现多种逻辑功能工作任务有用74LS00实现下列逻辑功能：或非F=A+B、与或F=AB+CD、4输入与F=ABCD、异或和同或。相关理论知识：逻辑代数的基本定律和规则，逻辑函数的化简方法，逻辑函数表达式。模块三全加器的设计与制作工作任务：用基本门电路设计判奇电路，用基本门电路设计半加器电路，用基本门电路设计全加器电路。相关理论知识：组合逻辑电路的分析方法，用基本门电路实现组合逻辑功能。全加器是能够计算低位进位的二进制加法电路，全加器的逻辑图如图所示。

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关键词： 量子门 量子可逆电路 量子多值逻辑 通用门库

近30年来，人们已提出了多种量子门，如Toffoli门［1］，Fredkin门，Peres门等，并给出了量子门的代数特征。如何使用指定量子门库中的量子门自动生成量子代价较小的量子可逆逻辑电路，其本质就是量子可逆逻辑电路综合技巧问题。Shende将可逆电路综合转化为置换问题，并提出三量子可逆逻辑电路综合最优算法；Yang在此基础上利用GAP软件实现了三量子最小长度和最小代价可逆逻辑电路综合算法。然而目前大多数算法只是在综合三量子电路时效果很好，随着综合量子比特数的增加，综合量子可逆逻辑电路的时空复杂度将进一步增加。在综合四量子电路时，Yang等人利用广度优先搜索和双向综合技术，使用CNP量子门库可综合最长为12的四量子偶置换最优电路，这已是较好结果；李等人使用CNP量子门库，在广度优先搜索的基础上，巧妙构造哈希函数并利用线置换和向变换进行无损压缩可快速生成最大长度为16的最优四量子偶置换电路，这是目前已知的最好结果。目前人们还未设计出通用高效的多量子电路综合算法，这是量子电路设计中急需解决的重要问题之一，因为它的设计实现不仅可以降低制造量子电路的成本，而且能提高多量子可逆电路设计的效率。

目前比较有代表性的量子可逆电路构造方法有以下几种［2］。

穷举法、RM方法、群论分解方法、探索法，通过比较知穷举法综合结果好，能达到最优，但时间空间开销大；真值表和RM方法构造巧妙，综合速度快，但结果不尽理想，需要辅以优化；群论方法新颖高效，算法收敛迅速（有限步结束），但构造复杂，较为繁琐，需要的门库规模大；其他方法也均是在综合的效果和效率之间寻求一个平衡点，这个平衡点如何选取，则应该以实践中的具体需求情况为依据。

构建量子可逆逻辑电路主要有构造与优化两个过程，有些算法是先构造再优化，还有一些算法则是构造与优化同时进行。通常所得到的量子电路并不是最优电路，如何有效地优化电路，成为量子电路领域的另一个研究重点。Iwama、Maslov、Maslov等都对电路优化程度作出了杰出贡献。

目前对量子二值逻辑可逆电路综合算法的研究较多，但对于多值逻辑量子电路综合技术的研究较少［3］。其中的原因主要有：第一，人们已习惯于经典计算中的二值逻辑，利用多值逻辑进行计算不符合人们常规的思维和计算方式；第二，对于多值逻辑的理解与应用本身就是困难的，涉及多值逻辑理论及群、环、域等代数理论，量子可逆电路的设计又具有相当难度，规模较大，复杂性较高，其中又要解决量子的自然属性（如消相干现象等）对计算的负面影响。所以将多值逻辑应用于量子电路，设计具有相当复杂性的多值逻辑量子电路也是困难的。然而，量子具有多种可观测的属性，例如光子的偏振方向，电子的自旋方向，电子所处于的能级等，因而具有多个复杂的自由度，利用多能级描述量子位也更自然。由于量子实验物理的发展进步及测量技术的不断完善，对于量子在各个属性上的测量的精准度大大提高，使得量子高维基态（即多值逻辑量子态）的应用成为可能。另一方面，量子多值逻辑的应用能够极大提高量子并行计算的能力（理论上比二值逻辑更强大），并可在存储和处理量子信息时提供更大的灵活性，又可以无辅助位的方式用两位量子门和一位量子门建立多量子电路，使得多量子电路的物理实现成为可能。对多值量子可逆逻辑电路综合的研究正在兴起。

量子可逆电路本质上是置换电路［4］，在此基础上可根据一些特定功能构造量子专用电路，专用电路的设计实现及应用可加速运行算法，并对量子寄存器或量子芯片等的设计作出一些贡献。目前已设计出量子全加器、量子全减器及受控集成量子加减电路，它们是构建量子计算机的基本单元。在量子纠错编码和容错计算中可根据纠错码的生成矩阵和校验矩阵，分别生成编码电路和解码电路。2005年何等人通过分解蝴蝶矩阵和转置矩阵独立实现了基于Haar小波多尺度分析的完整量子电路。2006年Cheng等人用Bitonic方法快速构造大规模的量子排序电路，给出的线路模型清晰地反映出算法消耗资源的情况。2007年Khan等人给出了利用三值逻辑Feynman和Toffoli门实现的三值逻辑全加器，基于此又实现了带有部分前瞻的三值逻辑并行加法器，并展示了将此电路用作并行减法器的方法。2008年Khan提出综合量子四值逻辑加法/减法器的递归电路。之后Khan又提出量子四值逻辑比较器，比较器是著名的Grover量子搜索算法的关键功能模块―Oracle的组成部分，也是基于比较的各种算法及控制器的基本模块。当然，由于量子电路设计的复杂性，目前综合出的专用电路还不多，并且给出的大多数的电路并非最简形式。

尽管对于量子可逆电路的研究已取得了一些成果，但目前对于构建量子可逆电路的量子门及通用门库的研究还不深入，对于量子可逆电路的生成方法和优化方法的研究还处于起步阶段。对其中的一些问题，如多值逻辑的嵌入与应用，电路优化策略，综合算法复杂性的深入分析与证明等，只是进行了初步的探索。虽出现了一些解决方案，但并不十分成熟，还有一些领域未曾涉及，所以需要进一步深入研究。

参考文献：

［1］李志强，陈汉武，徐宝文等.基于Hash表的量子可逆逻辑电路综合的快速算法［J］.计算机研究与发展，2008，vol.45-2：2162-2171.

［2］何雨果，孙吉贵.基于Haar小波的多尺度分析量子电路［J］.科学通报，2005，vol.50-20：2314-2316.

