數字邏輯電路實驗教學方法探索

張聰慧

（華東師范大學信息科學與技術學院，中國 上海 200241）

0 引言

“數字邏輯電路實驗”是通信類和電子信息類等專業一門比較重要的基礎課程。 傳統的數字邏輯電路實驗課通常是按照教學內容， 給出一些固定的選題讓學生在實驗箱或電路板上搭建電路驗證電路的邏輯功能， 大多為驗證性實驗， 雖然可以鍛煉學生的動手和解決問題的能力， 但在一定程度上限制了學生的思維， 缺少對學生創新能力的培養。 而且因為實驗時需要實驗箱和實驗儀器相配合， 局限性較大， 不利于學生課外的自主學習。 因此在該實驗課程的教學方法基礎上考慮引入開放性的自主選題， 給學生自主發揮的空間，并結合Multisim 仿真軟件，使學生可以方便地自主設計電路并對其進行分析驗證， 相比傳統的教學模式， 新的教學方法更加注重對學生積極性的調動，極大地提高了學生的自主學習能力和創新實踐能力。

1 Multisim 仿真軟件在數字邏輯實驗教學中的應用

1.1 Multisim 仿真軟件簡介

Multisim 是NI 公司發布的一款仿真軟件，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進行編輯修改， 還能創建自己的元器件。 同時該軟件提供了豐富的虛擬儀器， 包括函數信號發生器、 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行仿真，對電路性能進行分析。

數字邏輯電路實驗課程一般包含組合邏輯和時序邏輯電路兩大部分的學習應用。 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、 數據選擇器等， 時序邏輯電路包含計數器、移位寄存器、觸發器等。 在這些電路實驗的學習過程中， 借助Multisim 仿真軟件提供的元器件和儀器搭建電路并進行仿真， 可快速地完成電路的設計驗證，并可對電路進行分析，進而加深學生對電路的理解。

1.2 應用Multisim 進行電路仿真和分析示例

下面以D 觸發器構成的4 位約翰遜計數器為例，應用Multisim 對電路進行仿真分析。 4 位約翰遜計數器的電路仿真原理圖如圖1 所示：

在該仿真原理圖中，時鐘信號CLK 由Multisim 自帶的函數信號發生器XFG1 產生， 雙擊XFG1， 可對函數信號發生器的參數進行設置和修改，如圖2 所示：

在電路搭建完成后， 即可對電路功能進行分析驗證。 Multisim 提供了多種驗證電路功能的方法，在該電路中，既可將時鐘頻率調至以Hz 為單位，用發光二極管驗證實驗結果， 也可用邏輯分析儀查看計數器輸出波形來驗證實驗結果， 利用邏輯分析儀XLA1 觀察到的4 位約翰遜計數器輸出波形如圖3 所示：

圖1 4 位約翰遜計數器原理圖

通過波形可以看出， 仿真的電路波形與4 位約翰遜計數器的工作波形是相吻合的， 說明該電路設計方案是可行的。 通過撥碼開關J1 的開關和閉合可進一步驗證該電路能否在上電時自啟動。

圖2 函數信號發生器參數設置

圖3 4 位約翰遜計數器輸出波形

將Multisim 仿真軟件引入數字邏輯電路教學，既可以激發學生的學習興趣， 讓學生在實驗室外也能參與到電路的設計、搭建、分析和驗證中，更好地幫助學生理解數字邏輯電路的工作原理和過程， 也可以提高教學質量，做到理論教學、仿真和實驗教學有效結合，培養更多的創新型人才。

2 開放性自主選題實驗對數字邏輯電路實驗教學的促進作用

開放性自主選題

傳統的數字邏輯電路實驗課程通常是學生按照教材上的實驗內容進行實驗， 實驗內容已提前被設定，實驗原理和方案也是比較成熟和確定的。 在實驗過程中， 學生往往只需按步驟按部就班進行電路搭建、驗證即可， 不能很好的培養學生的主動性。 因此考慮在給定選題的基礎上， 引入開放性自主選題， 讓學生可根據自己的興趣自主選定實驗方案。 在此過程中，學生發揮自己的創新思維， 自主選擇感興趣的課題，并查閱資料確定實驗方案，進行電路的設計、器件選型、利用Multisim 仿真軟件對所設計的電路進行仿真，畫PCB 版圖進行制版、焊接、調試等，最終完成一個完整的電路系統。

在開放性自主選題的設計完成過程中， 學生不再是被動地接受教材上的知識， 而是主動地將所學到的理論知識運用到實踐中， 該方法有效地提高了學生在數字邏輯電路實驗學習過程中的參與度和積極性，激發了學生的創新思維和科研熱情。 開放性自主選題既鞏固了學生對理論知識的理解， 將理論知識活學活用到電路系統中， 又鍛煉了學生的動手能力， 培養學生主動發現問題、解決問題的能力。

3 結束語

本文在傳統的數字邏輯電路實驗教學方法基礎上，提出了引入Multisim 仿真軟件配合實驗教學、引入開放性自主選題擴展實驗內容等教學方法探索， 以更好地調動學生的學習積極性， 加深學生對所學知識的理解和運用能力， 提高學生的自主學習和實踐創新能力， 讓傳統的數字邏輯電路實驗課程更好的融入到科技發展日新月異的今天，進而取得更好的教學成果。