數(shù)字電路是計算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為使學(xué)生更好地理解和掌握基本理論和方法，獲得一定的分析問題的能力、綜合操作技能和實驗技巧，必須通過實驗設(shè)計來驗證和理解，但是一般單位教學(xué)必須的實驗設(shè)備不齊全，這對學(xué)員掌握課程內(nèi)容是一個很大的障礙。虛擬實驗系統(tǒng)通過軟件模擬硬件行為，可以為學(xué)員提供逼真的實驗室環(huán)境，不受時間、地域的限制自己動手編程、調(diào)試、運(yùn)行程序、模擬仿真結(jié)果，以獲得真實的實驗效果的目的。

1 虛擬實驗系統(tǒng)的組成

    虛擬實驗（Virtual Experiment)是采用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者以交互的方式進(jìn)行實驗操作，可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，最大限度地模擬真實實驗的場景，并提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗；而且，用軟件模擬實現(xiàn)數(shù)字電的一種新的儀器模式，它是具有獨立功能的、彼此存在聯(lián)系的模擬器件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計算機(jī)成為一個數(shù)字化實驗平臺。用戶在屏幕上生成各種儀器面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲、顯示等功能。

    虛擬實驗系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)從外部輸入、加工操作、內(nèi)部存儲到外部輸出的整個過程，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 圖1 虛擬實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 放大圖片

圖1 虛擬實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 虛擬實驗系統(tǒng)的建模

2.1行為建模

    行為建模是一種對所分析問題的抽象描述，即設(shè)計實體整體功能的描述，是一種高層次的概括。它只給出系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入、輸出的描述，如圖2所示。

圖2 行為建模示意圖 放大圖片

圖2 行為建模示意圖

    虛擬實驗的數(shù)學(xué)模型是行為建模的細(xì)化，是整個分析、設(shè)計的基礎(chǔ)，是虛擬儀器的實現(xiàn)原理，它描述了各種虛擬儀器間的數(shù)據(jù)交換，決定了元器件的選擇、元器件之間的聯(lián)系：經(jīng)常用數(shù)學(xué)表達(dá)式或過程分析語言來描述。

2.2結(jié)構(gòu)建模

    結(jié)構(gòu)建模是利用基本邏輯單元組成復(fù)雜數(shù)字電路，首先分析系統(tǒng)需求，從給定的邏輯功能要求出發(fā)，通過邏輯函數(shù)的化簡，進(jìn)而寫出邏輯表達(dá)式，在選定所用器件后畫出實現(xiàn)其功能要求的邏輯電路圖并進(jìn)行仿真。加深綜合性設(shè)計的分析理解能力。

2.3實例分析

    下面介紹利用MAX+plus II工具進(jìn)行數(shù)字電路中一位全減器的設(shè)計和仿真過程。

    ①分析題意：全減是指在進(jìn)行高位運(yùn)算時考慮來自低位的借位的運(yùn)算，能實現(xiàn)全減運(yùn)算的電路稱為全減器，題意要求通過軟件平臺來設(shè)計，就要首先確定參數(shù)及其功能，設(shè)X是被減數(shù)輸入，Y是減數(shù)輸入，Cl是低位借位輸入，SO是差結(jié)果輸出，CO是向高位的借位輸出。

    ②建立數(shù)學(xué)模型，寫出輸出表達(dá)式：

 公式一 輸出表達(dá)式 放大圖片

公式一 輸出表達(dá)式

    ③利用VHDL語言描述該過程：

    library IEEE；

    use IEEE.std_logic_1164.all

    entity Fullsubtract is

      port(x,y,ci:in std_logic)；

         so,co:out std_logic)；

    end entity Fullsubtract；

    architecture concurrent of Fullsubtract is

    begin

      so<=x xor y xor ci；

      co<=((notx) and y)or(x and y and ci)or((notx) and (noty) and ci)；

    end architecture concurrent；

    ④在MAX+PLUS II的圖形輸入環(huán)境下組織如下設(shè)計圖3。

 圖3 一位全減器的邏輯電路圖 放大圖片

圖3 一位全減器的邏輯電路圖

    MAX+PLUS II是復(fù)陣列矩陣及可編程邏輯用戶系統(tǒng)的縮寫，具有強(qiáng)大的邏輯綜合能力及與器件結(jié)構(gòu)獨立的設(shè)計環(huán)境，提供了全集成化的一套可編程邏輯開發(fā)工具。

    ⑤畫出仿真圖如圖4。

 圖4 一位全減器的仿真結(jié)果 放大圖片

圖4 一位全減器的仿真結(jié)果

    用戶在軟件操作平臺上形成虛擬實驗室的實驗環(huán)境，完成建模活動后要對搭建的模型進(jìn)行仿真分析，通過輸出波形信號來分析和處理，以確定所建模型在功能和時序上的正確性。

3 結(jié)束語

    本文運(yùn)用數(shù)學(xué)模型、VHDL文本編輯、圖形建模仿真等方法實現(xiàn)了數(shù)字電路的虛擬實驗，實現(xiàn)了可設(shè)計性、操作的任意性和具有真實感的交互功能，使學(xué)生能像操作真實實驗一樣操作它，拓寬了學(xué)生由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識的途徑，使學(xué)生在愉悅和主動的思維中牢固地掌握知識，另一個方面，也更好地完善了實驗教學(xué)的結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。達(dá)到了良好的教學(xué)效果。