基于NI Multisim 10.1數(shù)字邏輯選擇器的虛擬仿真

程秀英, 侯衛(wèi)周,b

(河南大學(xué) a.物理與電子學(xué)院;b.民生學(xué)院，河南 開封 475003)

基于NI Multisim 10.1數(shù)字邏輯選擇器的虛擬仿真

程秀英a, 侯衛(wèi)周a,b

(河南大學(xué) a.物理與電子學(xué)院;b.民生學(xué)院，河南 開封 475003)

通過NI Multisim10.1電路軟件對74HC153雙四選一的數(shù)字邏輯選擇器進(jìn)行了仿真。利用搭建的仿真測試電路中的指示燈來監(jiān)視輸入端管腳和地址碼管腳的取值變化，觀察到了雙四選一輸出管腳的數(shù)據(jù)選擇。將雙四選一的功能擴(kuò)展端通過附加門電路作為第三個(gè)地址碼，能實(shí)現(xiàn)八選一的功能。虛擬仿真測試的結(jié)果與實(shí)際理論分析相一致。運(yùn)用實(shí)例驗(yàn)證了將NI Multisim10.1仿真軟件合理地引入電子電路實(shí)踐教學(xué)后，能使理論教學(xué)變得更具體生動，有利于學(xué)生技能、素養(yǎng)的培養(yǎng)和數(shù)字電路課程教學(xué)效果的提升。

數(shù)字邏輯選擇器；NI Multisim10.1軟件；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)際數(shù)字電路應(yīng)用中，數(shù)字邏輯選擇器指的是經(jīng)過選擇，把多個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳送到唯一的公共數(shù)據(jù)通道上去[1-2]，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能的邏輯電路，其作用相當(dāng)于多個(gè)輸入的單刀多擲開關(guān)。它是一種通用性很強(qiáng)的邏輯器件，除了可以實(shí)現(xiàn)一些組合邏輯設(shè)計(jì)外，還可用做分時(shí)多路傳輸電路、函數(shù)發(fā)生器、碼制轉(zhuǎn)換及數(shù)碼比較器等。當(dāng)用數(shù)字邏輯選擇器來實(shí)現(xiàn)邏輯電路的諸多功能時(shí)，有時(shí)需通過大量的實(shí)驗(yàn)來輔助和加深理論學(xué)習(xí)[3]。傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一定的局限性。NI Multisim是由美國國家儀器有限公司研發(fā)的電子電路模擬仿真軟件。將較高版本的NI Multisim 10.1仿真軟件用于電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4-7]，對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能起到很好的補(bǔ)充作用。本文以雙四選一(74HC153)數(shù)字邏輯選擇器(又稱為數(shù)據(jù)選擇器)的工作過程為例，對其進(jìn)行仿真分析，來說明和介紹NI Multisim 10.1仿真軟件在電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用和開發(fā)。

1 數(shù)字電路中邏輯選擇器的工作原理

根據(jù)地址碼從多路數(shù)據(jù)中選擇一路數(shù)據(jù)輸出的器件，被稱為數(shù)據(jù)選擇器(MUX)，也稱多路選擇器或多路開關(guān)。利用數(shù)據(jù)選擇器可將并行輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)選擇器的邏輯功能是在地址選擇信號的控制下，從多路數(shù)據(jù)中選擇一路數(shù)據(jù)作為輸出信號[8]，有四選一數(shù)據(jù)選擇器、雙四選一數(shù)據(jù)選擇(型號為74HC153)、八選一數(shù)據(jù)選擇器(型號為74151、74LS151、74251等)、十六選一數(shù)據(jù)選擇器(可用兩片74LS151連接起來構(gòu)成)等之分。文中數(shù)據(jù)選擇器型號中的HC(high-speed CMOS)代表高速CMOS系列，LS(low-power schottky)代表低功耗肖特基系列(下同)。 四選一的邏輯選擇器的示意圖如圖1所示，其工作原理如下：

輸出管腳Y的表達(dá)為

當(dāng)A1A0=00時(shí)，Y= D0； 當(dāng)A1A0=01時(shí)，Y= D1；當(dāng)A1A0=10時(shí)，Y= D2； 當(dāng)A1A0=11時(shí)，Y= D3。即地址碼A1A0的值不同時(shí)，輸出Y的值選擇D0、D1、D2、D3中的一個(gè)數(shù)值，具有數(shù)據(jù)選擇的功能。

