数字电路是计算机及应用专业一门实践性很强的专业基础课程，为使学生更好地理解和掌握基本理论和方法，获得一定的分析问题的能力、综合操作技能和实验技巧，必须通过实验设计来验证和理解，但是一般单位教学必须的实验设备不齐全，这对学员掌握课程内容是一个很大的障碍。虚拟实验系统通过软件模拟硬件行为，可以为学员提供逼真的实验室环境，不受时间、地域的限制自己动手编程、调试、运行程序、模拟仿真结果，以获得真实的实验效果的目的。
1 虚拟实验系统的组成
虚拟实验（Virtual Experiment)是采用计算机技术实现的各种虚拟实验环境，实验者以交互的方式进行实验操作，可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，最大限度地模拟真实实验的场景，并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验；而且，用软件模拟实现数字电的一种新的仪器模式，它是具有独立功能的、彼此存在联系的模拟器件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个数字化实验平台。用户在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。
虚拟实验系统完成了数据从外部输入、加工操作、内部存储到外部输出的整个过程，其结构如图1所示。
图1 虚拟实验系统的结构
2 虚拟实验系统的建模
2.1行为建模
行为建模是一种对所分析问题的抽象描述，即设计实体整体功能的描述，是一种高层次的概括。它只给出系统数据的输入、输出的描述，如图2所示。
图2 行为建模示意图
虚拟实验的数学模型是行为建模的细化，是整个分析、设计的基础，是虚拟仪器的实现原理，它描述了各种虚拟仪器间的数据交换，决定了元器件的选择、元器件之间的联系：经常用数学表达式或过程分析语言来描述。
2.2结构建模
结构建模是利用基本逻辑单元组成复杂数字电路，首先分析系统需求，从给定的逻辑功能要求出发，通过逻辑函数的化简，进而写出逻辑表达式，在选定所用器件后画出实现其功能要求的逻辑电路图并进行仿真。加深综合性设计的分析理解能力。
2.3实例分析
下面介绍利用MAX+plus II工具进行数字电路中一位全减器的设计和仿真过程。
①分析题意：全减是指在进行高位运算时考虑来自低位的借位的运算，能实现全减运算的电路称为全减器，题意要求通过软件平台来设计，就要首先确定参数及其功能，设X是被减数输入，Y是减数输入，Cl是低位借位输入，SO是差结果输出，CO是向高位的借位输出。
②建立数学模型，写出输出表达式：
公式一 输出表达式
③利用VHDL语言描述该过程：
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的图形输入环境下组织如下设计图3。
图3 一位全减器的逻辑电路图
MAX+PLUS II是复阵列矩阵及可编程逻辑用户系统的缩写，具有强大的逻辑综合能力及与器件结构独立的设计环境，提供了全集成化的一套可编程逻辑开发工具。
⑤画出仿真图如图4。
图4 一位全减器的仿真结果
用户在软件操作平台上形成虚拟实验室的实验环境，完成建模活动后要对搭建的模型进行仿真分析，通过输出波形信号来分析和处理，以确定所建模型在功能和时序上的正确性。
3 结束语
本文运用数学模型、VHDL文本编辑、图形建模仿真等方法实现了数字电路的虚拟实验，实现了可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能，使学生能像操作真实实验一样操作它，拓宽了学生由感性认识上升到理性认识的途径，使学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识，另一个方面，也更好地完善了实验教学的结构，激发学生的创造性思维。达到了良好的教学效果。
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本文标题：数字电路虚拟实验的建模与仿真
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