Multisim在數(shù)字邏輯教學(xué)中的應(yīng)用研究

王永崗

(長治學(xué)院 計算機(jī)系，山西 長治 046011)

Multisim在數(shù)字邏輯教學(xué)中的應(yīng)用研究

王永崗

(長治學(xué)院 計算機(jī)系，山西 長治 046011)

在數(shù)字邏輯課堂教學(xué)中恰當(dāng)?shù)剡\用Multisim進(jìn)行實時仿真，可以幫助學(xué)生加深對理論知識的理解和對重點難點問題的掌握，提高教學(xué)質(zhì)量與效率。通過實例，分別對Multisim在加深概念理解以及輔助解決疑難問題等兩個方面的作用進(jìn)行了探討。

Multisim；數(shù)字邏輯；仿真

1 引言

《數(shù)字邏輯》是計算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。它的主要內(nèi)容與數(shù)字電子技術(shù)相同，也是數(shù)字電路的相關(guān)內(nèi)容。但是，與電子或者控制專業(yè)相比，計算機(jī)專業(yè)中的這門課程的重點有所不同，更偏向于對數(shù)字電路的理解和應(yīng)用。而且，隨著電子元件及設(shè)計方法的不斷發(fā)展，數(shù)字邏輯課程的內(nèi)容、教學(xué)重點在發(fā)生改變，相應(yīng)的教學(xué)方法和手段也要適應(yīng)這種發(fā)展。

2 數(shù)字邏輯課程的發(fā)展

電子元件逐漸由中大規(guī)模集成電路向可編程邏輯器件轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計是基于重大規(guī)模集成電路，采用永自底向上的設(shè)計方法?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，基于可編程邏輯器件進(jìn)行設(shè)計[1]。在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言描述電路功能，采用自頂向下的設(shè)計方法，使數(shù)字系統(tǒng)由硬件設(shè)計變?yōu)橛布?、軟件相結(jié)合的方式。

目前，數(shù)字邏輯教學(xué)仍是課堂理論教學(xué)加上以中大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的實驗聯(lián)系，沒有將數(shù)字電路的發(fā)展以及計算機(jī)專業(yè)特點體現(xiàn)出來。但是，直接采用CPLD等可編程器件進(jìn)行實驗，需要增加大量課時。在現(xiàn)有課時基礎(chǔ)上，兼顧傳統(tǒng)設(shè)計方法和可編程設(shè)計方法，可以采用仿真的方式，在計算機(jī)上安裝仿真軟件來實現(xiàn)[2]。

下面以教學(xué)中的具體知識點為例，介紹Multisim軟件在數(shù)字邏輯教學(xué)中的應(yīng)用。

3 Multisim的特點

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司開發(fā)的在Windows平臺上運行的仿真軟件，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。為數(shù)字電路仿真提供了豐富的元器件模型，如各類門電路、集成組合邏輯電路、時鐘信號以及時序邏輯電路等，同時還提供了種類齊全的虛擬儀器儀表，如邏輯轉(zhuǎn)換儀、邏輯分析儀等，具有強(qiáng)大的電路分析功能[3]。在輸入方面，不僅可以采用電路原理圖的圖形輸入，也可以采用電路硬件描述語言輸入方式，是非常理想的教學(xué)輔助工具。

4 Multisim在數(shù)字邏輯課程中的應(yīng)用

將Multisim應(yīng)用于數(shù)字邏輯課程教學(xué)中，可以有多個方面的應(yīng)用，例如基本原理的理解、針對重點難點的仿真、可編程邏輯器件的使用等，可以在多個方面為學(xué)生理解課程內(nèi)容起到很好的作用。

4.1 Multisim在數(shù)字邏輯概念理解中的應(yīng)用

數(shù)字邏輯中的很多概念和基本原理，沒有一定的實踐過程，想要理解透徹并不容易，如果采用Multisim輔助教學(xué)可以有很好的效果。在組合邏輯電路的分析與設(shè)計的內(nèi)容中，涉及到邏輯函數(shù)的化簡及邏輯函數(shù)各種表示形式之間的轉(zhuǎn)換以及高低電平與邏輯0、1的關(guān)系等概念，學(xué)生對其中一些內(nèi)容理解不深。現(xiàn)以三變量多數(shù)表決電路的設(shè)計為例，研究Multisim在教學(xué)中起到的作用。

