Multisim在数字电路课程教学中的应用

潘学文， 赵全友

(湖南科技学院 电子与信息工程学院， 湖南 永州 425199)

Multisim在数字电路课程教学中的应用

潘学文， 赵全友

(湖南科技学院 电子与信息工程学院， 湖南 永州 425199)

针对数字电路课程教学中理论知识枯燥、逻辑关系复杂的问题，将Multisim仿真软件应用到课堂教学中，利用仿真软件强大的电路仿真能力和直观形象的演示效果提高教学质量。以SR触发器和JK触发器的教学为例，仿真软件使学生直接观察到主从式触发器的状态翻转过程和工作波形，验证了主从式触发器的逻辑功能，让知识理念和数字逻辑形象地展现，有助于学生理解数字电路的工作原理，提高教学质量。

数字电子技术； 教学改革； 仿真实验; Multisim

“数字电路”是电子和通信领域相关专业开设的基础课程和主干课程。通过学习该课程，要求学生掌握数字电路的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力[1-2]。该课程传统的教学方法在讲解理论知识和复杂的逻辑关系时有一定的局限性[3-5]，难以讲得很清楚。在数字电路课程的教学实践中，将Multisim电路仿真应用到课堂教学中，在一些较抽象和逻辑复杂之处(如触发器状态的翻转仿真、任意计数器电路仿真等)使用Multisim进行电路仿真，将数字电路的逻辑运行结果形象地展示给学生，以辅助学生理解数字电路的工作原理[6-10]。

1 仿真软件及其教学应用

Multisim是一款EDA工具软件，主要用于电子线路仿真和设计[11]。该软件利用计算机构造一个虚拟的实验环境，具有各种虚拟仪器和器件，能进行多种电路分析。由于操作便捷、更改电路结构和器件参数方便、界面友好，Multisim特别适合模拟电路和数字电路仿真，受到广大高等院校师生的青睐，部分院校开设了专门的课程或者选修课学习该软件[12-13]。本文以主从式触发器的状态翻转过程为例，在数字电路课程教学中增加Multisim仿真实验，将仿真实验融入理论教学过程中。

主从式触发器主要有SR触发器和JK触发器，触发方式为脉冲触发，它有2个值得注意的动作特点：

(1) 在CP=1(时钟信号为高电平有效)期间，主触发器接收输入信号并置成相应的状态，从触发器状态保持不变，CP下降沿到来时从触发器按照主触发器的状态翻转，故触发器的输出状态的改变是发生在CP下降沿；

(2) 主触发器是一个电平触发SR触发器，故在CP=1(时钟信号的有效电平)的全部时间里主触发器的状态输出都将受到输入信号的控制。

由于主从式触发器理论比较抽象、状态翻转过程较复杂，学生对主从式触发器的动作特点往往理解不够深入，并且触发器的输入信号、时钟信号、输出信号等较多，无法用电子实验仪器观察触发器的工作波形，无以验证触发器的逻辑功能。引入仿真实验后，学生可以直接观察到主从式触发器的状态翻转过程和工作波形，能够提高教学效果，使学生理解电路的工作原理和工作工程。

2 数字电路课程教学仿真实例

2.1 主从式SR触发器仿真

用74LS00和74LS10逻辑门搭建主从式SR触发器的电路如图1所示。

图1 主从式SR触发器仿真电路

图1中RD′为异步置零信号，仿真开始前置为有效电平(RD′=0)，使输出状态置0。CP为触发器的时钟信号，R、S为输入信号，Qn和Q′n为主触发器的输出信号，Q和Q′为触发器状态输出信号。利用Multisim软件中的字组产生器产生触发器的CP、R、S及RD′信号，逻辑分析仪显示触发器的CP、R、S、RD、Qn、Q′n、Q和信号Q′波形。

设计字组输出信号时，为保证各种输入情况在有效电平期间都出现，因此R、S输入信号应在CP=1期间内有变化[7]。在输出字组分别为0、8、C、D、B、D、B、D、C、8、E、E、F、B、D、B、D、C、E、A、A、B、9、F情况下，得到相应的工作波形如图2所示。

图2 主从式SR触发器状态翻转过程

图2中的“10”为CP时钟脉冲波形；“12”为S输入波形；“13”为R输入波形；“11”为RD′异步置0输入波形；“3”为Qn主触发器状态输出波形；“4”为Q′n主触发器状态输出波形，“9”为Q状态输出波形；“8”为Q′状态输出波形。

