虚拟仿真在数字逻辑电路实验教学中的应用_夏琬娇.pdf

2023.06ELECTRONICS QUALITY虚拟仿真在数字逻辑电路实验教学中的应用夏琬娇，郭悦，鲁小利（燕京理工学院信息科学与技术学院，河北 廊坊065201）摘 要：数字电路与逻辑设计 是电子信息类专业重要的基础性课程之一，具有概念抽象和逻辑严密等特点。其中，课程中的组合逻辑电路和时序逻辑电路内容涉及的电路模块较多，具有一定的复杂性。因此，如何帮助学生加深对理论知识的理解，增强对数字电子线路设计的感性认识是数字逻辑电路课程面临的重要问题。基于此，以实验教学授课实例为例，借助Multisim，探讨了虚拟仿真在数字逻辑电路实验教学中的应用。关键词：虚拟仿真；实验教学；数字逻辑电路；计数器；Multisim中国分类号：TP 391.99文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）06-0073-05doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.06.017Application of Virtual Simulation in Experimental Teaching of DigitalLogic CircuitXIA Wanjiao，GUO Yue，LU Xiaoli（School of Information Science and Technology，Yanching Institute of Technology，Langfang 065201，China）Abstract：Digital Circuit and Logic Design is one of the important basic courses for electronic information majors.Ithas the characteristics of abstract concept and strict logic.Among them，the content of combinational logic circuitsand sequential logic circuits in the course involves more circuit modules，which has a certain degree of complexity.Therefore，how to help students deepen their understanding of theoretical knowledge and enhance their perceptualunderstanding of digital electronic circuit design is an important issue facing the course of digital logic circuit.Basedon this，taking the experimental teaching as an example，the application of virtual simulation in the experimentalteaching of digital logic circuits is discussed with the aid of Multisim.Keywords：virtual simulation；experimental teaching；digital logic circuit；counter；Multisim收稿日期：2022-12-12修回日期：2022-12-14作者简介：夏琬娇（1993），女，河北张家口人，燕京理工学院信息科学与技术学院硕士研究生，研究方向为信号与信息处理。0引言数字电路与逻辑设计 作为一门学科与专业技术基础性课程，将理论与实践相结合，以培养学生数字逻辑电路的分析和设计能力为核心，重在激发学生对计算机在嵌入式方向应用的兴趣，增强学生工程实践技能。然而，传统的“面板插线”实验教学方式不够灵活，不仅受限于学生的动手操作能力，还受到诸如实验时间、实验地点和实验设备等实验条件的影响。随着科技信息化的不断深入，虚拟仿真技术以低成本、高精度等优点在高等学校电子类课程实验教学中得到了广泛的应用1，这为解决学生在硬件知识的学习时间和学习空间上受限制提供了办法。此外，应用Simulation Technology仿真技术73ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY线上实验教学模式，替代学生在实验室中的实际操作实验，同样能获得良好的实验教学效果，为其他课程的实验教学改革提供经验1。基于此，本文将虚拟仿真实验纳入 数字电路与逻辑设计 实验教学中，采用电子电路仿真软件Multisim对数字逻辑电路传统实验进行移植仿真教学2。借助设计性实验，即以用同步二进制加法计数器74LS161和四二输入与非门74LS00组成八进制加法计数器为例，详细地阐述了Multisim在数字电路与逻辑设计 中的应用。