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论文关键词：设计,序列信号发生器,计数器,数据选择器,移位寄存器

在数字信号的传输和数字系统的测试中，常常用到一组特定的串行数字信号，通常把这种串行数字信号叫序列信号。而把产生序列信号的电路称为序列信号发生器。

在较旧版本的数字电子技术的教材中，并未涉及到有关序列信号发生器的概念和设计方法的讲述。在新版教材的有关章节中，虽然增加了该内容但讲解并不深入，并且在该章节的目录中注有“＊”号，表示该部分内容是建议作为选讲的内容，在学时较少或要求不高的情况下，建议首先删减的内容。因此，很多同学对该部分内容较为生疏。但在实践教学中已将序列信号发生器的设计放在了选做的内容，由于上述原因致使该部分选内容未落在实处。

随着数字电子技术的进步，尤其是集成电路的迅猛发展，采用中规模集成电路（MSI）芯片构成序列信号发生器已非常方便简洁。设计序列信号发生器的方法有很多种，比较简单直观的方法是用计数器和数据选择器组成，也可以用计数器和必要的组合逻辑电路构成，当然用移位寄存器和必要的门电路也是组成序列信号发生器的方法之一。

1 用计数器和数据选择器构成序列信号发生器

设计过程一般可分以下几步进行。首先，根据序列信号长度M设计模为M的计数器，计数器状态可以自定。然后根据计数器状态转换关系和序列信号要求，选择和设计数据选择器的输入信号，并确定其地址输入端与计数器输出端的连接方式。最后，根据计数器和数据选择器的功能表以及设计结果画出逻辑电路图。

例如，设计一个产生01011序列信号的序列信号发生器，由于所需信号的循环长度为五，首先可选用一片MSI的十进制计数器，通过选取适当的反馈清零信号得到一个五进制计数器，将其输出端信号接入另一片八选一数据选择器的地址输入端，根据数据选择器的逻辑功能可知，只要将其数据输入端接入与序列信号相应的电平，在其原码输出端即可得到所需序列信号。

如果选用具有同步清零的十进制计数器74LS162，并选用常用的前五个状态000～100构成五进制，数据选择器选用74LS151，并从其原码输出端得到序列信号，其真值表如表1所示。

根据真值表可知，只要将五进制计数器的输出QCQBQA接入74LS151的地址输入端A2A1A0,将其数据输入端接成D0=D2=0, D1=D3=D4=1,既可从74LS151的Q端得到所需序列信号，逻辑电路如图1所示。

2 用移位寄存器和必要的门电路构成序列信号发生器

设计过程可分以下几步进行（依然以产生01011序列信号为例）：

首先，根据给定序列信号的循环长度M，确定所需移位寄存器位数N。其中2n-1> M ≤ 2 n,由于序列信号01011为五位，所以M=5,可取n=3。第二步，要确定移位寄存器的M个独立状态。若取n=3，可将给定的序列信号01011按移位规律三位一组画出五个状态，可得010，101，011，110，101，由于所得五个状态中有两个重复（101），即不是五个独立状态，此时应增大移位寄存器位数n,若取n=4，按上述方法重新画出五个状态，可得0101，1011，0110，1101，1010，得到五个独立状态，因此确定取n=4，用一片双向移位寄存器74LS194即可。第三步，根据五个不同状态列出移位寄存器的状态转换图及每一个状态所需要的移位输入，即反馈输入信号，列出反馈函数表如表2所示。从表中所知，移位寄存器只需进行左移操作，因此反馈函数F=SL.。根据反馈函数表画出F的卡诺图如图2所示。根据卡诺图得出F(SL)=。

若令74LS194的控制方式选择端S1S2=10,左移串行输入端SL=，则可由74LS194的任一输出端得到01011序列信号（只是起始位不同）。

在完成了上述设计后，需要检查系统是否能自启动。即检查当741LS194的输出端Q0～Q3出现无效状态时，根据F(SL)

=观察其能否在若干个时钟脉冲作用下进入有效循环。其完全状态图如图3所示。由图3可知，该电路能够自启动。

最后一步，画出逻辑电路。根据所用双向移位寄存器的功能表以及所设计反馈函数的F(SL)=可画出其逻辑电路如图4所示。

3 用计数器和必要的组合逻辑电路构成序列信号发生器

设计思路与上两种方法近似，由于要构成的序列信号01011是一个五位的串行数字信号，可选用74LS162首先构成一个五进制计数器，再通过一定的组合逻辑电路使其输出F=01011即可。根据题义可列真值表如表3所示。

根据真值表作出反馈函数F的卡诺图如图5所示。化简得出F=QA+QC=,因此可得出如图6所示逻辑电路。

注意，采用MSI设计电路时，必须给器件的所有控制端提供必要的信号，使之能够正常工作。如74LS162的ET、EP引脚以及74LS151的端引脚等。

实验证明，用以上几种方法构成的序列信号发生器不但电路简捷，连接方便，而且工作可靠。总之，在时序电路的设计过程中，根据实际设计要求，可以有多种不同的设计思路和方案选择，而针对同一题目采用不同方案进行设计则对开拓学习思路，掌握时序电路设计方法，提高学生对设计过程的理性认识有很大的促进作用。

The Methods of Designing Sequence signal generator with MSI

HI Bihua

(EEEC_Shaanxi University of Technology  Hanzhong 723003  in China)

Abstract: The article that based on the investigating of the sequence circuits, questioned about the design methods that using various functional MSI chip to produce the same signal. At first, the paper described the process that using the shift register and the necessary gate circuit to design the Sequence Signal Generator in detail. Then according to the experiment, it proved that the methods used not only simple but also easy to connect, and the circuit could worked reliable.

