Multisim 仿真在數電實驗教學改革中的應用

鐘斌，曾超

(1.湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201；

2.新疆石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003)

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Multisim 仿真在數電實驗教學改革中的應用

鐘斌1，曾超2

(1.湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201；

2.新疆石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003)

摘要：數字電路課程注重理論與實踐相結合。如何幫助學生更為直觀、深刻地理解該課程中的基本概念、基本原理和分析方法是當前數字電路實驗教學改革中面臨的重要問題。將虛擬仿真實驗納入實驗教學中，利用Multism仿真設計時序電路，并展開理論分析，可形成理論與實踐相結合的實驗教學模式。該模式能加深學生對基礎理論的理解，增強學生實踐動手能力。與傳統的實物實驗教學模式相比，更能激發學生的學習興趣，從而提高實驗教學效果。

關鍵詞：Multisim 仿真；實驗教學；邏輯電路；觸發器

數字電路是電氣信息類專業的一門重要基礎課程，該課程提供了學習后續專業課程(如單片機原理、EDA技術等)所需的理論基礎，在整個專業知識體系中具有先導作用。該課程中的數字邏輯部分具有邏輯嚴密、概念抽象和理論性強等特點。課程中組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計涉及的電路模塊較多，具有一定的復雜性。學生在理論學習中很難對該課程的知識點形成深刻的感性認知，在實驗學習中又難以將所學的理論知識應用于實踐操作。因此，在理論與實驗環節之間缺乏有效溝通的橋梁。通過將Multisim 虛擬仿真實驗用于數字電路實驗教學中，在實驗教學環節引入數字電路虛擬仿真實驗，可幫助學生加深對理論知識的理解，增強對數字電子線路設計的感性認識，起到理論與實踐聯系的紐帶作用[1-2]。有鑒于此，本文通過實例，探討了Multisim虛擬仿真在數字電路實驗教學中的應用。

1基于Multisim的理論驗證

觸發器是數字電路中時序邏輯電路分析與設計的基礎，數字電路教學中將D觸發器與J-K觸發器作為重點講授，使學生掌握邏輯功能及觸發方式，熟悉初態和次態的概念及兩種觸發器的次態方程。Multisim仿真軟件提供的型號為74LS74與74LS112的虛擬元件分別表示D觸發器與J-K觸發器。

1.1D觸發器

通過虛擬仿真實驗演示，可以得到結論：(1)當～CLR為0,且～PR為1時，輸出的Q始終為低電平，即0; (2)當～PR為0，且～CLR為1時，輸出的Q始終為高電平，即1; (3)當～PR為1,且～CLR為1時，輸出的Q始終保持與D狀態相同的狀態；(4)當～PR為0,且～CLR為0時，在仿真時顯示與D狀態相同，實際上此狀態邏輯上相互矛盾。

表1　D觸發器功能記錄表

如圖2所示接線，通過切換圖中S4單刀雙擲開關的切換產生單CP脈沖(即通過從連通地切換至接+5V產生上升沿單CP脈沖，從連通+5V切換至接地產生下降沿單CP脈沖)，按照表2所示測試數據，并計入表2中。

圖1　D觸發器功能演示圖

圖2　D觸發器CP端功能演示圖

通過真值表2的虛擬實驗仿真結果得出結論：D觸發器的CP脈沖上升沿有效，且可以根據卡納圖推演出邏輯表達式：Qn+1=Qn。

1.2J-K觸發器

J-K觸發與D觸發器類似，采用Multisim虛擬仿真演示來進行實驗教學。邏輯功能演示如圖3所示。通過測試得到表3所對應的邏輯功能。

圖3　J-K觸發器功能演示圖

輸入輸出次態Qn+1D～PR～CLRCP初態Qn=0初態Qn=10110→100111→0011110→111111→001

表3　J-K觸發器功能記錄表

注意：X表示任意狀態

從表3可以得出，該 J-K觸發器與D觸發器類似，同樣具有置數與清零的功能。

翻轉功能演示：類似圖2將圖中3的CP改為單刀雙擲開關模擬單脈沖CP，從而得到表4所示的J-K觸發器翻轉功能。

采用Multisim 仿真實驗教學使得學生理解更為形象、具體，從而可加深對D觸發器和J-K觸發器的的理解。

表4　J-K觸發器與CP翻轉功能演示記錄表

2基于Multisim的實踐設計

數字電路課程是一門理論與實踐高度結合的課程，除了要求掌握基礎理論外，還必須培養學生設計電子線路的實踐能力。因此，在理論教學中有必要穿插引入實例進行講述，鞏固理論知識，培養動手能力[4]。應用Multisim對實例進行驗證，與數字電路課程的教學目標相符合。

