Multisim12.0仿真軟件輔助數字邏輯課程教學的研究

摘要：本文討論了運用Multisim12.0仿真軟件輔助數字邏輯課程教學的方法。教師在課堂教學中借助仿真軟件進行電路演示，幫助學生理解抽象的理論知識；在實驗教學中通過仿真實驗激發學生的學習興趣。有效利用仿真軟件對數字邏輯課程教學起到積極作用。

關鍵詞：數字邏輯；Multisim12.0軟件；仿真

中圖分類號：642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0233-02

“數字邏輯”是計算機及電子類專業的一門重要的專業基礎課程，其具有很強的理論性和實踐性，要求學生通過學習既掌握數字電路分析與設計的理論知識，也能夠自己動手設計調試實用的數字電路。在理論教學過程中，教師借助Multisim12.0仿真軟件進行數字電路的模擬和演示，對電路的工作過程進行透徹的分析講解，可以幫助學生深刻理解和掌握理論知識。采用Multisim12.0軟件進行仿真實驗，為學生提供更加靈活方便的實驗環境，使學生能充分發揮想象力，按照自己的想法創建各種電路，擺脫實驗箱的束縛。Multisim12.0軟件的使用使得數字邏輯理論課的教學更加生動活潑，實驗操作更加靈活方便，提高學生的學習興趣和學習效率，同時也能夠培養學生的自學能力和創新能力的[1]。

一、Multisim 12.0軟件的特點

Multisim12.0是一個集電路原理圖設計和電路功能測試為一體的虛擬仿真軟件，它為數字電路仿真提供了豐富的元器件模型，如時鐘信號、各類門電路、各種集成組合邏輯器件、時序邏輯器件等，同時提供了種類齊全的虛擬儀器，如函數信號發生器、示波器、數字萬用表、邏輯分析儀、邏輯轉換儀和直流電源等。Multisim12.0仿真軟件具有詳細的電路分析功能，可以設計、測試和演示各種電子電路，它將原理圖的創建、電路的測試分析、結果的圖表顯示等全部集成到同一個電路窗口中，具有和真實環境一致的可視化界面，整個操作界面就像一個實驗工作臺，與實物操作幾乎相同[2]。

二、Multisim12.0應用于“數字邏輯”課堂教學

在“數字邏輯”課程的課堂教學中，對于數字電路分析與設計的理論知識很多學生會覺得枯燥且難以理解，借助Multisim12.0仿真軟件進行數字電路的模擬和演示，可以直觀地顯示電路的功能和波形，把理論知識和電路運行結果加以對照、分析，可以提高課堂教學效率。同時還可以提出問題進行課堂討論，活躍氣氛，激發學生學習興趣。

在講解用邏輯門設計小規模組合電路時，一般是按照邏輯功能分析、真值表、表達式和邏輯圖的順序設計電路，然后舉例講解。以一個三人表決電路設計為例，假設用A，B，C分別表示三個輸入變量，同意用1表示，不同意用0表示，F表示結果，通過用1表示，不通過用0表示。通過列真值表、表達式和化簡等步驟得到輸出表達式F（A，B，C）=AB+BC+AC，若用與非門實現，則F（A，B，C）=，可以畫出相應的邏輯圖。如果教師僅僅在黑板上或者多媒體課件中畫出邏輯圖，相當于紙上談兵，學生可能只能被動地接受這種解題方法，甚至是死記硬背設計步驟，很難留下深刻的印象。可以在multisim12.0仿真軟件中繪制出電路原理圖，將輸入端分別連接3個開關用于輸入高低電平信號，輸出端連接一個發光二極管用于顯示結果。通過切換開關狀態，按照真值表的順序改變輸入高低電平信號，觀察發光二極管亮、熄的規律，直觀形象地演示電路工作結果，之前講解的設計方法便很容易得到學生的認可。同時還可以利用仿真軟件中的邏輯轉換儀得到組合邏輯電路的真值表，快速判斷電路的正確性。

此外，還可以討論一下如果用其他類型的邏輯門實現該邏輯功能電路，比如與門和或門或者或非門，又該如何將表達式變形？如何繪制電路原理圖？能不能達到同樣的效果？學生在課堂上都會積極參與討論，課后也會迫不及待地去利用Multisim12.0軟件進行驗證。同時，鼓勵同學們聯系生活實際用數字電路制作一些小發明，充分發揮自己的想象力，大膽創新，并利用Multisim12.0軟件實現和驗證自己的一些想法。

三、Multisim12.0應用于“數字邏輯”實驗教學

“數字邏輯”課程實驗中傳統實驗項目一般利用面包板及用中小規模芯片完成電路設計，適于以驗證性實驗為主的一些中小規模電路的構建與測試，對于一些比較復雜的設計性和綜合性實驗則比較費時，如數字鐘、搶答器、交通燈控制器、密碼鎖等。而且在實驗過程中常常因一根導線連接錯誤、一個連接點接觸不良，致使實驗受阻，甚至無法完成，影響學生的實驗興趣。利用Multisim12.O可以實現數字電路設計虛擬仿真實驗，修改調試方便。學生可以隨時在任意裝有該軟件的計算機上進行實驗設計和測試，充分調動了學生的學習積極性和主動性，取得較好的實驗效果[3]。