圖1 四選一數(shù)據(jù)選擇器示意圖

圖1中，D0、D1、D2、D3管腳為輸入端；A0、A1管腳為地址輸入端；Y為選擇數(shù)據(jù)的輸出端。

雙四選一的數(shù)字邏輯選擇器74HC153包含兩個(gè)完全相同的四選一數(shù)據(jù)選擇器，它們共用相同的兩個(gè)地址碼A1和A0，如圖2所示。

圖2 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74HC153示意圖

對于Y1、Y2的表達(dá)分別見式(2)和式(3)：

兩個(gè)數(shù)據(jù)選擇器有公共的地址輸入端，但兩個(gè)數(shù)據(jù)選擇器的輸入端、輸出端及其附加控制端是各自獨(dú)立的。通過給定不同的地址代碼，即可從四個(gè)輸入數(shù)據(jù)中選出所要的一個(gè)數(shù)據(jù)并送至輸出端Y。當(dāng)然，利用雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74HC153可以添加必要的門電路、元器件及布線來構(gòu)成八選一的數(shù)據(jù)選擇器。市場上有現(xiàn)成的八選一數(shù)據(jù)選擇器——74HC151，其示意圖如圖3所示。

圖3 八選一數(shù)據(jù)選擇器74HC151示意圖

74HC151的工作原理如下：

八選一數(shù)字邏輯選擇器的輸出Y表達(dá)式為

當(dāng)S′=1時(shí)，輸出被封鎖在低電平；當(dāng)S′=1時(shí)，輸出按照地址碼取值可選出不同的數(shù)據(jù)，具體如下：

A2A1A0=000時(shí)，Y=D0；A2A1A0=001時(shí)，Y=D1；A2A1A0=010時(shí)，Y=D2；A2A1A0=011時(shí)，Y=D3；A2A1A0=100時(shí)，Y=D4；A2A1A0=101時(shí)，Y=D5；A2A1A0=110時(shí)，Y=D6；A2A1A0=111時(shí)，Y=D7。

圖3中，D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7管腳為八個(gè)數(shù)據(jù)輸入端；A2、A1、A0管腳為三個(gè)地址端；S′管腳為控制端；Y管腳為數(shù)據(jù)輸出端；W′管腳是與Y互為反碼的輸出端。

若數(shù)字邏輯選擇器的地址碼個(gè)數(shù)是n，而選擇器的數(shù)據(jù)輸入端管腳個(gè)數(shù)是M，則兩者之間需滿足

M=2n(5)

2 數(shù)字邏輯選擇器的虛擬仿真分析要求

2.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)選擇器的仿真電路

按照數(shù)字邏輯選擇器的管腳分布和邏輯功能，從元器件庫中相應(yīng)調(diào)出字發(fā)生器、必要的附加門電路、元器件和指示燈，選擇特定的參數(shù)要求搭建數(shù)字邏輯選擇器電路，并且按照上述介紹的各類數(shù)據(jù)選擇器的原理掌握仿真電路的結(jié)構(gòu)。

2.2 分析74HC153的邏輯功能

2.3 用74HC153構(gòu)成八選一的數(shù)據(jù)選擇器

3 NI Multisim 10.1對74HC153的虛擬仿真

3.1 構(gòu)建數(shù)字邏輯選擇器的仿真電路

按實(shí)際要求在NIMultisim10.1的軟件平臺上搭建如圖4所示的虛擬仿真電路。從“儀器工作條”中調(diào)出字發(fā)生器；從元件庫中調(diào)出兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)、七個(gè)邏輯指示燈(顏色可不同，以示區(qū)分)、接地端、雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74HC153D、由74HC153D構(gòu)成的八選一數(shù)據(jù)選擇器及布線結(jié)構(gòu)。工作電壓VCC=5V。