1Multisim仿真软件Multisim14.0是一款以Windows为基础的电子电路仿真工具，适用于板级的模拟或者数字电路板的仿真与设计工作1。该软件具有直观的图形界面、丰富的元器件、强大的仿真能力、丰富的测试仪器、完备的分析手段和方便的人机交互等特点2，用户可以根据实际调取所需元器件，并且可根据自己的需求对调取元件的参数进行修改3。Multisim仿真软件在 数字电路与逻辑设计实验教学中的引入，可以成功地将抽象的理论较为形象地显示出来，激发学生的学习兴趣，提高学生分析问题、解决问题和实践应用的能力3-4。2实验体系内容框架虚拟实验仿真模块旨在提高学生的实际动手能力和技术应用能力，最终培养学生分析问题、解决问题和创新的能力。实验教学体系主要分为验证性实验、设计性实验和综合创新设计性实验3种。其中，验证性实验主要涉及了诸如门电路、存储单元以及常用的中规模集成组合电路、集成时序电路的功能测试等基本实践教学内容，并力求突出基本实验知识和基本实验技能的重要性。设计性实验主要是指一些不再固定具体的实验步骤，电路规模相对较小，可以由学生自主查阅资料，独立完成设计、功能验证等过程的实践教学内容，如利用三线-八线译码器74LS138或数据选择器74LS151设计“交通灯故障检测器”，利用74LS161和74LS90集成芯片设计N进制计数器等从而锻炼学生利用所学数字逻辑电路知识解决实际问题的能力5。综合创新设计性实验用于考核学生的综合应用能力，其涉及的电路规模一般相对较大，如汽车尾灯控制器、简易秒表设计和智力竞赛抢答器设计等。3基于Multisim的八进制加法计数器设计3.1 计数器存储单元D触发器数字电路按逻辑功能和电路结构的不同特点来划分可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路62类。时序电路的特征是输出不仅和当前的输入有关，而且也和以前的状态有关7。换句话说，即使当前的输入是相同的，但由于以前的状态不同，输出也可能不同。综上所述，考虑到时序逻辑电路需要具备记忆功能，即能够记录以前的状态，以锁存器和触发器为主的存储电路对时序逻辑电路来说是必不可少的。时序逻辑电路的结构框图如图1所示。锁存器和触发器是构成各种时序逻辑电路的存储部件，其均具有0和1这2种能自行保持的稳定状态，即一旦状态被确定，就能自行保持一位二进制码，直到有外部信号作用时此二进制码才有可能改变8。锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态，而触发器则是一种对脉冲边沿敏感的存储电路，它们只有在作为触发信号的时钟脉冲上升沿或下降沿的变化瞬间才能改变状态9。对于计数器的存储单元，本文主要介绍D触发器，并采用上升沿触发的双D触发器74LS74完成异步置位、异步复位功能测试和集成D触发器逻辑功能测试。a）异步置位和复位功能测试在芯片上任选一个D触发器，将置1端Sd和置0端Rd分别接数字电路实验箱上的2个逻辑开关；CP和D端处于任意电平，输出端Q、Q分别接数字电路实验箱上的2个状态显示二极管。按照表1，对应Sd和Rd的各种情况（Sd=Rd=0除外），观察并纪录图1时序逻辑电路的结构框图742023.06ELECTRONICS QUALITY输出端Q和Q的状态。b）逻辑功能测试对应触发器的不同初态，在D为“1”或“0”状态下，观察CP作用前后触发器输出端Q的状态与D端输入信号之间的关系。具体步骤如下：1）CP、D端接逻辑开关，Sd、Rd、Q端位置同上；2）CP为0，先将触发器置“1”（Sd端接低电平，Rd端接高电平），然后使D为“0”，观察触发器是否翻转（输出端Q的状态），记录数据1；3）D仍为“0”，Sd端和Rd端均接高电平，CP加单正脉冲（逻辑电平0变逻辑电平1），观察输出端Q的状态，记录数据2；4）CP由高电平（逻辑1）变低电平（逻辑0），观察输出端Q的状态，记录数据3；5）CP为“0”，先将触发器置“0”（Rd端接低电平，Sd端接高电平），然后使D为“1”，重复上述过程，记录数据46，集成D触发器逻辑功能测试结果如表2所示。c）实验结果基于Multisim的集成D触发器实验仿真电路图如图2所示。此图展示的是异步置位功能，即当Sd端接低电平，Rd端接高电平时，输出端Q的状态都为“亮”（逻辑1），无论时钟脉冲CP和数据输入端D如何变化，都对结果没有影响。由Multisim仿真得到的实验结果数据如表34所示。3.2 八进制加法计数器设计计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可用来计算脉冲数，还常用来实现定时、分频、执行数字运算和其他特定的逻辑功能，是数字系统中应用得最广泛的时序逻辑部件之一9-10。在数字逻辑电路中，集成计数器与适当的逻辑门电路相互连接可以组成任意进制的计数器。用N进制集成计数器构成M进制计数器时，如果MN，则只需一个N进制集成计数器，如果MN，需将多片N进制计数器级联9。