Multisim 仿真在数电实验教学改革中的应用

钟斌，曾超

(1.湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭 411201；

2.新疆石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003)



Multisim 仿真在数电实验教学改革中的应用

钟斌1，曾超2

(1.湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭 411201；

2.新疆石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003)

摘要：数字电路课程注重理论与实践相结合。如何帮助学生更为直观、深刻地理解该课程中的基本概念、基本原理和分析方法是当前数字电路实验教学改革中面临的重要问题。将虚拟仿真实验纳入实验教学中，利用Multism仿真设计时序电路，并展开理论分析，可形成理论与实践相结合的实验教学模式。该模式能加深学生对基础理论的理解，增强学生实践动手能力。与传统的实物实验教学模式相比，更能激发学生的学习兴趣，从而提高实验教学效果。

关键词：Multisim 仿真；实验教学；逻辑电路；触发器

数字电路是电气信息类专业的一门重要基础课程，该课程提供了学习后续专业课程(如单片机原理、EDA技术等)所需的理论基础，在整个专业知识体系中具有先导作用。该课程中的数字逻辑部分具有逻辑严密、概念抽象和理论性强等特点。课程中组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计涉及的电路模块较多，具有一定的复杂性。学生在理论学习中很难对该课程的知识点形成深刻的感性认知，在实验学习中又难以将所学的理论知识应用于实践操作。因此，在理论与实验环节之间缺乏有效沟通的桥梁。通过将Multisim 虚拟仿真实验用于数字电路实验教学中，在实验教学环节引入数字电路虚拟仿真实验，可帮助学生加深对理论知识的理解，增强对数字电子线路设计的感性认识，起到理论与实践联系的纽带作用[1-2]。有鉴于此，本文通过实例，探讨了Multisim虚拟仿真在数字电路实验教学中的应用。

1基于Multisim的理论验证

触发器是数字电路中时序逻辑电路分析与设计的基础，数字电路教学中将D触发器与J-K触发器作为重点讲授，使学生掌握逻辑功能及触发方式，熟悉初态和次态的概念及两种触发器的次态方程。Multisim仿真软件提供的型号为74LS74与74LS112的虚拟元件分别表示D触发器与J-K触发器。

1.1D触发器

通过虚拟仿真实验演示，可以得到结论：(1)当～CLR为0,且～PR为1时，输出的Q始终为低电平，即0; (2)当～PR为0，且～CLR为1时，输出的Q始终为高电平，即1; (3)当～PR为1,且～CLR为1时，输出的Q始终保持与D状态相同的状态；(4)当～PR为0,且～CLR为0时，在仿真时显示与D状态相同，实际上此状态逻辑上相互矛盾。

表1　D触发器功能记录表

如图2所示接线，通过切换图中S4单刀双掷开关的切换产生单CP脉冲(即通过从连通地切换至接+5V产生上升沿单CP脉冲，从连通+5V切换至接地产生下降沿单CP脉冲)，按照表2所示测试数据，并计入表2中。

图1　D触发器功能演示图

图2　D触发器CP端功能演示图

通过真值表2的虚拟实验仿真结果得出结论：D触发器的CP脉冲上升沿有效，且可以根据卡纳图推演出逻辑表达式：Qn+1=Qn。

1.2J-K触发器

J-K触发与D触发器类似，采用Multisim虚拟仿真演示来进行实验教学。逻辑功能演示如图3所示。通过测试得到表3所对应的逻辑功能。

图3　J-K触发器功能演示图

输入输出次态Qn+1D～PR～CLRCP初态Qn=0初态Qn=10110→100111→0011110→111111→001

表3　J-K触发器功能记录表

注意：X表示任意状态

从表3可以得出，该 J-K触发器与D触发器类似，同样具有置数与清零的功能。

翻转功能演示：类似图2将图中3的CP改为单刀双掷开关模拟单脉冲CP，从而得到表4所示的J-K触发器翻转功能。

采用Multisim 仿真实验教学使得学生理解更为形象、具体，从而可加深对D触发器和J-K触发器的的理解。

表4　J-K触发器与CP翻转功能演示记录表

2基于Multisim的实践设计

数字电路课程是一门理论与实践高度结合的课程，除了要求掌握基础理论外，还必须培养学生设计电子线路的实践能力。因此，在理论教学中有必要穿插引入实例进行讲述，巩固理论知识，培养动手能力[4]。应用Multisim对实例进行验证，与数字电路课程的教学目标相符合。

