数字系统分析与设计教学研究

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摘要：本文阐述了数字系统的概念、分析与设计，以实例说明数字系统的分析和设计过程的教学，让学生用更简洁的方式掌握数字系统的基本知识、分析和设计方法，提高教学效率，同时激发学生的学习兴趣。

关键词：数字系统；系统功能；系统设计

在数字系统中，功能级电路是由能完成某种特定的逻辑功能的单元电路所组成的，而单元电路主要分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。对于单元电路的分析与设计，则是建立在真值表、卡诺图和状态表基础上。这些只是在数字系统教学中要求学生应知应会的基本概念，而针对我院（成都市技师学院）五高层次高年级学生、三高层次及预备技师班学生的话，则应再上一个层次，在教授了基本概念的基础上，将重点讨论规模更大、功能更复杂的数字系统，介绍数字系统的概念、分析与设计，以简单的实例说明数字系统的分析和设计过程，让高职学生了解数字系统的基本知识、分析和设计方法，进一步加深对单元电路的理解，使他们掌握更专业的知识，在就业方面具有更多的优势。

一、数字系统概念的教学

数字系统涉及的工程问题很多，如：机械工程学、有无机化学、电力电子学、传感器原理、自动控制学等等。凡是以离散形式表示的，具有处理、存储、传输数字信息能力的逻辑子系统的集合，称之为数字系统。数字系统一般由三部分组成：输入接口电路、输出接口电路、数据处理和控制器。而五高层次高年级学生、三高层次及和预备技师班的学生在学习类似直流输入接口电路、继电器输出接口电路以及集成数据处理电路等结构的电路时，具有一定的难度。通过我们团队的研究讨论及教学实践，发现从基本原理入手，重点讲解电路的分析方法，避开电路的内部结构和内部结构的分析方法，更能让学生理解电路的工作原理。这样一来，学生在学习时感觉较为简单，从而提高了学生学习的积极性。输入、输出接口电路主要用来实现数字系统和外界的信息交换。而处理器则对输入信号进行传送和加工处理，同时接收控制器的信息，并将处理过程中产生的状态信号提供给控制器（如图1所示）。控制器是数字系统的核心部分，也是数字系统设计的重要部分。在控制器的作用下，系统内部各模块按一定顺序工作。针对学生对框图的理解比较困难，在教学过程中可进行具体举例，来说明电路的工作原理。举个例子：输入接口电路采用射极跟随器（如图2所示）。射极跟随器指的是信号从基极输入，从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级；也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。说明这就是一个接口电路的原理，集成起来就是接口电路。有无控制器是区分子系统和数字系统的一个重要标志，凡是包含控制器并且能够按顺序进行操作的系统，不论其规模大小，都称之为数字系统。存储器规模大，但不能按照规定程序进行操作，只能称之为子系统部件或功能模块。对于子系统，定义为子系统是一种模型元素，它具有包（其中可包含其他模型元素）和类（其具有行为）的语义。子系统的行为由它所包含的类或其他子系统提供。子系统实现一个或多个接口。这种易混淆概念，通过对比讲述的方法，学生接受程度较高。