从图2中的工作波形可以看出，主触发器在CP=1整个期间受S、R输入信号的控制，存在多次翻转问题；但触发器的输出只在时钟信号的下降沿才发生改变，验证了主从式SR触发器的逻辑功能。本仿真实验有效地解决了学生对多次翻转问题的疑惑。

2.2 主从式JK触发器仿真

搭建主从式JK触发器仿真电路如图3所示。

JK触发器在电路结构上进行了改进，把输出信号Q和Q′分别反馈至输入端。在讲解该知识时，需强调反馈的引入对触发器逻辑功能的改变，并引导学生进行电路分析。主从式JK触发器不仅解决了主从式SR触发器在时钟信号为有效电平期间存在多次翻转问题，而且还确保在输入信号都为1(J=K=1)时触发器的次态可以确定。在输出字组分别为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情况下，得到主从式JK触发器的工作波形如图4所示。

图3 主从式JK触发器仿真电路

图4 主从式JK触发器状态翻转过程

图4中的“15”为CP时钟脉冲波形；“10”为J输入波形；“11”为K输入波形；“9”为 RD′异步置0输入波形；“3”为Qn主触发器状态输出波形；“2”为Q′n主触发器状态输出波形，“5”为Q状态输出波形；“8”为Q′状态输出波形。

从图4中的输出波形中可以看出，在JK触发器的输出状态为时钟信号有效电平(CP=1)期间，主触发器的状态只翻转一次，一旦翻转了就保持不变；等下降沿到达时，输出状态跟随主触发器状态改变，解决了RS触发器的多次翻转问题。当J=K=1时，触发器的次态是翻转功能，对输入信号的约束条件不存在了。显然，JK触发器的逻辑功能更加强大。通过仿真实验的演示和讲解，学生能够较好地掌握主从式JK触发器的逻辑功能，对一次翻转问题理解也更加透彻。

3 结语

在主从式触发器的教学过程中，对SR和JK触发器进行仿真实验，通过观察触发器的状态翻转过程和工作波形，使得抽象、枯燥的理论知识变得生动、形象。另外，本仿真实验能同时观察触发器的输入信号和输出信号波形，解决了电子实验仪器无法同时显示多路信号的问题。通过实践证明，本教学方法能帮助学生理解数字电路的工作原理和过程，提高教学质量并激发学生的学习兴趣。

References)

[1] 刘银萍,陈惠珊.“数字电子技术”实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索,2006,25(8):981-983.

[2] 王尔申,庞涛,李鹏,等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(3):78-81.

[3] 张树团,王晶,张春平,等.关于提升实验教学质量的思考[J].实验技术与管理,2017,34(增刊1):96-98.

[4] 王墨林,易茂祥,戚昊琛.电子科学与技术专业创新教育综合实验大平台建设[J].实验技术与管理,2016,33(3):8-12.

[5] 孙秋野,李玉帅,滕菲,等.电工类实验教学平台的改革与探索[J].实验室科学,2013,16(2):161-164.

[6] 王彩凤,胡波,李卫兵.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术,2011,9(1):2-5.

[7] 张晓洁,腾乃祯.数字电子技术实验教学改革探讨[J].广西民族师范学院学报,2010,27(3):145-147.

[8] 欧阳宏志,赵立宏.独立学院“电子技术基础”课程培养工程素养和实践能力的探索[J].中国电力教育,2013(22):160-161.

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[10] 闵玉堂,汪小燕,杨小献.课赛结合的电子线路设计与测试教学[J].电气电子教学学报,2013(5):100-102.

[11] 潘学文,赵全友,杨振南.Multisim仿真软件在电子技术实验教学中的应用及效果分析[J].湖南科技学院学报,2016,37(5):40-43.

[12] 张学成.数字电子技术实验改革与创新[J].实验室研究与探索,2011,30(8):285-288.

[13] 任骏原.用Multisim软件分析触发器的状态变化过程[J].实验科学与技术,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

湖南省教改项目(湘教通〔2014〕247号)；湖南科技学院教改项目(湘科院[2014]29号)；湖南科技学院“通信工程专业综合改革试点”项目

潘学文(1983—)，男，湖南永州，硕士，讲师，主要从事通信工程专业的教学、研究和管理工作.

E-mail94626654@qq.com