鐘斌，曾超

(1.湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；

2.新疆石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

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Multisim 仿真在數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

鐘斌1，曾超2

(1.湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；

2.新疆石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

摘要：數(shù)字電路課程注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。如何幫助學(xué)生更為直觀、深刻地理解該課程中的基本概念、基本原理和分析方法是當(dāng)前數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中面臨的重要問題。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用Multism仿真設(shè)計(jì)時(shí)序電路，并展開理論分析，可形成理論與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該模式能加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。與傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Multisim 仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；邏輯電路；觸發(fā)器

數(shù)字電路是電氣信息類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，該課程提供了學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程(如單片機(jī)原理、EDA技術(shù)等)所需的理論基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)知識體系中具有先導(dǎo)作用。該課程中的數(shù)字邏輯部分具有邏輯嚴(yán)密、概念抽象和理論性強(qiáng)等特點(diǎn)。課程中組合邏輯電路設(shè)計(jì)、時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)涉及的電路模塊較多，具有一定的復(fù)雜性。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中很難對該課程的知識點(diǎn)形成深刻的感性認(rèn)知，在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中又難以將所學(xué)的理論知識應(yīng)用于實(shí)踐操作。因此，在理論與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之間缺乏有效溝通的橋梁。通過將Multisim 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)生加深對理論知識的理解，增強(qiáng)對數(shù)字電子線路設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識，起到理論與實(shí)踐聯(lián)系的紐帶作用[1-2]。有鑒于此，本文通過實(shí)例，探討了Multisim虛擬仿真在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1基于Multisim的理論驗(yàn)證

觸發(fā)器是數(shù)字電路中時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，數(shù)字電路教學(xué)中將D觸發(fā)器與J-K觸發(fā)器作為重點(diǎn)講授，使學(xué)生掌握邏輯功能及觸發(fā)方式，熟悉初態(tài)和次態(tài)的概念及兩種觸發(fā)器的次態(tài)方程。Multisim仿真軟件提供的型號為74LS74與74LS112的虛擬元件分別表示D觸發(fā)器與J-K觸發(fā)器。

1.1D觸發(fā)器

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示，可以得到結(jié)論：(1)當(dāng)～CLR為0,且～PR為1時(shí)，輸出的Q始終為低電平，即0; (2)當(dāng)～PR為0，且～CLR為1時(shí)，輸出的Q始終為高電平，即1; (3)當(dāng)～PR為1,且～CLR為1時(shí)，輸出的Q始終保持與D狀態(tài)相同的狀態(tài)；(4)當(dāng)～PR為0,且～CLR為0時(shí)，在仿真時(shí)顯示與D狀態(tài)相同，實(shí)際上此狀態(tài)邏輯上相互矛盾。

表1　D觸發(fā)器功能記錄表

如圖2所示接線，通過切換圖中S4單刀雙擲開關(guān)的切換產(chǎn)生單CP脈沖(即通過從連通地切換至接+5V產(chǎn)生上升沿單CP脈沖，從連通+5V切換至接地產(chǎn)生下降沿單CP脈沖)，按照表2所示測試數(shù)據(jù)，并計(jì)入表2中。

圖1　D觸發(fā)器功能演示圖

圖2　D觸發(fā)器CP端功能演示圖

通過真值表2的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果得出結(jié)論：D觸發(fā)器的CP脈沖上升沿有效，且可以根據(jù)卡納圖推演出邏輯表達(dá)式：Qn+1=Qn。

1.2J-K觸發(fā)器

J-K觸發(fā)與D觸發(fā)器類似，采用Multisim虛擬仿真演示來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。邏輯功能演示如圖3所示。通過測試得到表3所對應(yīng)的邏輯功能。

圖3　J-K觸發(fā)器功能演示圖

輸入輸出次態(tài)Qn+1D～PR～CLRCP初態(tài)Qn=0初態(tài)Qn=10110→100111→0011110→111111→001

表3　J-K觸發(fā)器功能記錄表

注意：X表示任意狀態(tài)

從表3可以得出，該 J-K觸發(fā)器與D觸發(fā)器類似，同樣具有置數(shù)與清零的功能。

翻轉(zhuǎn)功能演示：類似圖2將圖中3的CP改為單刀雙擲開關(guān)模擬單脈沖CP，從而得到表4所示的J-K觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)功能。

采用Multisim 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使得學(xué)生理解更為形象、具體，從而可加深對D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器的的理解。

