数字电路教学探讨及仿真软件在教学中的应用

摘要：该文从数字电路的教学现状和问题出发，探索和改进现有的教学方法和手段，将Multisim引入数字电路的教学，激发了学生的学习兴趣，学生动手能力大大增强，取得了较好的教学效果。

关键词：数字电路；教学方法；Multisim；仿真

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)28-7058-03

The Exploration of Digital Circuit Teaching and the Useage of Simulation Software

ZONG Xin-Xin

(Institute of Computer Science and Technology, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

Abstract: From the current situation of teaching Digital Circuit, exploring and improving the existing teaching method and means are presented in this paper. Using Multisim in Digital Circuit teaching has greatly stimulated students' interests and has enhanced the students' ability of practice.It has made a better teaching effect.

Key words: digital circuit; teaching methods; multisim; simulation

从事计算机硬件教学的老师都知道，对于计算机专业的学生而言，数字电路是计算机专业学生硬件的专业基础课，这门课程的学习不仅为后续的计算机组成原理，单片机等硬件类课程打下基础，而且更为重要的是通过这门课程的学习，使学生建立对硬件类课程的学习兴趣。如果学生从这门课程开始就对计算机硬件类课程产生了畏难情绪，以后课程的展开是相当困难的。所以这门课程的教学工作承担了双重责任：一是让学生掌握数字电路的基础知识以及分析设计方法，具备查阅和使用集成电路和读图的能力；二是使学生喜欢上硬件类课程，建立对硬件类课程的兴趣和探索精神。因此，这门课程如何展开教学，采用何种教学手段，如何提高学生兴趣，如何使理论和实践更好的结合是每一个教师思索的问题，也是本文所讨论的重点。

1 教学方法和手段

1.1 知识点结构框图化

在每一章每一节内容开始讲授和小结的时候，将知识点以结构图的形式展示给学生，使学生有一目了然的感觉，对自己要学的和学过的知识点有清晰的脉络。例如在讲述逻辑函数的描述方法时，给出下列的结构框图（如图1所示）。

在讲述这个框图时，学生对真值表，卡诺图还没有感性认识，可在黑板上画一个真值表和卡诺图，使学生初步认识它们的形式，也了解了逻辑函数的几种描述方法。

1.2 教学内容的加减法

数字电路发展很快，对数字电路的讲授应符合数字电路的发展趋势，使学生能学有所用，而不是满腹经纶无用之地，这也就是说，要让学生了解数字逻辑电路的最新发展。但俗话说万丈高楼平地起，我们并不能忽视数字电路的基础理论与基础知识。这就要求我们要在有限的时间之内，让学生具备扎实的数字电路基础知识，了解现代数字电路的设计方法和相关工具软件的使用。因此在教学内容安排上做了这样一些调整，重视逻辑代数和逻辑函数基础理论的教学，在组合逻辑电路教学中适当减少中小规模集成电路内部分析和设计，适当增加使用vhdl语言设计组合逻辑电路和时序逻辑电路，学会Multisim11仿真软件的使用方法，让学生有一个较高的起点和平台来应用所学的知识。[1]例如我们在讲到组合电路分析时，常常会将一位全加器给学生作为例题讲解，并且给学生建立全加器的概念：能实现三个一位二进制数相加（被加数、加数和低位进位），得到一位和及一位向高位进位的加法器。在接下来的组合设计内容中我们就适时的增加了用vhdl语言设计一位加法器的内容。

1.3 贴近生活的教学举例

数字电路由于其系统性强，逻辑性强，从始至终教学中穿插着卡诺图，逻辑公式，真值表，特性方程，状态图，状态转移表等内容，很容易让学生产生内容相似的疲劳感，因此在课堂教学中采用贴近生活的举例可以使学生觉得这门课有趣，实用，很容易产生亲切感，让枯燥的课堂学习变得轻松愉快，学习效率也随之提高。例如在组合电路分析教学中给出密码锁电路图，让学生分析开锁的密码是什么。组合电路设计中举例交通灯故障的判别电路，利用优先编码器74LS148和门电路设计医院优先照顾重症患者呼叫的逻辑电路等等。除了课堂老师的举例之外，还通过布置作业的方式让学生查阅数字逻辑电路在现实生活中的用处，并设置课堂讨论时间让学生交流自己所了解的知识。这样不仅激发了学生浓厚的学习兴趣，使其体会到学习的乐趣,变被动学习为主动，同时也活跃了课堂气氛。

2 仿真软件在数字电路教学中的应用

Multisim是一款主要用于数字电路，模拟电路和集成电路仿真分析的软件。它具有界面简单直观，操作方便，电路仿真能力强，虚拟仪器强大等诸多优点。数字电路是一门实践性很强的课程，而传统的教学模式在课堂上理论与实践联系的很少，将Multisim引入数字电路的教学，可有效解决传统教学的不足，在课堂教学演示，课下作业辅导，实验环节都有其独特的优势。其作用主要表现在三个方面。其一，在课堂上，教师和学生可在互动的环境中进行教和学，用事实说话，通过课堂演示可以让学生观察到电路的直观现象，对于学生感觉新鲜好奇，有说服力，对于教师也觉得教的轻松了。其二，将Multisim作为一个课后学习辅助工具，在课后作业的辅导方面发挥着很大作用，一方面学生可以通过软件来验证自己作业的正确性，另一方面可以使有兴趣学生在课外进行更深入的学习，从而达到培养学生学习兴趣及动手能力的目的。其三，在实验环节上，我们现在通常采用传统的硬件实验箱，传统的实验具有现象直观，易于接受的特点，但是实验多是验证性的，并且由于学生操作不当和实验箱老化，容易出现一定损耗；而以Multisim为平台展开的实验，设计，布线，仿真都很简单，也符合现在电路设计的发展方向，可以作为传统实验的有益补充。[2]

