Multisim软件在《数...基础》课程教学中的应用探究_姚吉鑫.pdf

本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)Multisim软件在 数字电子技术基础 课程教学中的应用探究姚吉鑫，鲁世斌，童小伟，杨金（合肥师范学院 电子信息与电气工程学院，安徽 合肥 230061）摘要：文章讨论了Multisim仿真软件在 数字电子技术基础 课程教学中的应用，通过对译码器、二十四进制计数器和555触摸定时开关电路的设计与仿真，使学生能够掌握电路的工作原理以及如何设计电路参数，激发学生对电路分析与设计的学习兴趣，调动学生学习主动性，培养学生动手能力和创新能力，提升课堂教学效果。关键词：Multisim；数字电子；译码器；计数器中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)06-0160-02开放科学（资源服务）标识码（OSID）：1 引言数字电子技术基础 是电子信息类、计算机类、电气工程类及通信类等专业的重要必修基础课程，具有较强的理论性和实践性1,2。通过对该课程的学习，可以让学生获得数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能；掌握数字电路的分析和设计方法；培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力；培养学生工程设计观念，为进一步从事学术研究和工程应用奠定基础。数字电子技术基础 课程理论抽象，实践性强，知识点丰富，各高校教师对该课程的教学方法和教学模式改革层出不穷2。随着信息技术的发展，计算机技术已经应用到各个领域，尤其是现代课程教学中，通过电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)软件，如 Quartus II3、Proteus4、Multisim5、Vivado6等对数字电子技术教学中的电路进行仿真测试，解决传统课程教学方式不能够满足当代课堂教学要求，可以将枯燥、抽象的内容生动、形象地展示出来，使得学生更加容易理解课程内容。笔者通过近年来对 数字电子技术基础 课程教学，发现学生对该课程的基础理论知识掌握不牢固，动手实践能力较弱。为提高教学效果，根据 数字电子技术基础 课程教学内容，搭建了14个仿真教学案例，如表1所示，重点对教学设计、教学方法、教学内容进行优化，建立了课前“预习”，课中“理论+仿真”和课后“实践”三位一体的教学模式。在具体实施过程中，由于学生之前很少有机会接触此类EDA仿真软件，初次使用的时候会出现操作不当现象，但通过结合微课视频的学习，大部分学生可以很快掌握软件的使用，能够正确搭建相关电路并进行仿真。本文主要以译码器、计数器和555触摸定时开关电路设计与仿真案例介绍Multisim软件在 数字电子技术基础 课程中的应用。表1 教学案例教学内容组合逻辑电路案例实现逻辑电路案例555定时器教学案例1、常用门电路的功能及其验证2、半加器和全加器设计及其仿真3、译码器设计及其仿真4、编码器设计及其仿真5、数值比较器设计及其仿真6、数据选择器设计及其仿真7、数码寄存器设计及其仿真8、双向移位寄存器设计及其仿真9、74LS194串并行转换设计及其仿真10、序列信号发生器设计及其仿真11、计数器设计及其仿真12、施密特触发器原理及其仿真13、触摸定时开关电路设计与仿真14、多谐振荡器原理及其仿真2 译码器设计及其仿真译码器（Decoder）是多路输入多路输出组合逻辑电路器件，通常可分为：变量译码器和码制译码器两类。变量译码器即二进制译码器，码制译码器即非二进制译码器，两者区别在于二进制译码器输出信号数量等于2n，n输入地址线的数量，码制译码器则不相等。常见的二进制译码器有74LS138、74LS139等，码制译码器有74LS42、74LS48等。显示译码器属于码制译码器，主要将二进制数转换成对应的七段码，可用来驱动LED数码管。表2为设计的3线-8线译码器功能表，当选通端-ST=1时，译码器输出全部为低电平0；当-ST=0时，地址线A2A1A0从000变化到111，译码器输出Y0到Y7轮流出现高电平1。收稿日期：2022-08-18基金项目:安徽省自然科学基金项目（2008085MF217）；安徽高校自然科学研究项目（KJ2021A0907）；教育部产学合作协同育人项目（202101244020）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2021jxtd233、2021jyxm1220）作者简介:姚吉鑫（1992），男，安徽滁州人，博士，讲师，主要研究方向为微电子。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.6,February2023160DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0290信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)表2 3线-8线译码器功能表ST100000000A200001111A100110011A001010101Y0010000000Y1001000000Y2000100000Y3000010000Y4000001000Y5000000100Y6000000010Y7000000001由功能表1，可得译码器各输出逻辑表达式：Y0=-ST-A2-A1-A0=-ST-A2-A1-A0Y1=-ST-A2-A1A0=-ST-A2-A1A0Y2=-ST-A2A1-A0=-ST-A2A1-A0Y3=-ST-A2A1A0=-ST-A2A1A0Y4=-ST A2-A1-A0=-ST A2-A1-A0Y5=-ST A2-A1A0=-ST A2-A1A0Y6=-ST A2A1-A0=-ST A2A1-A0Y7=-ST A2A1A0=-ST A2A1A0根据逻辑表达式，可以画出由非门和与非门构成的3线-8线译码器电路，如图1所示。