MN情况下构成任意进制计数器的方法是指在N进制计数器的顺序计数表1集成D触发器异步置位和复位功能测试结果表SdRdQQ011011表2集成D触发器逻辑功能测试结果表DCPQn+1Q初始状态00数据1Qn=1100数据201数据310数据4Qn=011数据50数据6图2集成D触发器实验仿真电路图表3集成D触发器异步置位和复位功能测试结果表SdRdQQ0110100111QQ表4集成D触发器逻辑功能测试结果表DCPQn+1Q初始状态001Qn=11000010100Qn=011101Simulation Technology仿真技术75ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY过程中，设法使之跳越N-M个状态，从而得到M进制计数器，其中又包括反馈清零法获得任意进制计数器和反馈置数法获得任意进制数两种方法。在教学过程中，为了帮助学生深入地理解同步计数器和异步计数器的工作原理和设计方法，鼓励学生学习用集成计数器组成任意进制计数器的方法并用Multisim测试其逻辑功能。本文以用一片同步二进制加法计数器74LS161和一片四二输入与非门74LS00构成异步清零八进制加法计数器为例来进行说明。3.2.1同步二进制加法计数器74LS161同步二进制加法计数器74LS161引脚排列如图3所示，功能如表5所示。3.2.2四二输入与非门74LS00四二输入与非门74LS00的引脚图如图4所示。74LS00内部有4组与非门，学生可以根据实际需要选取其中一组或几组进行使用。VCC接+5 V，GND接“地”。3.2.3异步清零八进制加法计数器a）八进制加法计数器示意图74LS161构成八进制加法计数器示意图如图5所示。b）八进制加法计数器仿真示意图按图5在Multisim仿真软件上画出所设计八进制加法计数器的连线图，如图6所示，输出端Q3Q2Q1Q0接状态显示探针，观察各探针的输出状态，并将实验数据结果记录于表6中。c）实验结果八进制计数器包含8个状态，即S0S1S8。电路从全0状态S0开始计数，将其接收了8个脉冲后的状态S8译码后作为清零信号，送到计数器图3 74LS161引脚图表5 74LS161功能表图4 74LS00引脚图图5八进制加法计数器示意图图6八进制加法计数器仿真示意图输入输出清零预置使能时钟预置数据输入计数进位CRPECEP CETCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0TC00000010D3D2D1D0D3D2D1D0*110保持*110保持*1111计数*762023.06ELECTRONICS QUALITY的异步清0端，则计数器立即返回S0（即：S8=1 000仅存在极短的瞬间，不包含在稳定的循环中），从而跳过N-M=16-8=8个状态，得到八进制计数器。4结束语本文以用同步二进制加法计数器74LS161和四二输入与非门74LS00组成八进制加法计数器为例，将Multisim仿真软件应用到 数字电路与逻辑设计 实验教学中。在实验仿真过程中，学生学习兴趣浓厚、课堂参与度较高，不仅实现了理论知识和实践能力的双重学习，还体现了做中学、学中做的教学理念，有效地提高了学生的学习效率，锻炼了学生的电路设计能力与实践能力。参考文献：1崔 金实，张卓.基 于 虚拟仿 真的 线 上实 验 课教 学研究以数字电路与逻辑设计实验课为例J.长春工程学院学报（社会科学版），2020，21（2）：103-107.2冼进，赖晓铮.基于Multisim仿真数字逻辑实验教学改革J.实验室研究与探索，2019，38（9）：228-232；297.3张辉，何春燕，王玮.Multisim在模拟电路和数字电路课程中的应用J.电子制作，2021（4）：17-19.4钟斌，曾超.Multisim仿真在数电实验教学改革中的应用J.当代教育理论与实践，2016，8（4）：62-65.5张雅楠，张姗姗.以能力培养为导向的数字系统与逻辑设计实验教学改革J.电脑知识与技术，2019，15（34）：122-123.6史占花，何丽娟，梁小青，等.基于Multisim10.0的组合逻辑电路分析与仿真研究J.电子世界，2022（2）：66-68.7郭玲，何峰.基于同步时序逻辑电路设计的数字逻辑教学实例设计J.电脑知识与技术，2021，17（26）：211-212；222.8张学文，司佑全.Multisim13仿真软件在触发器中的应用分析J.湖北师范大学学报（自然科学版），2021，41（3）：93-98.9白彦霞，赵燕，陈晓芳.数字电路与逻辑设计M.北京：清华大学出版社，2021.10张学文，司佑全.关于74LS90计数器的Multisim仿真分析J.湖北师范大学学报（自然科学版），2020，40（2）：74-81.表6八进制加法计数器的状态表计数脉冲CP数二进制码对应的十进制数Q3Q2Q1Q0000000100011200102300113401004501015601106701117810008Simulation Technology仿真技术77