Keywords: Design  Sequence signal generator  Counter  Data-selector  Shift- register

参考文献

[1]阎石主编数字电子技术基础清华大学出版社 1998

[2]杨颂华数字电子技术基础西安电子科技大学出版社 2000

[3]罗朝杰数字逻辑设计基础人民邮电出版社 1982

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关键词：

项目教学法；逻辑思维；实践

中图分类号：

G4

文献标识码：A

文章编号：16723198（2013）12011602

0引言

数字逻辑电路传统的教学方法是先讲理论后做实验。《数字逻辑电路实验》是继《数字逻辑电路》理论课程后单独的一门实验课程。《数字逻辑电路实验》是理论教学的补充和延续，通过实验教学可以巩固理论知识，培养实践能力。数字逻辑电路技术领域的知识包含理论和实践，这一特点决定了数字电路实验教学必须重视实践能力的培养。如何在数字电路实验教学中注重培养学生的实践能力和创新意识，是实验教学中的重要课题。在数字逻辑电路中应用项目教学法就可以实现。那么什么是项目教学方法呢？项目教学法，是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。在数字逻辑电路中理论教学和数字逻辑电路实验教学相统一，在做实验教学的同时，用项目驱动来调动学生学习的积极性及创新能力，进一步提高他们的实践能力和创新意识。

1教学现状

数字逻辑电路传统的教学是将理论知识内容介绍给学生，理论教学以老师讲为主，老师利用板书、语言及多媒体工具作为手段和方法向学生灌输知识，学生则被动地接受老师传授的知识。上课时学生也许听懂了，但是过段时间就忘记了。传统教学实验滞后于理论教学，在学生做实验的时候，理论知识忘记的差不多了，怎么办呢？他们大多对照书本连线就算完成实验了。这样学习就造成了部分学生在不懂实验原理的情况下，依样画葫芦也同样完成了实验。部分学生在做完实验后还是知其然，不知其所以然，完全处于被动地位。没有起到实验教学应该起到的作用。《数字逻辑电路》的任务是使学生掌握现代电子技术基础的有关知识，提高专业知识水平、及提高学生的逻辑思维能力和分析问题、解决问题能力的培养。但是按照传统方法远远没有达到这门课的任务。

2 改革设想

现在我们应该建设一个以“学生为主、教师为辅”的新型课程模式。他的主要特点就是如何融理论于实验，化理论为实践是本课程教学改革的基本原则之一。

《数字逻辑电路》的主要知识要点包括：组合逻辑电路、时序逻辑电路、555定时器极其所构成的电路、A/D转换器和D/A转换器、存储器等。我们就按知识点内容将他们划分项目。需要做项目的部分，我们用黑板或者投影仪讲完理论知识后再做项目，这样不仅能增强学生对理论知识的理解能力，还能增长理论知识的记忆性。

采用项目教学法宜在数字电路实验室进行，室内要求有黑板（最好有投影仪）。这一过程能够充分发挥学生的主动性，积极性和创新精神，培养学生的创造性思维模式，实现传统与现代相结合的独特的教学方式。在教学活动中，教师将需要解决的问题或需要完成的任务以项目的形式交给学生，在教师指导下，以个人或小组工作方式，由学生自己按照实际工作的完整程序，共同制定计划、共同或分工完成整个项目。在项目教学中，学习过程成为一个人人参与的创造实践活动，学生在项目实践过程中，理解与掌握课程要求的知识和技能，体验创新的艰辛及乐趣，培养分析问题和解决问题的能力及团队合作精神等。

3具体应用实例

项目教学法是师生共同通过完成一个完整的项目而进行的教学活动。应用此方法进行数字电路教学活动中，主要有以下几个步骤：

3.1项目的选择

项目的选择是教学活动的核心内容，是教学任务能否完成的关键。项目的选择应符合以下几点：（1）涉及的知识和技能应在教学大纲要求的范围内；（2）所确定的项目及结果，有一定的兴趣性，能调动学生们学习的积极性；（3）所涉及的内容是学生们比较熟悉的；（4）涉及到的知识技能，学生们能通过查阅资料能完成的；（5）项目完成的过程中，利于学生的情感、态度的教育。以组合逻辑电路的学习为例详细介绍项目教学法的应用。

3.2分析及设计

在电视中我们经常看到一些活动应用抢答器如少儿频道中的智慧树节目。根据我院现有的设备及学生们得基础，我们选择了“四路智力竞赛抢答器”作为一个项目。在这个过程中，我们教师可以分几个小任务给学生们供参考来帮助他们顺利完成此项目。

任务一：学习逻辑函数相关知识，掌握组合逻辑电路的分析和设计方法，并设计一个简单的3人表决电路。

任务二：编码器的原理和逻辑功能测试，译码器的原理和逻辑功能测试，显示译码器和数码管的应用。拓展任务：由编码器或译码器完成组合逻辑电路的设计，全加器、多路选择器、比较器的逻辑功能测试和电路设计。

任务三：用中规模集成电路完成4路抢答器的设计、制作与调试。

接下来进行电路设计：（1）完成具体的电路设计和相关计算；（2）对初步设计的电路进行修正，确定最合适的方案，当然，方案可以有多种，要充分发挥学生的创造性。

然后进行电路组装：（1）完成对项目所用元器件、芯片的挑选和检测；（2）完成电路的焊接组装；（3）完成电路的单元调试；（4）完成系统的整机调试。

我们老师既然都布置任务给学生们来帮助学生，就应该把握好尺度，不要过多的参与了，放手让学生们自己通过查阅资料、自学、互相商讨来完成抢答器的制作。当然在做任务之前，我们教师要把接触到的新知识给学生们介绍明白，学生们如果在查阅资料过程中遇到难题教师也要积极的参与。师生也要多交流、沟通，这样才可以充分调动学生们学习的主动性、积极性。

下图为学生们共同商讨后四路竞赛智力抢答器的电路原理图：

图1四路竞赛智力抢答器

3.3制作元件及工作原理

IC1 74LS373：锁存器，8个D触发器彼此独立，S为选通端（输出控制），低电平选中；G为使能端（允许端），G为高电平时，D信号向右传送到Q端，G为低电平时，电路保持原状态不变，禁止数据传送。

IC2 74LS20：2四输入与非门。

9012：三极管。

R1～R13：电阻。

S1～S4，抢答按钮，按下按钮，D锁存器相应输出为低电平。

k1，复位按钮，主持人按下，抢答重新开始。

平时74LS373的D1～D8均为高电平，Q1～Q8也是高电平，各发光管不亮。

当某抢答者按下自己的按键（例如按下S1）时，则D1=0，Q1=0，LED1发光，指示第一路抢答。在Q1=0时，与非门G1的输出为1，此时G2的输入端均为1 ，故输出0电平到G端，使电路进入保持状态，其它各路的抢答不再生效。因此，该电路不会出现两人同时获得抢答优先权。与此同时，G1输出的高电平，使语音芯片IC3工作，使扬声器发声。

当裁判确认抢答者后，按下复位按钮（K1），G2输出高电平，因S1～S8无键按下，D1～D8均为高电平，Q1～Q8也都为高电平，电路恢复初始状态，LED熄灭，扬声器振荡，准备接受下一次抢答。

4结语

项目教学法突破了传统的教学模式，适应现在的教学。通过项目教学法的学习，大大提高学生学习的积极性和主动性，他们的动手能力、解决实际问题能力有很大的提高，值得我们推广。

参考文献

[1]张悦.项目驱动教学法在C语言课程中的应用[J].职业教育研究，2007，（2）.

