虚拟仿真实验在数字电子技术教学中的应用

钟海丽

摘 要 将虚拟技术应用到数字电子技术教学中，是目前高校电子技术改革的一个热点。在多媒体教室，教师在计算机上用Quartus II对所讲部分电路进行仿真，可以演示课堂上和实验室无法做到的实验，提高学生学习兴趣，化解学习中的难点，很好地体现理论和实际相结合的教学原则。

关键词 Quartus II 仿真实验 应用

1 Quartus II的特点及在教学中的应用优势

利用软件的方式来完成对系统硬件功能的实现是现代电子设计的发展趋势之一，而Quartus II作为一种可编程逻辑的设计环境， 界面友好、功能强大，可以完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线及逻辑优化和仿真测试，直到实现既定电子线路系统功能，因此越来越多地应用于数字系统设计中。[1][2]在数字电子技术的教学当中，教师采用Quartus II在计算机上虚拟出一个测试仪器先进、元件品种齐全的电子工作台，将传统的实验室“搬”到课堂，很好地体现了理论与实践相结合的教学原则，通过对电路的仿真、改进，可以激发学生的学习兴趣，培养学生综合分析问题与解决问题的能力，因此将虚拟技术应用到数字电子技术教学中，是目前高校电子技术改革的一个热点。

2 电路仿真的一般流程

采用Quartus II进行仿真的设计流程如下：首先是建立工程，输入程序源或者设计原理图，并进行全程综合与编译。接下来打开波形编辑器设置端口节点，设置激励信号波形，启动仿真器，分析仿真结果。

3 电路仿真在教学中应用举例

计数器是时序逻辑电路中的基础电路，也是学生在设计中经常出错的电路之一。若已有N进制计数器（如74LS160），现在要实现M进制计数器，只能用已有的计数器经过外电路的不同连接方式实现。在M>N的情况，必须用多片N进制计数器组合起来，才能构成M进制计数器。[3]连接方式有串行进位方式、并行进位方式、本文以串行进位方式的方式构成100进制计数器。

3.1 采用图形输入法（见图1）

3.2 对电路进行仿真（见图2）

很明显仿真结果显示计数出现了错误，“08”之后应该是“09”，而仿真图变成“19”，不符合100进制计数器的计数规律。

3.3 根据这个实例，可以引导学生找出错误原因

由于74LS160是上升沿触发，且“1001”与进位输出“1”是同时出现的，如果直接用低位进位信号去触发高位计数，当低位从“1000”变为“1001”的时候，低位的进位输出从“0”变为“1”，正好有个跳变，这个跳变将触发高位计数，就会出现“08”之后变成“19”的错误。所以低位的进位输出必须通过一个非门接入高位的时钟信号端。[4]

3.4 修改后电路重新仿真（见图3）

从改正后的电路仿真图可以看出，低位的进位输出通过一个非门接入高位的时钟信号端后，“08”之后为是“09”， “09”之后为“10”，完全符合100进制计数器的计数规律。

4 结语

Quartus II 是一种较理想的数字电子技术实训工具，其界面直观、操作方便，输入方式灵活，在多媒体教室，教师采用计算机虚拟技术对所讲部分电路进行仿真，使学生对每一堂课的内容有个感性认识，既节约了实验成本，又提高了教学效率，能进一步激发学生的学习积极性与主动性，较好地培养他们的自主创新能力。

参考文献

[1] 潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].第四版.北京：清华大学出版社，2014.

[2] 宋万杰等.CPLD技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[3] 盧毅，赖杰.VHDL与数字电路设计[M].北京：科学出版社，2013.

[4] 阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2015.