基于數字電子與EDA技術的譯碼器教學探討

陳光紅

摘要：從數字電子技術與EDA技術中的重要器件譯碼器出發，在QUARTUSⅡ中編輯、仿真了3-8譯碼器，根據譯碼器使能端參數設置不同仿真得到不同波形，輻射出《數字電子與FPGA應用》中的常見概念及知識點，如最小項、使能端、優先權、有效電平等，并舉例說明。通過這種聯想教學及學生設置不同參數直觀觀察仿真波形，使其對數字電子技術及EDA技術中的相關概念理解更深刻。

關鍵詞：譯碼器;QUARTUSⅡ;使能端;優先權

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0153-02

譯碼器是一種重要的組合邏輯電路，輸入為二進制代碼，輸出為與輸入代碼對應的特定信息，它可以是脈沖，也可以是電平，常用的有3線-8線譯碼器等。

本文以譯碼器為載體，利用原理圖法編輯，在EDA軟件QUARTUSⅡ中編譯、仿真了3-8譯碼器的功能。從其分區的仿真波形圖中，可直觀地發現：使能輸入端的優先控制功能，地址輸入端有3個，相對應的輸出為8個，并且是其對應的最小項。

由此輻射出《數字電子與FPGA應用》中學生學習過程中經常存有疑問的幾個關鍵知識點，如最小項、使能端、優先權等，并舉例說明。

通過這種聯想教學及學生親自動手設置不同的仿真參數、觀察仿真波形，可加深對這些知識點的理解，并能靈活運用。

1基于數字電子與EDA的3-8譯碼器的教學

在QUARTUSⅡ中先畫出3-8譯碼器的原理圖如圖1，編譯后在輸入端加上各種激勵，如高電平、低電平、時鐘等，觀察輸出結果。

從圖2中可看出，3-8譯碼器有6個輸入端，A0、A1、A2為地址輸入端;G1、NG2A、NG2B為使能輸入端，NY0-NY7為輸出端。使能控制輸入端又稱為片選端，用來控制允許譯碼或禁止譯碼[1]。需注意前面加字母N的為低電平有效，在原理圖中通常用小圓圈表示取反或低電平有效。使能端通常具有最高的優先權。

將A0、A1、A2的時鐘周期分別設置為20、40、80ns[2]。使能端分區間設置后仿真結果如圖2。

NG2B=1 輸出端 正常譯碼 全部為高電平，禁止譯碼 全部為高電平，禁止譯碼 全部為高電平，禁止譯碼 ]

2 由3-8譯碼器輻射的知識點

2.1最小項

最小項的定義：在邏輯函數的標準與或式中，每個乘積項里都包含了邏輯函數的全部變量，且每個變量或以原變量或以反變量在乘積項中只出現一次。這樣的乘積項稱為邏輯函數的最小項。[1]

從3-8譯碼器的仿真波形圖中可看出，譯碼器的8個輸出為其3個輸入代碼變量的全部最小項的與非表達式（低電平有效）。用譯碼器配合與非門可實現單輸出或多輸出的邏輯函數，此種應用在數字電子技術中很常見。如練習1[1]。

練習1： 試用3線-8線譯碼器和與非門實現邏輯函數<E：＼知網文件＼電腦＼電腦03＼4xs201903＼Image＼image3.pdf>。

解題步驟：

①找出要實現的邏輯函數的最小項

[Y=（A+B）（A+C）=AA+AC+AB+BC=0+ABC+ABC+ABC+ABC=m7+m5+m3+m2=m0+m1+m4+m6=Y0Y1Y4Y6]

②將3-8譯碼器的輸入、輸出與要實現的邏輯函數的輸入變量及輸出變量比較：

得

[A2=A，A1=B，A0=C];[NY0=Y0，NY1=Y1，NY4=Y4，NY6=Y6]

③畫邏輯圖，如圖3所示。

注意：使能端要正確設置。

2.2使能端與優先權

由圖2可看出，只有在譯碼器的使能端正確設置時，譯碼器才有可能正常工作，可以理解為使能輸入端比地址輸入端具有優先權。這個思想也可應用在觸發器的分析輸出波形題型中。

觸發器是數字電子技術中時序邏輯電路的主要構件，具有記憶和存儲功能，由于其輸出不僅與當前輸入有關而且還與電路的原有狀態相關，所以在分析時難度較大。觸發器的輸出要受異步置0、異步置1、時鐘、數據輸入等的控制，如此多的控制因素，到底如何確定輸出信號，如練習2[1]。

練習2：圖4所示為上升沿D觸發器74LS74的CP、D、[RD]和[SD]的輸入電壓波形，試畫出它的輸出端Q的電壓波形。設觸發器的初始狀態為[Q=0]。

首先要了解芯片74LS74的功能特點：

帶有直接置0端<E：＼知網文件＼電腦＼電腦03＼4xs201903＼Image＼image12.pdf>和直接置1端<E：＼知網文件＼電腦＼電腦03＼4xs201903＼Image＼image13.pdf>，為低電平有效，實現異步置0與置1，其對觸發器控制作用優先于CP;為邊沿觸發器，CP上升沿觸發。

對于有異步置0、異步置1端的觸發器可以分成三層來看：

①異步置0、異步置1端優先權最高，當其為有效電平（低電平）時，輸出Q端直接置0或直接置1。

②當異步置0、異步置1端為高電平時，看時鐘CP，在CP的上升沿，有[Qn+1=D]。

③根據時鐘上升沿時對應的數據輸入D的波形確定輸出為高電平或低電平。

輸出Q的結果如圖4所示。

注意：除了異步置0、異步置1端為有效電平時，輸出端的信號只有在時鐘的上升沿時才有可能發生高低電平的轉換，其他情況都是保持原有的狀態。

3 結論

從數字電子技術與EDA技術中常用的譯碼器出發，借助QUARTUSⅡ軟件編輯仿真了3-8譯碼器，輻射出了幾個常用的知識點如最小項、使能端、有效電平、優先權等，并舉例說明如何應用。將這些知識點類比到實現邏輯電路、求解觸發器的輸出電壓波形等，使同學們加深了對數字電子技術和EDA技術中的一些重要概念及知識點的理解。

參考文獻：

[1] 楊志忠.數字電子技術[M].北京：高等教育出版社，2009：117.

[2] 于潤偉.EDA技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2011：47.

【通聯編輯：光文玲】