表4　J-K觸發(fā)器與CP翻轉(zhuǎn)功能演示記錄表

2基于Multisim的實(shí)踐設(shè)計(jì)

數(shù)字電路課程是一門理論與實(shí)踐高度結(jié)合的課程，除了要求掌握基礎(chǔ)理論外，還必須培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)電子線路的實(shí)踐能力。因此，在理論教學(xué)中有必要穿插引入實(shí)例進(jìn)行講述，鞏固理論知識，培養(yǎng)動(dòng)手能力[4]。應(yīng)用Multisim對實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，與數(shù)字電路課程的教學(xué)目標(biāo)相符合。

通過設(shè)計(jì)三個(gè)指示燈循環(huán)點(diǎn)亮的邏輯電路，可對基于觸發(fā)器的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。圖4為采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對電路進(jìn)行驗(yàn)證的示例。

圖4　循環(huán)流水燈演示實(shí)驗(yàn)

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可加深對觸發(fā)器的理解，更好地掌握基本時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)方法。此外， Multisim具有豐富的元件庫，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)候，可以選擇多種設(shè)計(jì)方案，如選擇J-K觸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器。因此，基于虛擬仿真的驗(yàn)證相比實(shí)物實(shí)驗(yàn)更具靈活性。

3基于Multisim的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革問題

Multisim為數(shù)字電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供了豐富的元件庫、虛擬儀器儀表、電路參數(shù)仿真分析方法，如何借助這個(gè)軟件平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，增加理論知識的直觀性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)電子線路的實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。為了更好地進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，需要注意以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵問題：

其一，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺建設(shè)需求迫在眉睫。在國內(nèi)有些兄弟院校，例如杭州電子科技大學(xué)已建成國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，并取得了很好的示范性教學(xué)效果。湖南科技大學(xué)在虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面，也在積極準(zhǔn)備申報(bào)國家級平臺，配備高性能的計(jì)算機(jī)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)專用，并開發(fā)一系列創(chuàng)新性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

其二，如何有效橋接課程理論知識與數(shù)字芯片測試。在國內(nèi)電子、通信類專業(yè)都開設(shè)了數(shù)字電子技術(shù)課程和數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)等課程，然而，現(xiàn)階段主要利用實(shí)物實(shí)測實(shí)驗(yàn)，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)尚處于探索階段，當(dāng)前教學(xué)中對哪些知識點(diǎn)利用虛擬仿真輔助教學(xué)完成定位模糊是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)當(dāng)中必須解決的關(guān)鍵問題之一。

其三，如何解決數(shù)字電子技術(shù)與其它專業(yè)課程之間的銜接問題。現(xiàn)階段，電氣信息類專業(yè)課程教學(xué)過程中各自為政、相互獨(dú)立，然而，在整個(gè)專業(yè)知識體系當(dāng)中卻是互相承接。例如EDA技術(shù)本質(zhì)上是介紹電子技術(shù)開發(fā)工具、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化模塊設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)描述語言等的課程，該課程與數(shù)字電路的教學(xué)相輔相成。因此，若能在相關(guān)課程中同時(shí)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，鞏固學(xué)生的專業(yè)知識，才能夠達(dá)到系統(tǒng)講授本專業(yè)基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生開發(fā)設(shè)計(jì)電子、通信系統(tǒng)的綜合能力的教學(xué)目標(biāo)，這也是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程改革建設(shè)的重要問題。

4結(jié)語

本文提出了理論講授與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，利用Multisim仿真演示電路的運(yùn)行結(jié)果，不僅能起到驗(yàn)證理論的作用，而且可以輔助提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，從而有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[1] 王連英.基于Multisim10的電子仿真實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[2] 吳新開.電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2013.

[3] 閆石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4] 王冠華,盧慶齡.Multisim12電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

(責(zé)任校對朱正余)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.04.020

收稿日期：20150818

基金項(xiàng)目：湖南科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金(E51539)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61501182)；湖南省教育廳科研一般項(xiàng)目(15C0558)；新疆石河子大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(RCZX201437，2014ZRKXYQ17)；2015年湖南科技大學(xué)瀟湘學(xué)院教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“通信工程專業(yè)系列課程改革與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)”

作者簡介：鐘斌(1982-)，男，湖南新邵人，講師，博士，主要從事協(xié)作通信與認(rèn)知無線電技術(shù)研究。

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)04-0062-04