[2]程倩.《数字电路》课程案例教学法探析[J].读与写（教育教学刊），2011.

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篇7

【关键词】数字逻辑；下标计算法；趋势分析法；Proteus软件

《数字逻辑》是计算机科学与技术专业以及电气、电子信息类专业的一门专业基础课，主要介绍数字逻辑电路的分析和设计的方法[1]，是微机原理与接口技术、单片机原理等专业课程的先导课程。该课程对学生要求起点较低，不需要过高的前序知识，但实践性较强，内容分散，不容易记忆。学生一开始接触的是基本概念、原理方法、数字逻辑运算等，内容抽象，与实际的逻辑电路联系不多，导致学生一开始就对这门课不感兴趣[2]。而在课程后半段讲解“中规模通用集成电路”时，单纯依靠板书或PPT，无法让学生对各种数字逻辑电路的结构和功能进行深入了解和分析，更加无法培养学生设计数字逻辑电路的能力。在这种情况下，教师如何在有限的时间内，精心设计教学方案，改革教学方法和教学手段，激发学生的学习热情，提高教学质量，是一个值得认真研究和深入讨论的问题[3]。下面将分别从教学方法和教学手段方面探讨如何改进数字逻辑课程的教学，从而降低课程讲解难度，提升学生的学习效率和效果，最终提升教学质量[4]。

1 教学方法改进

在涉及数字逻辑课程前面一部分内容，包括逻辑代数、组合逻辑电路和时序逻辑电路等章节的教学时，采用好的技巧或方法往往能使运算或分析更易懂、更方便且更不容易出错。下面针对数字逻辑课程中“逻辑函数表达式转换”内容提出“下标计算法”，针对“同步时序逻辑电路设计”的原始状态图构建环节提出“趋势分析法”，在避免教学过程中对教材内容原样照搬的同时，更加简化计算和降低分析难度，更大程度上避免错误的发生。

1.1 下标计算法

将一个任意逻辑函数表达式转换成标准与-或表达式是数字逻辑课程中的基础，包括卡诺图化简逻辑函数、二进制译码器或多路选择器实现逻辑函数等内容中均会用到。教材中主要采用的是代数转换法，分两步进行：

这种转换方法第一步不可或缺，但是第二步扩展最小项时会使逻辑函数变得更加复杂，运算过程中更加容易出错。针对这种缺陷，为简化计算和减少错误，在第二步运算过程中采用“下标计算法”。这种方法是把第一步得出的一般与-或表达式中的每个非最小项的与项通过表格的形式单列出来，然后计算出每个与项的全部最小项下标，并且找出所有出现且不重复的下标值，最后直接得出标准与-或表达式的简写形式。

第二步：采用“下标计算法”得出标准与-或表达式，运算过程如表1所示。

从表1中可找到出现的全部不重复下标分别是0、1、3、6、7，因而可直接得出标准与-或表达式的简写形式为

1.2 趋势分析法

在完全确定同步时序逻辑电路的设计过程中，形成正确的原始状态图是设计的第一步也是最关键的一步，否则设计出来的电路必然是错误的。而在同步计数器、序列检测器和代码检测器这三种同步时序逻辑电路的设计中，序列检测器的原始状态图的建立又是其中的重点和难点。教材中所采用的方法可行但是难以理解，学生在设计类似电路时很容易出错。针对这个问题，采用“趋势分析法”能够较好的解决。所谓“趋势分析法”，就是根据每个状态的存储功能和输入序列的变化趋势，分析现态在下一个输入信号出现时应该指向哪一个次态，这样逐步分析下去，最后得出正确的原始状态图的方法。下面以“0101”序列检测器为例来说明用“趋势分析法”建立原始状态图的过程。

例如，作出“0101”序列检测器的Mealy型状态图，典型输入/输出序列如下：

输入x 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1

输出Z 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0

首先分析需要使用的状态数目。按照一位输入的序列检测器的一般状态数规律，如果需要检测的序列有n位，则状态数需要n+1个。这是因为其中第一个状态为初态，其他n个状态用于存储n位序列的变化过程。此处待检测序列是“0101”共四位数，故而需要五个状态。其中A状态为初始状态，B状态用于存储输入信号“0”，C状态用于存储输入信号“01”，D状态用于存储输入信号“010”，E状态用于存储输入信号“0101”（即待测序列）。

接下来采用“趋势分析法”作出Mealy型原始状态图，分析过程如图1所示。

“趋势分析法”分析过程说明如下：

（1）从初态A开始，当x=0时，状态从A到B，因为状态B存信号“0”，输出Z=0；当x=1时，状态从A到A保持不变，输出Z=0。

（2）此时处于状态B。当x=0时，状态从B到B，输出Z=0；当x=1时，状态从B到C，因为状态C存信号“01”，输出Z=0。

（3）此时处于状态C。当x=0时，状态从C到D，因为状态D存信号“010”，输出Z=0；当x=1时，状态从C到A，因为信号“011”不能构成“0101”序列的任何一部分，所以只能回到初态A，输出Z=0。

（4）此时处于状态D。当x=0时，状态从D到B，因为状态B存信号“0”，输出Z=0；当x=1时，状态从D到E，因为已经构成“0101”序列，并且输出Z=1（只有检测到待测序列时输出Z=1，否则Z=0）。

（5）此时处于状态E。当x=0时，状态从E到D，因为状态D存信号“010”，输出Z=0；当x=1时，状态从E到A，因为信号“011”不能构成“0101”序列的任何一部分，输出Z=0。注意“当x=0时，状态从E到D”是学生分析时最容易出错的地方，错误原因在于认为“状态应该是从E到B”，这是没有考虑到当输入信号“0101……”重复出现时，前一个“0101”序列的后半段能够作为下一个“0101”序列的前半段这种情况。

2 教学手段改进

为了增强学生对数字电路的感性认识，加深学生对数字逻辑分析方法的理解，掌握常用集成器件的基本使用方法，提高学生学习兴趣[6]，避免枯燥的集成芯片和数字逻辑电路功能讲解。将Proteus软件引入数字逻辑课程教学，可增强教学的生动性和直观性[7]。Proteus 软件具有多种元件库，其中的元器件大多均可直接用于实际电路的搭建，而且该软件提供了多种与实际仪器仪表用法相似的虚拟仪器设备，还有各种信号源，几乎可以完成各类数字逻辑电路的设计、测试和辅助分析工作[8]。

