數(shù)字邏輯電路層次性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

廖小芳

【摘 要】結(jié)合應(yīng)用型本科學(xué)生的特點(diǎn)，基于Multisim對數(shù)字邏輯電路的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行層次性設(shè)計(jì)，通過層次性實(shí)驗(yàn)實(shí)施，加深學(xué)生對數(shù)字邏輯電路的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】Multisim；數(shù)字邏輯；仿真

中圖分類號： TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.013

【Abstract】Combined with the characteristics of applied undergraduate students，a series of hierarchical virtual simulation experiments of digital logic circuits are designed based on Multisim.Through the implementation of hierarchical experiments，students can have a deeper understanding of digital logic circuits and their interest in learning is stimulated.

【Key words】Multisim；Digital logic；Simulation

0 引言

當(dāng)前數(shù)字技術(shù)遍及各行各業(yè)，社會對數(shù)字化人才的需求日益增長，這使得數(shù)字邏輯電路的課程教學(xué)更具現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)字邏輯電路作為本科院校電子類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課，其目的在于提高學(xué)生的數(shù)字邏輯思維和分析能力。掌握好該課程的理論知識，將為后續(xù)專業(yè)課如單片機(jī)、EDA技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

目前，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的本科學(xué)校普遍存在學(xué)生理論基礎(chǔ)薄弱的狀態(tài)，另一方面，傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路教學(xué)大部分以教師單向灌輸式講授為主，最后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行少量課時的集中實(shí)訓(xùn)。由于課堂學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課時分配嚴(yán)重不均，且間隔時間較長，導(dǎo)致實(shí)踐無法起到應(yīng)有的驗(yàn)證理論的作用，學(xué)生對數(shù)字邏輯理解不深。這些問題的產(chǎn)生固然跟實(shí)驗(yàn)資源空間、時間的限制有關(guān)。同時，隨著數(shù)字技術(shù)不斷更新發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件也逐漸不能滿足當(dāng)前教學(xué)任務(wù)的要求。針對以上問題，已有文獻(xiàn)提出引入Multisim輔助數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)，但這些文獻(xiàn)多限于引用實(shí)例來幫助學(xué)生理解基本概念，極少提到基于Multisim的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，更好地促進(jìn)理論課程教學(xué)。筆者根據(jù)教學(xué)大綱要求，針對電子類應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一系列的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可使復(fù)雜的邏輯電路立刻由實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表現(xiàn)出來，化抽象為直觀，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 層次性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在教學(xué)過程中應(yīng)用數(shù)字電路仿真軟件Multisim，主要出于以下方面考慮：一是Multisim具有強(qiáng)大的仿真硬件庫可以提供分立元器件或者集成塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的仿真，不僅有一般實(shí)驗(yàn)室配備的儀器儀表，還有實(shí)驗(yàn)室沒有的儀表，如邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、波特圖議等。其次，它是仿真軟件EWB（Electronics Workbench）的升級版，界面友好，特別適合模擬電路和數(shù)字電路仿真，學(xué)生使用起來方便直觀。通過Multisim及時進(jìn)行電路仿真驗(yàn)證可以方便地發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的問題并及時改正，避免后面的實(shí)物制作出現(xiàn)錯誤而損耗元器件，從而提高了電路設(shè)計(jì)效率。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，基于Multisim的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圍繞組合邏輯電路設(shè)計(jì)、時序邏輯電路設(shè)計(jì)和綜合類設(shè)計(jì)展開。根據(jù)知識點(diǎn)和技能要求，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的層次分為基礎(chǔ)驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)進(jìn)階型和綜合實(shí)驗(yàn)三項(xiàng)。根據(jù)應(yīng)用型本科學(xué)生接受能力的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)難度分層次設(shè)置，由簡單門電路入手，到最后能設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)?；A(chǔ)驗(yàn)證型主要對課堂所講的理論進(jìn)行驗(yàn)證，目的是讓學(xué)生對所學(xué)的抽象的邏輯理論有直觀形象的感受。設(shè)計(jì)進(jìn)階型則讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行思考練習(xí)、分析并解決問題，做到舉一反三，從而激發(fā)學(xué)生探索理論的興趣。綜合實(shí)驗(yàn)主要來源于生活，設(shè)置多個實(shí)驗(yàn)題目可供學(xué)生選擇，同時也允許學(xué)生自己尋找給定題目外感興趣的題目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體設(shè)計(jì)如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過程

數(shù)字邏輯電路知識面廣，內(nèi)容豐富，但課程學(xué)時數(shù)量有限，因此在教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)該進(jìn)行有效取舍，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。對應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)而言，筆者認(rèn)為應(yīng)該花更多時間讓學(xué)生動手實(shí)踐，加深對知識的理解，比如典型電路圖如鎖存器、觸發(fā)器等較難理解的，教師可以適當(dāng)穿插仿真實(shí)踐進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生多討論、多實(shí)踐，通過自主思考加深理解。

首先，基礎(chǔ)驗(yàn)證型項(xiàng)目主要對課堂所講的理論進(jìn)行驗(yàn)證，這部分實(shí)驗(yàn)屬于必做。具體實(shí)施時，先由老師演示預(yù)期效果，然后讓學(xué)生模仿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個階段將學(xué)生對數(shù)字邏輯電路的理論學(xué)習(xí)上升到仿真驗(yàn)證。

然后，在學(xué)生仿真熟練度和準(zhǔn)確度達(dá)到一定要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)入進(jìn)階型實(shí)驗(yàn)階段。這部分實(shí)驗(yàn)屬于選做，根據(jù)實(shí)際情況選擇幾個項(xiàng)目實(shí)施。老師負(fù)責(zé)適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生充分討論，運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行思考練習(xí)。這個階段將學(xué)生對數(shù)字邏輯電路的體驗(yàn)上升到掌握，提高了學(xué)生的數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用層次。

在理論講授和基礎(chǔ)、進(jìn)階仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過分組課程設(shè)計(jì)的形式進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)。這個實(shí)驗(yàn)屬于必做，主要利用課外時間完成設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)報告。綜合實(shí)驗(yàn)是一種開放型實(shí)驗(yàn)，完成過程基本按照實(shí)際科研研究過程進(jìn)行。教師設(shè)置多個實(shí)驗(yàn)題目供學(xué)生選擇一個題目，同時也允許學(xué)生自主選題，但需經(jīng)老師審核把關(guān)。題目確定后，由學(xué)生查閱資料、小組討論，設(shè)計(jì)方案，自行完成設(shè)計(jì)及最終的實(shí)驗(yàn)報告。通過綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對課程的理解進(jìn)一步加深，解決實(shí)際問題的能力得到提升，也得到了科學(xué)研究的前期訓(xùn)練。

3 結(jié)語

針對應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)，充分實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐結(jié)合，在數(shù)字邏輯電路的教學(xué)上，設(shè)計(jì)了基于Multisim的層次性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過Multisim仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以使學(xué)生熟練掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)過程，更能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、邏輯分析能力和解決問題的能力，最終激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教師的教學(xué)效果。

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