數字邏輯電路層次性虛擬仿真實驗設計

廖小芳

【摘 要】結合應用型本科學生的特點，基于Multisim對數字邏輯電路的虛擬仿真實驗進行層次性設計，通過層次性實驗實施，加深學生對數字邏輯電路的理解，激發學習興趣。

【關鍵詞】Multisim；數字邏輯；仿真

中圖分類號： TN791 文獻標識碼： 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

當前數字技術遍及各行各業，社會對數字化人才的需求日益增長，這使得數字邏輯電路的課程教學更具現實意義。數字邏輯電路作為本科院校電子類專業的一門重要的基礎課，其目的在于提高學生的數字邏輯思維和分析能力。掌握好該課程的理論知識，將為后續專業課如單片機、EDA技術等課程的學習打下堅實基礎。

目前，以培養應用型人才為目的本科學校普遍存在學生理論基礎薄弱的狀態，另一方面，傳統數字邏輯電路教學大部分以教師單向灌輸式講授為主，最后再進入實驗室進行少量課時的集中實訓。由于課堂學習和實驗實訓課時分配嚴重不均，且間隔時間較長，導致實踐無法起到應有的驗證理論的作用，學生對數字邏輯理解不深。這些問題的產生固然跟實驗資源空間、時間的限制有關。同時，隨著數字技術不斷更新發展，高校實驗設備和條件也逐漸不能滿足當前教學任務的要求。針對以上問題，已有文獻提出引入Multisim輔助數字邏輯電路課程教學，但這些文獻多限于引用實例來幫助學生理解基本概念，極少提到基于Multisim的教學實驗設計。好的實驗設計能有效提高學生的學習效果，更好地促進理論課程教學。筆者根據教學大綱要求，針對電子類應用型人才的培養目標，設計了一系列的虛擬仿真實驗，可使復雜的邏輯電路立刻由實驗仿真結果表現出來，化抽象為直觀，從而激發學生的學習興趣。

1 層次性虛擬仿真實驗設計

在教學過程中應用數字電路仿真軟件Multisim，主要出于以下方面考慮：一是Multisim具有強大的仿真硬件庫可以提供分立元器件或者集成塊來實現數字邏輯電路的仿真，不僅有一般實驗室配備的儀器儀表，還有實驗室沒有的儀表，如邏輯分析儀、邏輯轉換器、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字電路仿真，學生使用起來方便直觀。通過Multisim及時進行電路仿真驗證可以方便地發現電路設計的問題并及時改正，避免后面的實物制作出現錯誤而損耗元器件，從而提高了電路設計效率。

根據教學內容，基于Multisim的虛擬仿真實驗內容圍繞組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計和綜合類設計展開。根據知識點和技能要求，實驗內容的層次分為基礎驗證型、設計進階型和綜合實驗三項。根據應用型本科學生接受能力的特點，實驗難度分層次設置，由簡單門電路入手，到最后能設計比較復雜的數字電路系統。基礎驗證型主要對課堂所講的理論進行驗證，目的是讓學生對所學的抽象的邏輯理論有直觀形象的感受。設計進階型則讓學生運用所學知識進行思考練習、分析并解決問題，做到舉一反三，從而激發學生探索理論的興趣。綜合實驗主要來源于生活，設置多個實驗題目可供學生選擇，同時也允許學生自己尋找給定題目外感興趣的題目。實驗項目具體設計如表1所示。

2 實驗項目的實施過程

數字邏輯電路知識面廣，內容豐富，但課程學時數量有限，因此在教學內容和實驗內容應該進行有效取舍，適當調整教學和實驗內容，達到最佳的教學效果。對應用型本科人才培養目標而言，筆者認為應該花更多時間讓學生動手實踐，加深對知識的理解，比如典型電路圖如鎖存器、觸發器等較難理解的，教師可以適當穿插仿真實踐進行教學，讓學生多討論、多實踐，通過自主思考加深理解。

首先，基礎驗證型項目主要對課堂所講的理論進行驗證，這部分實驗屬于必做。具體實施時，先由老師演示預期效果，然后讓學生模仿進行實驗驗證。這個階段將學生對數字邏輯電路的理論學習上升到仿真驗證。

然后，在學生仿真熟練度和準確度達到一定要求的基礎上，進入進階型實驗階段。這部分實驗屬于選做，根據實際情況選擇幾個項目實施。老師負責適當引導，讓學生充分討論，運用所學知識進行思考練習。這個階段將學生對數字邏輯電路的體驗上升到掌握，提高了學生的數字技術的應用層次。

在理論講授和基礎、進階仿真實驗結束后，通過分組課程設計的形式進行綜合實驗。這個實驗屬于必做，主要利用課外時間完成設計和實驗報告。綜合實驗是一種開放型實驗，完成過程基本按照實際科研研究過程進行。教師設置多個實驗題目供學生選擇一個題目，同時也允許學生自主選題，但需經老師審核把關。題目確定后，由學生查閱資料、小組討論，設計方案，自行完成設計及最終的實驗報告。通過綜合實驗，學生對課程的理解進一步加深，解決實際問題的能力得到提升，也得到了科學研究的前期訓練。

3 結語

針對應用型本科人才培養目標，充分實現理論和實踐結合，在數字邏輯電路的教學上，設計了基于Multisim的層次性虛擬仿真實驗。通過Multisim仿真實驗不僅可以使學生熟練掌握數字電路的設計過程，更能夠進一步培養學生的應用能力、邏輯分析能力和解決問題的能力，最終激發學生的學習興趣，提高教師的教學效果。

【參考文獻】

[1]葛自強，陶喜林.應用型本科“數字邏輯電路”課程改革的探索[J].中國科技信息， 2012（13）：216-216.

[2]白靜，張雪英.《數字電路邏輯設計》課程的教學實踐研究[J].電氣電子教學學報， 2007（s1）：72-74.

[3]和玉梅.基于Multisim的數字電路課程的教學改革[J]. 數字技術與應用，2011（12）：109-109.

[4]田淑珍，全成斌，李山山，等.數字邏輯電路實驗課的教學改革探索[J].實驗技術與管理，2010，27（11）：169-171.