Multisim在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用

潘學(xué)文， 趙全友

(湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 湖南 永州 425199)

Multisim在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用

潘學(xué)文， 趙全友

(湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 湖南 永州 425199)

針對數(shù)字電路課程教學(xué)中理論知識枯燥、邏輯關(guān)系復(fù)雜的問題，將Multisim仿真軟件應(yīng)用到課堂教學(xué)中，利用仿真軟件強大的電路仿真能力和直觀形象的演示效果提高教學(xué)質(zhì)量。以SR觸發(fā)器和JK觸發(fā)器的教學(xué)為例，仿真軟件使學(xué)生直接觀察到主從式觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程和工作波形，驗證了主從式觸發(fā)器的邏輯功能，讓知識理念和數(shù)字邏輯形象地展現(xiàn)，有助于學(xué)生理解數(shù)字電路的工作原理，提高教學(xué)質(zhì)量。

數(shù)字電子技術(shù)； 教學(xué)改革； 仿真實驗; Multisim

“數(shù)字電路”是電子和通信領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課程和主干課程。通過學(xué)習(xí)該課程，要求學(xué)生掌握數(shù)字電路的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力[1-2]。該課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法在講解理論知識和復(fù)雜的邏輯關(guān)系時有一定的局限性[3-5]，難以講得很清楚。在數(shù)字電路課程的教學(xué)實踐中，將Multisim電路仿真應(yīng)用到課堂教學(xué)中，在一些較抽象和邏輯復(fù)雜之處(如觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)仿真、任意計數(shù)器電路仿真等)使用Multisim進(jìn)行電路仿真，將數(shù)字電路的邏輯運行結(jié)果形象地展示給學(xué)生，以輔助學(xué)生理解數(shù)字電路的工作原理[6-10]。

1 仿真軟件及其教學(xué)應(yīng)用

Multisim是一款EDA工具軟件，主要用于電子線路仿真和設(shè)計[11]。該軟件利用計算機構(gòu)造一個虛擬的實驗環(huán)境，具有各種虛擬儀器和器件，能進(jìn)行多種電路分析。由于操作便捷、更改電路結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)方便、界面友好，Multisim特別適合模擬電路和數(shù)字電路仿真，受到廣大高等院校師生的青睞，部分院校開設(shè)了專門的課程或者選修課學(xué)習(xí)該軟件[12-13]。本文以主從式觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程為例，在數(shù)字電路課程教學(xué)中增加Multisim仿真實驗，將仿真實驗融入理論教學(xué)過程中。

主從式觸發(fā)器主要有SR觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)，它有2個值得注意的動作特點：

(1) 在CP=1(時鐘信號為高電平有效)期間，主觸發(fā)器接收輸入信號并置成相應(yīng)的狀態(tài)，從觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，CP下降沿到來時從觸發(fā)器按照主觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，故觸發(fā)器的輸出狀態(tài)的改變是發(fā)生在CP下降沿；

(2) 主觸發(fā)器是一個電平觸發(fā)SR觸發(fā)器，故在CP=1(時鐘信號的有效電平)的全部時間里主觸發(fā)器的狀態(tài)輸出都將受到輸入信號的控制。

由于主從式觸發(fā)器理論比較抽象、狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程較復(fù)雜，學(xué)生對主從式觸發(fā)器的動作特點往往理解不夠深入，并且觸發(fā)器的輸入信號、時鐘信號、輸出信號等較多，無法用電子實驗儀器觀察觸發(fā)器的工作波形，無以驗證觸發(fā)器的邏輯功能。引入仿真實驗后，學(xué)生可以直接觀察到主從式觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程和工作波形，能夠提高教學(xué)效果，使學(xué)生理解電路的工作原理和工作工程。