在讲解通用中规模时序逻辑电路章节的集成计数器相关内容时，用同步计数器构建任意进制计数器有多种方法，电路比较灵活，既可以利用计数器的清除端，也可以用预置功能。此时可利用Proteus仿真演示动态过程，节约大量的教师口头讲述时间，这样更具感染力和说服力，学生也更容易理解接受[9]。

例如，4位二进制同步可逆计数器74193构成模10加法计数器和模12减法计数器，要求用Proteus软件实现。其仿真结果如图2所示。

图中电路分成上下两个部分，上半部分电路是模10加法计数器，下半部分电路是模12减法计数器。两个计数器电路相同之处是均由信号发生器（发出频率为1Hz，电压为0-+5V的方波信号）、同步可逆计数器74193、七段显示译码器7448和七段共阴极数码管构成。不同之处在于加法计数器采用累加计数，当计数器输出由1001变成1010时，与门输出为1，该信号接至清除端MR，使计数器状态变成0000，因而其计数范围是0000-1001，从而构成模10加法计数器。而减法计数器采用累减计数，初始设置端平时为1，电路开始工作时置入初态1111，然后开始减1计数，当计数器输出由0100变为0011时，或门输出由1变为0，该信号送至预置端PL，使计数器立即置入1111，因而其计数范围是1111-0100，从而构成模12减法计数器。

3 结语

通过“下标计算法”能够让学生在进行逻辑函数表达式转换时更加简便快速、少犯错误。通过“趋势分析法”能够让学生在同步时序逻辑电路的设计过程中，走好关键的第一步，形成正确的原始状态图。通过Proteus软件仿真，能够让原本枯燥乏味的数字逻辑电路讲解变得更加形象、生动和直观。在教学过程中需要不断地研究和尝试新的教学方法和教学手段，以提高数字逻辑课程的教学效果，为学生学习后续专业课程以及为解决工程实践中所遇到的数字系统问题打下坚实的基础。

【参考文献】

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[3]徐健宁.《数字逻辑电路》课程的教改探索[J].职业时空，2011，7（9）：109-110.

[4]施键兰，赵芮，黄文秀，等.《数字逻辑》课程教学改革的探索[J].现代计算机：专业版，2011（23）：45-47.

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篇8

关键词：数字电路；教学方法；Multisim；仿真

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)28-7058-03

The Exploration of Digital Circuit Teaching and the Useage of Simulation Software

ZONG Xin-Xin

(Institute of Computer Science and Technology, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

Abstract: From the current situation of teaching Digital Circuit, exploring and improving the existing teaching method and means are presented in this paper. Using Multisim in Digital Circuit teaching has greatly stimulated students' interests and has enhanced the students' ability of practice.It has made a better teaching effect.

Key words: digital circuit; teaching methods; multisim; simulation

从事计算机硬件教学的老师都知道，对于计算机专业的学生而言，数字电路是计算机专业学生硬件的专业基础课，这门课程的学习不仅为后续的计算机组成原理，单片机等硬件类课程打下基础，而且更为重要的是通过这门课程的学习，使学生建立对硬件类课程的学习兴趣。如果学生从这门课程开始就对计算机硬件类课程产生了畏难情绪，以后课程的展开是相当困难的。所以这门课程的教学工作承担了双重责任：一是让学生掌握数字电路的基础知识以及分析设计方法，具备查阅和使用集成电路和读图的能力；二是使学生喜欢上硬件类课程，建立对硬件类课程的兴趣和探索精神。因此，这门课程如何展开教学，采用何种教学手段，如何提高学生兴趣，如何使理论和实践更好的结合是每一个教师思索的问题，也是本文所讨论的重点。

1 教学方法和手段

1.1 知识点结构框图化

在每一章每一节内容开始讲授和小结的时候，将知识点以结构图的形式展示给学生，使学生有一目了然的感觉，对自己要学的和学过的知识点有清晰的脉络。例如在讲述逻辑函数的描述方法时，给出下列的结构框图（如图1所示）。

在讲述这个框图时，学生对真值表，卡诺图还没有感性认识，可在黑板上画一个真值表和卡诺图，使学生初步认识它们的形式，也了解了逻辑函数的几种描述方法。

1.2 教学内容的加减法

数字电路发展很快，对数字电路的讲授应符合数字电路的发展趋势，使学生能学有所用，而不是满腹经纶无用之地，这也就是说，要让学生了解数字逻辑电路的最新发展。但俗话说万丈高楼平地起，我们并不能忽视数字电路的基础理论与基础知识。这就要求我们要在有限的时间之内，让学生具备扎实的数字电路基础知识，了解现代数字电路的设计方法和相关工具软件的使用。因此在教学内容安排上做了这样一些调整，重视逻辑代数和逻辑函数基础理论的教学，在组合逻辑电路教学中适当减少中小规模集成电路内部分析和设计，适当增加使用vhdl语言设计组合逻辑电路和时序逻辑电路，学会Multisim11仿真软件的使用方法，让学生有一个较高的起点和平台来应用所学的知识。[1]例如我们在讲到组合电路分析时，常常会将一位全加器给学生作为例题讲解，并且给学生建立全加器的概念：能实现三个一位二进制数相加（被加数、加数和低位进位），得到一位和及一位向高位进位的加法器。在接下来的组合设计内容中我们就适时的增加了用vhdl语言设计一位加法器的内容。

1.3 贴近生活的教学举例

数字电路由于其系统性强，逻辑性强，从始至终教学中穿插着卡诺图，逻辑公式，真值表，特性方程，状态图，状态转移表等内容，很容易让学生产生内容相似的疲劳感，因此在课堂教学中采用贴近生活的举例可以使学生觉得这门课有趣，实用，很容易产生亲切感，让枯燥的课堂学习变得轻松愉快，学习效率也随之提高。例如在组合电路分析教学中给出密码锁电路图，让学生分析开锁的密码是什么。组合电路设计中举例交通灯故障的判别电路，利用优先编码器74LS148和门电路设计医院优先照顾重症患者呼叫的逻辑电路等等。除了课堂老师的举例之外，还通过布置作业的方式让学生查阅数字逻辑电路在现实生活中的用处，并设置课堂讨论时间让学生交流自己所了解的知识。这样不仅激发了学生浓厚的学习兴趣，使其体会到学习的乐趣,变被动学习为主动，同时也活跃了课堂气氛。

