【摘要】

《数字电路》课程的教学目标是在分析数字电路逻辑功能的基础上，能应用典型集成芯片设计出满足功能要求的数字电路，培养学生分析、解决数字电路相关问题的能力。本文重点介绍Logisim这款软件在《数字课程》教学改革方面的应用。Logisim是一款非常实用的数字逻辑电路仿真软件，它具有“免费、易学、可开发”等特点，在教学过程中作者应用Logisim软件完成《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》学习任务，提高了数字电路课程的教学效果。

1《数字电路》课程教学中存在的问题

《数字电路》作为电类专业的一门专业基础课，通过学习各种逻辑门电路、集成芯片的功能及应用，使学生在分析数字电路逻辑功能的基础上，能应用典型集成芯片设计出满足要求的电路。在传统教学中为了达到上述教学目标，需要学生在明确电路控制要求的基础上，按照设计步骤自己绘制逻辑电路图，通过在数字电路实验箱等实验设备上按图搭建电路的方式对设计结果进行检验。由于实验箱是一种定制设备，缺乏功能的可扩展性，导致不能满足电路调试要求。此外，数字电路实验箱在使用过程中，还会因操作不到产生安全隐患或设备损坏等实际问题，这些都会引起学生对电路功能造成错误的分析和判断，影响电路的设计结果。

随着计算机虚拟仿真技术在课堂教学中的应用，学生通过软件对数字电路的设计过程逐步仿真，在保证操作安全的同时也实现了数字电路教学内容的具体化、形象化，较好的解决了传统教学方式下《数字电路》课程学习中存在的问题。但是，由于国内的仿真软件主要使用商业软件实现，如NI公司的EWB、Multisim、ELVIS和Labcenter Electronics公司的Proteus等，这些正版软件在使用时都存在软件授权以及费用问题，给课堂教学的前后延伸带来了困难。

经过长期寻找、分析和比较之后，作者发现Logisim软件是最适合教学的数字电路模拟仿真软件，它拥有分层电路和大型组件库，应用于《数字电路》课程的教学实践取得了较好的教学效果。与其他仿真软件相比，Logisim软件主要具有如下特点:

1.免费。Logisim是一款完全免费的软件，不存在商业软件的授权和费用问题;

2.易学。Logisim功能简单，与商业软件相比易学易用，学习周期短。特别是其主要针对数字逻辑电路的仿真，符合《数字电路》课程的教学需要。初学者在软件的操作指导下就可以轻松入门，易于激发学生的学习兴趣。

3.可开发。Logisim的操作界面清晰、直观并允许使用者进一步开发。用户可以根据实际需要设置元器件的尺寸、放置方向、输入端口数量、数据位数等参数，也可以根据不同设计需要自己建立元件库。

具备了以上3个特点，Logisim成为《数字电路》课程中首选的仿真软件，其丰富的功能完全能够胜任《数字电路》课程教学的需要。

2Logisim仿真软件在学习任务《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》中的应用

为了具体的说明Logisim软件在《数字电路》教学中发挥的作用，接下来以教学项目《智能抢答器电路设计与调试》中的学习任务《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》为例进行介绍。

?传统教学中学生完成《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》这一学习任务，主要采用以理论设计为主，试验箱搭建为辅的方式，学习过程为:

(1)分析电路要实现的逻辑功能，定义输入、输出变量并赋值;

(2)在工作页上列写真值表;

(3)在工作页上写出输出逻辑函数表达式并化简;

(4)绘制逻辑电路图;

(5)在数字电路实验箱上搭建电路并调试。

而采用Logisim软件完成该学习任务的过程如图1所示:

图1 应用 Logisim完成《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》流程图

Logisim软件在教学中的应用，实现了理实“双一”，即:理论学习与实践操作一体，仿真过程与教材的设计步骤一致，使学习目标更加明确。学生从繁琐的理论分析转变为轻松的实践操作，每一个设计步骤要实现的功能更加清晰明确，为后续内容的学习打下良好的基础。