通过设计三个指示灯循环点亮的逻辑电路，可对基于触发器的电路设计进行实例验证。图4为采用虚拟仿真实验对电路进行验证的示例。

图4　循环流水灯演示实验

通过虚拟仿真实验验证，可加深对触发器的理解，更好地掌握基本时序逻辑电路设计方法。此外， Multisim具有丰富的元件库，在实验验证的时候，可以选择多种设计方案，如选择J-K触发器设计计数器。因此，基于虚拟仿真的验证相比实物实验更具灵活性。

3基于Multisim的数字电子技术实验教学改革问题

Multisim为数字电子技术虚拟仿真实验提供了丰富的元件库、虚拟仪器仪表、电路参数仿真分析方法，如何借助这个软件平台进行实验教学改革，增加理论知识的直观性，提高实验教学的效果，锻炼学生设计电子线路的实践能力，激发学生的创新意识。为了更好地进行数字电路实验虚拟仿真实验教学改革，需要注意以下几个方面的关键问题：

其一，虚拟仿真实验室平台建设需求迫在眉睫。在国内有些兄弟院校，例如杭州电子科技大学已建成国家级电子信息技术虚拟仿真实验中心，并取得了很好的示范性教学效果。湖南科技大学在虚拟实验室建设方面，也在积极准备申报国家级平台，配备高性能的计算机作为虚拟仿真实验专用，并开发一系列创新性的虚拟实验项目。

其二，如何有效桥接课程理论知识与数字芯片测试。在国内电子、通信类专业都开设了数字电子技术课程和数字电子技术实验等课程，然而，现阶段主要利用实物实测实验，对虚拟仿真实验尚处于探索阶段，当前教学中对哪些知识点利用虚拟仿真辅助教学完成定位模糊是实验教学改进当中必须解决的关键问题之一。

其三，如何解决数字电子技术与其它专业课程之间的衔接问题。现阶段，电气信息类专业课程教学过程中各自为政、相互独立，然而，在整个专业知识体系当中却是互相承接。例如EDA技术本质上是介绍电子技术开发工具、电子设计自动化模块设计、电子设计描述语言等的课程，该课程与数字电路的教学相辅相成。因此，若能在相关课程中同时引入虚拟仿真实验，巩固学生的专业知识，才能够达到系统讲授本专业基础知识，提高学生开发设计电子、通信系统的综合能力的教学目标，这也是数字电路实验课程改革建设的重要问题。

4结语

本文提出了理论讲授与虚拟仿真实验相结合的实验教学模式，利用Multisim仿真演示电路的运行结果，不仅能起到验证理论的作用，而且可以辅助提高学生的实践动手能力，从而有效提高实验教学质量。

参考文献:

[1] 王连英.基于Multisim10的电子仿真实验与设计[M].北京:北京邮电大学出版社，2009.

[2] 吴新开.电工与电子技术实验[M].长沙:中南大学出版社,2013.

[3] 闫石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4] 王冠华,卢庆龄.Multisim12电路设计及应用[M].北京:国防工业出版社,2014.

(责任校对朱正余)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.04.020

收稿日期：20150818

基金项目：湖南科技大学博士启动基金(E51539)；国家自然科学基金项目(61501182)；湖南省教育厅科研一般项目(15C0558)；新疆石河子大学科学技术研究发展计划资助项目(RCZX201437，2014ZRKXYQ17)；2015年湖南科技大学潇湘学院教学研究与改革项目“通信工程专业系列课程改革与创新人才的培养”

作者简介：钟斌(1982-)，男，湖南新邵人，讲师，博士，主要从事协作通信与认知无线电技术研究。

中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-5884(2016)04-0062-04