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摘要：本文闡述了數字系統的概念、分析與設計，以實例說明數字系統的分析和設計過程的教學，讓學生用更簡潔的方式掌握數字系統的基本知識、分析和設計方法，提高教學效率，同時激發學生的學習興趣。

關鍵詞：數字系統；系統功能；系統設計

在數字系統中，功能級電路是由能完成某種特定的邏輯功能的單元電路所組成的，而單元電路主要分為兩大類：組合邏輯電路和時序邏輯電路。對于單元電路的分析與設計，則是建立在真值表、卡諾圖和狀態表基礎上。這些只是在數字系統教學中要求學生應知應會的基本概念，而針對我院（成都市技師學院）五高層次高年級學生、三高層次及預備技師班學生的話，則應再上一個層次，在教授了基本概念的基礎上，將重點討論規模更大、功能更復雜的數字系統，介紹數字系統的概念、分析與設計，以簡單的實例說明數字系統的分析和設計過程，讓高職學生了解數字系統的基本知識、分析和設計方法，進一步加深對單元電路的理解，使他們掌握更專業的知識，在就業方面具有更多的優勢。

一、數字系統概念的教學

數字系統涉及的工程問題很多，如：機械工程學、有無機化學、電力電子學、傳感器原理、自動控制學等等。凡是以離散形式表示的，具有處理、存儲、傳輸數字信息能力的邏輯子系統的集合，稱之為數字系統。數字系統一般由三部分組成：輸入接口電路、輸出接口電路、數據處理和控制器。而五高層次高年級學生、三高層次及和預備技師班的學生在學習類似直流輸入接口電路、繼電器輸出接口電路以及集成數據處理電路等結構的電路時，具有一定的難度。通過我們團隊的研究討論及教學實踐，發現從基本原理入手，重點講解電路的分析方法，避開電路的內部結構和內部結構的分析方法，更能讓學生理解電路的工作原理。這樣一來，學生在學習時感覺較為簡單，從而提高了學生學習的積極性。輸入、輸出接口電路主要用來實現數字系統和外界的信息交換。而處理器則對輸入信號進行傳送和加工處理，同時接收控制器的信息，并將處理過程中產生的狀態信號提供給控制器（如圖1所示）。控制器是數字系統的核心部分，也是數字系統設計的重要部分。在控制器的作用下，系統內部各模塊按一定順序工作。針對學生對框圖的理解比較困難，在教學過程中可進行具體舉例，來說明電路的工作原理。舉個例子：輸入接口電路采用射極跟隨器（如圖2所示）。射極跟隨器指的是信號從基極輸入，從發射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號源索取的電流小而且帶負載能力強，所以常用于多級放大電路的輸入級和輸出級；也可用它連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。說明這就是一個接口電路的原理，集成起來就是接口電路。有無控制器是區分子系統和數字系統的一個重要標志，凡是包含控制器并且能夠按順序進行操作的系統，不論其規模大小，都稱之為數字系統。存儲器規模大，但不能按照規定程序進行操作，只能稱之為子系統部件或功能模塊。對于子系統，定義為子系統是一種模型元素，它具有包（其中可包含其他模型元素）和類（其具有行為）的語義。子系統的行為由它所包含的類或其他子系統提供。子系統實現一個或多個接口。這種易混淆概念，通過對比講述的方法，學生接受程度較高。