圖4 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74HC153的邏輯仿真電路

3.2 虛擬仿真的操作步驟

1) 搭建74HC153的仿真電路(能實(shí)現(xiàn)四選一)。地址輸入開關(guān)設(shè)置為由鍵盤的A、B鍵控制，控制端開關(guān)用鍵盤的空格鍵控制，數(shù)據(jù)輸入由字發(fā)生器產(chǎn)生。通過字發(fā)生器的“設(shè)置”來使選擇器按照“加計(jì)數(shù)”方式輸出，起始模式為0000，緩沖區(qū)大小000F，頻率選擇2Hz。地址輸入端數(shù)字信號利用紅色邏輯指示燈監(jiān)視，數(shù)據(jù)輸入用綠色邏輯指示燈監(jiān)視，待選的輸出數(shù)據(jù)信號用藍(lán)色邏輯指示燈監(jiān)視(注：燈亮用邏輯數(shù)字“1”表示，燈滅用邏輯數(shù)字“0”表示，下同)。

2)打開仿真開關(guān)，點(diǎn)擊字發(fā)生器的“循環(huán)”按鈕，四個(gè)輸入信號的綠色邏輯指示燈將按照不同的頻率閃爍。通過按空格鍵，令“～1G”=1，再按A、B鍵改變地址碼輸入端BA邏輯數(shù)字的四種邏輯組合取值，再次觀察輸出1Y有無變化(注：本文中實(shí)現(xiàn)的四選一用軟件中74HC153D的上面1Y輸出，也可選用下面2Y進(jìn)行輸出)。

3)讓“～1G”接為低電平(即“～1G” =0)，通過按A、B鍵來改變地址的輸入BA值，觀察74HC153D的輸出1Y所接的藍(lán)色邏輯指示燈的閃爍頻率，與輸入管腳的數(shù)據(jù)加以比較并記錄。

4)八選一數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)三個(gè)不同地址碼組合取值，能將八個(gè)輸入數(shù)據(jù)中對應(yīng)的一個(gè)選中，并輸出到輸出端1Y?？梢岳?4HC153D的附加控制端“～1G”和“～2G”將其擴(kuò)展為八選一的數(shù)據(jù)選擇器，如圖5所示。地址碼輸入可以通過鍵盤上空格鍵來加以控制。地址碼CBA的組合取值變化用綠色邏輯指示燈來測試；數(shù)據(jù)輸入端接在字發(fā)生器上，用藍(lán)色邏輯指示燈來監(jiān)視；輸出端用紅色邏輯指示燈來監(jiān)視。

5)通過按C、B、A三個(gè)鍵來改變地址的輸入CBA邏輯組合取值，觀察附加門74LS32D(實(shí)現(xiàn)邏輯“或”的功能)輸出端的紅色邏輯指示燈變化。

圖5 由74HC153構(gòu)成的八選一數(shù)據(jù)選擇器邏輯仿真電路

3.3 虛擬仿真的測試結(jié)果

1)對74HC153D的仿真結(jié)果見表1(注：該表僅測試雙四選一輸出的一個(gè)管腳1Y結(jié)果，管腳2Y輸出與其類似)。表1中“～1G”管腳取值為邏輯“1”或“0”，B和A的組合取值是邏輯“1”或“0”的組合，1Y管腳的輸出是74HC153D數(shù)據(jù)輸入管腳取值?？刂菩盘枴啊?G”或“～2G”在低電平時(shí)有效，當(dāng)控制信號“～1G”=0(即低電平)時(shí)，電路處于正常的工作狀態(tài)；當(dāng)附加控制信號“～1G”=1(即高電平)時(shí)，無論輸入的地址碼是什么取值組合，電路輸出1Y總被封鎖在低電平，即輸出1Y=0。(注：2Y輸出與1Y類似)

表1 74HC153D仿真電路測試結(jié)果

2)將雙四選一數(shù)據(jù)選擇器擴(kuò)展成八選一的數(shù)據(jù)選擇器，把“～1G”管腳作為第三個(gè)地址碼的輸入，通過非門74LS04D接到“～2G”管腳上，再將74HC153D的兩個(gè)輸出1Y和2Y的管腳接到邏輯或門74LS32D輸入管腳上，此或門的輸出管腳作為八選一的邏輯選擇器最終輸出，用紅色邏輯指示燈進(jìn)行監(jiān)視。