2 數(shù)字電路課程教學(xué)仿真實例

2.1 主從式SR觸發(fā)器仿真

用74LS00和74LS10邏輯門搭建主從式SR觸發(fā)器的電路如圖1所示。

圖1 主從式SR觸發(fā)器仿真電路

圖1中RD′為異步置零信號，仿真開始前置為有效電平(RD′=0)，使輸出狀態(tài)置0。CP為觸發(fā)器的時鐘信號，R、S為輸入信號，Qn和Q′n為主觸發(fā)器的輸出信號，Q和Q′為觸發(fā)器狀態(tài)輸出信號。利用Multisim軟件中的字組產(chǎn)生器產(chǎn)生觸發(fā)器的CP、R、S及RD′信號，邏輯分析儀顯示觸發(fā)器的CP、R、S、RD、Qn、Q′n、Q和信號Q′波形。

設(shè)計字組輸出信號時，為保證各種輸入情況在有效電平期間都出現(xiàn)，因此R、S輸入信號應(yīng)在CP=1期間內(nèi)有變化[7]。在輸出字組分別為0、8、C、D、B、D、B、D、C、8、E、E、F、B、D、B、D、C、E、A、A、B、9、F情況下，得到相應(yīng)的工作波形如圖2所示。

圖2 主從式SR觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程

圖2中的“10”為CP時鐘脈沖波形；“12”為S輸入波形；“13”為R輸入波形；“11”為RD′異步置0輸入波形；“3”為Qn主觸發(fā)器狀態(tài)輸出波形；“4”為Q′n主觸發(fā)器狀態(tài)輸出波形，“9”為Q狀態(tài)輸出波形；“8”為Q′狀態(tài)輸出波形。

從圖2中的工作波形可以看出，主觸發(fā)器在CP=1整個期間受S、R輸入信號的控制，存在多次翻轉(zhuǎn)問題；但觸發(fā)器的輸出只在時鐘信號的下降沿才發(fā)生改變，驗證了主從式SR觸發(fā)器的邏輯功能。本仿真實驗有效地解決了學(xué)生對多次翻轉(zhuǎn)問題的疑惑。

2.2 主從式JK觸發(fā)器仿真

搭建主從式JK觸發(fā)器仿真電路如圖3所示。

JK觸發(fā)器在電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，把輸出信號Q和Q′分別反饋至輸入端。在講解該知識時，需強調(diào)反饋的引入對觸發(fā)器邏輯功能的改變，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電路分析。主從式JK觸發(fā)器不僅解決了主從式SR觸發(fā)器在時鐘信號為有效電平期間存在多次翻轉(zhuǎn)問題，而且還確保在輸入信號都為1(J=K=1)時觸發(fā)器的次態(tài)可以確定。在輸出字組分別為0、8、C、D、B、D、B、D、C、8、E、E、F、B、D、B、D、C、E、A、A、B、9、F、9、F、E、C、E、A、B、F、9、F、9、8、8情況下，得到主從式JK觸發(fā)器的工作波形如圖4所示。

圖3 主從式JK觸發(fā)器仿真電路

圖4 主從式JK觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程

圖4中的“15”為CP時鐘脈沖波形；“10”為J輸入波形；“11”為K輸入波形；“9”為 RD′異步置0輸入波形；“3”為Qn主觸發(fā)器狀態(tài)輸出波形；“2”為Q′n主觸發(fā)器狀態(tài)輸出波形，“5”為Q狀態(tài)輸出波形；“8”為Q′狀態(tài)輸出波形。

從圖4中的輸出波形中可以看出，在JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)為時鐘信號有效電平(CP=1)期間，主觸發(fā)器的狀態(tài)只翻轉(zhuǎn)一次，一旦翻轉(zhuǎn)了就保持不變；等下降沿到達(dá)時，輸出狀態(tài)跟隨主觸發(fā)器狀態(tài)改變，解決了RS觸發(fā)器的多次翻轉(zhuǎn)問題。當(dāng)J=K=1時，觸發(fā)器的次態(tài)是翻轉(zhuǎn)功能，對輸入信號的約束條件不存在了。顯然，JK觸發(fā)器的邏輯功能更加強大。通過仿真實驗的演示和講解，學(xué)生能夠較好地掌握主從式JK觸發(fā)器的邏輯功能，對一次翻轉(zhuǎn)問題理解也更加透徹。

