Multisim在數字邏輯教學中的應用研究

王永崗

(長治學院 計算機系，山西 長治 046011)

Multisim在數字邏輯教學中的應用研究

王永崗

(長治學院 計算機系，山西 長治 046011)

在數字邏輯課堂教學中恰當地運用Multisim進行實時仿真，可以幫助學生加深對理論知識的理解和對重點難點問題的掌握，提高教學質量與效率。通過實例，分別對Multisim在加深概念理解以及輔助解決疑難問題等兩個方面的作用進行了探討。

Multisim；數字邏輯；仿真

1 引言

《數字邏輯》是計算機專業的專業基礎課。它的主要內容與數字電子技術相同，也是數字電路的相關內容。但是，與電子或者控制專業相比，計算機專業中的這門課程的重點有所不同，更偏向于對數字電路的理解和應用。而且，隨著電子元件及設計方法的不斷發展，數字邏輯課程的內容、教學重點在發生改變，相應的教學方法和手段也要適應這種發展。

2 數字邏輯課程的發展

電子元件逐漸由中大規模集成電路向可編程邏輯器件轉變。傳統的數字電路設計是基于重大規模集成電路，采用永自底向上的設計方法。現代數字系統的設計方法，基于可編程邏輯器件進行設計[1]。在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言描述電路功能，采用自頂向下的設計方法，使數字系統由硬件設計變為硬件、軟件相結合的方式。

目前，數字邏輯教學仍是課堂理論教學加上以中大規模集成電路為基礎的實驗聯系，沒有將數字電路的發展以及計算機專業特點體現出來。但是，直接采用CPLD等可編程器件進行實驗，需要增加大量課時。在現有課時基礎上，兼顧傳統設計方法和可編程設計方法，可以采用仿真的方式，在計算機上安裝仿真軟件來實現[2]。

下面以教學中的具體知識點為例，介紹Multisim軟件在數字邏輯教學中的應用。

3 Multisim的特點

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司開發的在Windows平臺上運行的仿真軟件，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。為數字電路仿真提供了豐富的元器件模型，如各類門電路、集成組合邏輯電路、時鐘信號以及時序邏輯電路等，同時還提供了種類齊全的虛擬儀器儀表，如邏輯轉換儀、邏輯分析儀等，具有強大的電路分析功能[3]。在輸入方面，不僅可以采用電路原理圖的圖形輸入，也可以采用電路硬件描述語言輸入方式，是非常理想的教學輔助工具。

4 Multisim在數字邏輯課程中的應用

將Multisim應用于數字邏輯課程教學中，可以有多個方面的應用，例如基本原理的理解、針對重點難點的仿真、可編程邏輯器件的使用等，可以在多個方面為學生理解課程內容起到很好的作用。

4.1 Multisim在數字邏輯概念理解中的應用

數字邏輯中的很多概念和基本原理，沒有一定的實踐過程，想要理解透徹并不容易，如果采用Multisim輔助教學可以有很好的效果。在組合邏輯電路的分析與設計的內容中，涉及到邏輯函數的化簡及邏輯函數各種表示形式之間的轉換以及高低電平與邏輯0、1的關系等概念，學生對其中一些內容理解不深。現以三變量多數表決電路的設計為例，研究Multisim在教學中起到的作用。

一般情況下，根據三變量多數表決電路的功能，可以做出真值表，進而寫出邏輯表達式。

借助Multisim中的邏輯轉換器，可以將表達式再轉換為真值表的形式，來驗證之前手工轉換的正確性，如圖1所示。

圖1 三變量多數表決電路真值表

傳統的課堂教學，一個組合邏輯電路的設計，最終只能作出邏輯圖，不能進行功能的演示和驗證。利用Multisim的仿真功能，如圖2所示，給該電路加上用開關A、B、C表示的三個輸入變量，并在輸出端連接LED顯示元件X1。學生很直觀地看到，控制三個開關的通斷，LED顯示元件隨之發生相應的變化。