2 仿真软件在数字电路教学中的应用

Multisim是一款主要用于数字电路，模拟电路和集成电路仿真分析的软件。它具有界面简单直观，操作方便，电路仿真能力强，虚拟仪器强大等诸多优点。数字电路是一门实践性很强的课程，而传统的教学模式在课堂上理论与实践联系的很少，将Multisim引入数字电路的教学，可有效解决传统教学的不足，在课堂教学演示，课下作业辅导，实验环节都有其独特的优势。其作用主要表现在三个方面。其一，在课堂上，教师和学生可在互动的环境中进行教和学，用事实说话，通过课堂演示可以让学生观察到电路的直观现象，对于学生感觉新鲜好奇，有说服力，对于教师也觉得教的轻松了。其二，将Multisim作为一个课后学习辅助工具，在课后作业的辅导方面发挥着很大作用，一方面学生可以通过软件来验证自己作业的正确性，另一方面可以使有兴趣学生在课外进行更深入的学习，从而达到培养学生学习兴趣及动手能力的目的。其三，在实验环节上，我们现在通常采用传统的硬件实验箱，传统的实验具有现象直观，易于接受的特点，但是实验多是验证性的，并且由于学生操作不当和实验箱老化，容易出现一定损耗；而以Multisim为平台展开的实验，设计，布线，仿真都很简单，也符合现在电路设计的发展方向，可以作为传统实验的有益补充。[2]

2.1 Multisim在课堂教学中的演示

Multisim具有直观的图形界面，它的整个操作界面就像一个电子实验工作台，教师在课堂上绘制电路图十分方便，将元器件和仿真测试仪器直接拖放到屏幕上，用鼠标拖拽导线就可将它们连接起来，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。Multisim包含的丰富测试仪器使得它在课堂上演示生动，直观，易于被学生接受。例如，在进行集成计数器74160这一小节的教学时，首先让学生了解74160是一个可预置数的十进制同步加法计数器，LOAD'是置数端，低电平有效，置数是同步的，当置数端为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 QAQBQCQD与数据输入端 ABCD 一致；CLR'是清零端，清零端是异步的，当清除端CLR'为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能；74160的计数是同步的，当 ENP、ENT 均为高电平时，在CP上升沿作用下计数器加法计数；74160具有超前进位的功能，计数溢出时，RCO端输出一个高电平。接着给出74160的功能表，如表1所示。

对于集成电路芯片，我们不要求学生了解芯片的内部结构，但是学生必须要会查阅使用芯片的数据手册。在了解了74160的芯片引脚和功能后，就可以应用multisim11来学习这个芯片。为了使学生能够一步一步地深入了解和学习这个芯片，我们采用搭积木的方式来展开内容，首先在multisim的工作电路区上放置电源，信号发生器，74160，七段数码管和逻辑分析仪[3]，然后以导线或总线使各个部件连在一起，再将信号发生器和逻辑分析仪的频率设置成相同的，建立如图2的电路图，启动仿真，就可以直观的看到，电路工作在计数状态，数码管从0～9不断变化，打开逻辑分析仪，可以看到，当计数到9时，RCO产生一个超前的高电平进位。

为了进一步讲解置数端和清零端的用法，我们要求用此芯片分别以置数法和清零法实现模6计数器。对于74160，一定要对学生强调它是异步清零和同步置数的。

使用置数法时，模6计数器，也就是要计6个状态，在这里采用0100、0101、0110、0111、1000和1001这6个状态，也就是说，当计数到1001时，要产生置数信号，使下个时种信号到来的时候， QDQCQBQA被置成0100，从而跳过0000到0011。

采用置数法电路图如图3所示，在这里将QDQA输出接个与非门，当QDQCQBQA=1001时，与非门输出为0，置数端得到有效电平，在CP上升沿到来时，QDQCQBQA=DBCA被置成0100。通过仿真，可以看到计数器在4到9之间的6个状态计数。

使用清零法时，采用的是0000、0001、0010、0011、0100、0101这6个状态，也就是说，当计数到0101时，要产生清零信号，在QCQA接与非门，理论上QDQCQBQA=0101时，产生清零信号，可将QDQCQBQA清零，仿真后看到的结果是，计数在0到4变化，没有计到0101这个状态。这究竟是为什么呢，打开逻辑分析仪查看波形，看到只要QDQCQBQA=0101，与非门输出立刻为0，清零是异步的，只要清零信号到来，不论CP如何，计数器立即清零，所以计数器根本没有计到0101这个状态，要想计数到0101的稳态，必须在0110时产生清零信号。修改电路图，在QCQB端接与非门，再次仿真，得到如图4所示的波形图，从图上可以清楚的看到计数到0101状态后，下个计数状态是0000。

接着我们又给学生布置了这样的课后思考题，如何应用74160实现百进制计数器和24进制计数器，并请仿真验证自己的想法。通过这个完整例子的透彻分析，学生不仅掌握了74160这个芯片，对于其他同步计数器芯片也能够做到轻松应用，起到举一反三的效果。

2.2 Multisim作为作业伴侣

Multisim因其方便的界面，丰富的原件库和逼真的虚拟仪器。在学生的课后作业中扮演着重要的角色，大大减轻了教师的负担。例如在学习逻辑代数基础和组合电路中，我们教会学生使用逻辑转换仪，这个仪器可以将电路图、真值表和逻辑表达式进行方便的转换，可以进行逻辑函数的化简。在学完函数化简后给学生布置这样的习题Y=(A'+B')C+BCD'+AD，不管学生是用卡诺图还是公式进行化简，最后结果是否正确，学生自己可以用逻辑转换仪来验证。学生在Multisim工作区放置逻辑转换仪后，双击打开它，在最下方的显示区输入逻辑表达式，点击表达式到真值表按钮，出现这个函数的真值表，再进一步点击真值表到最简与或式按钮，在显示区出现AD+C，也即函数化简的最简结果。从简单的逻辑代数基础知识，到复杂的组合、时序电路分析设计，学生都可以用Multisim验证自己的作业，并且给学生更大的学习和思考空间。

3 结束语

改进现有的教学方法和手段，将EDA技术应用于数字电路的教学，是对此课程的教学改革。通过近几年的教学探索，取得了较好的教学效果，学生对数字电路课程的兴趣大大提高，理论联系实际能力增强，动手能力增强。学生不仅掌握了数字电路的基础知识，而且掌握了现在数字电路的设计方法和新技术，为以后从事电子设计工作打下良好的基础。

参考文献：

[1] 白净，张雪英. 《数字电路逻辑设计》课程的教学实践研究[J]. 电气电子教学学报，2007(s1):72-74.

