數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法分析

王哲+馬瑩瑩

摘 要：數(shù)字電路是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)方法具有一定的局限性，為了適應(yīng)新的教學(xué)理念和教學(xué)模式，出現(xiàn)了新的基于Multisim的虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，可以提高學(xué)生的創(chuàng)造性和綜合設(shè)計(jì)能力。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了分析和比較，通過分析提出將了兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Multisim；虛擬仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.129

“數(shù)字電路”是我院電子類專業(yè)一門重要的、實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，它包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等多種教學(xué)環(huán)節(jié)。通過本門課程的教學(xué)，除了使學(xué)生掌握數(shù)字電路的基本理論、基本知識(shí)和基本方法以外，還要求其具備實(shí)驗(yàn)研究和工程設(shè)計(jì)能力[1]。

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)在數(shù)字電路教學(xué)中占有非常重要的地位，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際動(dòng)手能力。傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)仍然采用數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，有很多的局限性，為了適應(yīng)新的形勢(shì)要求，改革教學(xué)模式，創(chuàng)造更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的綜合動(dòng)手能力，逐步將虛擬電子仿真軟件Multisim[2，3，4]應(yīng)用于數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

下面對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行具體分析和比較，

1 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室采用數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，圍繞 74 系列芯片進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)，主要涉及的實(shí)驗(yàn)包括TTL 集成門電路測(cè)試、數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用、觸發(fā)器及計(jì)數(shù)器的應(yīng)用等。

下面以74LS08與門為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并分析如下。

1.1 74LS08引腳圖

74LS08為2輸入四與門，其引腳圖如圖1所示。

1.2 真值表

真值表顯示，當(dāng)輸入A、B有一個(gè)為低電平時(shí)，輸出即為低電平；當(dāng)輸入A、B全為高電平時(shí)，輸出為高電平。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）根據(jù)74LS08的引腳圖連接線路。由引腳圖可知，74LS08有4組2輸入與門，可以任意選擇一組與門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將輸入兩個(gè)端子連接在可以控制高低電平的輸入端，如果輸入為高電平，則燈亮，低電平則燈不亮；將輸出端連接在可以由燈的亮和滅來顯示輸出電平的一端，如果輸出為高電平，燈亮，如果輸出為低電平，燈不亮。

（2）根據(jù)真值表測(cè)試74LS08與門的功能。

（3）實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以看出，輸入端只要有一個(gè)為低電平，燈就不亮，只有兩個(gè)輸入端全為高電平的時(shí)候，燈才亮，結(jié)果與真值表保持一致，滿足了與門的功能。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，新器件、新電路不斷地涌現(xiàn)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件已經(jīng)無法滿足各種電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試的要求，這在一定程度上影響了數(shù)字電路相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，而且影響了高校對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入具有強(qiáng)大分析、仿真電路功能的電路仿真設(shè)計(jì)軟件Multisim，可以較好地解決這一問題[5]。

基于Multisim的仿真實(shí)驗(yàn)主要包括門電路功能測(cè)試、組合邏輯電路分析、半加器邏輯功能測(cè)試、計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器的應(yīng)用等。現(xiàn)以74LS00與非門為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。

2.1 引腳圖

74LS00為四組 2 輸入與非門，其引腳圖如圖2所示。

2.2 真值表

真值表顯示，當(dāng)輸入A、B只要有一個(gè)為低電平，輸出即為高電平；當(dāng)輸入A、B全為高電平時(shí)，輸出為低電平。

2.3 實(shí)驗(yàn)電路

在Multisim中的創(chuàng)建的仿真電路如圖3所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)說明

（1）放置74LS00：

用打開選擇相應(yīng)的元件，然后放置。“QUAD 2-INPUT NAND”四-2輸入與非門。

（2）放置開關(guān)：

用第二個(gè)按鈕，選擇SWITCH，然后選擇相應(yīng)的開關(guān)，進(jìn)行放置。

（3）放置電源VCC：

選擇第一個(gè)按鈕，選擇VCC。放置接地，同樣選擇第一個(gè)按鈕。

（4）放置萬用表：

選擇右邊數(shù)列按鈕的第一個(gè)，既是萬用表。然后放置。

（5）放置燈泡：

選擇指示器按鈕，選擇LAMP，然后選擇合適的燈泡，放置。

2.5 功能測(cè)試

（1）測(cè)試表：

測(cè)試表如表4所示。

（2）分析：

從測(cè)試表可以看出，當(dāng)輸入端有一個(gè)為0時(shí)，輸出就為1，燈泡就亮，當(dāng)輸入全為1時(shí)，燈泡不亮。測(cè)試結(jié)果與真值表保持一致，滿足與非門的邏輯功能。

3 兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的比較

我院數(shù)字電路課程是電子類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)生在具體操作的時(shí)候，每一種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)。從教師的層面分析，傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)方法在具體實(shí)施時(shí)，教師需要收集好實(shí)驗(yàn)需要用到的元器件，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)線路，課堂上連接線路給學(xué)生看，對(duì)元器件的功能及線路的功能都要給學(xué)生進(jìn)行講解。由于實(shí)驗(yàn)線路連接比較直觀，講解的工作量不大。對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，由于涉及到一種新的軟件，首先對(duì)軟件的功能和具體操作流程都要進(jìn)行詳細(xì)講解，在具體操作時(shí)，每一個(gè)步驟，每一個(gè)元器件的選擇和連接都要詳細(xì)說明，講解的工作量較大。在具體的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)方法，由于各自有自己的優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上都可以激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。在此基礎(chǔ)上，相比較而言，虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)方法功能更強(qiáng)大，學(xué)生的可操作性更強(qiáng)。

通過分析，我們可以看出，用兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，都可以達(dá)到教學(xué)目的，但是從培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力上出發(fā)，可以考慮兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)分成兩部分，一部分時(shí)間讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一部分時(shí)間讓學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。這樣可以讓學(xué)生更全面的了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)設(shè)計(jì)和分析能力。

4 結(jié)論

數(shù)字電路是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括理論學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的講解往往通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析和具體操作來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，雖然比較直觀，而且可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)力，但有一定的局限性，比較新的基于仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，而且功能比較強(qiáng)大，具有可擴(kuò)展性。通過比較，提出了兩種方法相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，在今后的教學(xué)過程中，可以具體實(shí)施，以期取得良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明旭.數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索[J].廣西大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（06）：148-149.

[2]黃濟(jì)，李澤彬，汪明珠，姚有峰.組合邏輯電路設(shè)計(jì)與Multisim仿真[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2012：58-98.

[3]包敬海，張大平，陸安山. Multisim在組合邏輯電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].欽州學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（12）：30-33.

[4]郁玲艷.Multisim在數(shù)字邏輯電路中的應(yīng)用[J].高校講壇，2010（23）：661-720.

[5]王哲.Multisim在組合邏輯電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（02）：292-293.

作者簡(jiǎn)介：王哲（1986-），女，河南南陽人，碩士，教師，研究方向：自動(dòng)化、仿真與虛擬制造、電子信息。