二、數字系統分析

隨著大規模集成電路和超大規模集成電路的發展，越來越多的電路被集成在一片半導體芯片上。盡管如此，對于若干芯片組合而成的數字系統的分析仍是需要的。掌握數字系統的基本分析方法，分析系統內部信號之間的邏輯關系，以便了解復雜數字系統的工作原理和系統功能。分析給定數字系統的邏輯功能，通?？梢园凑找韵碌牟襟E進行。1、了解系統的功能在具體分析數字系統的邏輯功能之前，首先應根據所給數字系統的資料，了解系統的用途，實現什么功能。這對進一步分析各模塊或各個組成部分的功能起到指導作用。比如在分析數字系統的邏輯功能時可以用圖3中的框圖來解釋。由于框圖的分析在前面已經學過，在此基礎上，學生進行系統功能的分析時就比較輕松。2、查閱系統所用器件的功能在分析復雜數字系統的組成時，需查閱相關器件手冊，了解系統中使用的中、大規模集成電路的型號、邏輯功能及其連接方式等。芯片手冊動輒幾百上千頁，沒有必要將芯片手冊都讀完一遍再開始查詢。故可將其可視為工具書，當需要實現某個功能或不清楚怎樣實現時再進行查閱。而查閱時可先對芯片進行作用的分類，分類細化后，根據目錄查詢起來就快而準確。3、系統劃分，畫出分解后的邏輯框圖根據所學的基本知識，按照信號的流向及其完成的基本功能，將系統劃分成若干個功能塊，分析每個功能塊輸入和輸出信號之間的邏輯關系。例如在分析SA7111A系統的邏輯功能時，先將該系統細化成五個功能塊，然后再依次分析各塊之間的邏輯關系。整個過程雖然有些復雜，但是仔細分析，學生理解起來并不難。4、系統功能的分析連接各個功能模塊，進一步分析系統從輸入到輸出的完整工作過程。必要時畫出系統工作的狀態轉換圖或時序圖。數字系統功能的分析步驟，有以下幾個方面：列出各功能模塊的邏輯功能；不必從模塊內部電路分析，把各模塊看成黑箱處理；根據給出的電路圖理清各模塊之間的連接關系或控制關系；根據給定條件，分析各模塊的工作狀態以及整個系統的工作狀態；列出整個系統的功能表或狀態轉換圖或者畫出其時序圖；說明整個系統的邏輯功能。具體數字系統的分析時，應根據數字系統的具體組成情況靈活應用分析方法，并不一定拘泥于上述分析步驟。在特殊的情況下，根據實際情況，畫出流程圖，就可以直接畫出電路圖，也可以用應用軟件直接畫出電路圖。例如用Proteus就可以進行。Proteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等。Proteus軟件從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。通過在教學中采用Proteus軟件，不僅可以吸引學生的注意力，提高課堂效率，還可以激發學生的學習興趣。

三、數字系統的設計方法

采用真值表、卡諾圖、狀態轉換表和狀態轉換圖等傳統方法設計或描述數字電路的邏輯功能，適用于輸入變量、輸出變量以及狀態變量較少、規模較小且功能較為簡單的數字電路設計。當數字系統的輸入變量、輸出變量以及狀態變量較多、功能較為復雜時，需要采用更加有效的設計方法，以適應于各種類型的數字系統設計。數字系統的設計方法通常分為兩類：自上而下的設計方法和自下而上的設計方法。1、自下而上的設計方法自下而上的設計是一種試探法，設計者根據實踐經驗將復雜的數字系統劃分成若干個子模塊，一直分解到可以用傳統方法進行設計為止。子模塊設計完成后，再組裝系統，調試系統以達到設計要求。自下而上的設計方法主要依靠設計者的實踐經驗和設計技巧，用逐步試探的方法完成系統的設計。系統的指標如何在系統構成后才能測試，如果不能達到要求，需要重新修改子模塊設計，因此設計周期長，資金投入較大。隨著計算機技術和設計手段的發展，自下而上的設計方法正逐漸被自上而下的設計方法取代。2、自上而下的設計方法自上而下的設計方法從整個系統的邏輯功能出發，明確系統要求，進行最上層的系統設計，將系統按照邏輯要求劃分為控制器和處理器，采用ASM圖或其他語言描述控制器和處理器。如果控制器和處理器仍然復雜，可以進行多重邏輯劃分。

通過對數字系統的概念、分析與設計循序漸進、舉一反三的理論教學，在加上在教學過程中，在實驗室進行電路的裝接、連接、測試、分析和PROTEUS軟件的使用，使學生既學到了知識，又增加了分析和動手能力，從而提高了教學的效率。

作者:謝彩云 唐 敏 王文川 單位:成都市技師學院

參考文獻：

[1]李晶皎,李景宏,曹陽.邏輯與數字系統設計[M].北京:清華大學出版社，2009.

[2]徐麗香.數字電子技術[M].北京:電子工業出版社，2016.作者單位：成都市技師學院。