Matlab/Simulink在“數字電路”中的應用

何 松

（常州工學院 計算機信息工程學院，江蘇 常州 213032）

Matlab是由美國The MathWorks公司開發的軟件，是MatrixLaboratory（矩陣實驗室）的縮寫，一種高效的工程計算機語言。它集概念設計、算法開發、建模仿真、實時實現于一體，方便使用且適于集成環境。Matlab的一個重要的分支產品是Simulink，它結合了框圖界面和交互仿真能力，是一種系統設計和仿真的工具。Simulink模型是用繪制方框圖代替程序編寫，使得系統編寫具有了可視化的功能，同時也可借助模擬示波器等虛擬設備更加直觀地顯示仿真動態結果。Simulink也是目前動態系統建模、仿真等方面應用最為廣泛的軟件之一[1]。

“數字電路”課程是信息、電子類專業的一門專業基礎課。數字電路由若干個數字集成器件構造而成。按照邏輯功能不同特點，可以分成組合邏輯、時序邏輯兩大類電路。傳統的課程實驗中，大多采用實驗箱，讓學生搭建實驗電路，操作簡單。隨著信息技術的發展，除了關注學生的動手操作能力，更加強調知識體系的分析和應用能力。如果能夠較好地利用Matlab/Simulink方針技術，將可以使教師的講解更加生動，學生也可以更加直觀地看到電路運行時的波形變化，更加容易被學生理解，從而提高學習效率[2]。

1 仿真實例

本文以并行寄存器為例。設計中使用基本RS觸發器設計一個2位并行寄存器。并行寄存器就是能夠同時存儲幾個數據源數據的寄存器。Simulink中提供了基本RS觸發器模塊。首先在Matlab中運行Simulink，然后新建一個模型，將RS觸發器的模塊添加到模型中，通過在這個模塊上右擊鼠標，單擊彈出菜單中的“Look Under Mask”（查看下封裝下的電路）命令，可以看到這個模塊內部電路。基本RS觸發器模塊及其內部電路如圖1所示。

圖1 基本RS觸發器模塊及內部電路

1.1 設計原理

觸發器（Flip Flop）是一種可以存儲電路狀態的電子元件。最簡單的是由兩個或非門，兩個輸入端和兩個輸出端組成的RS觸發器，邏輯符號如圖2所示，狀態轉換如圖3所示。

圖2 RS觸發器邏輯符號

圖3 RS觸發器狀態轉換

RS觸發器的真值表如表1所示。

表1 RS觸發器真值表

復雜一些的有帶時鐘（CLK）端和D（Data）端，當CLK端是高電平時跟隨D端狀態，當CLK端變為低電平的瞬間鎖存信號。更常用的是兩個簡單D觸發器相級聯，在時鐘下跳沿鎖存信號的邊緣D觸發器，廣泛應用于計數器、運算器、存儲器等電子器件。

1.2 設計思路

設計一個兩位并行寄存器需要2個基本RS觸發器，而且這個寄存器要在同一個激勵下，從輸入端讀入數據，存儲一段時間后，在下個周期將信號輸出，同時讀入新的信號。這就需要將時鐘源信號作為輸入信號的控制端，由于輸入信號R和S不能同時為1，所以通過一個非門將它們聯系起來，迫使兩個端口信號不同時為高電平[3-4]。

1.3 模塊參數設置

用基本RS觸發器構造并行寄存器，需要5個模塊：RS觸發器、時鐘源、脈沖源、邏輯運算模塊、示波器。搭建模型后，需要修改模塊參數。RS觸發器模塊只有一個參數即觸發器的初始狀態，也就是Q端的初始值，默認值為0。時鐘源模塊的參數時鐘周期，采用默認值2。4個邏輯運算模塊均設置為2輸入與非門。將脈沖源模塊的Pulse Type選擇Sample based，其他參數設置如表2所示。示波器輸入端口改為5個，完成參數設計部分[5]。

表2 并行寄存器脈沖源參數設置

1.4 仿真結果

將各模塊擺放合適，完成連線，仿真圖如圖4所示。仿真時間默認為10 s，開始仿真，通過示波器觀察到輸出波形，如圖5所示。

圖4 2位并行寄存器電路

圖5 示波器輸出結果

從波形上可以看出，當時鐘源處于低電平時，觸發器輸出保持在時鐘跳變前的數值，對于D1和D0輸入的變化沒有改變，而當時鐘源處于高電平時，輸入的信號全部送入輸出端，這是一個不穩定的因素，也是電平觸發的觸發器的一個缺點。并且兩個觸發器完全獨立工作，互不影響，這就是并行的特點。

2 結語

雖然Mat lab軟件中還沒有提供用于數字電路仿真的專用工具箱，但提供一些常用的模塊，可以使用已有的模塊，自行構建所需模塊，組成一個小型的虛擬實驗箱，來滿足基本的教學需要，同時可以作為學生的課外學習或實驗使用。

在未來的教學中，可以考慮將Matlab/Simulink和GUI部件相結合，對數字電路進行仿真運行，為數字電路教學提供另外一種很好的方法。GUI用戶界面的融合，提高了仿真的效率，操作非常簡便，使用者不需要掌握計算機語言，一切操作都可以在鼠標的點擊和拖動下完成，而且具有可開發性。它為數字電路的實驗教學提供了一種新的方式，也為數字電路的理論教學提供了一種輔助教學手段。

[參考文獻]

[1]唐競新.數字電子電路[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]潘曉明.基于Matlab數字電路建模與仿真[J].柳州師專學報，2007（4）：128-129.

[3]張森，張正亮.Matlab仿真技術與實例教程[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4]劉磊.Matlab在“數字電路”課程教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2008（5）：79-81.

[5]陳懷琛.Matlab及在電子信息課程中的應用[M].北京：電子工業出版社，2003.