基于Multisim的數字電子技術實驗教學研究

基于Multisim的數字電子技術實驗教學研究 摘要】本文針對數字電子技術課程實驗教學中存在的問題，從改革實驗教學方法和手段出發(fā)，結合具體實例闡述了Multisim軟件在數字電子技術實驗教學中的應用。比照傳統(tǒng)實驗教學和引入軟件仿真的實驗教學效果，結果說明將仿真技術引入實驗，教學效果有較明顯的提高。利用Multisim軟件可靈活、高效地進行數字電路實驗設計，激發(fā)學生的學習熱情，可作為傳統(tǒng)實驗教學很好的教學輔助手段?！娟P鍵詞】數字電子技術;教學研究;仿真;Multisim“數字電子技術〞課程是電子工程及計算機等專業(yè)重要的專業(yè)根底課程之一，學生對該課程內容的掌握會直接影響后續(xù)課程的學習。數字電子技術實驗更側重于培養(yǎng)學生綜合應用所學知識分析問題和靈活解決問題的能力。然而，由于受元器件與硬件電路的限制，實驗的靈活性與實時性較差，直接影響了學生對概念的深入理解，削弱了學生理論與實際的有機聯系。近年來，隨著計算機軟件技術的飛速開展，“虛擬儀器〞、“虛擬器件〞被廣泛應用于電子電路的設計和實驗中。Multisim軟件因為其界面直觀、操作方便，仿真分析能力強等優(yōu)點，成為電類學科的首選軟件工具。1.基于Multisim的數字電子技術實驗Multisim軟件可以實現電路原理圖多種方式輸入、電路分析及交互式仿真、電路板設計、仿真儀器及射頻測試、集成測試、單片機設計仿真等高級應用，實現了“軟件即元器件〞和“軟件即儀器〞。將Multisim引入數字電子技術實驗可以為學生提供一個界面友好、直觀的模擬實驗環(huán)境，學生可方便地從元器庫中將需要的元件放置到工作區(qū)進行電路布局，通過鼠標輕點進行導線連接，完成電路原理圖的捕獲。Multisim所提供的虛擬儀器與真實儀器具有相同功能，仿真過程不受硬件限制，學生還可以在線修改電路參數，對電路進行測量、探測、故障排除工作、查看實時仿真結果，并將自己的仿真實驗結果分析、保存、打印，防止了實驗報告彼此借鑒、千篇一律。數字電子技術實驗可以分為三個層面：根底驗證型實驗、綜合型實驗、創(chuàng)新設計型實驗。對應不同難度實驗，教師可有針對性的對學生提出設計要求，由學生先通過軟件仿真選擇不同的設計方案自行完成預習。2.基于Multisim的教學實例探討組合邏輯電路的分析和設計是數字電子技術課程理論教學的重點，教師往往會過分強調邏輯函數式化簡，追求邏輯電路最簡化，對邏輯電路中存在競爭-冒險現象的教學不夠重視。這將導致學生在后續(xù)進行綜合、創(chuàng)新型實驗容易忽略這個問題，造成設計出的電路可靠性和穩(wěn)定性不夠。圖1有競爭-冒險現象的組合邏輯電路本文對競爭-冒險現象實驗教學實例展開分析。筆者將電子信息工程專業(yè)一個行政小班共38名學生分為兩組，每組各19名。其中A組不進行軟件仿真直接進入硬件實驗環(huán)境，B組要求先進行軟件仿真然后再搭建硬件電路。下文仿真實驗過程以B組其中一名學生的為例。搭建組合邏輯電路如圖1所示。A為信號輸入，Y為輸出信號，輸入、輸出均接至示波器，鍵盤上“A〞、“B〞控制鍵按鈕控制改變J1、J2切換開關的狀態(tài)。接入端接入1KH脈沖信號，通過對J1、J2開關控制，所得偏0、偏1冒險波形分別如圖2、圖3所示。圖2偏0冒險〔開關J1、J2向上閉合〕圖3偏1冒險〔開關J1、J2向下閉合〕圖4增加了冗余項后的電路圖5消除了競爭-冒險現象的輸出波形理論上來說，組合邏輯電路中消除競爭-冒險現象的方法有：增加冗余項、增加選通電路、加濾波電容等。該學生選擇在改進電路中增加冗余項，設計電路如圖4所示，所得輸入、輸出波形為圖5所示。學生通過對仿真結果可得出結論，加了冗余項能有效消除競爭-冒險現象。比照兩組學生之后的學習行為表現發(fā)現：〔1〕在實驗室硬件操作中，B組學生明顯對實驗過程及將出現的結果更有把握，學習也更加積極、自信，其中有47%〔9人〕的學生主動選擇用多種不同的設計方案?！?〕時隔兩周進入時序邏輯電路中關于競爭-冒險現象的講授時，B組學生中約有89%〔17人〕能很快聯系之前組合邏輯電路中關于競爭-冒險現象的講解，而A組學生中只到達63%左右〔12人〕。〔3〕后期實驗中讓學生在預習時自由選擇是否軟件仿真，幾乎所有的學生〔36人〕都選擇先用Multisim軟件進行仿真。以上教學效果比照可看出，Multisim仿真能給學生無畏的實驗環(huán)境，激發(fā)學生設計電路、動手操作的熱情，提高學生的電路分析能力和綜合應用能力，同時也可促進理論課的教學。3.結束語將Multisim軟件引入數字電子技術實驗仿真可為學生提供一個界面友好的模擬實驗環(huán)境，能有效激發(fā)學生學習的興趣，提高電子線路的開發(fā)能力，培養(yǎng)和開拓學生的創(chuàng)新思維。Multisim軟件還可與NI的ELVIS套件結合使用，軟件仿真后結合NIELVIS對電路軟件進行原型化，教師還可通過設置隱含故障讓學生排查、修正過失。因此，數字電子技術實驗課程引入Multisim軟件仿真能促進理論和實踐的有機結合，有利于提高實驗教學的效率和質量，可作為傳統(tǒng)實驗手段的有益輔助和補充。參考文獻【1】閻石等.數字電子技術根底〔第五版〕[M].北京：高等教育出版社，2021.【2】唐民麗，吳恒玉.Multisim2021在普電類實踐教學中的應用[J].計算機與信息技術，2021〔8〕：111-112.【3】謝斌盛，鄧文婷.Multisim在電類實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2021，28〔6〕：213-214.【4】劉高潮.基于數字電路競爭與冒險的仿真分析[J].網絡財富，2021，2：136-136.【5】劉亞梅，劉虹.改革實驗教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能[J].長春工業(yè)大學學報〔高教研究版〕，2021，24〔1〕：45-46.【6】ChiChungKo，BenM.Chen，ShaoyanHu，VikramRamakrishnan.AWeb-BasedVirtualLaboratoryonaFrequencyModulationExperiment[J].IEEETranscationsONsystems，man，andcybernetics.PartC，Applicationandreviews，vol.31，NO.3，AUGUST2021基金工程：南京郵電大學教改工程〔JG03314J61、JG03311J61〕。