基于Multisim的數(shù)字邏輯電路課堂教學(xué)改革淺析

劉麗娟 任會(huì)峰 李富

*項(xiàng)目來源：江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究課題“基于多模態(tài)信息融合的網(wǎng)絡(luò)輿情監(jiān)測(cè)研究”（2022SJYB0982）；無錫學(xué)院2021年教學(xué)改革研究課題“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程（基于Visual Studio 2019）”（JGYB202107）；2021年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人教學(xué)改革項(xiàng)目“《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程內(nèi)容和體系改革項(xiàng)目”（202101363023）；2021年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人師資培訓(xùn)項(xiàng)目“基于賽伯特嵌入式試驗(yàn)箱的嵌入式方向師資培訓(xùn)項(xiàng)目”（202101058017）；南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)“多元系統(tǒng)的極大似然辨識(shí)方法研究”（2020r019）。

作者簡(jiǎn)介：劉麗娟、任會(huì)峰，工學(xué)博士，講師；李富，高工。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.046

摘? 要? 數(shù)字邏輯電路課程涉及邏輯代數(shù)、半導(dǎo)體器件、電路分析等專業(yè)知識(shí)，注重工程應(yīng)用，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在數(shù)字邏輯電路理論課堂教學(xué)中輔以設(shè)計(jì)好的Multisim電路仿真實(shí)驗(yàn)，將抽象的理論知識(shí)用電路仿真的形式展示給學(xué)生看，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)獲得感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，從而有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞? 數(shù)字邏輯電路；Multisim；譯碼器；計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）02-0046-04

0? 引言

數(shù)字邏輯電路課程是電子信息類和計(jì)算機(jī)類等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛。課程包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路等內(nèi)容[1-2]。在該課程的理論教學(xué)中，數(shù)字邏輯基礎(chǔ)和邏輯門電路部分概念抽象性強(qiáng)，難以理解；組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路部分電路模塊種類繁多，電路分析和設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中感到枯燥乏味，很難對(duì)該課程的知識(shí)點(diǎn)形成深刻的感性認(rèn)知，在實(shí)驗(yàn)課程中又缺乏將理論用于實(shí)踐的能力。Multisim是具有強(qiáng)大電路仿真功能的軟件，具有豐富的元器件庫和多種虛擬儀器。利用Multisim搭建仿真實(shí)驗(yàn)用于數(shù)字電路課程教學(xué)，生動(dòng)的圖形化形式可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，增強(qiáng)對(duì)數(shù)字電子線路設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)，起到理論聯(lián)系實(shí)際的作用[3-6]。文章提出的在理論教學(xué)中加入仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

1? 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

要想取得良好課堂教學(xué)效果，需要注重課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)。首先，興趣是最好的老師，在課堂教學(xué)中要善用“啟發(fā)式”教學(xué)方法，理論聯(lián)系實(shí)際，將工程背景融入課堂教學(xué)，例如，在講解顯示譯碼器時(shí)，可以從生活中電子鐘的典型案例出發(fā)引出問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入這部分的學(xué)習(xí)，并且知道所學(xué)內(nèi)容是相當(dāng)實(shí)用的。其次，在理論講授過程中，合理利用多媒體和實(shí)物芯片，將多媒體教學(xué)和板書教學(xué)有機(jī)結(jié)合。然后，在課堂教學(xué)中引入Multisim軟件仿真，利用Multisim豐富的元器件庫課前搭建仿真電路，課堂教學(xué)中利用Multisim提供的多種虛擬儀器分析仿真電路，用相對(duì)直觀的方式加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。最后總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，解答最初的引入問題，并向?qū)W生分享搭建的仿真電路，便于學(xué)生課后修改電路，分析仿真結(jié)果。課堂教學(xué)模式如圖1所示。

2? 教學(xué)實(shí)例

譯碼器是重要的組合邏輯電路器件，計(jì)數(shù)器是重要的時(shí)序邏輯電路器件。本節(jié)以Multisim在譯碼器課堂教學(xué)和計(jì)數(shù)器課堂教學(xué)中的應(yīng)用為例講解。

