基于MATLAB的組合邏輯電路設(shè)計(jì)和仿真

1、基于MATLAB的組合邏輯電路設(shè)計(jì)和仿真 摘要MATLAB是一款功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，在很多的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本文在介紹了組合邏輯電路原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合了MATLAB中的SIMULINK進(jìn)行仿真。由于組合邏輯電路的輸出信號(hào)只取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，本文用SINULINK的各個(gè)邏輯模塊完成了電路圖的搭建，并通過輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)時(shí)否符合該邏輯功能，進(jìn)一步驗(yàn)證電路的正確性。仿真結(jié)果表明，利用Matlab進(jìn)行組合電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試，結(jié)果直觀、省時(shí)省力。它不僅能用來仿真本論文中提到的電路，而且能廣泛地應(yīng)用于其它邏輯電路的仿真，是邏輯電路設(shè)計(jì)、調(diào)試的有效工具。關(guān)鍵字：MATLAB；SIMULINK

2、；邏輯電路1、 概述1.1 關(guān)于MATLAB和SIMULINKMATLAB是由Math Work公司開發(fā)的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。MATLAB可以完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，精度較高，能完成高等數(shù)學(xué)中所有的計(jì)算，包括導(dǎo)數(shù)、極限、定積分、不定積分、微分方程，甚至人工不可能完成的運(yùn)算，MATLAB也可以完成。當(dāng)然MATLAB最初是用在矩陣的運(yùn)算。MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)有很友好的可視性，最主要的表現(xiàn)在于它的作圖功能，能夠在某段區(qū)間的任何函數(shù)，而且能夠做出三維空間函數(shù)。并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合、差值。

3、所以，MATLAB經(jīng)常被用在數(shù)據(jù)理論分析中。SIMULINK是MATLAB中的組成部分，完成交互式仿真。SIMULINK使用較為簡(jiǎn)單，能夠完成概念模型的搭建，并通過仿真來驗(yàn)證模型的正確性。SIMULINK應(yīng)用十分廣泛，如電力電子、DSP、運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)控制原理、電機(jī)拖動(dòng)等課程中。通過SIMULINK中的REAL-TIME Workshop可以生成在實(shí)物板上可以直接運(yùn)行的代碼，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工程師的工作量，弊端是生成的代碼效率比較低，這點(diǎn)對(duì)于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)不是難題了。SIMULINK另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是完全使用圖形，不需要要編寫任何代碼，容易初學(xué)者使用，使用也十分方便，結(jié)果顯示直觀。模型搭建

4、和理論框圖十分接近，沒人隔閡。1.2關(guān)于組合邏輯電路組合邏輯邏輯電路一個(gè)很大的特點(diǎn)就是輸出信號(hào)完全取決于這一狀態(tài)下的輸入信號(hào)，和前時(shí)刻沒有任何關(guān)系，這也是區(qū)別數(shù)學(xué)電路的主要區(qū)別。數(shù)字信號(hào)由于輸出有反饋到輸入端，所以輸出信號(hào)還取決于上一時(shí)刻的輸出信號(hào)和這一個(gè)時(shí)刻的輸入信號(hào)。組合邏輯電路在實(shí)際中得到的大量的應(yīng)用，其中較為人知的組合邏輯芯片有編碼芯片74LS148、譯碼器芯片74LS138、數(shù)據(jù)選擇器74LS153等等。2、 8線3線編碼器及MATLAB實(shí)現(xiàn)2.1 8線3線編碼器74LS148是具有優(yōu)先級(jí)的編碼器，在有效的情況下，某一時(shí)刻只有最高位數(shù)據(jù)被編碼。其真值表如表2-1所示。表2-1 74L

5、S148真值表輸入輸出EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO1××××××××11111011111111111100×××××××0000010××××××01001010×××××011010010××××0111011010×××01111100

6、010××011111101010×01111111100100111111111101對(duì)于上表中的0表示邏輯低電平，而1表示邏輯高電平，正邏輯。對(duì)于74LS148，典型的邏輯高電平電壓為3.5V，而邏輯低電平電壓為0.5V。當(dāng)然實(shí)際電路中邏輯電平會(huì)隨環(huán)境發(fā)生微小的改變。74LS148邏輯電路原理圖如圖2-1所示。圖2-1 74LS148原理圖具體數(shù)據(jù)請(qǐng)自行參考該芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)（74LS148.pdf）。2.2 8線3線編碼器MATLAB實(shí)現(xiàn)Simulink是MATLAB中重要的組成部分，能夠快速的完成模型的設(shè)計(jì)和仿真。基于74LS148的真值表和內(nèi)部原理圖。在Si

7、mulink中搭建模型如圖2-2所示。圖2-2 74LS148編碼器模型設(shè)置合適的仿真時(shí)間和仿真算法，然后開始仿真，觀察輸入和輸出波形，若仿真要等待很久，一般是算法選擇不正確，選擇其他算法就可以了，10s的仿真時(shí)間一般在一瞬間就可以完成。仿真完成之后雙擊Scope就可以查看波形，關(guān)于波形圖的保存，由于Scope中波形窗口的菜單默認(rèn)的被隱藏掉了，并不建議用截圖工具去截波形圖，因?yàn)榻貓D在WORD中顯示會(huì)傾斜，所以需要在MATLAB命令窗口中輸入相關(guān)命令才可以顯示菜單欄，具體命令如下：>> set(0,'ShowHiddenHandles','on