篇9

中图分类号:TN702文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)19-128-03

Application of Max+plus Ⅱ in Class Teaching of the Phenomenon of Race and Competition

MIAO Changxin1,LI Guilin2

(1.Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,221008,China;

2.Electronic Engineering and Automation,Xuzhou Normal University,Xuzhou,221116,china)

Abstract:The phenomenon of the race and competition is very important and difficult in teaching the″Digital Circuit″course.In order to improve the students′ understanding and griping on the abstract point,taking an ″2 gate″ as example,through the steps of design input,compiler,time sequence simulation and timing.An assistant method by applying Max+plus Ⅱ to the class teaching is introduced.Through the timing simulation result,it can not only view the ″hurr″ in the output,but also find the reason by computing and avoid it effectively.It proves that this method has improved the teaching quality greatly.

Keywords:combinational circuit;phenomenon of the race and competition;burr;Max+plus Ⅱ;time sequence simulation

0 引 言

组合逻辑电路中的“竞争与冒险”现象是“数字电路”课程中的一个重要知识点,对该知识点的正确理解和掌握,有助于学生在设计复杂数字系统时,正确判断是否存在冒险及如何避免冒险。对该内容的讲解,一般方法是:在假设存在一定传输延迟时间的基础上,分析当多路信号同时发生变化时,输出产生 “毛刺”的原因。这种教学方法只能让学生对该知识点的理解停留在表面,为了加深学生对该内容的理解和掌握,更大地提高授课效率,笔者尝试以Max+plus Ⅱ软件为工具,采用直接演示操作的方式[1,2]来讲解该部分内容。教学实践证明,由于Max+plus Ⅱ软件操作简单,并且它提供了很好的仿真及定时分析的作用,使得学生能够理论联系实际地加以学习和思考,从而对组合电路竞争与冒险现象的成因及消除有了更清晰的认识。

1 组合逻辑电路的竞争与冒险现象与Max+plus Ⅱ

“竞争与冒险现象”产生的关键原因是导线和单元器件造成的信号传输延时,同时当输入多路信号的电平值发生变化时,在信号变化的瞬间造成组合逻辑的输出有先后顺序,并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号,这些尖峰信号称为“毛刺”, 如果一个组合逻辑电路中有“毛刺”出现,就说明该电路存在“竞争冒险”现象[3-5]。

Max+plus Ⅱ是美国Altera公司推出的PLD开发系统,利用该软件系统提供的原理图编辑器、编译器、仿真器及定时分析器,可以很方便地观察输出电路中的“毛刺”,找出产生的原因并消除它[6,7]。

2 Max+plus Ⅱ在“竞争与冒险现象”的课堂教学中的应用

课堂上以最简单的与门为例进行操作演示说明。

2.1 原理图输入

打开Max+plus Ⅱ软件,新建一个原理图文件(Graphic Editor),将两输入与门(and2)及两个输入端口(input)及一个输出端口(output)从Symbol Libraries 中调出,连线,并将端口分别命名为A,B,C,如图1所示。电路设计好之后,保存文件并检查错误(“File”“Projec”“t”“save&check”)。

图1 两输入与门设计原理图

2.2 设计编译

首先打开菜单“Assign”“Device”,为所设计的电路指定某个目标器件为FLEX10K系列,型号为EPF10k10lc84-4,如图2所示。然后打开“Assign”“Pin/Location/Chip”给节点A,B,C分别分配引脚为1,2,3,如图3所示。

图2 选择器件(Device)对话框

图3 分配引脚对话框

然后运行编译器(Compiler),因为只有进行时序仿真才能观察到“毛刺”现象,所以,在编译前要设定时序仿真(ProcessingTiming SNF Extractor),编译器将进行错误检查、网表提取、逻辑综合、器件适配,并产生仿真文件。

2.3 时序仿真

Max+plus Ⅱ支持功能仿真和时序仿真。时序仿真是在选择了具体器件并完成布局布线后进行的包含定时关系的仿真[8],只有通过时序仿真才可能查看到竞争与冒险现象。

新建一个波形图文件(Waveform Editor),因为要观察由于竞争而产生的“毛刺”现象,所以这里要注意设置一个信号同时发生变化的时刻,然后运行仿真器(Simulator),添加的输入波形及仿真运行结果如图4所示。

图4 时序仿真波形图

由仿真结果可以很清楚地看到,输出C的波形有一处为“毛刺”,即理论应该为逻辑0,可它却为逻辑1。

2.4 毛刺产生的原因及宽度计算

Max+plus Ⅱ提供的定时分析器(Timing Analyzer)可以用来分析所设计电路的时间性能,打开其中的延时矩阵分析模式,见图5,可以查看源节点和目标节点之间的传播延时。

图5 传播延时矩阵

由图5可得知:由A传输到C所造成的传输延迟时间为123 ns,由B输出到C所造成的传输延迟时间为12.8 ns,假设与门的内部延时是0.2 ns,则,对信号A进行简单计算:

信号A传输到C的总延迟时间=与门内部延迟时间+连线延迟时间=12.3 ns

连线延迟时间=12.1 ns

对信号B进行简单计算:

信号B传输到C的总延迟时间=与门内部延迟时间+连线延迟时间=12.8 ns

连线延迟时间 = 12.7 ns

那么,如果假定在time=0.0时刻,信号A由逻辑0值向逻辑1值跳变,信号B由逻辑1值向逻辑0值跳变,则当time=12.1 ns时,与门输入端A的值为1,输入端B的值也为1,这使得输出C在time=12.1+0.2=12.3 ns时刻出现逻辑值1,即为图5上的“毛刺”,该逻辑1值维持的时间为time=12.7-12.1=0.6 ns(即毛刺宽度为0.6 ns)。

2.5 毛刺消除

消除毛刺的方法很多,比如输出端引入D触发器、输入端引入选通脉冲等[9,10],图6即为引入选通脉冲后,仿真得出的波形。从图6可以看出,通过控制选通脉冲P的低电平时间,并保证在信号进入稳态时,在P高电平期间可使门电路有正常的输出,能很好地消除“毛刺 ”。

图6 引入选通脉冲P后的仿真波形

3 结 语

在同一个教学内容的学习中,可能有若干个学习环节, 而不同的学习环节其学习任务和目标是不同的,这

就带来了教学方法的多样性和综合性。有针对性的、多样化的教学手段与方法可以大大提高与改善教学效果,开拓学生思路。本文即介绍了一种将Max+plus Ⅱ引入数字电路“组合电路竞争与冒险现象”这一讲的教学方法,实践证明,该方法取得了良好的教学效果。

