Multisim12.0仿真軟件輔助數(shù)字邏輯課程教學(xué)的研究

摘要：本文討論了運用Multisim12.0仿真軟件輔助數(shù)字邏輯課程教學(xué)的方法。教師在課堂教學(xué)中借助仿真軟件進行電路演示，幫助學(xué)生理解抽象的理論知識；在實驗教學(xué)中通過仿真實驗激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。有效利用仿真軟件對數(shù)字邏輯課程教學(xué)起到積極作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯；Multisim12.0軟件；仿真

中圖分類號：642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0233-02

“數(shù)字邏輯”是計算機及電子類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其具有很強的理論性和實踐性，要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)既掌握數(shù)字電路分析與設(shè)計的理論知識，也能夠自己動手設(shè)計調(diào)試實用的數(shù)字電路。在理論教學(xué)過程中，教師借助Multisim12.0仿真軟件進行數(shù)字電路的模擬和演示，對電路的工作過程進行透徹的分析講解，可以幫助學(xué)生深刻理解和掌握理論知識。采用Multisim12.0軟件進行仿真實驗，為學(xué)生提供更加靈活方便的實驗環(huán)境，使學(xué)生能充分發(fā)揮想象力，按照自己的想法創(chuàng)建各種電路，擺脫實驗箱的束縛。Multisim12.0軟件的使用使得數(shù)字邏輯理論課的教學(xué)更加生動活潑，實驗操作更加靈活方便，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，同時也能夠培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的[1]。

一、Multisim 12.0軟件的特點

Multisim12.0是一個集電路原理圖設(shè)計和電路功能測試為一體的虛擬仿真軟件，它為數(shù)字電路仿真提供了豐富的元器件模型，如時鐘信號、各類門電路、各種集成組合邏輯器件、時序邏輯器件等，同時提供了種類齊全的虛擬儀器，如函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、數(shù)字萬用表、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀和直流電源等。Multisim12.0仿真軟件具有詳細的電路分析功能，可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路，它將原理圖的創(chuàng)建、電路的測試分析、結(jié)果的圖表顯示等全部集成到同一個電路窗口中，具有和真實環(huán)境一致的可視化界面，整個操作界面就像一個實驗工作臺，與實物操作幾乎相同[2]。

二、Multisim12.0應(yīng)用于“數(shù)字邏輯”課堂教學(xué)

在“數(shù)字邏輯”課程的課堂教學(xué)中，對于數(shù)字電路分析與設(shè)計的理論知識很多學(xué)生會覺得枯燥且難以理解，借助Multisim12.0仿真軟件進行數(shù)字電路的模擬和演示，可以直觀地顯示電路的功能和波形，把理論知識和電路運行結(jié)果加以對照、分析，可以提高課堂教學(xué)效率。同時還可以提出問題進行課堂討論，活躍氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

在講解用邏輯門設(shè)計小規(guī)模組合電路時，一般是按照邏輯功能分析、真值表、表達式和邏輯圖的順序設(shè)計電路，然后舉例講解。以一個三人表決電路設(shè)計為例，假設(shè)用A，B，C分別表示三個輸入變量，同意用1表示，不同意用0表示，F(xiàn)表示結(jié)果，通過用1表示，不通過用0表示。通過列真值表、表達式和化簡等步驟得到輸出表達式F（A，B，C）=AB+BC+AC，若用與非門實現(xiàn)，則F（A，B，C）=，可以畫出相應(yīng)的邏輯圖。如果教師僅僅在黑板上或者多媒體課件中畫出邏輯圖，相當(dāng)于紙上談兵，學(xué)生可能只能被動地接受這種解題方法，甚至是死記硬背設(shè)計步驟，很難留下深刻的印象?？梢栽趍ultisim12.0仿真軟件中繪制出電路原理圖，將輸入端分別連接3個開關(guān)用于輸入高低電平信號，輸出端連接一個發(fā)光二極管用于顯示結(jié)果。通過切換開關(guān)狀態(tài)，按照真值表的順序改變輸入高低電平信號，觀察發(fā)光二極管亮、熄的規(guī)律，直觀形象地演示電路工作結(jié)果，之前講解的設(shè)計方法便很容易得到學(xué)生的認可。同時還可以利用仿真軟件中的邏輯轉(zhuǎn)換儀得到組合邏輯電路的真值表，快速判斷電路的正確性。