通過設計三個指示燈循環點亮的邏輯電路，可對基于觸發器的電路設計進行實例驗證。圖4為采用虛擬仿真實驗對電路進行驗證的示例。

圖4　循環流水燈演示實驗

通過虛擬仿真實驗驗證，可加深對觸發器的理解，更好地掌握基本時序邏輯電路設計方法。此外， Multisim具有豐富的元件庫，在實驗驗證的時候，可以選擇多種設計方案，如選擇J-K觸發器設計計數器。因此，基于虛擬仿真的驗證相比實物實驗更具靈活性。

3基于Multisim的數字電子技術實驗教學改革問題

Multisim為數字電子技術虛擬仿真實驗提供了豐富的元件庫、虛擬儀器儀表、電路參數仿真分析方法，如何借助這個軟件平臺進行實驗教學改革，增加理論知識的直觀性，提高實驗教學的效果，鍛煉學生設計電子線路的實踐能力，激發學生的創新意識。為了更好地進行數字電路實驗虛擬仿真實驗教學改革，需要注意以下幾個方面的關鍵問題：

其一，虛擬仿真實驗室平臺建設需求迫在眉睫。在國內有些兄弟院校，例如杭州電子科技大學已建成國家級電子信息技術虛擬仿真實驗中心，并取得了很好的示范性教學效果。湖南科技大學在虛擬實驗室建設方面，也在積極準備申報國家級平臺，配備高性能的計算機作為虛擬仿真實驗專用，并開發一系列創新性的虛擬實驗項目。

其二，如何有效橋接課程理論知識與數字芯片測試。在國內電子、通信類專業都開設了數字電子技術課程和數字電子技術實驗等課程，然而，現階段主要利用實物實測實驗，對虛擬仿真實驗尚處于探索階段，當前教學中對哪些知識點利用虛擬仿真輔助教學完成定位模糊是實驗教學改進當中必須解決的關鍵問題之一。

其三，如何解決數字電子技術與其它專業課程之間的銜接問題。現階段，電氣信息類專業課程教學過程中各自為政、相互獨立，然而，在整個專業知識體系當中卻是互相承接。例如EDA技術本質上是介紹電子技術開發工具、電子設計自動化模塊設計、電子設計描述語言等的課程，該課程與數字電路的教學相輔相成。因此，若能在相關課程中同時引入虛擬仿真實驗，鞏固學生的專業知識，才能夠達到系統講授本專業基礎知識，提高學生開發設計電子、通信系統的綜合能力的教學目標，這也是數字電路實驗課程改革建設的重要問題。

4結語

本文提出了理論講授與虛擬仿真實驗相結合的實驗教學模式，利用Multisim仿真演示電路的運行結果，不僅能起到驗證理論的作用，而且可以輔助提高學生的實踐動手能力，從而有效提高實驗教學質量。

參考文獻:

[1] 王連英.基于Multisim10的電子仿真實驗與設計[M].北京:北京郵電大學出版社，2009.

[2] 吳新開.電工與電子技術實驗[M].長沙:中南大學出版社,2013.

[3] 閆石.數字電子技術基礎(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4] 王冠華,盧慶齡.Multisim12電路設計及應用[M].北京:國防工業出版社,2014.

(責任校對朱正余)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.04.020

收稿日期：20150818

基金項目：湖南科技大學博士啟動基金(E51539)；國家自然科學基金項目(61501182)；湖南省教育廳科研一般項目(15C0558)；新疆石河子大學科學技術研究發展計劃資助項目(RCZX201437，2014ZRKXYQ17)；2015年湖南科技大學瀟湘學院教學研究與改革項目“通信工程專業系列課程改革與創新人才的培養”

作者簡介：鐘斌(1982-)，男，湖南新邵人，講師，博士，主要從事協作通信與認知無線電技術研究。

中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)04-0062-04