数字逻辑电路层次性虚拟仿真实验设计

廖小芳

【摘 要】结合应用型本科学生的特点，基于Multisim对数字逻辑电路的虚拟仿真实验进行层次性设计，通过层次性实验实施，加深学生对数字逻辑电路的理解，激发学习兴趣。

【关键词】Multisim；数字逻辑；仿真

中图分类号： TN791 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.013

【Abstract】Combined with the characteristics of applied undergraduate students，a series of hierarchical virtual simulation experiments of digital logic circuits are designed based on Multisim.Through the implementation of hierarchical experiments，students can have a deeper understanding of digital logic circuits and their interest in learning is stimulated.

【Key words】Multisim；Digital logic；Simulation

0 引言

当前数字技术遍及各行各业，社会对数字化人才的需求日益增长，这使得数字逻辑电路的课程教学更具现实意义。数字逻辑电路作为本科院校电子类专业的一门重要的基础课，其目的在于提高学生的数字逻辑思维和分析能力。掌握好该课程的理论知识，将为后续专业课如单片机、EDA技术等课程的学习打下坚实基础。

目前，以培养应用型人才为目的本科学校普遍存在学生理论基础薄弱的状态，另一方面，传统数字逻辑电路教学大部分以教师单向灌输式讲授为主，最后再进入实验室进行少量课时的集中实训。由于课堂学习和实验实训课时分配严重不均，且间隔时间较长，导致实践无法起到应有的验证理论的作用，学生对数字逻辑理解不深。这些问题的产生固然跟实验资源空间、时间的限制有关。同时，随着数字技术不断更新发展，高校实验设备和条件也逐渐不能满足当前教学任务的要求。针对以上问题，已有文献提出引入Multisim辅助数字逻辑电路课程教学，但这些文献多限于引用实例来帮助学生理解基本概念，极少提到基于Multisim的教学实验设计。好的实验设计能有效提高学生的学习效果，更好地促进理论课程教学。笔者根据教学大纲要求，针对电子类应用型人才的培养目标，设计了一系列的虚拟仿真实验，可使复杂的逻辑电路立刻由实验仿真结果表现出来，化抽象为直观，从而激发学生的学习兴趣。

1 层次性虚拟仿真实验设计

在教学过程中应用数字电路仿真软件Multisim，主要出于以下方面考虑：一是Multisim具有强大的仿真硬件库可以提供分立元器件或者集成块来实现数字逻辑电路的仿真，不仅有一般实验室配备的仪器仪表，还有实验室没有的仪表，如逻辑分析仪、逻辑转换器、波特图议等。其次，它是仿真软件EWB（Electronics Workbench）的升级版，界面友好，特别适合模拟电路和数字电路仿真，学生使用起来方便直观。通過Multisim及时进行电路仿真验证可以方便地发现电路设计的问题并及时改正，避免后面的实物制作出现错误而损耗元器件，从而提高了电路设计效率。

根据教学内容，基于Multisim的虚拟仿真实验内容围绕组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计和综合类设计展开。根据知识点和技能要求，实验内容的层次分为基础验证型、设计进阶型和综合实验三项。根据应用型本科学生接受能力的特点，实验难度分层次设置，由简单门电路入手，到最后能设计比较复杂的数字电路系统。基础验证型主要对课堂所讲的理论进行验证，目的是让学生对所学的抽象的逻辑理论有直观形象的感受。设计进阶型则让学生运用所学知识进行思考练习、分析并解决问题，做到举一反三，从而激发学生探索理论的兴趣。综合实验主要来源于生活，设置多个实验题目可供学生选择，同时也允许学生自己寻找给定题目外感兴趣的题目。实验项目具体设计如表1所示。

2 实验项目的实施过程

数字逻辑电路知识面广，内容丰富，但课程学时数量有限，因此在教学内容和实验内容应该进行有效取舍，适当调整教学和实验内容，达到最佳的教学效果。对应用型本科人才培养目标而言，笔者认为应该花更多时间让学生动手实践，加深对知识的理解，比如典型电路图如锁存器、触发器等较难理解的，教师可以适当穿插仿真实践进行教学，让学生多讨论、多实践，通过自主思考加深理解。

首先，基础验证型项目主要对课堂所讲的理论进行验证，这部分实验属于必做。具体实施时，先由老师演示预期效果，然后让学生模仿进行实验验证。这个阶段将学生对数字逻辑电路的理论学习上升到仿真验证。

然后，在学生仿真熟练度和准确度达到一定要求的基础上，进入进阶型实验阶段。这部分实验属于选做，根据实际情况选择几个项目实施。老师负责适当引导，让学生充分讨论，运用所学知识进行思考练习。这个阶段将学生对数字逻辑电路的体验上升到掌握，提高了学生的数字技术的应用层次。

在理论讲授和基础、进阶仿真实验结束后，通过分组课程设计的形式进行综合实验。这个实验属于必做，主要利用课外时间完成设计和实验报告。综合实验是一种开放型实验，完成过程基本按照实际科研研究过程进行。教师设置多个实验题目供学生选择一个题目，同时也允许学生自主选题，但需经老师审核把关。题目确定后，由学生查阅资料、小组讨论，设计方案，自行完成设计及最终的实验报告。通过综合实验，学生对课程的理解进一步加深，解决实际问题的能力得到提升，也得到了科学研究的前期训练。

3 结语

针对应用型本科人才培养目标，充分实现理论和实践结合，在数字逻辑电路的教学上，设计了基于Multisim的层次性虚拟仿真实验。通过Multisim仿真实验不仅可以使学生熟练掌握数字电路的设计过程，更能够进一步培养学生的应用能力、逻辑分析能力和解决问题的能力，最终激发学生的学习兴趣，提高教师的教学效果。

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