此外，還可以討論一下如果用其他類型的邏輯門實現(xiàn)該邏輯功能電路，比如與門和或門或者或非門，又該如何將表達式變形？如何繪制電路原理圖？能不能達到同樣的效果？學(xué)生在課堂上都會積極參與討論，課后也會迫不及待地去利用Multisim12.0軟件進行驗證。同時，鼓勵同學(xué)們聯(lián)系生活實際用數(shù)字電路制作一些小發(fā)明，充分發(fā)揮自己的想象力，大膽創(chuàng)新，并利用Multisim12.0軟件實現(xiàn)和驗證自己的一些想法。

三、Multisim12.0應(yīng)用于“數(shù)字邏輯”實驗教學(xué)

“數(shù)字邏輯”課程實驗中傳統(tǒng)實驗項目一般利用面包板及用中小規(guī)模芯片完成電路設(shè)計，適于以驗證性實驗為主的一些中小規(guī)模電路的構(gòu)建與測試，對于一些比較復(fù)雜的設(shè)計性和綜合性實驗則比較費時，如數(shù)字鐘、搶答器、交通燈控制器、密碼鎖等。而且在實驗過程中常常因一根導(dǎo)線連接錯誤、一個連接點接觸不良，致使實驗受阻，甚至無法完成，影響學(xué)生的實驗興趣。利用Multisim12.O可以實現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計虛擬仿真實驗，修改調(diào)試方便。學(xué)生可以隨時在任意裝有該軟件的計算機上進行實驗設(shè)計和測試，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，取得較好的實驗效果[3]。

在時序電路設(shè)計中有一個實驗項目是數(shù)字秒表電路設(shè)計，這是一個綜合性的實驗，理論分析可知，整個電路由秒脈沖產(chǎn)生電路，計數(shù)電路和譯碼顯示電路三部分組成。第一步用555定時器和電阻電容構(gòu)成多諧振蕩器，由公式T=0.7（R1+2R2）計算求得適當(dāng)?shù)碾娮柚担沟幂敵霾ㄐ晤l率為1kHz，利用3片74LS90芯片級聯(lián)構(gòu)成1000倍分頻器將多諧振蕩器輸出信號進行分頻，從而得到秒脈沖信號。雖然可以通過理論計算得到電阻值，但是要想調(diào)試出精確的秒脈沖信號，需要在電路搭建好之后利用示波器或邏輯分析儀等儀器觀察輸出波形，測量輸出頻率或周期，根據(jù)實際情況調(diào)整電阻值。第二步選擇兩片74LS161芯片實現(xiàn)60進制計數(shù)電路。74LS161芯片為16進制計數(shù)器，利用清零法分別實現(xiàn)6進制和10進制計數(shù)器，然后用乘數(shù)法實現(xiàn)610進制計數(shù)器。將第一步調(diào)試好的秒脈沖信號作為輸入計數(shù)脈沖，計數(shù)器的輸出可以連接8個發(fā)光二極管，運行過程中通過觀察發(fā)光二極管的亮熄規(guī)律判斷電路輸出是否滿足要求，也可以通過邏輯分析儀觀察計數(shù)器輸出的8路波形判斷結(jié)果的正確性。第三步采用兩個共陰極七段數(shù)碼管進行秒表顯示，由兩片74LS48芯片作為七段字型譯碼器，將第二步中兩個計數(shù)器的輸出信號分別送譯碼器，兩個譯碼器的輸出分別連接兩個七段數(shù)碼管，通過譯碼器譯碼和驅(qū)動七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。endprint

