數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

張聰慧

（華東師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國 上海 200241）

0 引言

“數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)”是通信類和電子信息類等專業(yè)一門比較重要的基礎(chǔ)課程。 傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)課通常是按照教學(xué)內(nèi)容， 給出一些固定的選題讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱或電路板上搭建電路驗(yàn)證電路的邏輯功能， 大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)， 雖然可以鍛煉學(xué)生的動手和解決問題的能力， 但在一定程度上限制了學(xué)生的思維， 缺少對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 而且因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)需要實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)儀器相配合， 局限性較大， 不利于學(xué)生課外的自主學(xué)習(xí)。 因此在該實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法基礎(chǔ)上考慮引入開放性的自主選題， 給學(xué)生自主發(fā)揮的空間，并結(jié)合Multisim 仿真軟件，使學(xué)生可以方便地自主設(shè)計(jì)電路并對其進(jìn)行分析驗(yàn)證， 相比傳統(tǒng)的教學(xué)模式， 新的教學(xué)方法更加注重對學(xué)生積極性的調(diào)動，極大地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 Multisim 仿真軟件在數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 Multisim 仿真軟件簡介

Multisim 是NI 公司發(fā)布的一款仿真軟件，它提供了豐富的元器件庫， 幾乎涵蓋了數(shù)字電路中所用到的基本元器件和芯片， 用戶可以方便地對元器件參數(shù)進(jìn)行編輯修改， 還能創(chuàng)建自己的元器件。 同時(shí)該軟件提供了豐富的虛擬儀器， 包括函數(shù)信號發(fā)生器、 雙蹤示波器、邏輯分析儀、萬用表、波特圖儀等，能對電路的工作狀況進(jìn)行仿真，對電路性能進(jìn)行分析。

數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)課程一般包含組合邏輯和時(shí)序邏輯電路兩大部分的學(xué)習(xí)應(yīng)用。 組合邏輯電路包含了基本門電路、通用邏輯門電路、編碼器、譯碼器、比較器、 加法器、 數(shù)據(jù)選擇器等， 時(shí)序邏輯電路包含計(jì)數(shù)器、移位寄存器、觸發(fā)器等。 在這些電路實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程中， 借助Multisim 仿真軟件提供的元器件和儀器搭建電路并進(jìn)行仿真， 可快速地完成電路的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并可對電路進(jìn)行分析，進(jìn)而加深學(xué)生對電路的理解。

1.2 應(yīng)用Multisim 進(jìn)行電路仿真和分析示例

下面以D 觸發(fā)器構(gòu)成的4 位約翰遜計(jì)數(shù)器為例，應(yīng)用Multisim 對電路進(jìn)行仿真分析。 4 位約翰遜計(jì)數(shù)器的電路仿真原理圖如圖1 所示：

在該仿真原理圖中，時(shí)鐘信號CLK 由Multisim 自帶的函數(shù)信號發(fā)生器XFG1 產(chǎn)生， 雙擊XFG1， 可對函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，如圖2 所示：

在電路搭建完成后， 即可對電路功能進(jìn)行分析驗(yàn)證。 Multisim 提供了多種驗(yàn)證電路功能的方法，在該電路中，既可將時(shí)鐘頻率調(diào)至以Hz 為單位，用發(fā)光二極管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 也可用邏輯分析儀查看計(jì)數(shù)器輸出波形來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 利用邏輯分析儀XLA1 觀察到的4 位約翰遜計(jì)數(shù)器輸出波形如圖3 所示：

圖1 4 位約翰遜計(jì)數(shù)器原理圖

通過波形可以看出， 仿真的電路波形與4 位約翰遜計(jì)數(shù)器的工作波形是相吻合的， 說明該電路設(shè)計(jì)方案是可行的。 通過撥碼開關(guān)J1 的開關(guān)和閉合可進(jìn)一步驗(yàn)證該電路能否在上電時(shí)自啟動。

圖2 函數(shù)信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置

圖3 4 位約翰遜計(jì)數(shù)器輸出波形

將Multisim 仿真軟件引入數(shù)字邏輯電路教學(xué)，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室外也能參與到電路的設(shè)計(jì)、搭建、分析和驗(yàn)證中，更好地幫助學(xué)生理解數(shù)字邏輯電路的工作原理和過程， 也可以提高教學(xué)質(zhì)量，做到理論教學(xué)、仿真和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合，培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型人才。

2 開放性自主選題實(shí)驗(yàn)對數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用

開放性自主選題

傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)課程通常是學(xué)生按照教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已提前被設(shè)定，實(shí)驗(yàn)原理和方案也是比較成熟和確定的。 在實(shí)驗(yàn)過程中， 學(xué)生往往只需按步驟按部就班進(jìn)行電路搭建、驗(yàn)證即可， 不能很好的培養(yǎng)學(xué)生的主動性。 因此考慮在給定選題的基礎(chǔ)上， 引入開放性自主選題， 讓學(xué)生可根據(jù)自己的興趣自主選定實(shí)驗(yàn)方案。 在此過程中，學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)新思維， 自主選擇感興趣的課題，并查閱資料確定實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、器件選型、利用Multisim 仿真軟件對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，畫PCB 版圖進(jìn)行制版、焊接、調(diào)試等，最終完成一個(gè)完整的電路系統(tǒng)。

在開放性自主選題的設(shè)計(jì)完成過程中， 學(xué)生不再是被動地接受教材上的知識， 而是主動地將所學(xué)到的理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中， 該方法有效地提高了學(xué)生在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中的參與度和積極性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研熱情。 開放性自主選題既鞏固了學(xué)生對理論知識的理解， 將理論知識活學(xué)活用到電路系統(tǒng)中， 又鍛煉了學(xué)生的動手能力， 培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法基礎(chǔ)上，提出了引入Multisim 仿真軟件配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)、引入開放性自主選題擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等教學(xué)方法探索， 以更好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性， 加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和運(yùn)用能力， 提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力， 讓傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)課程更好的融入到科技發(fā)展日新月異的今天，進(jìn)而取得更好的教學(xué)成果。