虛擬仿真實驗在數字電子技術教學中的應用

鐘海麗

摘 要 將虛擬技術應用到數字電子技術教學中，是目前高校電子技術改革的一個熱點。在多媒體教室，教師在計算機上用Quartus II對所講部分電路進行仿真，可以演示課堂上和實驗室無法做到的實驗，提高學生學習興趣，化解學習中的難點，很好地體現理論和實際相結合的教學原則。

關鍵詞 Quartus II 仿真實驗 應用

1 Quartus II的特點及在教學中的應用優勢

利用軟件的方式來完成對系統硬件功能的實現是現代電子設計的發展趨勢之一，而Quartus II作為一種可編程邏輯的設計環境， 界面友好、功能強大，可以完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、布局布線及邏輯優化和仿真測試，直到實現既定電子線路系統功能，因此越來越多地應用于數字系統設計中。[1][2]在數字電子技術的教學當中，教師采用Quartus II在計算機上虛擬出一個測試儀器先進、元件品種齊全的電子工作臺，將傳統的實驗室“搬”到課堂，很好地體現了理論與實踐相結合的教學原則，通過對電路的仿真、改進，可以激發學生的學習興趣，培養學生綜合分析問題與解決問題的能力，因此將虛擬技術應用到數字電子技術教學中，是目前高校電子技術改革的一個熱點。

2 電路仿真的一般流程

采用Quartus II進行仿真的設計流程如下：首先是建立工程，輸入程序源或者設計原理圖，并進行全程綜合與編譯。接下來打開波形編輯器設置端口節點，設置激勵信號波形，啟動仿真器，分析仿真結果。

3 電路仿真在教學中應用舉例

計數器是時序邏輯電路中的基礎電路，也是學生在設計中經常出錯的電路之一。若已有N進制計數器（如74LS160），現在要實現M進制計數器，只能用已有的計數器經過外電路的不同連接方式實現。在M>N的情況，必須用多片N進制計數器組合起來，才能構成M進制計數器。[3]連接方式有串行進位方式、并行進位方式、本文以串行進位方式的方式構成100進制計數器。

3.1 采用圖形輸入法（見圖1）

3.2 對電路進行仿真（見圖2）

很明顯仿真結果顯示計數出現了錯誤，“08”之后應該是“09”，而仿真圖變成“19”，不符合100進制計數器的計數規律。

3.3 根據這個實例，可以引導學生找出錯誤原因

由于74LS160是上升沿觸發，且“1001”與進位輸出“1”是同時出現的，如果直接用低位進位信號去觸發高位計數，當低位從“1000”變為“1001”的時候，低位的進位輸出從“0”變為“1”，正好有個跳變，這個跳變將觸發高位計數，就會出現“08”之后變成“19”的錯誤。所以低位的進位輸出必須通過一個非門接入高位的時鐘信號端。[4]

3.4 修改后電路重新仿真（見圖3）

從改正后的電路仿真圖可以看出，低位的進位輸出通過一個非門接入高位的時鐘信號端后，“08”之后為是“09”， “09”之后為“10”，完全符合100進制計數器的計數規律。

4 結語

Quartus II 是一種較理想的數字電子技術實訓工具，其界面直觀、操作方便，輸入方式靈活，在多媒體教室，教師采用計算機虛擬技術對所講部分電路進行仿真，使學生對每一堂課的內容有個感性認識，既節約了實驗成本，又提高了教學效率，能進一步激發學生的學習積極性與主動性，較好地培養他們的自主創新能力。

參考文獻

[1] 潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].第四版.北京：清華大學出版社，2014.

[2] 宋萬杰等.CPLD技術及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[3] 盧毅，賴杰.VHDL與數字電路設計[M].北京：科學出版社，2013.

[4] 閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2015.