Multisim仿真软件在高中物理教学中的应用——以“简单的逻辑电路”为例

孙建朋 鲍莹莹

(1. 南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023；2. 南京师范大学教育科学学院，江苏 南京 210097)



Multisim仿真软件在高中物理教学中的应用
——以“简单的逻辑电路”为例

孙建朋1鲍莹莹2

(1. 南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023；2. 南京师范大学教育科学学院，江苏 南京 210097)

随着信息技术的飞速发展，越来越多的计算机软件被应用到教学活动中.笔者以“简单的逻辑电路”为例，尝试将电学仿真软件Multisim 14.0应用到高中物理教学中.

高中物理;简单逻辑电路;Multisim仿真软件

Multisim是一款专业的电学仿真软件，它拥有丰富的库元件和测量仪器工具，其元件和测量仪器的属性还可以由用户设置，如可以设置电阻的某个引脚为开路，从而有助于学生对电路中故障现象的深入分析.笔者以“简单的逻辑电路”为例，尝试将电学仿真软件Multisim 14.0应用到高中物理教学中.

1 教材分析

本节教学的主要内容是“与”门、“或”门以及“非”门这三种基本逻辑电路的含义、作用以及简单应用.

本节教学重点是“与”门、“或”门以及“非”门这三种基本逻辑电路的含义、作用以及应用它们进行简单逻辑电路的设计.教学难点是理解“与”门、“或”门以及“非”门这三种基本逻辑电路的工作特性.

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1) 理解“与”门、“或”门以及“非”门这三种基本逻辑电路的概念以及作用.

(2) 能应用“与”门、“或”门以及“非”门电路设计简单的电路.

2.2 过程与方法

(1) 通过观察具有逻辑关系的电路图，理解门电路的含义及其作用.

(2) 通过对例题中门电路的分析，掌握分析数字电路中门电路的基本方法.

2.3 情感、态度与价值观

(1) 关心和观察现实生活中应用逻辑电路的具体场合.

(2) 了解集成电路的发展现状，感受现代电子技术在生产、生活中的作用.

3 教学过程

3.1 课堂导入

在日常生活中我们经常会接触到许多便携式的电子产品，比如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等.这些电子产品都是基于现代信息技术而设计出来的，它们内部处理的主要都是数字信号.物理学将电信号分为两种，一种是模拟信号，另一种则是数字信号(如图1)，模拟信号具有一种连续“渐变”的特征，数字信号则是具有跃变的特征.

图1

引导学生观察图1，观察并分析模拟信号和数字信号的特征.

数字信号是由数字电路来负责处理的.而数字电路处理数字信号的本质是表示一种逻辑关系.所以，数字电路又称为逻辑电路.最简单的逻辑电路表示的逻辑关系就像一扇门一样，它允许一个信号通过或者禁止通过，因此逻辑电路也称为门电路，本节课我们就一起来学习“简单的逻辑电路”.

3.2 “与”门电路

请同学们观察图2，尝试分析电路中的开关A、开关B以及灯泡L三者之间是怎样的逻辑关系.

图2 “与”逻辑电路

学生观察电路图并相互交流，经过分析后可以很容易得出相应的结论.

电路图中的开关A、开关B和灯泡组成的是串联电路，因此只有当两个开关全部闭合时，灯泡才会被点亮.把电路图中的开关A、开关B全部闭合称为条件，灯泡被点亮称为结果.如果一个事件的几个条件都满足后，该事件才能发生，我们把这种关系叫做“与”逻辑.那么具有“与”逻辑关系的电路称为“与”电路，简称为“与”门.

一个开关有通、断两种工作状态，那么图2电路图中的开关总共可以组合成4种情况(如表1).

表1 “与”逻辑电路的条件与结果

如果把开关导通时有电压输入的状态设定为1，把开关断开时无电压输入的状态设定为0；那么相应地把灯泡熄灭时没有电压输出的状态设定为0，灯泡点亮时有电压输出的状态设定为1.那么可以把表1对应的各种情况转换成以数字形式来表现各种控制条件和结果的关系，如表2所示，这种表格也称为真值表.

表2 “与”门真值表

图3和图4分别是中国标准和美国标准的“与”门电路符号.

我们用Multisim仿真软件演示一个“与”门功能的实验，在图5所示的仿真电路图中，右上侧的元器件是“与”门，它有两个输入端A和B以及一个输出端Y，输出端接一个数字电压表，用来观察“与”门输出电压的大小.左边的两个器件是信号源，当“与”门输入端连接到电源端正极有输入电压时设定输入为1，连接到电源端负极没有电压输入时设定输入为0.在实验的时候，我们分别断开和闭合开关，可以发现，只有当A和B输入端同时输入为1时，在输出端才会有电压输出，否则输出的电压始终是0伏.