從表1的虛擬仿真結(jié)果可看出，仿真測試結(jié)果和圖4邏輯電路及雙四選一數(shù)據(jù)選擇器的理論分析是一致的。說明利用NIMultisim10.1對雙四選一和由雙四選一擴(kuò)展成的八選一選擇的輸出數(shù)據(jù)是正確無誤的，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)字邏輯選擇器實(shí)質(zhì)就是一種多路選擇器。同時(shí)也說明利用NIMultisim10.1軟件對數(shù)字邏輯器件構(gòu)成的電子電路仿真結(jié)果是正確的。同樣，對于各種基本電路、模擬電路和高頻電子線路的仿真，在滿足一定條件下的仿真結(jié)果也是無誤的(對這些電路的虛擬仿真，本文不予以詳細(xì)探討)。因此，NIMultisim10.1仿真軟件完全可運(yùn)用于實(shí)際電路教學(xué)中。

4 結(jié)束語

通過NI Multisim10.1構(gòu)建的74HC153D數(shù)字邏輯選擇器電路，利用字發(fā)生器產(chǎn)生的邏輯值作為輸入端數(shù)據(jù)，采用單刀雙擲開關(guān) “合”“斷”的意圖是：(1)能反映使能端“～1G”和“～2G”的邏輯取值；(2)能進(jìn)一步確定雙四選一中哪個(gè)四選一處于正常的工作狀態(tài)。利用單刀雙擲開關(guān)的“合”“斷”狀態(tài)還能反映兩個(gè)地址碼變量A、B的四種組合取值，進(jìn)一步?jīng)Q定輸出管腳1Y選擇四選一的輸入數(shù)據(jù)1C0、1C1、1C2、1C3中的哪一個(gè)(注：2Y選擇四選一的輸入數(shù)據(jù)2C0、2C1、2C2、2C3中的一個(gè))。為了能實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)的選擇，例如八選一，可以在74HC153D的基礎(chǔ)上增加一個(gè)地址碼，通過附加控制端“～1G”和“～2G”及必要的門電路將地址碼擴(kuò)展為A、B、C三個(gè)，此時(shí)地址碼組合取值有八種情況，對應(yīng)八個(gè)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一選擇并輸出。同樣，利用兩片雙四選一可擴(kuò)展為十六選一的數(shù)據(jù)選擇器。

通過各種模擬類和數(shù)字電子電路仿真類的實(shí)踐證明，在對諸多模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行理論分析的同時(shí)，利用NI Multisim10.1輔以虛擬測試的結(jié)果，能實(shí)現(xiàn)電子電路理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證同步進(jìn)行。這不僅能增強(qiáng)教學(xué)的直觀性與靈活性，而且能最大限度地利用有限授課學(xué)時(shí)，加深學(xué)生對基本理論知識的充分理解和牢固掌握，提高教學(xué)效果。同時(shí)，為傳統(tǒng)的教學(xué)方法注入新的活力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，又能見習(xí)實(shí)踐的模型，增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字電路的感性認(rèn)識，全面提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力[10-12]。

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Virtual Simulation Study of the Digital Logic Selector Based on NI Multisim 10.1

CHENG Xiuyinga，HOU Weizhoua,b

(a. College of Physics and Electronics; b. College of Minsheng, He’nan University, Kaifeng 475003, China)

The digital logic selector of 74HC153 double four selected one has been simulated by the circuit software of NI Multisim 10.1. The values change of input pin and address code pin has been monitored by the indicator light of setting up simulation test circuit, observed output pin data selection of the 74HC153 digital logic selector. By the additional gate circuit, expansion port of the double four selected one digital logic selector as the third address code port, realized the function of selected one from eight. The simulation result is in accordance with theoretical arithmetic. Through actual example confirming, after reasonable utilization NI Multisim 10.1 in the experiment teaching of practice electronic circuit, the software can make abstract theoretical teaching become much concrete and vivid. At the same time, it is helpful to cultivate students’ literacy of skills and to enhance teaching effect of the digital circuit course.

digital logic selector; NI Multisim10.1 software; virtual simulation; experimental study

2014-12-04；修改日期: 2014-12-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (11103002)；河南大學(xué)民生學(xué)院教育教學(xué)改革研究基金資助項(xiàng)目(MSJa2014041)。

程秀英(1962-)，女，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子電路實(shí)訓(xùn)與實(shí)習(xí)工作。

侯衛(wèi)周(1973-)，男，碩士，副教授，主要從事電子電路教學(xué)與研究工作。

TN79.1, TP399

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.004