Multisim在數字電路課程教學中的應用

潘學文， 趙全友

(湖南科技學院 電子與信息工程學院， 湖南 永州 425199)

Multisim在數字電路課程教學中的應用

潘學文， 趙全友

(湖南科技學院 電子與信息工程學院， 湖南 永州 425199)

針對數字電路課程教學中理論知識枯燥、邏輯關系復雜的問題，將Multisim仿真軟件應用到課堂教學中，利用仿真軟件強大的電路仿真能力和直觀形象的演示效果提高教學質量。以SR觸發器和JK觸發器的教學為例，仿真軟件使學生直接觀察到主從式觸發器的狀態翻轉過程和工作波形，驗證了主從式觸發器的邏輯功能，讓知識理念和數字邏輯形象地展現，有助于學生理解數字電路的工作原理，提高教學質量。

數字電子技術； 教學改革； 仿真實驗; Multisim

“數字電路”是電子和通信領域相關專業開設的基礎課程和主干課程。通過學習該課程，要求學生掌握數字電路的基本理論、基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力[1-2]。該課程傳統的教學方法在講解理論知識和復雜的邏輯關系時有一定的局限性[3-5]，難以講得很清楚。在數字電路課程的教學實踐中，將Multisim電路仿真應用到課堂教學中，在一些較抽象和邏輯復雜之處(如觸發器狀態的翻轉仿真、任意計數器電路仿真等)使用Multisim進行電路仿真，將數字電路的邏輯運行結果形象地展示給學生，以輔助學生理解數字電路的工作原理[6-10]。

1 仿真軟件及其教學應用

Multisim是一款EDA工具軟件，主要用于電子線路仿真和設計[11]。該軟件利用計算機構造一個虛擬的實驗環境，具有各種虛擬儀器和器件，能進行多種電路分析。由于操作便捷、更改電路結構和器件參數方便、界面友好，Multisim特別適合模擬電路和數字電路仿真，受到廣大高等院校師生的青睞，部分院校開設了專門的課程或者選修課學習該軟件[12-13]。本文以主從式觸發器的狀態翻轉過程為例，在數字電路課程教學中增加Multisim仿真實驗，將仿真實驗融入理論教學過程中。

主從式觸發器主要有SR觸發器和JK觸發器，觸發方式為脈沖觸發，它有2個值得注意的動作特點：

(1) 在CP=1(時鐘信號為高電平有效)期間，主觸發器接收輸入信號并置成相應的狀態，從觸發器狀態保持不變，CP下降沿到來時從觸發器按照主觸發器的狀態翻轉，故觸發器的輸出狀態的改變是發生在CP下降沿；

(2) 主觸發器是一個電平觸發SR觸發器，故在CP=1(時鐘信號的有效電平)的全部時間里主觸發器的狀態輸出都將受到輸入信號的控制。

由于主從式觸發器理論比較抽象、狀態翻轉過程較復雜，學生對主從式觸發器的動作特點往往理解不夠深入，并且觸發器的輸入信號、時鐘信號、輸出信號等較多，無法用電子實驗儀器觀察觸發器的工作波形，無以驗證觸發器的邏輯功能。引入仿真實驗后，學生可以直接觀察到主從式觸發器的狀態翻轉過程和工作波形，能夠提高教學效果，使學生理解電路的工作原理和工作工程。

2 數字電路課程教學仿真實例

2.1 主從式SR觸發器仿真

用74LS00和74LS10邏輯門搭建主從式SR觸發器的電路如圖1所示。

圖1 主從式SR觸發器仿真電路

圖1中RD′為異步置零信號，仿真開始前置為有效電平(RD′=0)，使輸出狀態置0。CP為觸發器的時鐘信號，R、S為輸入信號，Qn和Q′n為主觸發器的輸出信號，Q和Q′為觸發器狀態輸出信號。利用Multisim軟件中的字組產生器產生觸發器的CP、R、S及RD′信號，邏輯分析儀顯示觸發器的CP、R、S、RD、Qn、Q′n、Q和信號Q′波形。

設計字組輸出信號時，為保證各種輸入情況在有效電平期間都出現，因此R、S輸入信號應在CP=1期間內有變化[7]。在輸出字組分別為0、8、C、D、B、D、B、D、C、8、E、E、F、B、D、B、D、C、E、A、A、B、9、F情況下，得到相應的工作波形如圖2所示。

圖2 主從式SR觸發器狀態翻轉過程

圖2中的“10”為CP時鐘脈沖波形；“12”為S輸入波形；“13”為R輸入波形；“11”為RD′異步置0輸入波形；“3”為Qn主觸發器狀態輸出波形；“4”為Q′n主觸發器狀態輸出波形，“9”為Q狀態輸出波形；“8”為Q′狀態輸出波形。

從圖2中的工作波形可以看出，主觸發器在CP=1整個期間受S、R輸入信號的控制，存在多次翻轉問題；但觸發器的輸出只在時鐘信號的下降沿才發生改變，驗證了主從式SR觸發器的邏輯功能。本仿真實驗有效地解決了學生對多次翻轉問題的疑惑。