由設(shè)計步驟可知，整個數(shù)字秒表電路的設(shè)計制作需要用到10個以上的集成芯片，電路連線多且復(fù)雜，調(diào)試過程需要調(diào)整電阻值，需要用到電源、示波器和邏輯分析儀等設(shè)備。如果采用傳統(tǒng)的硬件實驗方法，學(xué)生需要事先查找大量資料，畫出粗略的硬件電路圖，準(zhǔn)備所需芯片和足夠的導(dǎo)線，然后在面包板或者實驗箱上直接搭建硬件實物電路，借助實驗儀器觀察結(jié)果。由于實驗室只能提供有限的元器件和示波器、萬用表等儀器，若所選用芯片不合適，或者電路設(shè)計本身就存在問題，或者哪個芯片有問題，又或者哪一根線不通，有時候很難檢查出具體問題，即便檢查出來又可能要重新設(shè)計電路，在四個學(xué)時內(nèi)實驗很難完成。不少學(xué)生往往會為了完成任務(wù)直接照搬其他同學(xué)的電路或者要求老師直接給出可行的電路圖，然后只是機械按照硬件電路圖連線。連線完成后如果發(fā)現(xiàn)電路不能正常工作，也只是簡單地直接拆除和重新連線，因為不理解電路工作原理，根本就不會分析問題解決問題，整個實驗過程就變成了重復(fù)地拆線和連線的簡單勞動。大多這樣的學(xué)生即便實驗做完了，可電路工作原理卻完全不懂，根本達不到通過設(shè)計性實驗鍛煉學(xué)生實際動手能力、培養(yǎng)分析問題和解決問題能力的目的[4]。

相反，如果使用仿真軟件，學(xué)生在了解基本原理后就可以在仿真軟件平臺上選擇元器件直接搭建電路，可以任意選擇芯片而不必理會材料消耗、可以放心大膽地連接電路而不用擔(dān)心電路連接錯誤而造成器件損壞的問題。仿真軟件中提供的電源、函數(shù)發(fā)生器、示波器和邏輯分析儀等可以任意選取使用，這樣就可以留出更多的時間去理解電路工作原理，分析問題和調(diào)試電路。比如在秒表電路設(shè)計制作過程中，可以任意調(diào)整電阻值，借助仿真軟件提供的示波器調(diào)試出精確的秒脈沖信號；可根據(jù)個人喜好選擇各種型號的計數(shù)器芯片設(shè)計分頻器和60進制計數(shù)器；也可以采用共陽極數(shù)碼管和相應(yīng)的譯碼器設(shè)計顯示電路。

通過軟件仿真實驗，選擇符合要求的元器件，設(shè)計出滿意的電路，然后在實驗箱或面包板上搭建硬件實物電路，通過實物電路驗證實驗結(jié)果，可以保證實驗結(jié)果的正確性，大大提高實驗教學(xué)的效率。利用仿真軟件的另一個好處是學(xué)生可以大膽地發(fā)揮自己的想象，嘗試各種設(shè)計方案，有效激發(fā)學(xué)生的實驗熱情和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

在課堂教學(xué)中借助Multisim12.0仿真軟件進行電路演示，驗證理論的正確性和可行性，使得數(shù)字邏輯理論課的教學(xué)更加生動活潑。在實驗教學(xué)中利用Multisim12.0仿真軟件進行仿真實驗，使得實驗操作更加靈活方便，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力[5]。因此，有效利用Multisim12.0仿真軟件能夠?qū)?shù)字邏輯課程教學(xué)起到積極作用。

參考文獻：

[1]徐銀霞.“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)方法探討[J].中國電力教育，2013，（28）：104-105.

[2]黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設(shè)計與分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]Multisim仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2014，（8）：166-169.

[5]王宇.興趣導(dǎo)向的數(shù)字電路設(shè)計實驗改革[J].計算機教育，2010，（17）：38-40.endprint