Matlab/Simulink在“数字电路”中的应用

何 松

（常州工学院 计算机信息工程学院，江苏 常州 213032）

Matlab是由美国The MathWorks公司开发的软件，是MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，一种高效的工程计算机语言。它集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体，方便使用且适于集成环境。Matlab的一个重要的分支产品是Simulink，它结合了框图界面和交互仿真能力，是一种系统设计和仿真的工具。Simulink模型是用绘制方框图代替程序编写，使得系统编写具有了可视化的功能，同时也可借助模拟示波器等虚拟设备更加直观地显示仿真动态结果。Simulink也是目前动态系统建模、仿真等方面应用最为广泛的软件之一[1]。

“数字电路”课程是信息、电子类专业的一门专业基础课。数字电路由若干个数字集成器件构造而成。按照逻辑功能不同特点，可以分成组合逻辑、时序逻辑两大类电路。传统的课程实验中，大多采用实验箱，让学生搭建实验电路，操作简单。随着信息技术的发展，除了关注学生的动手操作能力，更加强调知识体系的分析和应用能力。如果能够较好地利用Matlab/Simulink方针技术，将可以使教师的讲解更加生动，学生也可以更加直观地看到电路运行时的波形变化，更加容易被学生理解，从而提高学习效率[2]。

1 仿真实例

本文以并行寄存器为例。设计中使用基本RS触发器设计一个2位并行寄存器。并行寄存器就是能够同时存储几个数据源数据的寄存器。Simulink中提供了基本RS触发器模块。首先在Matlab中运行Simulink，然后新建一个模型，将RS触发器的模块添加到模型中，通过在这个模块上右击鼠标，单击弹出菜单中的“Look Under Mask”（查看下封装下的电路）命令，可以看到这个模块内部电路。基本RS触发器模块及其内部电路如图1所示。

图1 基本RS触发器模块及内部电路

1.1 设计原理

触发器（Flip Flop）是一种可以存储电路状态的电子元件。最简单的是由两个或非门，两个输入端和两个输出端组成的RS触发器，逻辑符号如图2所示，状态转换如图3所示。

图2 RS触发器逻辑符号

图3 RS触发器状态转换

RS触发器的真值表如表1所示。

表1 RS触发器真值表

复杂一些的有带时钟（CLK）端和D（Data）端，当CLK端是高电平时跟随D端状态，当CLK端变为低电平的瞬间锁存信号。更常用的是两个简单D触发器相级联，在时钟下跳沿锁存信号的边缘D触发器，广泛应用于计数器、运算器、存储器等电子器件。

1.2 设计思路

设计一个两位并行寄存器需要2个基本RS触发器，而且这个寄存器要在同一个激励下，从输入端读入数据，存储一段时间后，在下个周期将信号输出，同时读入新的信号。这就需要将时钟源信号作为输入信号的控制端，由于输入信号R和S不能同时为1，所以通过一个非门将它们联系起来，迫使两个端口信号不同时为高电平[3-4]。

1.3 模块参数设置

用基本RS触发器构造并行寄存器，需要5个模块：RS触发器、时钟源、脉冲源、逻辑运算模块、示波器。搭建模型后，需要修改模块参数。RS触发器模块只有一个参数即触发器的初始状态，也就是Q端的初始值，默认值为0。时钟源模块的参数时钟周期，采用默认值2。4个逻辑运算模块均设置为2输入与非门。将脉冲源模块的Pulse Type选择Sample based，其他参数设置如表2所示。示波器输入端口改为5个，完成参数设计部分[5]。

表2 并行寄存器脉冲源参数设置

1.4 仿真结果

将各模块摆放合适，完成连线，仿真图如图4所示。仿真时间默认为10 s，开始仿真，通过示波器观察到输出波形，如图5所示。

图4 2位并行寄存器电路

图5 示波器输出结果

从波形上可以看出，当时钟源处于低电平时，触发器输出保持在时钟跳变前的数值，对于D1和D0输入的变化没有改变，而当时钟源处于高电平时，输入的信号全部送入输出端，这是一个不稳定的因素，也是电平触发的触发器的一个缺点。并且两个触发器完全独立工作，互不影响，这就是并行的特点。

2 结语

虽然Mat lab软件中还没有提供用于数字电路仿真的专用工具箱，但提供一些常用的模块，可以使用已有的模块，自行构建所需模块，组成一个小型的虚拟实验箱，来满足基本的教学需要，同时可以作为学生的课外学习或实验使用。

在未来的教学中，可以考虑将Matlab/Simulink和GUI部件相结合，对数字电路进行仿真运行，为数字电路教学提供另外一种很好的方法。GUI用户界面的融合，提高了仿真的效率，操作非常简便，使用者不需要掌握计算机语言，一切操作都可以在鼠标的点击和拖动下完成，而且具有可开发性。它为数字电路的实验教学提供了一种新的方式，也为数字电路的理论教学提供了一种辅助教学手段。

[参考文献]

[1]唐竞新.数字电子电路[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2]潘晓明.基于Matlab数字电路建模与仿真[J].柳州师专学报，2007（4）：128-129.

[3]张森，张正亮.Matlab仿真技术与实例教程[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]刘磊.Matlab在“数字电路”课程教学中的应用[J].电气电子教学学报，2008（5）：79-81.

[5]陈怀琛.Matlab及在电子信息课程中的应用[M].北京：电子工业出版社，2003.