張聰慧

（華東師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國 上海 200241）

0 引言

“數(shù)字邏輯電路實驗”是通信類和電子信息類等專業(yè)一門比較重要的基礎(chǔ)課程。 傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實驗課通常是按照教學(xué)內(nèi)容， 給出一些固定的選題讓學(xué)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(xué)生的動手和解決問題的能力， 但在一定程度上限制了學(xué)生的思維， 缺少對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 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(xué)生課外的自主學(xué)習(xí)。 因此在該實驗課程的教學(xué)方法基礎(chǔ)上考慮引入開放性的自主選題， 給學(xué)生自主發(fā)揮的空間，并結(jié)合Multisim 仿真軟件，使學(xué)生可以方便地自主設(shè)計電路并對其進(jìn)行分析驗證， 相比傳統(tǒng)的教學(xué)模式， 新的教學(xué)方法更加注重對學(xué)生積極性的調(diào)動，極大地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實踐能力。

1 Multisim 仿真軟件在數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 Multisim 仿真軟件簡介

Multisim 是NI 公司發(fā)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(shù)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(shù)進(jìn)行編輯修改， 還能創(chuàng)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(shù)信號發(fā)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(jìn)行仿真，對電路性能進(jìn)行分析。

數(shù)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(xué)習(xí)應(yīng)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(shù)據(jù)選擇器等， 時序邏輯電路包含計數(shù)器、移位寄存器、觸發(fā)器等。 在這些電路實驗的學(xué)習(xí)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(jìn)行仿真， 可快速地完成電路的設(shè)計驗證，并可對電路進(jìn)行分析，進(jìn)而加深學(xué)生對電路的理解。

1.2 應(yīng)用Multisim 進(jìn)行電路仿真和分析示例

下面以D 觸發(fā)器構(gòu)成的4 位約翰遜計數(shù)器為例，應(yīng)用Multisim 對電路進(jìn)行仿真分析。 4 位約翰遜計數(shù)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(shù)信號發(fā)生器XFG1 產(chǎn)生， 雙擊XFG1， 可對函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(jìn)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(diào)至以Hz 為單位，用發(fā)光二極管驗證實驗結(jié)果， 也可用邏輯分析儀查看計數(shù)器輸出波形來驗證實驗結(jié)果， 利用邏輯分析儀XLA1 觀察到的4 位約翰遜計數(shù)器輸出波形如圖3 所示：

圖1 4 位約翰遜計數(shù)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(shù)器的工作波形是相吻合的， 說明該電路設(shè)計方案是可行的。 通過撥碼開關(guān)J1 的開關(guān)和閉合可進(jìn)一步驗證該電路能否在上電時自啟動。

圖2 函數(shù)信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置

圖3 4 位約翰遜計數(shù)器輸出波形

將Multisim 仿真軟件引入數(shù)字邏輯電路教學(xué)，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 讓學(xué)生在實驗室外也能參與到電路的設(shè)計、搭建、分析和驗證中，更好地幫助學(xué)生理解數(shù)字邏輯電路的工作原理和過程， 也可以提高教學(xué)質(zhì)量，做到理論教學(xué)、仿真和實驗教學(xué)有效結(jié)合，培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型人才。

2 開放性自主選題實驗對數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)的促進(jìn)作用

開放性自主選題

傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實驗課程通常是學(xué)生按照教材上的實驗內(nèi)容進(jìn)行實驗， 實驗內(nèi)容已提前被設(shè)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(xué)生往往只需按步驟按部就班進(jìn)行電路搭建、驗證即可， 不能很好的培養(yǎng)學(xué)生的主動性。 因此考慮在給定選題的基礎(chǔ)上， 引入開放性自主選題， 讓學(xué)生可根據(jù)自己的興趣自主選定實驗方案。 在此過程中，學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)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(jìn)行電路的設(shè)計、器件選型、利用Multisim 仿真軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，畫PCB 版圖進(jìn)行制版、焊接、調(diào)試等，最終完成一個完整的電路系統(tǒng)。

在開放性自主選題的設(shè)計完成過程中， 學(xué)生不再是被動地接受教材上的知識， 而是主動地將所學(xué)到的理論知識運(yùn)用到實踐中， 該方法有效地提高了學(xué)生在數(shù)字邏輯電路實驗學(xué)習(xí)過程中的參與度和積極性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研熱情。 開放性自主選題既鞏固了學(xué)生對理論知識的理解， 將理論知識活學(xué)活用到電路系統(tǒng)中， 又鍛煉了學(xué)生的動手能力， 培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)方法基礎(chǔ)上，提出了引入Multisim 仿真軟件配合實驗教學(xué)、引入開放性自主選題擴(kuò)展實驗內(nèi)容等教學(xué)方法探索， 以更好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性， 加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和運(yùn)用能力， 提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新能力， 讓傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實驗課程更好的融入到科技發(fā)展日新月異的今天，進(jìn)而取得更好的教學(xué)成果。