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摘要:数字电子技术实验是“数字电子技术”课程不可缺少的实践环节,通过验证性、提高性、设计性和综合性四个层次的实验,不仅可以使学生对理论课加深理解,而且可以提高学生分析、解决实际问题的能力。Multisim是一种功能非常强大的电路仿真软件,通过举例, 说明在实验教学中如何运用仿真软件进行数字电路的分析和设计。
关键词:数字电路;实验教学; Multisim;仿真
作者简介:曹俊琴(1978-),女,山西太原人,太原科技大学电子工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电子技术教学、智能控制;高文华(1967-),女,山西繁峙人,太原科技大学电子工程学院,教授,太原理工大学信息工程学院博士研究生,主要研究方向:电子技术教学、智能信息处理。(山西 太原 030024)
基金项目:本文系山西省教学研究项目“电子技术教学内容的整合与实验中心管理模式的改革”(项目编号:晋教高[2005]19号)的研究成果。
数字电子技术实验是电气、电子、通信、自动化等专业在电子技术方面的技术基础实验课。通过实验,要求学生掌握电子技术方面的基本理论、基本知识、基本实验技能,培养学生分析、解决实际问题的能力。电路仿真软件Multisim具有强大的分析、仿真功能,将该软件引入实验教学中,能够开发出满足不同层次学生要求的教学实验,对提高学生的综合分析能力和开发创新能力有重要作用。
一、数字电子技术实验教学方法探讨
为突出实验课程的重要性,太原科技大学(以下简称“我校”)电子技术实验从理论课中分离出来,独立设课,开设32学时,有单独的考核方式,有独立的学分,并且理论课老师必须兼任实验课,确保理论联系实际,大大提高了课堂教学效果。同时,我校数字电子技术实验课采用验证性、提高性、设计性和综合性四个不同层次的实验教学模式。第一个层次是验证性实验,内容包括常见元器件的逻辑功能测试及一些简单的应用,给出学生实验目的、实验电路、所用仪器设备、实验内容及步骤、思考题等;第二个层次是提高性实验,内容主要是略为复杂一些的数字应用电路,学生已知实验电路和实验内容及要求,让学生独立完成实验步骤及测试方法的拟定,实验仪器设备的选择等;第三个层次是设计性实验,提出实验题目、内容及要求,让学生独立完成电路设计、元器件的选择、电路的安装和调试、拟定实验步骤和测试方法等;第四个层次是综合性实验,其内容综合了组合逻辑电路和时序逻辑电路的应用,也采用让学生自己设计电路的方法。实践教学证明,采用这四个层次的教学模式既体现了循序渐进的特点,又有利于因材施教和学生能力的培养。
上述传统的实验教学方法受实验室仪器设备、元器件品种、数量等方面的限制很大,此外,即便实验硬件条件满足,实验电路正确,但有时在实际操作过程中还是会受周围温度、环境等非人为因素的影响,在一定程度上束缚了学生积极性和创造力的发挥。目前,随着计算机仿真技术的发展,出现了越来越多的电路仿真软件,把这些先进的技术引入教学中来,逐步成为实验教学改革的大趋势。[1-2]
二、Multisim软件简介
Multisim是由加拿大Interactive Image Technologies Ltd推出的电路仿真和设计的应用软件,它主要包括Multisim(电路仿真设计软件)、VHDL/Verilog (编辑/编译工具)、Ultiboard PCB 设计和Ultirounte(自动布线工具),是一套功能强大、操作界面简单、运行速度极快和兼容性极好的EDA工具。作为以Windows为基础的仿真工具,Multisim自推出以来,以其丰富的仿真分析能力以及完整的电路原理图图形输入和电路硬件描述语言输入方式,成为电子学教学的首选软件工具。在数字电子实验中,引入Multisim软件能帮助学生快速且轻松地将刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来。对教学来说,Multisim所提供的强大功能与灵活性,让学生可以获得一个具有工业品质且易于使用的电路仿真工具所带来的好处。[3]
三、Multisim在实验电路的应用实例
下面以参考文献[4]和[5]中的电路为例,从四个层次阐述Multisim在数字电子技术实验中的应用。
1.验证性实验
用逻辑开关作为74LS138的输入信号,改变输入端CBA的逻辑开关状态(000～111),用0、1显示并记录输出端Y0～Y7的逻辑状态。
在Multisim中连接好电路如图1所示,改变开关的状态得到的结果如表1,仿真结果符合74LS138实际的逻辑功能。
2.提高性实验
由译码器和门电路构成的组合逻辑电路如图2所示,改变输入端CBA的逻辑开关状态(000～111),观察并记录输出端F1和F2的逻辑状态。列真值表,并指出此电路能够完成的逻辑功能。
经过仿真得到的结果如表2所示,从结果来看,此电路是一个全加器电路。
3.设计性实验