8、9;);  >> set(gcf,'menubar','figure'); 輸入輸出波形如圖2-3所示。 圖2-3（a）輸入波形圖 2-3（b）輸出波形圖2-3 輸入輸出波形由于圖2-3中時(shí)間軸不一樣，為了便于觀察，所以在輸出波形中只顯示0-2s時(shí)間段內(nèi)的波形，結(jié)合74LS148的真值表，可以明顯的看各個(gè)情況下波形輸入輸出相互對(duì)應(yīng)，所以該模型完成編碼器74LS148的功能。3、 3線8線譯碼器及MATLAB實(shí)現(xiàn)3.1 3線8線譯碼器74LS138是一款被廣泛使用的譯碼器，譯碼器應(yīng)用較為普遍，尤其是在單片機(jī)系統(tǒng)中

9、可以有效的減少單片機(jī)寶貴IO口的使用，使單片機(jī)設(shè)計(jì)更為高效。74LS138是一款高速譯碼器，可以將3線-8線譯碼器級(jí)聯(lián)成為4線-16線譯碼器，甚至是更高。74LS138譯碼器的真值表如表3-1所示。表3-1 74LS138譯碼器真值表INPUTSOUTPUTSE1E2E3A0A1A2O0O1O2O3O4O5O6O71×××××11111111×1××××11111111××0×××111111110010000111111100100110111

10、111001010110111110010111110111100110011110111001101111110110011101111110100111111111110同樣，若是正邏輯，“1”表示高電平，74LS138典型的高電平電壓為3.5V，“0”表示低電平，74LS138典型的低電平電壓為0.35V，最大不超過0.5V。74LS138內(nèi)部邏輯圖如圖3-1所示。圖3-1 74LS138內(nèi)部邏輯圖形若是需要具體了解74LS138，請(qǐng)自行參閱74LS138.pdf。3.2 3線8線譯碼器MATLAB實(shí)現(xiàn)由于74LS138內(nèi)部邏輯較為簡(jiǎn)單，所以在Simulink中搭建模型也相對(duì)于編碼器更為

11、簡(jiǎn)單，具體的模型如圖3-2所示。圖3-2 Simulink模型圖為了便于觀察輸出結(jié)果，在輸入信號(hào)中只采用幾種較為特殊的輸入來驗(yàn)證模型的正確性，且便于查看，將使能、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)分別顯示。其中使能的信號(hào)如圖3-3所示。圖3-3 信號(hào)使能信號(hào)信號(hào)輸入和輸出信號(hào)如圖3-4所示。 圖3-4（a）輸入端口信號(hào) 圖3-4（b）輸出端口信號(hào)圖3-4輸入輸出信號(hào)結(jié)合74LS138的真值表，可以發(fā)現(xiàn)輸入輸出完全對(duì)應(yīng)，說明用Simulink可以有效的完成譯碼器的設(shè)計(jì)。4、 四選一數(shù)據(jù)選擇器及MATLAB實(shí)現(xiàn)本章將利用MATLAB來完成數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)。4.1 四選一數(shù)據(jù)選擇器常用的四選一數(shù)據(jù)選擇器是74LS1

12、53，數(shù)據(jù)選擇器在設(shè)計(jì)中較為常用，其邏輯真值表如表4-1所示。表4-1 74LS153真值表選擇端數(shù)據(jù)輸入端輸出BAC0C1C2C3GY××××××10000×××00001×××0101×0××0001×1××0110××0×0010××1×0111×××00011×××10174LS153的邏輯

13、結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。圖4-1 74LS153邏輯圖74LS153典型的高電平電壓為3.4V，低電平典型電壓為0.35V，有的也會(huì)達(dá)到0.5V。4.2 四選一數(shù)據(jù)選擇器MATLAB實(shí)現(xiàn)Simulink在設(shè)計(jì)四選一數(shù)據(jù)選擇器的時(shí)候也不算復(fù)雜，在model里面輸入模型如圖4-2所示。圖4-2 四選一數(shù)據(jù)選擇器模型圖運(yùn)行搭建的模型，同樣也是通過特殊的輸入輸出來驗(yàn)證模型的正確性，其使能端的輸入如圖4-3所示。圖4-3 數(shù)據(jù)選擇器使能端輸入波形數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)端口輸入波形和輸出模型如圖4-4所示。 圖4-4(a)數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)端口波形 圖4-4(b)輸出端波形圖4-4 數(shù)據(jù)選擇器輸入輸出波形結(jié)合數(shù)據(jù)選擇器的真值表，可以明顯的看到輸入輸出符合數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這說明利用Simulink可以完成數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)及仿真。5、 譯碼器級(jí)聯(lián)MATLAB實(shí)現(xiàn)在前面已經(jīng)有過譯碼器的介紹，在此不在敘述。在這里主要就是關(guān)于芯片的封裝，又或者是說模塊化設(shè)計(jì)理念。將38譯碼器封裝成單個(gè)的模塊，在模塊中組建模型就像是在模擬電子中學(xué)習(xí)的一樣，具體模型如圖5-1所示，模塊內(nèi)的模型見譯碼器模型。圖5-1 譯碼器的級(jí)聯(lián)運(yùn)行仿真模型，由于并沒有所有的情況都有，所以只需要連接部分引腳就可以了，全部情況都列舉出來，不僅浪費(fèi)時(shí)間，同時(shí)也不利于觀察效果。其輸入輸出波形如圖5-2所示。 5-2(a)輸