数字电子技术教学实例讨论

宁改娣　金印彬　刘涛　杨爽

摘要：随着数字电子技术的飞速发展和广泛应用，各高校数字电子技术教材也在不断适应发展的需要，国内一些著名数字电子技术教材不断更新版本，新教材也不断出版。但是无论教材怎么更新，一些经典内容仍然被大多数教材保留，其中，串行序列检测电路设计几乎全部教材都有介绍，但教材中设计的检测电路在某些情况下会出现错误结果，本文提出了一种合理的设计方案，并用EDA仿真软件验证了电路满足设计要求。

关键词：数字电子技术；时序电路；串行序列；仿真；EDA

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）06-0131-02

串行序列检测在通信领域应用广泛，因此，教材中对这种电路的设计进行介绍是有必要的。但是目前大多数的数字电子技术教材介绍的串行序列检测电路都存在一定的问题，作者在2003年全国高校电子经验交流会上就指出了问题并提出了多种修订方案[1]，该文也引起了一些老师对该问题的注意[2]。但当时论文中给出的修订方案与时序逻辑电路状态图描述不一致。同时，作者最近在图书馆查阅了最新出版的数字电子技术教材，其中的串行序列检测电路设计仍然是采用以往教材中的设计方法，都没有进行功能验证，问题依然存在。因此本文有必要进一步讨论这一问题。另外，串行序列检测电路设计作为数字电子技术的一个经典实例，欠缺一定的基础知识，比如串行通信的概念、异步串行通信帧格式概念、串行通信的检测和同步问题等。作者在教学中，首先让学生查找资料熟悉上述基本概念，然后设计串行序列检测电路，掌握上述基本概念后，个别同学自己就会发现以往教材中设计存在的问题。这种教学方式执行多年，效果很好。

一、传统串行序列检测电路仿真

大多数数字电子技术教材都是设计了110或111的串行序列检测电路，多数教材中得到的111序列检测电路（要求检测到连续的3个1时输出Z=1）如图1（a）所示，利用MaxplusⅡ仿真的结果如图1（b）所示。图1（b）中箭头表示在CP的上沿检测串行输入X，检测到第一个有效的1时进入01，检测到第二个有效的1时进入11状态，此时输出Z在检测到连续两个1时输出变量Z就1，显然与设计命题要求不符。其他序列的检测也有类似情况，即不是在有效的检测时刻输出1。

二、改进的串行序列电路设计方法

参考文献[3]中提出了这一问题的解决方案，分别给出了Mealy型和Moore型状态图，这样可以得到正确的设计电路。但这种方法的状态图与传统时序逻辑电路状态图不一致。传统状态图是反映时序逻辑电路状态转换规律及相应输入、输出取值关系的一种图形，在状态转换图中以圆圈及圈内的字母或数字表示电路的各个状态，以箭头表示状态转换的方向，相应输入/输出标注在转换箭头上，图2给出了传统的两状态变量的部分状态图。本文根据串行序列检测的特点，即输出是由检测状态S确定的，当检测到有效序列，无论下一个串行输入X为0还是为1，都输出1。则可以将状态图表示为如图3所示的传统形式，进行可重叠序列检测，图4是医电93班吴鹏同学按照改进方法设计的111序列检测电路及仿真结果，由图4（b）可见，只要检测到有效数据串就输出1，结论完全正确。

三、实例安排顺序和教学方式的改变

这一实例所有教材都是安排在基于触发器的时序电路设计部分，因此限制了学生的思路。最近几个学期在时序逻辑电路分析、设计、寄存器等所有知识介绍完之后，让学生开始查串行通信资料、做序列检测电路设计、仿真验证电路功能，并做PPT在课堂上介绍。多数学生对串行通信概念、帧格式、波特率、帧同步等问题都介绍的比较清楚，个别同学对序列检测电路还设计了几种方案，其中包括了参考文献[1]中提到的用移位寄存器、输出与检测时刻同步等方法，拓展了学生的思路，部分学生对设计的电路进行了仿真和分析。这种方式激发了学生学习数字电子技术的热情，对数字电子技术设计产生了浓厚的兴趣。因此，建议各教材在补充相关基础知识的同时，将这一实例放在时序逻辑电路一章的最后，由学生根据自己所学知识进行设计。

通过以上分析可见，即使再多教材使用了再久的实例，也需要进行实践检验；建议教材中基于触发器的时序电路设计步骤中，应该增加“电路功能验证”一步，如果有这一步，就可以避免之前教材所设计电路存在的问题。

参考文献：

[1]宁改娣，杨栓科.串行序列检测同步时序电路设计探讨[C].全国高校电子经验交流会论文集，2003.

[2]陈文楷等.讨论式教学方法如何引入课堂[C].全国高等学校电子技术教学研究会年会，2005.

[3]张克农，宁改娣.数字电子技术基础（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

基金项目：西安交通大学教学教改项目

作者简介：宁改娣（1964.2-），女，汉族，博士，研究生导师，陕西人，西安交通大学。长期从事电子技术、微处理器技术、电力电子技术应用教学与研究工作。