设有三台用电设备A、B、C和两台发电机组X、Y。X机组功率为10kW,Y机组功率为20kW。用电设备A用电量为15kW,设备B用电量为10kW,设备C用电量为5kW,三台用电设备有时同时工作,有时只有其中部分设备工作,甚至均不工作。试设计一个供电控制电路控制发电机组,以达到节电的目的。
由设计题目要求可以得到真值表,如表3所示,对应逻辑函数式为式(1)、(2)。
(1)
(2)
若用译码器74LS138实现此控制电路,得到的电路图如图3所示。
4.综合性实验
设计一个脉冲序列发生器,周期的产生脉冲序列11010110。通过本实验,要求学生进一步熟悉计数器、数据选择器等器件的用法,掌握脉冲序列发生器的设计方法。
因为脉冲序列的宽度为8位,所以要将计数器74LS160接成八进制的计数器,这里采用的是置数法。脉冲序列输出与计数器输出真值表如表4所示。采用数据选择器74LS151来实现,设计完成的电路如图4所示。可以通过逻辑分析仪输出波形来检测是否满足设计要求。
表4 综合性实验真值表
CP QC QB QA
CBA Y
0
1
2
3
4
5
6
7 0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1 1(D0)
1(D1)
0(D2)
1(D3)
0(D4)
1(D5)
1(D6)
0(D7)
通过仿真实验,使学生能深刻理解元器件测试原理及测试参数,在电路设计过程中,学生需要综合运用有关知识选择方案,合理选用器件,通过仿真得到设计结果,解决仿真过程中所出现的种种问题。
四、结语
教学实践证明,基于Multisim的数字电子技术实验教学是对传统实验教学方法很好的补充。但值得注意的是仿真实验教学只是一种虚拟的教学手段,不能完全代替实际操作,否则会减弱学生实际操作能力。因此必须将传统实验与仿真实验相结合,发挥各自的优点和长处,才能够更好地提高实验效果,激发学生兴趣,培养学生创新能力。
参考文献:
[1]李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用[J].浙江工业大学学报,2007,35(5):32-331.
[2]田建艳,夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践,2005,(6):54-55.
[3]张伟珊.Multisim7在模拟电路实验教学改革中的应用[J].现代电子技术,2008,(16):3-5.
[4]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5]毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
(责任编辑:刘辉)
关键词:数字电路;实验教学; Multisim;仿真
作者简介:曹俊琴(1978-),女,山西太原人,太原科技大学电子工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电子技术教学、智能控制;高文华(1967-),女,山西繁峙人,太原科技大学电子工程学院,教授,太原理工大学信息工程学院博士研究生,主要研究方向:电子技术教学、智能信息处理。(山西 太原 030024)
基金项目:本文系山西省教学研究项目“电子技术教学内容的整合与实验中心管理模式的改革”(项目编号:晋教高[2005]19号)的研究成果。
数字电子技术实验是电气、电子、通信、自动化等专业在电子技术方面的技术基础实验课。通过实验,要求学生掌握电子技术方面的基本理论、基本知识、基本实验技能,培养学生分析、解决实际问题的能力。电路仿真软件Multisim具有强大的分析、仿真功能,将该软件引入实验教学中,能够开发出满足不同层次学生要求的教学实验,对提高学生的综合分析能力和开发创新能力有重要作用。
一、数字电子技术实验教学方法探讨
为突出实验课程的重要性,太原科技大学(以下简称“我校”)电子技术实验从理论课中分离出来,独立设课,开设32学时,有单独的考核方式,有独立的学分,并且理论课老师必须兼任实验课,确保理论联系实际,大大提高了课堂教学效果。同时,我校数字电子技术实验课采用验证性、提高性、设计性和综合性四个不同层次的实验教学模式。第一个层次是验证性实验,内容包括常见元器件的逻辑功能测试及一些简单的应用,给出学生实验目的、实验电路、所用仪器设备、实验内容及步骤、思考题等;第二个层次是提高性实验,内容主要是略为复杂一些的数字应用电路,学生已知实验电路和实验内容及要求,让学生独立完成实验步骤及测试方法的拟定,实验仪器设备的选择等;第三个层次是设计性实验,提出实验题目、内容及要求,让学生独立完成电路设计、元器件的选择、电路的安装和调试、拟定实验步骤和测试方法等;第四个层次是综合性实验,其内容综合了组合逻辑电路和时序逻辑电路的应用,也采用让学生自己设计电路的方法。实践教学证明,采用这四个层次的教学模式既体现了循序渐进的特点,又有利于因材施教和学生能力的培养。