圖2 三變量多數表決電路邏輯圖

通過電路的仿真運行，學生對正邏輯，高低電平的來源，以及電平和邏輯值0、1的關系等概念和原理有更加直觀的了解和更深刻的掌握。

4.2 Multisim在數字邏輯疑難知識點中的應用

除了可以幫助學生理解基本概念和原理，Multisim用于講解難點問題也有很好的效果。在數字邏輯課程中，時序電路部分是重點也是難點。學生對時序的掌握有一定困難，特別是在講授的過程中，經常需要使用時序圖來描述一個電路的時序過程，并通過時序圖來分析電路的功能。如果只依靠幻燈的展示，由于時序圖比較抽象，不能直觀的反映出時序電路的功能，不利于學生掌握。現以計數器為例探討Multisim在數字電路課程教學中的應用。

例如用兩片74290連接成為六十進制計數器，需要將低位片的QD連接至高位片的時鐘輸入端，而其它多數計數器都是將低位片的進位端與高位片的時鐘輸入相連。學生對于這樣的連接方式不易理解。QD是低位片的最高位，那么它在0111到1000即7到8的過程中就會由0變為1，而且會維持兩個時鐘周期，這樣是否會造成高位提前加一。如圖3所示，通過Multisim的仿真，可以看到LED數碼管的顯示，運行結果和功能要求一致。其中的原理，可以通過觀察時序圖得到。[4]

圖3 六十進制計數器原理圖

通過軟件中的邏輯分析儀工具，得到時序圖，如圖4所示。低位片的最高位QD1在7-8的過程中由低電平變為高電平，并維持兩個時鐘周期，在低位片9-0的過程中，QD1由高電平變低電平，由于74290是下降沿觸發的計數器，所以觸發高位片加1。

圖4 六十進制計數器部分時序圖

借助Multisim的相關功能，學生可以在課堂上很直觀地看到運行結果，及其運行的原理。有利于學生對知識的理解和掌握，提高課堂教學效果。

5 結語

綜上所述，在當前高校數字邏輯課程的教學當中，特別是課堂教學引入EDA技術，可以滿足課程內容新的的發展和人才培養的新需求，是十分必要的。

課堂教學引入Multisim的優點，在于多形式的形象化演示，既有電路原理的部分，也有運行效果的多樣化顯示，這可以很好地幫助學生直觀地理解該電路的功能以及原理。從實例應用中可以看出，在數字邏輯課堂教學中恰當地運用Multisim進行實時仿真，可以幫助學生加深對理論知識的理解和對重點難點問題的掌握，提高教學質量與效率。同時，它也可以作為學生在實驗室外的輔助實驗手段，取得更好的學習效果。

[1]劉元超.數字電路.教學改革探索[J].長江大學學報(自然科學版)，2009，9(3)：318-319.

[2]蔣冬初，何飛.運用EDA技術促進電子技術課程教學[J].益陽師專學報學，2002，11(6)：76-78.

[3]劉戎.Multisim8在數字電路教學中的應用[J].梧州學院學報，2007，12(6)：65-67.

[4]李慶常.數字電子技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2010.

A Study on Application of Multisimin Digital Logic Teaching

Wang Yong-gang
(Department of Computer Science Changzhi University，Changzhi Shanxi 046011)

In digital logic teaching，Multisim simulation can help the students to deepen the understanding of theoretical knowledge and mastery of key and difficult problems，improve the teaching quality and efficiency.Through the example，separately on the Multisim in deepen conceptual understanding and help to solve the difficult problems of two aspects of the role are discussed.

multisim；digital logic；simulation

TP319

A

1673-2014(2012)02-0107-03

2012—01—18

王永崗(1979—)，男，山西沁縣人，碩士，主要從事嵌入式系統研究。

(責任編輯 李學斌)