图5

3.3 “或”门电路

请同学们观察图6，尝试分析电路图中的开关A、开关B以及灯泡L三者之间是怎样的逻辑关系.

图6

图6中的开关A、开关B和灯泡组成的是并联电路，因此两个开关中只要有一个闭合时，灯泡就会被点亮.把电路图中的开关闭合称为条件，灯泡被点亮称为结果.如果一个事件的几个条件中，有一个得到满足该事件就会发生，我们把这种关系叫做“或”逻辑.那么把具有“或”逻辑关系的电路称为“或”电路，简称为“或”门.

图6中的开关总共可以组合成4种情况，我们把这4种情况以及每种情况对应灯泡的点亮和熄灭都列在了一个表格中(如表3).

表3 “或”逻辑电路的条件与结果

把开关导通时有电压输入的状态设定为1，开关断开时没有电压输入的状态设定为0；那么相应地把灯泡熄灭时没有电压输出的状态设定为0，把灯泡点亮时有电压输出的状态设定为1.那么可以把表3对应的各种情况转换成以数字的形式来表现各种控制条件和结果的关系(如表4).

表4 “或”门真值表

图7和图8分别是中国标准和美国标准的“或”门电路符号.

用Multisim演示一个“或”门功能的实验，在图9所示的仿真电路中，右上侧的元件是“或”门，它有两个输入端A和B以及一个输出端Y，输出端连接着一个数字电压表，用来观察“或”门输出电压的大小.左边的两个器件是信号源，当“或”门输入端连接到电源端正极有电压输入时设定输入为1，连接到电源端负极没有电压输入时设定输入为0.在实验时，我们分别断开和闭合开关，可以发现，只要当A和B输入端中有一个输入为1时，输出端就会有电压输出；而只有当A和B两个输入端输入都是0时，输出端的电压才是0伏.

图9

3.4 “非”门电路

请同学们观察图10，尝试分析开关A、开关B以及灯泡L三者之间是怎样的逻辑关系.

图10

通过前面“与”门和“或”门电路的分析，学生会采用相同的方法，通过相互之间交流和讨论，得出相应的结论.

图10中的开关A和灯泡组成的是并联电路，我们可以采用前面研究门电路的方法来继续分析这个电路.开关的通断是控制的条件，即输入；灯泡亮熄是控制的结果，即输出.在之前的学习中，我们习惯于“开关闭合，灯泡亮”以及“开关断开，灯泡熄”.而在现在的这个电路中只要开关闭合，灯泡就会因为被短路而熄灭；而只有当开关断开时，灯泡才会被点亮.

如果把开关闭合时有电压输入的状态设定为1，开关断开时无电压输入时设定为0.那么相应的灯泡熄灭时无电压输出的状态则是0，灯泡点亮时有电压输出的状态则是1.因此，对于图10的电路，我们用数学的方式来表示它们之间的逻辑关系，当开关闭合输入为1时，灯泡熄灭输出为0；当开关断开时输入为0时，灯泡熄灭输出为1.像这样输出状态与输入状态相反的逻辑关系，叫做“非”逻辑关系，具有“非”逻辑关系的电路叫做“非”门，表,5是“非”门的真值表.

表5 “非”门真值表

图11和图12分别是中国标准和美国标准的“非”门电路符号.

3.5 门电路在一般电路中的功能分析

例：图13是一个火警报警装置的逻辑电路图.Rt是热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是阻值较小的可调电阻.

(1) 要做到平时电铃不响，而火警时电铃由于高温响起，在图中的虚线圆内应该接入怎样的元件？

(2) 为什么温度高时电铃会被接通？

(3) 为了提高电路的灵敏度，即要把报警温度调得较低，R的值应该大一些还是小一些？

图13

在没有发生火灾时，由于热敏电阻Rt比电阻R大，因此X点为高电压，电铃不响；而发生火灾时，热敏电阻Rt阻值变得很小，此时X点为低电压，电铃响.这样的电路关系正好符合“非”逻辑.

可用Multisim来仿真例题中的电路，用一个可调电阻模拟热敏电阻，用蜂鸣器模拟电铃(如图14).可以知道使用“非”门可以很好地实现题干要求的火警报警功能，如果为了提高电路的灵敏度，希望把报警的温度调得较低些，即在较低温度的时候，“非”门电路可以输出1，即高电压，从而使电铃导通，那么就应该使“非”门的输入信号在温度较低的时候输入为0，即低电压.根据欧姆定律，调大电阻R,就可以让“非”门的输入信号在较低温度时输入为低电压.

图14

朱建廉.关于“简单的逻辑电路”教学要求的研究[J].物理教师,2008,29(6).