?应用Logisim软件完成 《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》的实施过程。

(1)定义电路输入、输出逻辑变量(Define the Inputs and Output tabs)，如图2(a)所示。

图2(a) 定义电路输入、输出逻辑变量

图2(b) 创建真值表

图2 定义变量并创建真值表

Logisim软件可以根据需要定义输入变量为a、b，输出变量为X,Y，对已定义的输入输出变量可以改变顺序及移除。

(2)创建真值表，根据电路功能设定参数。(Edit the Truth table)，如图2(b)所示。

在电路设计过程中，列写真值表是非常重要的一个环节。它反应了电路中输入与输出变量之间的逻辑功能。Logisim软件根据已经定义的输入输出变量自动生成真值表，学生则需要根据控制要求，通过鼠标操作实现对输出变量逻辑状态的设定。

(3)生成电路输出逻辑函数表达式(Creating expressions)，对输出逻辑函数进行化简(Karnaugh map)，如图3所示。其中图3中的左图是生成电路输出逻辑函数表达式(标准与或式)，右图是对输出逻辑函数进行化简。

图3 生成输出逻辑函数表达式并化简

Logisim软件可以根据真值表中输入输出的关系，生成输出逻辑函数表达式。图3中生成的表达式为X=ab,Y=ab 。学生在此过程中要对照检查结果是否正确，对存在问题的逻辑函数表达式进行更改或者清除。该软件采用Karnaugh map对生成的逻辑函数进行化简，并可以通过Format标签选择化简最小项1还是最大项0，通过红色标记显示化简过程，最终的结果显示在Karnaugh map下方。

(4)创建电路原理图(Generating a circuit)，启动软件仿真，检查电路逻辑功能，如图4所示。

图4 创建电路原理图并进行仿真

在仿真过程中通过单击鼠标改变电路输入信号的逻辑状态。Logisim根据所得到的真值表、卡诺图和逻辑表达式设计出功能相同而结构不同的电路，以满足实际的需要。例如:图4的左图中原理图1电路是由基本逻辑门电路构成的两路智能抢答器电路。原理图2电路是由两输入与非门构成的两路智能抢答器电路。

电路仿真过程中输入和输出的逻辑状态直接用0或1显示，使原本枯燥的电路功能分析变为直观可见的结果，便于学生记录仿真数据，自行检验设计的电路是否满足功能要求，也有利于学生进一步理解数字电路中正逻辑的含义。

此外，Logisim软件仿真过程中通过导线颜色的改变，提供信号状态信息以及功能错误提示。学生只要了解不同颜色的导线代表的意义，就可以在仿真过程中根据颜色的提示及时改进电路参数，保证设计电路的正确性。例如:深绿色导线表示信号状态为逻辑0;浅绿色导线表示信号状态为逻辑1;红色导线表示线路逻辑状态错误;橙色导线表示组件的信号宽度不匹配;灰色导线表示导线的位宽未知;蓝色导线表示高阻抗值;黑色导线表示线路携带多位值等。

3Logisim仿真软件在《两路智能抢答器组合逻辑电路设计》学习任务中的应用效果

通过Logisim软件的应用，学生普遍感到《数字电路》课程学习的难度降低了，简单易学的软件操作方式对于激发学生的学习兴趣，提升课堂教学质量起到了积极的作用。面对电路设计等知识点的学习学生不再感到茫然和无从下手。Logisim软件全英文操作界面，有利于学生在学习数字电路专业知识的同时，学习相关的专业名词，提升专业英语应用能力，也为后续其他仿真软件的使用打下良好的基础。对于软件使用过程中遇到的问题，小组同学通过查阅软件自带的帮助手册可以获得详细解决方法，有利于学生保持对该软件使用兴趣的持续性和有效性。

总之，“免费、易学、可开发”的Logisim软件解决了传统教学以及商业软件使用带来的一些问题，通过虚拟仿真和现实之间的迁移将理论知识与实践内容紧联系在一起，拓展了学生的思维能力、动手实践能力和分析、解决问题的能力。在后续教学中笔者将在该软件与课程教学内容如何更好的应用上不断探索，总结经验，为课程建设及提升自身科研能力和教学水平不断努力。

本文作者:陈晓婷

作者单位:上海电子工业学校

文章来源：《数字技术与应用》 网址: http://www.szjsyyyzz.cn/zonghexinwen/2020/0529/343.html