Multisim12.0仿真软件辅助数字逻辑课程教学的研究

摘要：本文讨论了运用Multisim12.0仿真软件辅助数字逻辑课程教学的方法。教师在课堂教学中借助仿真软件进行电路演示，帮助学生理解抽象的理论知识；在实验教学中通过仿真实验激发学生的学习兴趣。有效利用仿真软件对数字逻辑课程教学起到积极作用。

关键词：数字逻辑；Multisim12.0软件；仿真

中图分类号：642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）07-0233-02

“数字逻辑”是计算机及电子类专业的一门重要的专业基础课程，其具有很强的理论性和实践性，要求学生通过学习既掌握数字电路分析与设计的理论知识，也能够自己动手设计调试实用的数字电路。在理论教学过程中，教师借助Multisim12.0仿真软件进行数字电路的模拟和演示，对电路的工作过程进行透彻的分析讲解，可以帮助学生深刻理解和掌握理论知识。采用Multisim12.0软件进行仿真实验，为学生提供更加灵活方便的实验环境，使学生能充分发挥想象力，按照自己的想法创建各种电路，摆脱实验箱的束缚。Multisim12.0软件的使用使得数字逻辑理论课的教学更加生动活泼，实验操作更加灵活方便，提高学生的学习兴趣和学习效率，同时也能够培养学生的自学能力和创新能力的[1]。

一、Multisim 12.0软件的特点

Multisim12.0是一个集电路原理图设计和电路功能测试为一体的虚拟仿真软件，它为数字电路仿真提供了丰富的元器件模型，如时钟信号、各类门电路、各种集成组合逻辑器件、时序逻辑器件等，同时提供了种类齐全的虚拟仪器，如函数信号发生器、示波器、数字万用表、逻辑分析仪、逻辑转换仪和直流电源等。Multisim12.0仿真软件具有详细的电路分析功能，可以设计、测试和演示各种电子电路，它将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中，具有和真实环境一致的可视化界面，整个操作界面就像一个实验工作台，与实物操作几乎相同[2]。

二、Multisim12.0应用于“数字逻辑”课堂教学

在“数字逻辑”课程的课堂教学中，对于数字电路分析与设计的理论知识很多学生会觉得枯燥且难以理解，借助Multisim12.0仿真软件进行数字电路的模拟和演示，可以直观地显示电路的功能和波形，把理论知识和电路运行结果加以对照、分析，可以提高课堂教学效率。同时还可以提出问题进行课堂讨论，活跃气氛，激发学生学习兴趣。

在讲解用逻辑门设计小规模组合电路时，一般是按照逻辑功能分析、真值表、表达式和逻辑图的顺序设计电路，然后举例讲解。以一个三人表决电路设计为例，假设用A，B，C分别表示三个输入变量，同意用1表示，不同意用0表示，F表示结果，通过用1表示，不通过用0表示。通过列真值表、表达式和化简等步骤得到输出表达式F（A，B，C）=AB+BC+AC，若用与非门实现，则F（A，B，C）=，可以画出相应的逻辑图。如果教师仅仅在黑板上或者多媒体课件中画出逻辑图，相当于纸上谈兵，学生可能只能被动地接受这种解题方法，甚至是死记硬背设计步骤，很难留下深刻的印象。可以在multisim12.0仿真软件中绘制出电路原理图，将输入端分别连接3个开关用于输入高低电平信号，输出端连接一个发光二极管用于显示结果。通过切换开关状态，按照真值表的顺序改变输入高低电平信号，观察发光二极管亮、熄的规律，直观形象地演示电路工作结果，之前讲解的设计方法便很容易得到学生的认可。同时还可以利用仿真软件中的逻辑转换仪得到组合逻辑电路的真值表，快速判断电路的正确性。

此外，还可以讨论一下如果用其他类型的逻辑门实现该逻辑功能电路，比如与门和或门或者或非门，又该如何将表达式变形？如何绘制电路原理图？能不能达到同样的效果？学生在课堂上都会积极参与讨论，课后也会迫不及待地去利用Multisim12.0软件进行验证。同时，鼓励同学们联系生活实际用数字电路制作一些小发明，充分发挥自己的想象力，大胆创新，并利用Multisim12.0软件实现和验证自己的一些想法。

三、Multisim12.0应用于“数字逻辑”实验教学

“数字逻辑”课程实验中传统实验项目一般利用面包板及用中小规模芯片完成电路设计，适于以验证性实验为主的一些中小规模电路的构建与测试，对于一些比较复杂的设计性和综合性实验则比较费时，如数字钟、抢答器、交通灯控制器、密码锁等。而且在实验过程中常常因一根导线连接错误、一个连接点接触不良，致使实验受阻，甚至无法完成，影响学生的实验兴趣。利用Multisim12.O可以实现数字电路设计虚拟仿真实验，修改调试方便。学生可以随时在任意装有该软件的计算机上进行实验设计和测试，充分调动了学生的学习积极性和主动性，取得较好的实验效果[3]。