2.1? Multisim在譯碼器教學(xué)中的應(yīng)用

譯碼器是能夠?qū)崿F(xiàn)譯碼功能的多輸入多輸出組合邏輯電路，其功能是將二進(jìn)制代碼翻譯成高低電平輸出。Multisim仿真軟件提供的譯碼器型號(hào)很多，這里選用74LS138的虛擬元件表示3-8線譯碼器。用Multisim仿真軟件按照?qǐng)D2接線，其中A、B、C為地址輸入端，—是譯碼器輸出端，G1、、是使能端。按照表1 切換開關(guān)，觀察指示探針的亮滅狀態(tài)（燈亮記為邏輯1，燈滅記為邏輯0），并記錄在表1中。

通過表1的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果得出結(jié)論：譯碼器74LS138的輸出采用低電平有效方式，即輸出為反變量，而且增加了使能控制信號(hào)。其中使能端G1=1且==0時(shí)，譯碼器才工作，否則譯碼器處于禁止?fàn)顟B(tài)。譯碼過程中，根據(jù)A、B、C的取值組合，—中某一個(gè)輸出為低電平。

2.2? Multisim在計(jì)數(shù)器教學(xué)中的應(yīng)用

計(jì)數(shù)器是一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)記錄脈沖個(gè)數(shù)功能的時(shí)序邏輯電路，計(jì)數(shù)器種類繁多，從不同的角度分類有不同類型的計(jì)數(shù)器，各種類型芯片種類齊全。

利用現(xiàn)有的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以構(gòu)成任意M進(jìn)制計(jì)數(shù)器，常用方法是：置零法和置數(shù)法。置零法示意圖如圖3所示，即計(jì)數(shù)器從初始狀態(tài)S0開始計(jì)數(shù)，往前計(jì)滿M個(gè)狀態(tài)到達(dá)狀態(tài)SM-1，產(chǎn)生清零信號(hào)送給置零端使計(jì)數(shù)器重新回到初始狀態(tài)S0。

置數(shù)法示意圖如圖4所示，即計(jì)數(shù)器從某個(gè)預(yù)置狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，往前計(jì)滿M個(gè)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生置數(shù)信號(hào)送給置數(shù)端使計(jì)數(shù)器重新回到預(yù)置狀態(tài)。

這里選用74LS163的虛擬元件表示十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由表2可知，74LS163具有同步清零端? ? 和同步置位端，利用74LS163來構(gòu)成一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，既可以用置零法來實(shí)現(xiàn)，也可以用置數(shù)法來實(shí)現(xiàn)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的有效循環(huán)狀態(tài)為0000→0001→0010→0011→0100→0101? ?→0110→0111→1000→1001。采用置零法時(shí)，74LS163需要選取輸出狀態(tài)1001經(jīng)譯碼產(chǎn)生置零信號(hào)加到74LS163的同步清零端。采用置數(shù)法時(shí)，如果初始狀態(tài)從0000開始，則需要選取輸出狀態(tài)1001經(jīng)譯碼產(chǎn)生置零信號(hào)加到74LS163的同步置位端。

利用74LS163實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，置零法接線如圖5所示，即從兩個(gè)輸入端 QA和QD取信號(hào)接到一個(gè)與非門的輸入端，與非門的輸出端接清零端。當(dāng)?shù)诰艂€(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，QA和 QD都為“1” 信號(hào)輸出，則與非門輸出為低電平“0”加到清零端，因是同步清零端，此時(shí)雖已建立清零信號(hào)，并不執(zhí)行清零，只有第十個(gè)時(shí)鐘脈沖到來后 74LS163才被清零。置數(shù)法接線如圖6所示，即從兩個(gè)輸入端QA和QD取信號(hào)接到一個(gè)與非門的輸入端，與非門的輸出端接同步置位端。

3? 結(jié)束語

文章提出的基于Multisim的數(shù)字邏輯電路課堂教學(xué)模式，充分利用了、Multisim強(qiáng)大的電路仿真功能，既能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。通過把仿真實(shí)例共享給學(xué)生，讓學(xué)生自己修改仿真電路，鍛煉了學(xué)生的分析電路和設(shè)計(jì)電路的能力，真正實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合。實(shí)踐證明，該教學(xué)模式具有很好的推廣價(jià)值。

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