二、数字系统分析

随着大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，越来越多的电路被集成在一片半导体芯片上。尽管如此，对于若干芯片组合而成的数字系统的分析仍是需要的。掌握数字系统的基本分析方法，分析系统内部信号之间的逻辑关系，以便了解复杂数字系统的工作原理和系统功能。分析给定数字系统的逻辑功能，通常可以按照以下的步骤进行。1、了解系统的功能在具体分析数字系统的逻辑功能之前，首先应根据所给数字系统的资料，了解系统的用途，实现什么功能。这对进一步分析各模块或各个组成部分的功能起到指导作用。比如在分析数字系统的逻辑功能时可以用图3中的框图来解释。由于框图的分析在前面已经学过，在此基础上，学生进行系统功能的分析时就比较轻松。2、查阅系统所用器件的功能在分析复杂数字系统的组成时，需查阅相关器件手册，了解系统中使用的中、大规模集成电路的型号、逻辑功能及其连接方式等。芯片手册动辄几百上千页，没有必要将芯片手册都读完一遍再开始查询。故可将其可视为工具书，当需要实现某个功能或不清楚怎样实现时再进行查阅。而查阅时可先对芯片进行作用的分类，分类细化后，根据目录查询起来就快而准确。3、系统划分，画出分解后的逻辑框图根据所学的基本知识，按照信号的流向及其完成的基本功能，将系统划分成若干个功能块，分析每个功能块输入和输出信号之间的逻辑关系。例如在分析SA7111A系统的逻辑功能时，先将该系统细化成五个功能块，然后再依次分析各块之间的逻辑关系。整个过程虽然有些复杂，但是仔细分析，学生理解起来并不难。4、系统功能的分析连接各个功能模块，进一步分析系统从输入到输出的完整工作过程。必要时画出系统工作的状态转换图或时序图。数字系统功能的分析步骤，有以下几个方面：列出各功能模块的逻辑功能；不必从模块内部电路分析，把各模块看成黑箱处理；根据给出的电路图理清各模块之间的连接关系或控制关系；根据给定条件，分析各模块的工作状态以及整个系统的工作状态；列出整个系统的功能表或状态转换图或者画出其时序图；说明整个系统的逻辑功能。具体数字系统的分析时，应根据数字系统的具体组成情况灵活应用分析方法，并不一定拘泥于上述分析步骤。在特殊的情况下，根据实际情况，画出流程图，就可以直接画出电路图，也可以用应用软件直接画出电路图。例如用Proteus就可以进行。Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等。Proteus软件从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。通过在教学中采用Proteus软件，不仅可以吸引学生的注意力，提高课堂效率，还可以激发学生的学习兴趣。

三、数字系统的设计方法

采用真值表、卡诺图、状态转换表和状态转换图等传统方法设计或描述数字电路的逻辑功能，适用于输入变量、输出变量以及状态变量较少、规模较小且功能较为简单的数字电路设计。当数字系统的输入变量、输出变量以及状态变量较多、功能较为复杂时，需要采用更加有效的设计方法，以适应于各种类型的数字系统设计。数字系统的设计方法通常分为两类：自上而下的设计方法和自下而上的设计方法。1、自下而上的设计方法自下而上的设计是一种试探法，设计者根据实践经验将复杂的数字系统划分成若干个子模块，一直分解到可以用传统方法进行设计为止。子模块设计完成后，再组装系统，调试系统以达到设计要求。自下而上的设计方法主要依靠设计者的实践经验和设计技巧，用逐步试探的方法完成系统的设计。系统的指标如何在系统构成后才能测试，如果不能达到要求，需要重新修改子模块设计，因此设计周期长，资金投入较大。随着计算机技术和设计手段的发展，自下而上的设计方法正逐渐被自上而下的设计方法取代。2、自上而下的设计方法自上而下的设计方法从整个系统的逻辑功能出发，明确系统要求，进行最上层的系统设计，将系统按照逻辑要求划分为控制器和处理器，采用ASM图或其他语言描述控制器和处理器。如果控制器和处理器仍然复杂，可以进行多重逻辑划分。

通过对数字系统的概念、分析与设计循序渐进、举一反三的理论教学，在加上在教学过程中，在实验室进行电路的装接、连接、测试、分析和PROTEUS软件的使用，使学生既学到了知识，又增加了分析和动手能力，从而提高了教学的效率。

作者:谢彩云 唐 敏 王文川 单位:成都市技师学院

参考文献：

[1]李晶皎,李景宏,曹阳.逻辑与数字系统设计[M].北京:清华大学出版社，2009.

[2]徐丽香.数字电子技术[M].北京:电子工业出版社，2016.作者单位：成都市技师学院。