Multisim仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

鄭寬磊?陳柳

摘要：介紹了Multisim仿真軟件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)八位并行數(shù)據(jù)輸入到串行數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)闡述了該軟件在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用，提出了一種仿真設(shè)計(jì)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：Multisim仿真軟件；數(shù)字電路；電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：鄭寬磊（1981-），男，湖北仙桃人，武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，講師；陳柳（1979-），女，湖北丹江口人，武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，講師。（湖北 武漢 430205）

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0166-02

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)高校工科電子類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的要求越來(lái)越高。尤其對(duì)“數(shù)字電子技術(shù)”這門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的電子類專業(yè)重要專業(yè)基礎(chǔ)課而言，其對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的要求尤其高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際能夠有效地訓(xùn)練、提高學(xué)生的動(dòng)手能力。傳統(tǒng)的純硬件實(shí)物電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于存在諸多弊病，不少學(xué)校已經(jīng)著手改革這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，采用仿真設(shè)計(jì)與硬件實(shí)物電路相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將虛擬電子仿真軟件Multisim應(yīng)用于電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生提供更加靈活方便的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的綜合動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

一、Multisim 軟件的特點(diǎn)

Multisim是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI，National Instruments）電子線路仿真軟件EWB（ElectronicsWorkbench，虛擬電子工作臺(tái)）的升級(jí)版。[1]它界面友好，簡(jiǎn)單直觀，軟件易學(xué)易用。它將原理圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試分析、結(jié)果的圖表顯示等全部集成到同一個(gè)電路窗口中?？梢苑抡婺M電路、數(shù)字電路和模數(shù)混合電路，具有和真實(shí)環(huán)境一致的可視化界面，整個(gè)操作界面就像一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，與實(shí)際操作幾乎相同，深受廣大教師、科研人員及電子設(shè)計(jì)工作者的喜愛(ài)。Multisim的基本特點(diǎn)有：

1.采用直觀的電路圖輸入方式

繪制電路圖所需元器件以及仿真所需儀器儀表均是由軟件方法虛擬，可直接從圖形界面的工作平臺(tái)上選取，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。

2.提供豐富的元器件庫(kù)

同時(shí)用戶也可以根據(jù)從生產(chǎn)廠商產(chǎn)品使用手冊(cè)中查到的元器件參數(shù)新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)，因此也很方便地在工程設(shè)計(jì)中使用。

3.強(qiáng)大的虛擬儀器功能[2]

不僅提供有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源等，而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器等。并且所有儀器都與實(shí)物相似，所有儀器都可以多臺(tái)同時(shí)調(diào)用，為電路的仿真提供了強(qiáng)大的保證。

4.完整的分析方法

提供了電路瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件線性和非線性分析等十幾種電路仿真分析方法，這些分析方法基本能滿足一般電路分析設(shè)計(jì)的要求。

二、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)舉例

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真前，首先需要對(duì)電路的工作原理有初步了解，明確實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)電路所描述邏輯功能所需要的模塊電路、每個(gè)模塊的具體功能，以及模塊之間的信號(hào)傳輸關(guān)系等等，了解這些后根據(jù)參數(shù)指標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)脑骷ㄟ^(guò)Multisim 軟件完成各模塊電路初步設(shè)計(jì)，然后經(jīng)過(guò)仿真觀察分析，邊選擇邊測(cè)試，邊修改邊比對(duì)，不斷從仿真的測(cè)試現(xiàn)象中分析判斷，直到設(shè)計(jì)出符合要求的電路。該實(shí)驗(yàn)電路要求設(shè)計(jì)一個(gè)在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)8位并行數(shù)據(jù)輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換電路，具體來(lái)說(shuō)分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)：

1.繪制電路原理圖

整個(gè)電路分為三個(gè)功能模塊：LMC555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖模塊、4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS163構(gòu)成的計(jì)數(shù)器模塊以及數(shù)據(jù)選擇器74LS151構(gòu)成的并轉(zhuǎn)串電路模塊。電路設(shè)計(jì)采用模塊設(shè)計(jì)的方法分塊設(shè)計(jì)。

第一個(gè)模塊，可根據(jù)其設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，選擇數(shù)字模擬混合型的中規(guī)模集成電路LMC555定時(shí)器，在其外圍配上標(biāo)稱電阻R1=4.7K、R2=5.1K、標(biāo)稱電容C1=0.1μF構(gòu)造一個(gè)多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，[2]根據(jù)理論公式T=0.7（R1+2R2）C1計(jì)算其振蕩頻率約為1KHz。