在時序電路設計中有一個實驗項目是數字秒表電路設計，這是一個綜合性的實驗，理論分析可知，整個電路由秒脈沖產生電路，計數電路和譯碼顯示電路三部分組成。第一步用555定時器和電阻電容構成多諧振蕩器，由公式T=0.7（R1+2R2）計算求得適當的電阻值，使得輸出波形頻率為1kHz，利用3片74LS90芯片級聯構成1000倍分頻器將多諧振蕩器輸出信號進行分頻，從而得到秒脈沖信號。雖然可以通過理論計算得到電阻值，但是要想調試出精確的秒脈沖信號，需要在電路搭建好之后利用示波器或邏輯分析儀等儀器觀察輸出波形，測量輸出頻率或周期，根據實際情況調整電阻值。第二步選擇兩片74LS161芯片實現60進制計數電路。74LS161芯片為16進制計數器，利用清零法分別實現6進制和10進制計數器，然后用乘數法實現610進制計數器。將第一步調試好的秒脈沖信號作為輸入計數脈沖，計數器的輸出可以連接8個發光二極管，運行過程中通過觀察發光二極管的亮熄規律判斷電路輸出是否滿足要求，也可以通過邏輯分析儀觀察計數器輸出的8路波形判斷結果的正確性。第三步采用兩個共陰極七段數碼管進行秒表顯示，由兩片74LS48芯片作為七段字型譯碼器，將第二步中兩個計數器的輸出信號分別送譯碼器，兩個譯碼器的輸出分別連接兩個七段數碼管，通過譯碼器譯碼和驅動七段數碼管顯示相應的數字。endprint

由設計步驟可知，整個數字秒表電路的設計制作需要用到10個以上的集成芯片，電路連線多且復雜，調試過程需要調整電阻值，需要用到電源、示波器和邏輯分析儀等設備。如果采用傳統的硬件實驗方法，學生需要事先查找大量資料，畫出粗略的硬件電路圖，準備所需芯片和足夠的導線，然后在面包板或者實驗箱上直接搭建硬件實物電路，借助實驗儀器觀察結果。由于實驗室只能提供有限的元器件和示波器、萬用表等儀器，若所選用芯片不合適，或者電路設計本身就存在問題，或者哪個芯片有問題，又或者哪一根線不通，有時候很難檢查出具體問題，即便檢查出來又可能要重新設計電路，在四個學時內實驗很難完成。不少學生往往會為了完成任務直接照搬其他同學的電路或者要求老師直接給出可行的電路圖，然后只是機械按照硬件電路圖連線。連線完成后如果發現電路不能正常工作，也只是簡單地直接拆除和重新連線，因為不理解電路工作原理，根本就不會分析問題解決問題，整個實驗過程就變成了重復地拆線和連線的簡單勞動。大多這樣的學生即便實驗做完了，可電路工作原理卻完全不懂，根本達不到通過設計性實驗鍛煉學生實際動手能力、培養分析問題和解決問題能力的目的[4]。

相反，如果使用仿真軟件，學生在了解基本原理后就可以在仿真軟件平臺上選擇元器件直接搭建電路，可以任意選擇芯片而不必理會材料消耗、可以放心大膽地連接電路而不用擔心電路連接錯誤而造成器件損壞的問題。仿真軟件中提供的電源、函數發生器、示波器和邏輯分析儀等可以任意選取使用，這樣就可以留出更多的時間去理解電路工作原理，分析問題和調試電路。比如在秒表電路設計制作過程中，可以任意調整電阻值，借助仿真軟件提供的示波器調試出精確的秒脈沖信號；可根據個人喜好選擇各種型號的計數器芯片設計分頻器和60進制計數器；也可以采用共陽極數碼管和相應的譯碼器設計顯示電路。

通過軟件仿真實驗，選擇符合要求的元器件，設計出滿意的電路，然后在實驗箱或面包板上搭建硬件實物電路，通過實物電路驗證實驗結果，可以保證實驗結果的正確性，大大提高實驗教學的效率。利用仿真軟件的另一個好處是學生可以大膽地發揮自己的想象，嘗試各種設計方案，有效激發學生的實驗熱情和培養創新能力。

四、結論

在課堂教學中借助Multisim12.0仿真軟件進行電路演示，驗證理論的正確性和可行性，使得數字邏輯理論課的教學更加生動活潑。在實驗教學中利用Multisim12.0仿真軟件進行仿真實驗，使得實驗操作更加靈活方便，激發了學生的學習興趣，培養了學生的自學能力和創新能力[5]。因此，有效利用Multisim12.0仿真軟件能夠對數字邏輯課程教學起到積極作用。

參考文獻：

[1]徐銀霞.“數字邏輯”課程教學方法探討[J].中國電力教育，2013，（28）：104-105.

[2]黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]康華光.電子技術基礎（數字部分）[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]Multisim仿真軟件在數字電子技術實驗教學中的應用[J].中國電力教育，2014，（8）：166-169.

[5]王宇.興趣導向的數字電路設計實驗改革[J].計算機教育，2010，（17）：38-40.endprint