2.1 Multisim在课堂教学中的演示

Multisim具有直观的图形界面，它的整个操作界面就像一个电子实验工作台，教师在课堂上绘制电路图十分方便，将元器件和仿真测试仪器直接拖放到屏幕上，用鼠标拖拽导线就可将它们连接起来，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。Multisim包含的丰富测试仪器使得它在课堂上演示生动，直观，易于被学生接受。例如，在进行集成计数器74160这一小节的教学时，首先让学生了解74160是一个可预置数的十进制同步加法计数器，LOAD'是置数端，低电平有效，置数是同步的，当置数端为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 QAQBQCQD与数据输入端 ABCD 一致；CLR'是清零端，清零端是异步的，当清除端CLR'为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能；74160的计数是同步的，当 ENP、ENT 均为高电平时，在CP上升沿作用下计数器加法计数；74160具有超前进位的功能，计数溢出时，RCO端输出一个高电平。接着给出74160的功能表，如表1所示。

对于集成电路芯片，我们不要求学生了解芯片的内部结构，但是学生必须要会查阅使用芯片的数据手册。在了解了74160的芯片引脚和功能后，就可以应用multisim11来学习这个芯片。为了使学生能够一步一步地深入了解和学习这个芯片，我们采用搭积木的方式来展开内容，首先在multisim的工作电路区上放置电源，信号发生器，74160，七段数码管和逻辑分析仪[3]，然后以导线或总线使各个部件连在一起，再将信号发生器和逻辑分析仪的频率设置成相同的，建立如图2的电路图，启动仿真，就可以直观的看到，电路工作在计数状态，数码管从0～9不断变化，打开逻辑分析仪，可以看到，当计数到9时，RCO产生一个超前的高电平进位。

为了进一步讲解置数端和清零端的用法，我们要求用此芯片分别以置数法和清零法实现模6计数器。对于74160，一定要对学生强调它是异步清零和同步置数的。

使用置数法时，模6计数器，也就是要计6个状态，在这里采用0100、0101、0110、0111、1000和1001这6个状态，也就是说，当计数到1001时，要产生置数信号，使下个时种信号到来的时候， QDQCQBQA被置成0100，从而跳过0000到0011。

采用置数法电路图如图3所示，在这里将QDQA输出接个与非门，当QDQCQBQA=1001时，与非门输出为0，置数端得到有效电平，在CP上升沿到来时，QDQCQBQA=DBCA被置成0100。通过仿真，可以看到计数器在4到9之间的6个状态计数。

使用清零法时，采用的是0000、0001、0010、0011、0100、0101这6个状态，也就是说，当计数到0101时，要产生清零信号，在QCQA接与非门，理论上QDQCQBQA=0101时，产生清零信号，可将QDQCQBQA清零，仿真后看到的结果是，计数在0到4变化，没有计到0101这个状态。这究竟是为什么呢，打开逻辑分析仪查看波形，看到只要QDQCQBQA=0101，与非门输出立刻为0，清零是异步的，只要清零信号到来，不论CP如何，计数器立即清零，所以计数器根本没有计到0101这个状态，要想计数到0101的稳态，必须在0110时产生清零信号。修改电路图，在QCQB端接与非门，再次仿真，得到如图4所示的波形图，从图上可以清楚的看到计数到0101状态后，下个计数状态是0000。

接着我们又给学生布置了这样的课后思考题，如何应用74160实现百进制计数器和24进制计数器，并请仿真验证自己的想法。通过这个完整例子的透彻分析，学生不仅掌握了74160这个芯片，对于其他同步计数器芯片也能够做到轻松应用，起到举一反三的效果。

2.2 Multisim作为作业伴侣

Multisim因其方便的界面，丰富的原件库和逼真的虚拟仪器。在学生的课后作业中扮演着重要的角色，大大减轻了教师的负担。例如在学习逻辑代数基础和组合电路中，我们教会学生使用逻辑转换仪，这个仪器可以将电路图、真值表和逻辑表达式进行方便的转换，可以进行逻辑函数的化简。在学完函数化简后给学生布置这样的习题Y=(A'+B')C+BCD'+AD，不管学生是用卡诺图还是公式进行化简，最后结果是否正确，学生自己可以用逻辑转换仪来验证。学生在Multisim工作区放置逻辑转换仪后，双击打开它，在最下方的显示区输入逻辑表达式，点击表达式到真值表按钮，出现这个函数的真值表，再进一步点击真值表到最简与或式按钮，在显示区出现AD+C，也即函数化简的最简结果。从简单的逻辑代数基础知识，到复杂的组合、时序电路分析设计，学生都可以用Multisim验证自己的作业，并且给学生更大的学习和思考空间。

3 结束语

改进现有的教学方法和手段，将EDA技术应用于数字电路的教学，是对此课程的教学改革。通过近几年的教学探索，取得了较好的教学效果，学生对数字电路课程的兴趣大大提高，理论联系实际能力增强，动手能力增强。学生不仅掌握了数字电路的基础知识，而且掌握了现在数字电路的设计方法和新技术，为以后从事电子设计工作打下良好的基础。

参考文献：

[1] 白净，张雪英. 《数字电路逻辑设计》课程的教学实践研究[J]. 电气电子教学学报，2007(s1):72-74.

[2] 蔡春晓，张国庆. EDA教学在数字电路实验中的实践与探索[J]. 高教论坛，2010(11):39-41.

[3] 聂典. Multisim9计算机仿真在电子电路设计中的应用[M]. 北京：电子工业出版社，2007:144-149.