数字逻辑电路实验教学方法探索

张聪慧

（华东师范大学信息科学与技术学院，中国 上海 200241）

0 引言

“数字逻辑电路实验”是通信类和电子信息类等专业一门比较重要的基础课程。 传统的数字逻辑电路实验课通常是按照教学内容， 给出一些固定的选题让学生在实验箱或电路板上搭建电路验证电路的逻辑功能， 大多为验证性实验， 虽然可以锻炼学生的动手和解决问题的能力， 但在一定程度上限制了学生的思维， 缺少对学生创新能力的培养。 而且因为实验时需要实验箱和实验仪器相配合， 局限性较大， 不利于学生课外的自主学习。 因此在该实验课程的教学方法基础上考虑引入开放性的自主选题， 给学生自主发挥的空间，并结合Multisim 仿真软件，使学生可以方便地自主设计电路并对其进行分析验证， 相比传统的教学模式， 新的教学方法更加注重对学生积极性的调动，极大地提高了学生的自主学习能力和创新实践能力。

1 Multisim 仿真软件在数字逻辑实验教学中的应用

1.1 Multisim 仿真软件简介

Multisim 是NI 公司发布的一款仿真软件，它提供了丰富的元器件库， 几乎涵盖了数字电路中所用到的基本元器件和芯片， 用户可以方便地对元器件参数进行编辑修改， 还能创建自己的元器件。 同时该软件提供了丰富的虚拟仪器， 包括函数信号发生器、 双踪示波器、逻辑分析仪、万用表、波特图仪等，能对电路的工作状况进行仿真，对电路性能进行分析。

数字逻辑电路实验课程一般包含组合逻辑和时序逻辑电路两大部分的学习应用。 组合逻辑电路包含了基本门电路、通用逻辑门电路、编码器、译码器、比较器、 加法器、 数据选择器等， 时序逻辑电路包含计数器、移位寄存器、触发器等。 在这些电路实验的学习过程中， 借助Multisim 仿真软件提供的元器件和仪器搭建电路并进行仿真， 可快速地完成电路的设计验证，并可对电路进行分析，进而加深学生对电路的理解。

1.2 应用Multisim 进行电路仿真和分析示例

下面以D 触发器构成的4 位约翰逊计数器为例，应用Multisim 对电路进行仿真分析。 4 位约翰逊计数器的电路仿真原理图如图1 所示：

在该仿真原理图中，时钟信号CLK 由Multisim 自带的函数信号发生器XFG1 产生， 双击XFG1， 可对函数信号发生器的参数进行设置和修改，如图2 所示：

在电路搭建完成后， 即可对电路功能进行分析验证。 Multisim 提供了多种验证电路功能的方法，在该电路中，既可将时钟频率调至以Hz 为单位，用发光二极管验证实验结果， 也可用逻辑分析仪查看计数器输出波形来验证实验结果， 利用逻辑分析仪XLA1 观察到的4 位约翰逊计数器输出波形如图3 所示：

图1 4 位约翰逊计数器原理图

通过波形可以看出， 仿真的电路波形与4 位约翰逊计数器的工作波形是相吻合的， 说明该电路设计方案是可行的。 通过拨码开关J1 的开关和闭合可进一步验证该电路能否在上电时自启动。

图2 函数信号发生器参数设置

图3 4 位约翰逊计数器输出波形

将Multisim 仿真软件引入数字逻辑电路教学，既可以激发学生的学习兴趣， 让学生在实验室外也能参与到电路的设计、搭建、分析和验证中，更好地帮助学生理解数字逻辑电路的工作原理和过程， 也可以提高教学质量，做到理论教学、仿真和实验教学有效结合，培养更多的创新型人才。

2 开放性自主选题实验对数字逻辑电路实验教学的促进作用

开放性自主选题

传统的数字逻辑电路实验课程通常是学生按照教材上的实验内容进行实验， 实验内容已提前被设定，实验原理和方案也是比较成熟和确定的。 在实验过程中， 学生往往只需按步骤按部就班进行电路搭建、验证即可， 不能很好的培养学生的主动性。 因此考虑在给定选题的基础上， 引入开放性自主选题， 让学生可根据自己的兴趣自主选定实验方案。 在此过程中，学生发挥自己的创新思维， 自主选择感兴趣的课题，并查阅资料确定实验方案，进行电路的设计、器件选型、利用Multisim 仿真软件对所设计的电路进行仿真，画PCB 版图进行制版、焊接、调试等，最终完成一个完整的电路系统。

在开放性自主选题的设计完成过程中， 学生不再是被动地接受教材上的知识， 而是主动地将所学到的理论知识运用到实践中， 该方法有效地提高了学生在数字逻辑电路实验学习过程中的参与度和积极性，激发了学生的创新思维和科研热情。 开放性自主选题既巩固了学生对理论知识的理解， 将理论知识活学活用到电路系统中， 又锻炼了学生的动手能力， 培养学生主动发现问题、解决问题的能力。

3 结束语

本文在传统的数字逻辑电路实验教学方法基础上，提出了引入Multisim 仿真软件配合实验教学、引入开放性自主选题扩展实验内容等教学方法探索， 以更好地调动学生的学习积极性， 加深学生对所学知识的理解和运用能力， 提高学生的自主学习和实践创新能力， 让传统的数字逻辑电路实验课程更好的融入到科技发展日新月异的今天，进而取得更好的教学成果。