數字電路是計算機及應用專業一門實踐性很強的專業基礎課程，為使學生更好地理解和掌握基本理論和方法，獲得一定的分析問題的能力、綜合操作技能和實驗技巧，必須通過實驗設計來驗證和理解，但是一般單位教學必須的實驗設備不齊全，這對學員掌握課程內容是一個很大的障礙。虛擬實驗系統通過軟件模擬硬件行為，可以為學員提供逼真的實驗室環境，不受時間、地域的限制自己動手編程、調試、運行程序、模擬仿真結果，以獲得真實的實驗效果的目的。

1 虛擬實驗系統的組成

    虛擬實驗（Virtual Experiment)是采用計算機技術實現的各種虛擬實驗環境，實驗者以交互的方式進行實驗操作，可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目，最大限度地模擬真實實驗的場景，并提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗；而且，用軟件模擬實現數字電的一種新的儀器模式，它是具有獨立功能的、彼此存在聯系的模擬器件與用于數據分析、過程通信及圖形用戶界面的應用軟件有機結合構成，使計算機成為一個數字化實驗平臺。用戶在屏幕上生成各種儀器面板，完成對數據的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。

    虛擬實驗系統完成了數據從外部輸入、加工操作、內部存儲到外部輸出的整個過程，其結構如圖1所示。

 圖1 虛擬實驗系統的結構 放大圖片

圖1 虛擬實驗系統的結構

2 虛擬實驗系統的建模

2.1行為建模

    行為建模是一種對所分析問題的抽象描述，即設計實體整體功能的描述，是一種高層次的概括。它只給出系統數據的輸入、輸出的描述，如圖2所示。

圖2 行為建模示意圖 放大圖片

圖2 行為建模示意圖

    虛擬實驗的數學模型是行為建模的細化，是整個分析、設計的基礎，是虛擬儀器的實現原理，它描述了各種虛擬儀器間的數據交換，決定了元器件的選擇、元器件之間的聯系：經常用數學表達式或過程分析語言來描述。

2.2結構建模

    結構建模是利用基本邏輯單元組成復雜數字電路，首先分析系統需求，從給定的邏輯功能要求出發，通過邏輯函數的化簡，進而寫出邏輯表達式，在選定所用器件后畫出實現其功能要求的邏輯電路圖并進行仿真。加深綜合性設計的分析理解能力。

2.3實例分析

    下面介紹利用MAX+plus II工具進行數字電路中一位全減器的設計和仿真過程。

    ①分析題意：全減是指在進行高位運算時考慮來自低位的借位的運算，能實現全減運算的電路稱為全減器，題意要求通過軟件平臺來設計，就要首先確定參數及其功能，設X是被減數輸入，Y是減數輸入，Cl是低位借位輸入，SO是差結果輸出，CO是向高位的借位輸出。

    ②建立數學模型，寫出輸出表達式：

 公式一 輸出表達式 放大圖片

公式一 輸出表達式

    ③利用VHDL語言描述該過程：

    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的圖形輸入環境下組織如下設計圖3。

 圖3 一位全減器的邏輯電路圖 放大圖片

圖3 一位全減器的邏輯電路圖

    MAX+PLUS II是復陣列矩陣及可編程邏輯用戶系統的縮寫，具有強大的邏輯綜合能力及與器件結構獨立的設計環境，提供了全集成化的一套可編程邏輯開發工具。

    ⑤畫出仿真圖如圖4。

 圖4 一位全減器的仿真結果 放大圖片

圖4 一位全減器的仿真結果

    用戶在軟件操作平臺上形成虛擬實驗室的實驗環境，完成建模活動后要對搭建的模型進行仿真分析，通過輸出波形信號來分析和處理，以確定所建模型在功能和時序上的正確性。

3 結束語

    本文運用數學模型、VHDL文本編輯、圖形建模仿真等方法實現了數字電路的虛擬實驗，實現了可設計性、操作的任意性和具有真實感的交互功能，使學生能像操作真實實驗一樣操作它，拓寬了學生由感性認識上升到理性認識的途徑，使學生在愉悅和主動的思維中牢固地掌握知識，另一個方面，也更好地完善了實驗教學的結構，激發學生的創造性思維。達到了良好的教學效果。