参考文献

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篇10

中图分类号：G64 文献标识码：A

关键词：数字电路；课程建设；EDA；新体系

文章编号：1672-5913(2007)16-0035-03

1引言

电子技术的发展使与之对应的基础课程的教学内容也不断地发生变化。教学应领先于应用，而不能落后于应用，这是我们教育研究的动力。数字电路的教学内容的改革，也同样伴随着当今的电子科学和电子工业发展而发展。课程的内容体系，研究的范围与方法，学科的内在理论体系与应用型人才培养的大众化教育要求等，都大大促进了课程的体系和内容的改革。但就目前的数字电路这样一门专业基础课课程内容的设置问题，如何构建出适合我国国情和与当今科学技术对应的数字电路课程体系，仍要不断探索。本文通过对这门专业基础课的发展过程的回顾，分析近年来众多的教学改革的现状，就合理设置数字电路课程内容进行了一些探讨。

2发展与现状

数字电路的发展是从开关逻辑电路开始的，人们在厂家控制电路中的继电器和开关构成的电路与信号，创建了开关电路理论与脉冲技术。在20世纪60年代这一门技术由于电子元件替代了机械开关元件，使之逐渐成为电子技术的基本内容，得到研究和发展。随着半导体元件的快速发展，电子技术把研究信号的连续性和离散性的研究理论体系和研究方法进行了分类，形成了以数字逻辑代数和离散数学为基本理论的数字电路。最早期以晶体管脉冲技术为核心的数字电路课程，研究的方法与模拟电路的晶体管电路研究方法基本相同。

随着数字技术主要研究逻辑和算术运算、时间控制和计时等方面的应用，集成电路技术在数字逻辑电路的应用，出现了中小规模的数字逻辑电路标准器件。这时的数字电路研究的基本理论并没有新的发展，但研究的方法则是以标准逻辑电路的选用为基础的数字电路的分析与设计方法。

由于计算机应用于电子线路的辅助设计，超大规模的数字集成元件的分析与设计方法，成为新的数字电路的研究方向。EDA的工具软件与PLD元件的结合，使得数字电路的研究方法发生了新的变化。那种以中规模标准逻辑电路为基本单元的，自下而上的数字电路系统的研究与分析设计方法，已不适应当前的数字系统的集成电路设计要求。利用HDL语言为基础的自上而下的数字电路系统设计方法得到各种EDA软件的支持，使得数字电路研究方法出现了新的飞跃。

大量的学者与教育工作者认识到，以HDL为描述语言的数字电路设计方法将成为现代数字电路研究的发展方向。与之对应的研究成果把数字电路分为二层进行教学，数字电路基础和数字电路系统设计自动化。作为基础课，是为了深入学习后续课程来准备基本的理论知识和基本的研究与设计方法等技术基础。原有的自下而上的数字电路的课程中，增加了HDL语言的电路描述部分内容，保持原有的课程体系不变。随着EDA技术在数字电路的研究、分析和设计上的应用，数字电路系统设计自动化成为第二层面的教学内容。之所以称之为第二层面，对于数字电路而言，研究内容大致一样，研究方法上不在同一层面之上。一个是以逻辑单元为基本研究对象，对数字电路系统设计是自下而上的，另一个是直接以系统为对象，用HDL语言描述，在EDA软件平台上，自上而下的逐步综合实现的。

3新体系的设想

把EDA作为数字电路的主体分析设计工具。在教学内容上确立其中心位置。以单元电路学习形成的基本概念为基础，以自上而下的电路系统设计方案为思路，以HDL语言为描述方法，构建的教学内容新体系。

改革原有的以逻辑代数为基础的思路，把逻辑代数与HDL语言并行为基础。改革由单元电路开始自下而上的知识构建思路，变为引入EDA软件的工具学习为开始的自上而下的知识构建思路。

4新体系建立的基本思路

数字电子技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的实用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化。特别是可编程逻辑器件的大量应用，使原来中小规模的标准器件在应用系统的设计中应用减少。

尽管传统的基本单元电路对于理解数字系统基本构成模块的工作原理具有重要意义，但是必须认识到电子技术的新进展使系统和数字逻辑电路的工作过程出现了新的描述方法。未来的数字系统设计，对描述方法的理解可能比具体的硬件结构更加重要。

从数字电路课程的性质，专业基础课看。如果这个基础工业的应用范围变了，中规模的标准逻辑器件相对应的研究方法，占实际应用的比例少到一定程度，而取而代之的现代电子技术的研究方法应该定位成课程的基础。

从旧体系中的课程目的是针对从晶体管电路发展而来的研究方法与学习内容，在中规模电路中进行了改革与发展。引进HDL语言的描述，使研究的层面从单元电路发展为系统级的层次。

旧的数字系统是在手工设计流程，一般都是先按电子系统的具体功能要求进行功能划分，然后对每个电路模块画出真值表，用卡诺图进行手工逻辑化简，写出逻辑表达式，得到相应的逻辑线路图。再进行单元器件的选择，设计电路板，最后进行实测与调试。而复杂电路的设计、调试十分困难，无法仿真在设计中存在问题，查找和修改十分不便，只有在设计出样机后才能进行实测，设计周期长。

新的数字系统是在EDA中使用HDL对数字系统进行抽象的行为与功能描述，到具体的内部线路结构描述，从而使设计的各个阶段，各个层次在EDA软件环境中模拟验证，保证其正确性，周期短。由于逻辑设计仿真测试技术是EDA的突出功能，形成的现代电子设计技术的重要特征。适应了大规模的系统级电子设计的自动化程度。

对于知识构建的认识。可以从实际的需求，即专业人才应具备的素质和能力。在构成这样的素质和能力的知识体系，确定应具有理论的系统性和完整性去构建课程的内容。

从大众教育与精英教育关系上看，原有的教材所形成的课程内容，是以理论研究为目的的课程体系。不适应现在的学习群体的实际应用能力培养的需要，所以课程的内容要从研究型的专门人才，向应用型的技术人才相适应。其内容处理的方向是注重民应用为目的的“必须”与“够用”为度。

因为新的课程内容所提出的结构体系，更加符合大众教育的特点，和人们认识规律，将大大降低学习难度。

传统的数字电路教学内容中的课堂与实践的关系。是以课堂教学内容为主，实验只是为了验证课堂教学，而采用EDA为中心的数字电路教学内容的课堂与实践是同步进行了。因为这种教学与实验是一个整体的EDA软件，课堂的演示就可以解决验证的问题，学生在EDA软件的环境之下，可能随时随地在计算机上进行实验研究。