任意進制計數器設計在EWB中的仿真實驗

蔡娟娟

（福建師范大學人民武裝學院，福建 福州 350007）

任意進制計數器設計在EWB中的仿真實驗

蔡娟娟

（福建師范大學人民武裝學院，福建 福州 350007）

EWB軟件用于數字電路教學中，可以把抽象的電子電路變得更加生動、直觀，加深學生對電子電路的理解。以設計任意進制的計數器為例，列舉幾種不同的設計方法用EWB軟件進行仿真實現，同時指出若干設計方法在仿真實驗中可能出現的錯誤。

數字電路；EWB；電路仿真；計數器

《數字電路》是高校計算機專業的一門專業基礎課，具有很強的實踐性。通過實驗，可以使得學生對實際電路有更直觀、更感性的認識，提高學生對電路知識的理解和實際應用能力。隨著教學方法的改革和教學手段多樣化的改善，可在教學中引入電路仿真軟件，如Electronics Workbench（EWB），建立“電子虛擬工作平臺”。該軟件的仿真結果與實際電路結果幾乎相同，將它用于數字電路實驗課程中，還可減少儀器設備的損耗，降低實驗成本，提高實驗效率。學生可在課后根據所學內容自行設計電路，用軟件對電路進行仿真，驗證設計結果的正確性，從而大大提高學生的分析設計能力，激發他們的學習興趣。

一、EWB軟件簡介

EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的一款電子電路仿真分析、設計軟件，它具有直觀的界面，用戶學習操作十分簡便，該軟件與其升級版本Multisim軟件相比，使用方式與實際更接近，同時它還帶有豐富齊全的元器件庫，根據需要可靈活改變各器件的參數，因此它能演示各種復雜電路系統，以查看結果。

EWB軟件的運行界面主要由菜單欄（menus）、工具欄（toolbars）、電路工作窗口（circuit window）、元器件庫欄（parts bin toolbar）、描述窗口（description window）、啟動/停止開關、暫停/恢復開關、狀態欄(status line)等組成。在EWB軟件中創建電路，所需的各種元器件、測試指示器件都是直接從元器件庫欄中用鼠標拖至電路工作區，且圖形與實物外觀接近。電路創建后，可點擊右上角的電源開關開始仿真，再次點擊開關，即可中途中斷仿真。

軟件中儀器庫的邏輯轉換儀能幫助我們快速地完成邏輯函數的化簡或邏輯表達式、真值表、電路圖三者之間的轉換，為組合邏輯電路的分析、設計帶來很大的方便。此外，EWB軟件還可用于演示組合邏輯電路中可能出現的競爭—冒險現象，優先編碼器、時序邏輯電路設計、計數器的設計等。

二、計數器設計的仿真實驗

下面以十進制計數器74160為例進行仿真設計。為能直接觀察計數器的計數過程，在以下設計中，CLK脈沖頻率均為1HZ，Q輸出端接譯碼數碼管以顯示十進制數字。

1.單片計數器的設計

以7進制計數器設計為例，由于7進制計數器的模小于74160計數器的模，所以設計只需一片74160即可完成。設計方法有異步清零法、置數法（預置數為零）、置數法（進位信號反饋），由于篇幅所限，這里先介紹置數法（預置數為零），仿真電路如圖1所示：

圖1 置數法（預置數為零）

計數器預置數設為0，當計數器計數到6時，使用同步置數端LOAD’，強制改變計數器的次態為預置數狀態0，從而實現了7進制計數器。

2.計數器的級聯設計

如果設計的計數器的模大于74160的模，則需要多片74160計數器進行級聯設計。設計方法有同步級聯、異步級聯，兩者的差別在于時鐘信號端是否相連。下面以23進制計數器為例介紹同步級聯的設計方法，仿真電路如圖2所示：

圖2 同步級聯設計的23進制計數器

計數器（1）為高位計數器，計數器（2）為低位計數器，兩片時鐘信號端接在一起，計數器（2）的進位信號連到計數器（1）的計數使能端，以控制高位計數器的計數，通過此同步級聯方法把兩片連接成100進制計數器，同時計數器（1）和計數器（2）預置數端均接0，設置計數器計數到22時，利用同步置數端把兩片計數器的次態均改為0，從而達到設計的目的。

以上設計仿真結果均與理論分析一致。

三、軟件的局限性

EWB軟件雖然應用廣泛，但它通常是在較理想的情況下進行仿真的，該軟件存在一些問題及瑕疵，因此用它進行電路分析設計時，有時會出現錯誤，影響正確的電路設計。例如：

1.置數法（進位信號反饋）

計數器預置數接3，進位信號端通過非門連到同步置數端，仿真電路如圖3所示：

圖3 置數法（進位信號反饋）

從理論上分析，計數器計數到9時，進位信號為1，利用此時的同步置數端有效，強制改變計數器的下個狀態為預置數3，之后正常計數，此電路可實現7進制計數器。但實際仿真結果與預期不同，計數器置數后，即停止計數。經試驗，預置數為3或5時，計數器的仿真運行均不能正常計數，而預置數為其他值時，計數器可正常工作。

2.異步級聯法（以100進制計數器為例）

與同步級聯法方法不同的是，計數器（2）的進位信號通過非門連到計數器（1）的時鐘信號端，兩片計數器的時鐘信號端并未連在一起，仿真電路如圖4所示：

圖4 異步級聯設計的100進制計數器

仿真結果與理論分析存在少許誤差，高位計數從1開始，而不是預期的0。其原因是EWB軟件進行電路仿真時，所有器件初態均為0，因此電路一激活，經非門后，時鐘信號從0到1，出現有效上升沿，導致計數器立刻加一。但循環一周后計數器可恢復正常工作，從0計數到99。

在實踐中發現，EWB軟件還存在一些不足的地方，比如：該軟件編輯菜單中沒有撤銷恢復功能；線路較復雜時，移動某段線路可能會造成其他線路中斷；有時線路節點非自動生成；數碼管幫助中的功能說明與實際使用不符；TTL門輸入端懸空時的處理、Π的取值均有誤等。

EWB仿真軟件用在數字電路輔助教學中，能提高教學效率，增強課堂氣氛的活躍度，加深學生的理解能力，還可以從根本上克服實驗器材在規格、數量上的限制。但需要注意的是，仿真設計的電路并不能完全等同于實際設計的電路，兩者是有所差別的，經軟件仿真設計后，應當利用實物元器件安裝調試，以驗證所設計電路的正確性。由此可見，像這種新教學手段的引入并不能完全取代傳統的教學方法，兩者應當取長補短、優勢互補，將新教學手段合理地融合到傳統教學過程中，才能取得更好的教學效果。

［1］曾柳娟，全宏瑞，王艷玲.EWB仿真軟件在《數字電路》課程教學中的輔助作用［J］.桂林師范高等專科學校學報，2009，（1）：174-177.

［2］陳潔，成曉梅，龐壽全，呂集爾.EWB5.0在數字邏輯電路實驗教學中的應用［J］.玉林師范學院學報，2005，（3）：40-44.

［3］陳夢喆.仿真軟件EWB的優劣分析［J］.煤炭技術，2010，（2）：23-25.

［4］郗仲平.談EWB軟件在電子計數實驗課中的應用［J］.甘肅廣播電視大學學報，2009，（4）：64-66.

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1673-0046（2011）09-0150-02