上述传统的实验教学方法受实验室仪器设备、元器件品种、数量等方面的限制很大,此外,即便实验硬件条件满足,实验电路正确,但有时在实际操作过程中还是会受周围温度、环境等非人为因素的影响,在一定程度上束缚了学生积极性和创造力的发挥。目前,随着计算机仿真技术的发展,出现了越来越多的电路仿真软件,把这些先进的技术引入教学中来,逐步成为实验教学改革的大趋势。[1-2]
二、Multisim软件简介
Multisim是由加拿大Interactive Image Technologies Ltd推出的电路仿真和设计的应用软件,它主要包括Multisim(电路仿真设计软件)、VHDL/Verilog (编辑/编译工具)、Ultiboard PCB 设计和Ultirounte(自动布线工具),是一套功能强大、操作界面简单、运行速度极快和兼容性极好的EDA工具。作为以Windows为基础的仿真工具,Multisim自推出以来,以其丰富的仿真分析能力以及完整的电路原理图图形输入和电路硬件描述语言输入方式,成为电子学教学的首选软件工具。在数字电子实验中,引入Multisim软件能帮助学生快速且轻松地将刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来。对教学来说,Multisim所提供的强大功能与灵活性,让学生可以获得一个具有工业品质且易于使用的电路仿真工具所带来的好处。[3]
三、Multisim在实验电路的应用实例
下面以参考文献[4]和[5]中的电路为例,从四个层次阐述Multisim在数字电子技术实验中的应用。
1.验证性实验
用逻辑开关作为74LS138的输入信号,改变输入端CBA的逻辑开关状态(000～111),用0、1显示并记录输出端Y0～Y7的逻辑状态。
在Multisim中连接好电路如图1所示,改变开关的状态得到的结果如表1,仿真结果符合74LS138实际的逻辑功能。
2.提高性实验
由译码器和门电路构成的组合逻辑电路如图2所示,改变输入端CBA的逻辑开关状态(000～111),观察并记录输出端F1和F2的逻辑状态。列真值表,并指出此电路能够完成的逻辑功能。
经过仿真得到的结果如表2所示,从结果来看,此电路是一个全加器电路。
3.设计性实验
设有三台用电设备A、B、C和两台发电机组X、Y。X机组功率为10kW,Y机组功率为20kW。用电设备A用电量为15kW,设备B用电量为10kW,设备C用电量为5kW,三台用电设备有时同时工作,有时只有其中部分设备工作,甚至均不工作。试设计一个供电控制电路控制发电机组,以达到节电的目的。
由设计题目要求可以得到真值表,如表3所示,对应逻辑函数式为式(1)、(2)。
(1)
(2)
若用译码器74LS138实现此控制电路,得到的电路图如图3所示。
4.综合性实验
设计一个脉冲序列发生器,周期的产生脉冲序列11010110。通过本实验,要求学生进一步熟悉计数器、数据选择器等器件的用法,掌握脉冲序列发生器的设计方法。
因为脉冲序列的宽度为8位,所以要将计数器74LS160接成八进制的计数器,这里采用的是置数法。脉冲序列输出与计数器输出真值表如表4所示。采用数据选择器74LS151来实现,设计完成的电路如图4所示。可以通过逻辑分析仪输出波形来检测是否满足设计要求。
表4 综合性实验真值表
CP QC QB QA
CBA Y
0
1
2
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5
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0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1 1(D0)
1(D1)
0(D2)
1(D3)
0(D4)
1(D5)
1(D6)
0(D7)
通过仿真实验,使学生能深刻理解元器件测试原理及测试参数,在电路设计过程中,学生需要综合运用有关知识选择方案,合理选用器件,通过仿真得到设计结果,解决仿真过程中所出现的种种问题。
四、结语
教学实践证明,基于Multisim的数字电子技术实验教学是对传统实验教学方法很好的补充。但值得注意的是仿真实验教学只是一种虚拟的教学手段,不能完全代替实际操作,否则会减弱学生实际操作能力。因此必须将传统实验与仿真实验相结合,发挥各自的优点和长处,才能够更好地提高实验效果,激发学生兴趣,培养学生创新能力。
参考文献:
[1]李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用[J].浙江工业大学学报,2007,35(5):32-331.
[2]田建艳,夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践,2005,(6):54-55.
[3]张伟珊.Multisim7在模拟电路实验教学改革中的应用[J].现代电子技术,2008,(16):3-5.
[4]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5]毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
(责任编辑:刘辉)