3 結(jié)語

在主從式觸發(fā)器的教學(xué)過程中，對SR和JK觸發(fā)器進(jìn)行仿真實驗，通過觀察觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程和工作波形，使得抽象、枯燥的理論知識變得生動、形象。另外，本仿真實驗?zāi)芡瑫r觀察觸發(fā)器的輸入信號和輸出信號波形，解決了電子實驗儀器無法同時顯示多路信號的問題。通過實踐證明，本教學(xué)方法能幫助學(xué)生理解數(shù)字電路的工作原理和過程，提高教學(xué)質(zhì)量并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

References)

[1] 劉銀萍,陳惠珊.“數(shù)字電子技術(shù)”實驗教學(xué)改革的探討[J].實驗室研究與探索,2006,25(8):981-983.

[2] 王爾申,龐濤,李鵬,等.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):78-81.

[3] 張樹團,王晶,張春平,等.關(guān)于提升實驗教學(xué)質(zhì)量的思考[J].實驗技術(shù)與管理,2017,34(增刊1):96-98.

[4] 王墨林,易茂祥,戚昊琛.電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新教育綜合實驗大平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(3):8-12.

[5] 孫秋野,李玉帥,滕菲,等.電工類實驗教學(xué)平臺的改革與探索[J].實驗室科學(xué),2013,16(2):161-164.

[6] 王彩鳳,胡波,李衛(wèi)兵.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2011,9(1):2-5.

[7] 張曉潔,騰乃禎.數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革探討[J].廣西民族師范學(xué)院學(xué)報,2010,27(3):145-147.

[8] 歐陽宏志,趙立宏.獨立學(xué)院“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程培養(yǎng)工程素養(yǎng)和實踐能力的探索[J].中國電力教育,2013(22):160-161.

[9] 羅高涌,張瑾.基于CDIO模式的校企合作辦學(xué)的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究[J].高教探索,2011(5):71-75.

[10] 閔玉堂,汪小燕,楊小獻(xiàn).課賽結(jié)合的電子線路設(shè)計與測試教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013(5):100-102.

[11] 潘學(xué)文,趙全友,楊振南.Multisim仿真軟件在電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用及效果分析[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報,2016,37(5):40-43.

[12] 張學(xué)成.數(shù)字電子技術(shù)實驗改革與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索,2011,30(8):285-288.

[13] 任駿原.用Multisim軟件分析觸發(fā)器的狀態(tài)變化過程[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2011,9(1):53-56.

Application of Multisim in Digital Circuit course teaching

Pan Xuewen， Zhao Quanyou

(School of Electronics and Information Engineering, Hunan College of Science and Technology, Yongzhou 425199， China)

In view of the existing problems that the the oretical knowledge is boring and the logic relation is complex in Digital Circuit course teaching, it is proposed that the Multisim simulation software is applied to classroom teaching. By using the powerful circuit simulation capability of the simulation software and its intuitive image presentation effect, the teaching quality is improved. By taking the teaching of the SR flip-flop and JK flip-flop as an example,the simulation software enables the students to observe the state reversal process and the working waveform of the master-slave flip-flop directly, and verifies the logical function of the master-slave flip-flop, so as to unfold the idea of knowledge and digital logic figuratively to the students. It can help the students to understand the working principle of the digital circuit and improve the quality of teaching.

digital electronic technology; teaching reform; simulation experiment; Multisim

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.031

G642.0

B

1002-4956(2017)11-0130-03

2017-05-25

湖南省教改項目(湘教通〔2014〕247號)；湖南科技學(xué)院教改項目(湘科院[2014]29號)；湖南科技學(xué)院“通信工程專業(yè)綜合改革試點”項目

潘學(xué)文(1983—)，男，湖南永州，碩士，講師，主要從事通信工程專業(yè)的教學(xué)、研究和管理工作.

E-mail94626654@qq.com