第二個(gè)模塊，要求在時(shí)鐘脈沖控制下將8位并行輸入的數(shù)據(jù)串行輸出，控制8位數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào)很明顯是以8個(gè)時(shí)鐘脈沖為一個(gè)循環(huán)周期，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)8 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，可選計(jì)數(shù)器很多，這里選擇一款常用4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，其輸出端QDQCQBQA的狀態(tài)從0000～1111可以看成兩組，分別為0000～0111和1000～1111，只需取其低三位QCQBQA作為輸出時(shí)即可構(gòu)成一個(gè)8進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器。將555定時(shí)器所產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)送入到74LS163 芯片的時(shí)鐘脈沖輸入端，則其低三位QCQBQA計(jì)數(shù)從000～111共8 種計(jì)數(shù)狀態(tài)輸出到下一個(gè)模塊中。

第三個(gè)模塊，要實(shí)現(xiàn)8位并行數(shù)據(jù)輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換，選用八選一的數(shù)據(jù)選擇器74LS151顯然是最合適的，將第二個(gè)模塊74LS163輸出的低三位QCQBQA分別與數(shù)據(jù)選擇器74LS151的3個(gè)地址輸入端（通道選擇信號(hào)）CBA相連，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路是在時(shí)鐘脈沖控制下，計(jì)數(shù)器的低三位QCQBQA循環(huán)產(chǎn)生從000～111這8種狀態(tài)，74LS151的地址輸入端CBA在接收到這循環(huán)的8種狀態(tài)后，可以將8個(gè)并行輸入的數(shù)據(jù)通道上的數(shù)據(jù)從D0～D7（10100010）依次送到151的輸出端Y，實(shí)現(xiàn)了在時(shí)鐘脈沖控制下，將8位并行數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換為串行輸出。

以上三個(gè)模塊的分步設(shè)計(jì)完成后，整個(gè)電路原理圖的設(shè)計(jì)就完成了。有了原理圖，利用Multisim豐富的元器件資源就可以很快找到所需器件，排放好元器件后對(duì)各元器件進(jìn)行連接，修改必要的元器件參數(shù)及屬性，并標(biāo)注相應(yīng)元器件標(biāo)簽，電路原理圖如圖1所示，即完成了原理圖繪制。

2.完成電路的仿真分析

Multisim軟件提供了充足的虛擬儀器對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，在數(shù)字電路仿真設(shè)計(jì)中常用到示波器、邏輯分析儀、字信號(hào)發(fā)生器和邏輯轉(zhuǎn)換器等等。本實(shí)驗(yàn)可以分兩部分仿真：第一個(gè)模塊部分，為加深對(duì)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的原理的理解和學(xué)習(xí)，這里可以用雙蹤示波器觀察555定時(shí)器的外圍充放電電容C1兩端波形，以及其輸出的脈沖方波信號(hào)波形，示波器仿真波形圖如圖2所示。由圖可見(jiàn)，方波信號(hào)的頻率約為1ms，周期約為1KHz，充電時(shí)間大于放電時(shí)間，仿真波形與理論分析及公式計(jì)算一致。

第二個(gè)模塊計(jì)數(shù)器和第三個(gè)模塊數(shù)據(jù)選擇器，可以使用邏輯分析儀對(duì)計(jì)數(shù)器的時(shí)序波形和數(shù)據(jù)選擇器串行輸出的波形一起觀測(cè)，邏輯分析儀仿真時(shí)序圖如圖3所示，設(shè)定數(shù)據(jù)選擇器74LS151的8位并行數(shù)據(jù)輸入端D0～D7=10100010。由圖3可知，在時(shí)鐘脈沖作用下，計(jì)數(shù)器74LS163的低三位QCQBQA循環(huán)計(jì)數(shù)產(chǎn)生000～111這8種狀態(tài)，假設(shè)計(jì)數(shù)初始狀態(tài)為000時(shí)，即151的通道選擇信號(hào)CBA=000，此時(shí)D0被選通，151的輸出Y=D0=1，來(lái)一個(gè)CP脈沖上升沿后，計(jì)數(shù)狀態(tài)加1變?yōu)?01，CBA=001，此時(shí)D1被選通，151的輸出Y=D1=0。同理，依次第7個(gè)脈沖到來(lái)后，計(jì)數(shù)狀態(tài)變111時(shí)，此時(shí)D7被選通，151輸出Y=D7=0，由仿真時(shí)序圖可以明顯看出151的八位并行輸入的數(shù)據(jù)10100010在時(shí)鐘脈沖控制下，來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿送出一位數(shù)，8位并行輸入的數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)的串行送出來(lái)，當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)8位數(shù)據(jù)全部送出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)并行輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換。

