虚拟仿真技术在高职数字电子技术教学中应用的研究

【摘 要】 虚拟仿真平台（Multisim11）是近年来广泛使用的电子设计仿真软件，其强大的功能、丰富的器件库、便捷的操作、简洁的界面等特点，令数字电子技术课堂教学更加直观生动，因此在教学和工程设计中广泛运用。我们以组合逻辑电路中竞争冒险现象仿真分析为例，展示Multisim11仿真实验在数字电子技术课堂辅助教学上的优势。

【关键词】 Multisim11 虚拟仿真 数字电子技术 电子设计 辅助教学

1 引言

数字电子技术是高等职业院校电类相关专业的一门应用性较强的专业基础课，该课程主要是培养学生数字电子技术方面的基本知识和基本技能，培养学生分析、解决数字电子技术相关的问题的能力。在以往的教学过程中，理论抽象不够直观，学生难以理解掌握，影响了自主学习积极性。而一般的多媒体教学也难以从本质上改变这种状态。随着计算机虚拟仿真技术的发展，在课堂和实践教学中充分利用计算机仿真平台将数字电子技术中枯燥抽象的理论教学以仿真动画、波形、指示灯等形式直观、生动的表现出来，使“数字电子技术”的教学内容形象化。课堂教学不再局限与理论讲解，而是与仿真实践紧密结合在一起，既丰富了教学内容，又帮助学生更好的掌握所学的知识点，激发学生的学习兴趣和自主学习积极性，进一步提高了课堂教学效果。

2 Multisim简介

Multisim是美国NI（国家仪器）公司开发的Electronics Workbench EDA（简称EWB）仿真软件，是早期EWB等版本的升级换代产品。该软件基于PC平台采用图形操作界面虚拟仿真了一个与实际情况及其相似的电子电路实验工作台，它几乎可以完成在实验室进行的所有的电子电路实验，已被广泛地应用于电子电路分析、设计、仿真等工作中，是目前世界上最为流行的EDA软件之一，已被广泛应用于国内外的教育界和电子技术界。

3 Multisim虚拟仿真在数字电子技术教学中的应用

3.1 数字电子技术课程教学现状

3.1.1 理论教学过程中“理论联系实践”有待加强

在以往的理论教学中，老师在黑板上一味灌输知识那种填鸭式的教学，在教学过程中教师往往很难充分调动学生的学习主动性，按照传统的教法，往往大半学期过去了，不少学生只知道各种数字器件的名称和内部电路原理，但不清楚学了有什么用，更不知道如何将这些器件组成所需的数字电子系统；又或者碰到非常抽象知识点，课堂教学总是难以直观讲解，学生对此类问题总是难以理解和掌握。这是因为教学中缺乏一个“展示”的平台， 这里的“学”也仅仅是学会老师所教的知识， 而更重要的学习的方法、自主学习的能力的培养却存在一定程度的缺失。

而在数字电子技术实践教学中，传统的教学方法是要求学生完成某些验证性实验，其内容、步骤等都是安排好的， 学生只要按照教师安排的顺序就能顺利完成实验。也许有学生有新颖的思路，但因受实验设备器件等限制也无法将想法实现。这样更进一步的限制了学生的设计性思维和创新精神的培养，学生分析问题、解决问题的能力难以提高。

3.1.2 课程设计时学生的设计思想很难达成

在传统数字电子技术设计时，要耗费大部份时间来分析和构建电路，然后用相应的仪器进行测量，这样设计耗时较长、效率较低，而且一旦出错，往往要重新更换元器件，参数修改也不方便，不利于设计者设计思路的延伸。因此数字电子技术课程改革以课堂和教师为中心的传统教学组织形式， 根据高职数字电子技术教学的特点，在教学过程中引入Multisim软件，把学生的理论学习、实践能力培养和综合素质提高紧密结合起来。

3.2 模型搭建及电路仿真

在组合逻辑电路中，由于输入信号传输到输出端路径和时间的不同，存在竞争，在输出端可能会出现不应有的干扰窄脉冲，产生冒险。该知识点相对抽象，学生往往难以领会。下面我们通过在课程教学中引入Multisim进行仿真分析：

3.2.1 竞争冒险现象分析

在Multisim11仿真平台中，搭建如图1（a）所示仿真电路，观测示波器测试该电路是否存在竞争冒险现象。首先用代数法写出该电路的逻辑表达式：。

由表达式可以看出，变量A具有竞争能力，当B=1时，，电路会产生负干扰脉冲，存在冒险。用示波器观测输出波形，输出信号确实存在明显的竞争冒险现象的输出信号波形，如图1（b）所示。

3.2.2 消除冒险

（1）修改逻辑设计，增加冗余项。理论分析：修改逻辑设计，增加一个冗余项B，使，则即没有改变原逻辑关系，又消除了竞争？冒险现象。根据理论分析结果在仿真平台中修改电路，如图2（a）所示。用示波器观测，经过改进后的电路输出信号消除了竞争冒险现象的输出信号波形，如图2（b）所示。

（2）输出端接入滤波电容。根据理论分析，由于竞争？冒险所产生的毛刺脉冲宽度很窄，因此在对输出信号波形边沿要求不高的情况下，可以在逻辑电路的输出端（或级间）接入一个不大的滤波电容，以滤除产生冒险的窄干扰脉冲。我们在如图1（a）中的输出端并上电容C1（图中R1为逻辑电路的等效输出电阻），R1、C1量值的选取需经调试确定。在输出端接入滤波电容后的仿真电路，如图3（a）所示。此时再用示波器观测，输出端信号果然消除了竞争冒险现象的输出信号波形，如图3（b）所示。

4 结语

通过Multisim仿真平台，既能克服因仪器设备、耗材损耗等因素的限制，许多试验不能进行的困难，又可针对不同目的（验证、测试、设计、纠错和创新等）进行训练，培养学生分析、应用和设计的能力。基于Multisim的虚拟仿真系统也有利于教师不断改进教学内容，提高教学效果，使学生在掌握基础知识外，能更有效地发挥其自主学习能力，开发了学生的创新潜力。但它只能辅助数字电路教学，而不能完全代替理论和实验教学，还需要在今后的实际教学中扬长避短，不断完善。

参考文献：

[1]杨春玲主编.数字电子技术基础.高等教育出版社，2011.

[2]王连英主编.《基于Multisim 10的电子仿真实验与设计》.北京邮电大学出版社，2009-08.