一般情況下，根據(jù)三變量多數(shù)表決電路的功能，可以做出真值表，進(jìn)而寫出邏輯表達(dá)式。

借助Multisim中的邏輯轉(zhuǎn)換器，可以將表達(dá)式再轉(zhuǎn)換為真值表的形式，來驗證之前手工轉(zhuǎn)換的正確性，如圖1所示。

圖1 三變量多數(shù)表決電路真值表

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，一個組合邏輯電路的設(shè)計，最終只能作出邏輯圖，不能進(jìn)行功能的演示和驗證。利用Multisim的仿真功能，如圖2所示，給該電路加上用開關(guān)A、B、C表示的三個輸入變量，并在輸出端連接LED顯示元件X1。學(xué)生很直觀地看到，控制三個開關(guān)的通斷，LED顯示元件隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖2 三變量多數(shù)表決電路邏輯圖

通過電路的仿真運行，學(xué)生對正邏輯，高低電平的來源，以及電平和邏輯值0、1的關(guān)系等概念和原理有更加直觀的了解和更深刻的掌握。

4.2 Multisim在數(shù)字邏輯疑難知識點中的應(yīng)用

除了可以幫助學(xué)生理解基本概念和原理，Multisim用于講解難點問題也有很好的效果。在數(shù)字邏輯課程中，時序電路部分是重點也是難點。學(xué)生對時序的掌握有一定困難，特別是在講授的過程中，經(jīng)常需要使用時序圖來描述一個電路的時序過程，并通過時序圖來分析電路的功能。如果只依靠幻燈的展示，由于時序圖比較抽象，不能直觀的反映出時序電路的功能，不利于學(xué)生掌握?，F(xiàn)以計數(shù)器為例探討Multisim在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用。

例如用兩片74290連接成為六十進(jìn)制計數(shù)器，需要將低位片的QD連接至高位片的時鐘輸入端，而其它多數(shù)計數(shù)器都是將低位片的進(jìn)位端與高位片的時鐘輸入相連。學(xué)生對于這樣的連接方式不易理解。QD是低位片的最高位，那么它在0111到1000即7到8的過程中就會由0變?yōu)?，而且會維持兩個時鐘周期，這樣是否會造成高位提前加一。如圖3所示，通過Multisim的仿真，可以看到LED數(shù)碼管的顯示，運行結(jié)果和功能要求一致。其中的原理，可以通過觀察時序圖得到。[4]

圖3 六十進(jìn)制計數(shù)器原理圖

通過軟件中的邏輯分析儀工具，得到時序圖，如圖4所示。低位片的最高位QD1在7-8的過程中由低電平變?yōu)楦唠娖剑⒕S持兩個時鐘周期，在低位片9-0的過程中，QD1由高電平變低電平，由于74290是下降沿觸發(fā)的計數(shù)器，所以觸發(fā)高位片加1。

圖4 六十進(jìn)制計數(shù)器部分時序圖

借助Multisim的相關(guān)功能，學(xué)生可以在課堂上很直觀地看到運行結(jié)果，及其運行的原理。有利于學(xué)生對知識的理解和掌握，提高課堂教學(xué)效果。

5 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前高校數(shù)字邏輯課程的教學(xué)當(dāng)中，特別是課堂教學(xué)引入EDA技術(shù)，可以滿足課程內(nèi)容新的的發(fā)展和人才培養(yǎng)的新需求，是十分必要的。

課堂教學(xué)引入Multisim的優(yōu)點，在于多形式的形象化演示，既有電路原理的部分，也有運行效果的多樣化顯示，這可以很好地幫助學(xué)生直觀地理解該電路的功能以及原理。從實例應(yīng)用中可以看出，在數(shù)字邏輯課堂教學(xué)中恰當(dāng)?shù)剡\用Multisim進(jìn)行實時仿真，可以幫助學(xué)生加深對理論知識的理解和對重點難點問題的掌握，提高教學(xué)質(zhì)量與效率。同時，它也可以作為學(xué)生在實驗室外的輔助實驗手段，取得更好的學(xué)習(xí)效果。

[1]劉元超.數(shù)字電路.教學(xué)改革探索[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，9(3)：318-319.

[2]蔣冬初，何飛.運用EDA技術(shù)促進(jìn)電子技術(shù)課程教學(xué)[J].益陽師專學(xué)報學(xué)，2002，11(6)：76-78.

[3]劉戎.Multisim8在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].梧州學(xué)院學(xué)報，2007，12(6)：65-67.

[4]李慶常.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

A Study on Application of Multisimin Digital Logic Teaching

Wang Yong-gang
(Department of Computer Science Changzhi University，Changzhi Shanxi 046011)

In digital logic teaching，Multisim simulation can help the students to deepen the understanding of theoretical knowledge and mastery of key and difficult problems，improve the teaching quality and efficiency.Through the example，separately on the Multisim in deepen conceptual understanding and help to solve the difficult problems of two aspects of the role are discussed.

multisim；digital logic；simulation

TP319

A

1673-2014(2012)02-0107-03

2012—01—18

王永崗(1979—)，男，山西沁縣人，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究。

(責(zé)任編輯 李學(xué)斌)