通過(guò)Multisim軟件平臺(tái)仿真設(shè)計(jì)的并轉(zhuǎn)串電路滿足設(shè)計(jì)要求，接下來(lái)按照仿真連線在實(shí)驗(yàn)箱或者面包板上進(jìn)行接線，采用這種先仿真后硬件實(shí)物電路相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可極大地節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。

三、Multisim應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

與基于Multisim仿真軟件的這種虛擬電路設(shè)計(jì)方法不同，學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)的純硬件實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一般都需要事先大量查找資料，理解原理，按照電路指標(biāo)要求估算元器件的具體參數(shù)，畫出粗略的硬件電路圖，在面包板或者實(shí)驗(yàn)箱上直接搭建硬件實(shí)物電路，同時(shí)也只能用實(shí)驗(yàn)室有限的示波器、頻率計(jì)和萬(wàn)用表等儀器儀表進(jìn)行觀察分析，實(shí)際操作中這樣的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)連線一般較多，若所選用芯片不合適，電路設(shè)計(jì)本身就存在問(wèn)題，或者哪個(gè)芯片有問(wèn)題，又或者哪一根線不通，有時(shí)候很難檢查出具體問(wèn)題，即便檢查出來(lái)可能硬件電路設(shè)計(jì)也要推到重來(lái)，那么在四個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難做出，通過(guò)本校最近幾年數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的情況觀察發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生往往會(huì)為了完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)直接照搬其他同學(xué)的電路設(shè)計(jì)或者要求老師直接給出可行的電路圖，然后只是機(jī)械按照硬件電路圖連線，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果是出來(lái)了，但大多這樣的學(xué)生即便實(shí)驗(yàn)做完了，可電路工作原理卻完全不懂，根本達(dá)不到通過(guò)開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、培養(yǎng)他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的目的。

相反，如果先用仿真軟件仿真，學(xué)生只需在了解基本原理后就可以選擇元器件在仿真軟件工作平臺(tái)上直接搭建電路，可以大膽實(shí)踐任意選擇芯片而不必理會(huì)材料消耗、實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)不足或是元器件損壞和老化等故障問(wèn)題，可以把元件的所有可能的連接方式全部試驗(yàn)并通過(guò)仿真分析把所有可能的結(jié)果直觀呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上反復(fù)地實(shí)驗(yàn)，不斷實(shí)時(shí)得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真觀察和對(duì)比分析，選擇符合要求的元器件，設(shè)計(jì)出滿意的仿真電路，然后再在實(shí)驗(yàn)箱或面包板上搭建硬件實(shí)物電路，通過(guò)實(shí)物電路驗(yàn)證最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種虛擬電路的仿真設(shè)計(jì)方法給了學(xué)生更大的創(chuàng)造自由度和設(shè)計(jì)空間，同時(shí)也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，讓學(xué)生可以把更多的時(shí)間用在電路的具體設(shè)計(jì)、仿真、糾錯(cuò)和創(chuàng)新等方面，幫助學(xué)生更快、更好地理解和掌握數(shù)字電路的基本概念和基本原理，彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)純硬件實(shí)物實(shí)驗(yàn)的諸多不足，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了他們綜合分析和設(shè)計(jì)的能力、排除故障的能力，培養(yǎng)了他們創(chuàng)新的能力和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

從以上設(shè)計(jì)和仿真分析過(guò)程可以看到，利用Multisim仿真軟件可以為數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革帶來(lái)極大的幫助。將Multisim仿真軟件引入到數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了打通理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的橋梁作用，通過(guò)這種先仿真后實(shí)物硬件電路相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅可以使學(xué)生能更好地掌握電子技術(shù)的基本理論和技能，還能夠充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，最終達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐能力和培養(yǎng)創(chuàng)新思維的目的。[4]但虛擬仿真也有其局限性，仿真軟件設(shè)計(jì)的虛擬電路仍需實(shí)物電路的驗(yàn)證，因而在進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)除了需要將“虛擬”與“實(shí)物”相結(jié)合，還需遵循“理論導(dǎo)入，虛實(shí)結(jié)合，仿真設(shè)計(jì)，實(shí)物驗(yàn)證”的實(shí)驗(yàn)步驟。此外，Multisim仿真軟件還可以用在電工電子類課堂教學(xué)、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識(shí)都有積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王祝萍）