3线-8线译码器的仿真结果如图2所示，可以看出，当A2A1A0=000时，输出Y0=1，其余输出均为0，因此只有Y0对应的指示灯亮，其余指示灯灭，与功能表2所描述相一致。图1 3线-8线译码器电路A2A1A0000001010011Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A2A1A0100101110011Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7图2 3线-8线译码器仿真结果3 计数器设计与仿真计数器（Counter）属于时序逻辑电路，通常用于脉冲计数，以实现测量、计数和控制等功能，也可用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。计数器通常由基本计数单元（触发器）和控制门（门电路）构成，计数单元主要包括RS触发器、D触发器、T触发器和JK触发器，门电路主要由与非门和或非门等构成。常用的集成计数器有74LS160、74LS161、74LS290等7，利用现有的集成计数器，可以搭建出任意进制计数器。图3为由四位二进制74LS161构成的24进制计数器。根据74LS161的功能，利用置数法，可将计数器U1和U2先构造成十进制计数器。当计数器U1和U2的输出分别为1001时，与非门U3和U4的输出为0，然后通过置数使得计数器 U1 和 U2 跳过 1010、1011、1100、1101、1110和1111状态。此外与非U4的输出作为计数器U2的时钟信号，从而将十进制计数器扩展为100进制计数器，然后再通过整体清零可以将100进制计数器构成任意进制计数器。当计数器U1和U2的输出分别为0100、0010时，与非门U5的输出为0，此时计数器U1和U2立即清零，因此实际的BCD显示器输出为00-23，完成二十四进制计数器功能。通过本案例仿真，可以使学生掌握置数法和清零法构建不同模值的计数器，熟练掌握集成计数器芯片的使用。U2QA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC5.0VCLK20Hz U1QA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U3U4U574LS16174LS161图3 74LS161构成二十四进制计数器4 555触摸定时开关电路设计与仿真555 定时器(LM555CN)、继电器(EDR201A05)、示波器(XSC1)以及电阻电容等元件构成555触摸定时开关电路，如图5所示。LM555CN芯片构成单稳态触发器8。U1LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC5.0VR150k?C110FS1Key=Space VCC5.0VC20.1FXSC1ABExt Trig+_+_KK1EDR201A05V1220V L1D1图5 555触摸定时开关电路当开关S1接地时，输入引脚2为低电平，此时引脚3输出高电平，使得继电器吸合，从而点亮220V电路中的灯泡L1。当开关S1接地时，输入引脚2为低电平，电容C1上电压上升至电源电压的2/3(3.33V)时，555定时器第7脚通过内部晶体三极管使C1放电，第3脚输出由高电平变到低电平，继电器释放，电灯L1熄灭，定时结束。继电器断电时线圈会产生感应电动势，并接的二极管起到保护电路的作用。定时时长由R1、C1决定：T1=1.1R1*C1。（下转第164页）161本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)能竞赛，一方面提升了学生的专业技能，另一方面也锻炼了他们的团结合作能力及勇于挑战困难的决心。3.5 改革评价体系目前课程对学生的评价通常是过程性考核和期末考核相结合，在推进课程思政建设后，云计算技术基础课程拓宽了过程性考核的维度，重视每个模块、每节课中课程思政内容的考核评价，将学生在理论学习和综合实践中进行分析问题、解决问题过程中呈现出的行为方式、情感态度、价值观念纳入考核范围，课程的思政考核点（如表1所示）。为保证考核的客观性和公平性，在过程考核中让学生也参与进来，考核结果中把学生的自我评价、相互评价和小组评价纳入进来，凸显教学以学生为中心，加强学生之间的相互督促相互激励作用，增强他们的集体荣誉感和团队合作意识。4 总结反思课程思政是立德树人目标融入职业教育的重要途径，作为云计算专业方向的先导课程，云计算技术基础融入课程思政在培养学生对云计算专业的兴趣、立志致力云计算领域发展方面有重要的意义。本文结合本科职业教育定位，首先从课程思政框架上厘清课程的理论内容和实践环节与思政元素的映射关系，然后从教师意识、教材建设、融入方法、第二课堂及评价体系几个方面详细阐述了课程思政具体推进实施措施，对学生的爱国情怀、工匠精神、团队合作和开放进取等精神形成有重要的引领作用。从三个教学周期的实施反馈情况看，云计算技术基础课程的课程思政教学模式得到了学生的认同，被选为校课程思政建设示范课程。通过对三个教学周期的课程实施过程复盘，我们也发现了一些不足有待后续教学过程中改进，首先是要加强课程之间的联动，加强云计算专业方向的课程之间课程思政资源共享，从专业层面统筹课程思政规划和实施，形成多门课程的协同育人思政格局；其次是课程思政建设“长效性”考虑不足，应对教师能力提升、课程资源开发制定一个长期目标和计划。今后将继续在课程思政建设方面探索研究，推进云计算技术基础课程质量的提升，培养符合新时代产业要求的云计算专业方向人才。参考文献：1 刘宝民,金正连.关于职业院校推进课程思政建设的思考J.中国职业技术教育,2021(12):105-108.2 那俊,李丹程.课程思政在计算机类课程中的探索与实践J.中国大学教学,2021(3):48-51.3 岳斌,孙玮,汪美霞,等.计算机组成原理与设计课程思政教学改革与实践J.计算机教育,2022(7):117-121.4 李文