在时序电路设计中有一个实验项目是数字秒表电路设计，这是一个综合性的实验，理论分析可知，整个电路由秒脉冲产生电路，计数电路和译码显示电路三部分组成。第一步用555定时器和电阻电容构成多谐振荡器，由公式T=0.7（R1+2R2）计算求得适当的电阻值，使得输出波形频率为1kHz，利用3片74LS90芯片级联构成1000倍分频器将多谐振荡器输出信号进行分频，从而得到秒脉冲信号。虽然可以通过理论计算得到电阻值，但是要想调试出精确的秒脉冲信号，需要在电路搭建好之后利用示波器或逻辑分析仪等仪器观察输出波形，测量输出频率或周期，根据实际情况调整电阻值。第二步选择两片74LS161芯片实现60进制计数电路。74LS161芯片为16进制计数器，利用清零法分别实现6进制和10进制计数器，然后用乘数法实现610进制计数器。将第一步调试好的秒脉冲信号作为输入计数脉冲，计数器的输出可以连接8个发光二极管，运行过程中通过观察发光二极管的亮熄规律判断电路输出是否满足要求，也可以通过逻辑分析仪观察计数器输出的8路波形判断结果的正确性。第三步采用两个共阴极七段数码管进行秒表显示，由两片74LS48芯片作为七段字型译码器，将第二步中两个计数器的输出信号分别送译码器，两个译码器的输出分别连接两个七段数码管，通过译码器译码和驱动七段数码管显示相应的数字。endprint

由设计步骤可知，整个数字秒表电路的设计制作需要用到10个以上的集成芯片，电路连线多且复杂，调试过程需要调整电阻值，需要用到电源、示波器和逻辑分析仪等设备。如果采用传统的硬件实验方法，学生需要事先查找大量资料，画出粗略的硬件电路图，准备所需芯片和足够的导线，然后在面包板或者实验箱上直接搭建硬件实物电路，借助实验仪器观察结果。由于实验室只能提供有限的元器件和示波器、万用表等仪器，若所选用芯片不合适，或者电路设计本身就存在问题，或者哪个芯片有问题，又或者哪一根线不通，有时候很难检查出具体问题，即便检查出来又可能要重新设计电路，在四个学时内实验很难完成。不少学生往往会为了完成任务直接照搬其他同学的电路或者要求老师直接给出可行的电路图，然后只是机械按照硬件电路图连线。连线完成后如果发现电路不能正常工作，也只是简单地直接拆除和重新连线，因为不理解电路工作原理，根本就不会分析问题解决问题，整个实验过程就变成了重复地拆线和连线的简单劳动。大多这样的学生即便实验做完了，可电路工作原理却完全不懂，根本达不到通过设计性实验锻炼学生实际动手能力、培养分析问题和解决问题能力的目的[4]。

相反，如果使用仿真软件，学生在了解基本原理后就可以在仿真软件平台上选择元器件直接搭建电路，可以任意选择芯片而不必理会材料消耗、可以放心大胆地连接电路而不用担心电路连接错误而造成器件损坏的问题。仿真软件中提供的电源、函数发生器、示波器和逻辑分析仪等可以任意选取使用，这样就可以留出更多的时间去理解电路工作原理，分析问题和调试电路。比如在秒表电路设计制作过程中，可以任意调整电阻值，借助仿真软件提供的示波器调试出精确的秒脉冲信号；可根据个人喜好选择各种型号的计数器芯片设计分频器和60进制计数器；也可以采用共阳极数码管和相应的译码器设计显示电路。

通过软件仿真实验，选择符合要求的元器件，设计出满意的电路，然后在实验箱或面包板上搭建硬件实物电路，通过实物电路验证实验结果，可以保证实验结果的正确性，大大提高实验教学的效率。利用仿真软件的另一个好处是学生可以大胆地发挥自己的想象，尝试各种设计方案，有效激发学生的实验热情和培养创新能力。

四、结论

在课堂教学中借助Multisim12.0仿真软件进行电路演示，验证理论的正确性和可行性，使得数字逻辑理论课的教学更加生动活泼。在实验教学中利用Multisim12.0仿真软件进行仿真实验，使得实验操作更加灵活方便，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的自学能力和创新能力[5]。因此，有效利用Multisim12.0仿真软件能够对数字逻辑课程教学起到积极作用。

参考文献：

[1]徐银霞.“数字逻辑”课程教学方法探讨[J].中国电力教育，2013，（28）：104-105.

[2]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]Multisim仿真软件在数字电子技术实验教学中的应用[J].中国电力教育，2014，（8）：166-169.

[5]王宇.兴趣导向的数字电路设计实验改革[J].计算机教育，2010，（17）：38-40.endprint