2.2 主從式JK觸發器仿真

搭建主從式JK觸發器仿真電路如圖3所示。

JK觸發器在電路結構上進行了改進，把輸出信號Q和Q′分別反饋至輸入端。在講解該知識時，需強調反饋的引入對觸發器邏輯功能的改變，并引導學生進行電路分析。主從式JK觸發器不僅解決了主從式SR觸發器在時鐘信號為有效電平期間存在多次翻轉問題，而且還確保在輸入信號都為1(J=K=1)時觸發器的次態可以確定。在輸出字組分別為0、8、C、D、B、D、B、D、C、8、E、E、F、B、D、B、D、C、E、A、A、B、9、F、9、F、E、C、E、A、B、F、9、F、9、8、8情況下，得到主從式JK觸發器的工作波形如圖4所示。

圖3 主從式JK觸發器仿真電路

圖4 主從式JK觸發器狀態翻轉過程

圖4中的“15”為CP時鐘脈沖波形；“10”為J輸入波形；“11”為K輸入波形；“9”為 RD′異步置0輸入波形；“3”為Qn主觸發器狀態輸出波形；“2”為Q′n主觸發器狀態輸出波形，“5”為Q狀態輸出波形；“8”為Q′狀態輸出波形。

從圖4中的輸出波形中可以看出，在JK觸發器的輸出狀態為時鐘信號有效電平(CP=1)期間，主觸發器的狀態只翻轉一次，一旦翻轉了就保持不變；等下降沿到達時，輸出狀態跟隨主觸發器狀態改變，解決了RS觸發器的多次翻轉問題。當J=K=1時，觸發器的次態是翻轉功能，對輸入信號的約束條件不存在了。顯然，JK觸發器的邏輯功能更加強大。通過仿真實驗的演示和講解，學生能夠較好地掌握主從式JK觸發器的邏輯功能，對一次翻轉問題理解也更加透徹。

3 結語

在主從式觸發器的教學過程中，對SR和JK觸發器進行仿真實驗，通過觀察觸發器的狀態翻轉過程和工作波形，使得抽象、枯燥的理論知識變得生動、形象。另外，本仿真實驗能同時觀察觸發器的輸入信號和輸出信號波形，解決了電子實驗儀器無法同時顯示多路信號的問題。通過實踐證明，本教學方法能幫助學生理解數字電路的工作原理和過程，提高教學質量并激發學生的學習興趣。

References)

[1] 劉銀萍,陳惠珊.“數字電子技術”實驗教學改革的探討[J].實驗室研究與探索,2006,25(8):981-983.

[2] 王爾申,龐濤,李鵬,等.Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗技術與管理,2013,30(3):78-81.

[3] 張樹團,王晶,張春平,等.關于提升實驗教學質量的思考[J].實驗技術與管理,2017,34(增刊1):96-98.

[4] 王墨林,易茂祥,戚昊琛.電子科學與技術專業創新教育綜合實驗大平臺建設[J].實驗技術與管理,2016,33(3):8-12.

[5] 孫秋野,李玉帥,滕菲,等.電工類實驗教學平臺的改革與探索[J].實驗室科學,2013,16(2):161-164.

[6] 王彩鳳,胡波,李衛兵.EDA技術在數字電子技術實驗中的應用[J].實驗科學與技術,2011,9(1):2-5.

[7] 張曉潔,騰乃禎.數字電子技術實驗教學改革探討[J].廣西民族師范學院學報,2010,27(3):145-147.

[8] 歐陽宏志,趙立宏.獨立學院“電子技術基礎”課程培養工程素養和實踐能力的探索[J].中國電力教育,2013(22):160-161.

[9] 羅高涌,張瑾.基于CDIO模式的校企合作辦學的工程應用型人才培養模式研究[J].高教探索,2011(5):71-75.

[10] 閔玉堂,汪小燕,楊小獻.課賽結合的電子線路設計與測試教學[J].電氣電子教學學報,2013(5):100-102.

[11] 潘學文,趙全友,楊振南.Multisim仿真軟件在電子技術實驗教學中的應用及效果分析[J].湖南科技學院學報,2016,37(5):40-43.

[12] 張學成.數字電子技術實驗改革與創新[J].實驗室研究與探索,2011,30(8):285-288.

[13] 任駿原.用Multisim軟件分析觸發器的狀態變化過程[J].實驗科學與技術,2011,9(1):53-56.

Application of Multisim in Digital Circuit course teaching

Pan Xuewen， Zhao Quanyou

(School of Electronics and Information Engineering, Hunan College of Science and Technology, Yongzhou 425199， China)

In view of the existing problems that the the oretical knowledge is boring and the logic relation is complex in Digital Circuit course teaching, it is proposed that the Multisim simulation software is applied to classroom teaching. By using the powerful circuit simulation capability of the simulation software and its intuitive image presentation effect, the teaching quality is improved. By taking the teaching of the SR flip-flop and JK flip-flop as an example,the simulation software enables the students to observe the state reversal process and the working waveform of the master-slave flip-flop directly, and verifies the logical function of the master-slave flip-flop, so as to unfold the idea of knowledge and digital logic figuratively to the students. It can help the students to understand the working principle of the digital circuit and improve the quality of teaching.

digital electronic technology; teaching reform; simulation experiment; Multisim

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.031

G642.0

B

1002-4956(2017)11-0130-03

2017-05-25

湖南省教改項目(湘教通〔2014〕247號)；湖南科技學院教改項目(湘科院[2014]29號)；湖南科技學院“通信工程專業綜合改革試點”項目

潘學文(1983—)，男，湖南永州，碩士，講師，主要從事通信工程專業的教學、研究和管理工作.

E-mail94626654@qq.com