基于multisim11的數(shù)字電子技術(shù)虛擬實訓(xùn)

曹艷

摘 要： 數(shù)字電子技術(shù)是一門理論聯(lián)系實踐的課程，本文舉例說明了仿真軟件multisim在數(shù)字電子技術(shù)三大實訓(xùn)模塊、功能驗證、擴(kuò)展應(yīng)用、綜合設(shè)計中的應(yīng)用。虛擬實訓(xùn)的開發(fā)為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了新的體驗，增強(qiáng)了教學(xué)效果，提高了學(xué)生在電路設(shè)計方面的綜合能力。

關(guān)鍵詞： multisim 數(shù)字電路實驗 電路仿真

1.引言

《數(shù)字電子技術(shù)》是高職院校電子信息類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其實踐性很強(qiáng)，要求學(xué)生在掌握基本理論知識的同時還要具備對電路進(jìn)行分析、設(shè)計、調(diào)試、完善電路等重要的實際應(yīng)用技能。因此，為了提高教學(xué)質(zhì)量，當(dāng)前設(shè)有電子類專業(yè)的高職院校包括所有的本科院校及中專職業(yè)學(xué)校都會配備相應(yīng)的實驗室。然而現(xiàn)實是，介于資金、管理、設(shè)備損壞率等多方面的因素，實驗室規(guī)模受到很大程度的限制，設(shè)備、儀器、儀表的數(shù)量、種類均使實驗室不能滿足完成各種實驗的要求。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大批量的電子EDA軟件應(yīng)需而生，pspice、protel、EWB、proteus及multisim等。使用仿真軟件，可以擺脫對硬件條件的依賴，且可以利用專業(yè)的軟件對設(shè)計電路進(jìn)行專業(yè)的仿真、測試，確保設(shè)計的準(zhǔn)確度，從而避免人工設(shè)計中出現(xiàn)的各類問題。Multisim與其他軟件相比具有界面直觀、操作簡單、一鍵仿真及仿真結(jié)果可視化等優(yōu)點，尤其適合理論知識較弱的高職院校類學(xué)生使用。通過動態(tài)、直觀的仿真，一方面可以加深學(xué)生對理論知識的理解，另一方面可以提高電路設(shè)計的準(zhǔn)確率，避免人力、物力、財力方面不必要的浪費(fèi)。

2. Multisim軟件

Multisim的前身實際上就是加拿大IIT公司的EWB（Electrical Workbench），EWB版本更新到6.0的時候，IIT公司將電路仿真與設(shè)計這一模塊改名為multisim，不僅增強(qiáng)了軟件在仿真、測試、分析方面的功能，而且豐富了仿真元件的數(shù)量，使得仿真更精確，進(jìn)一步提高電路設(shè)計的可行度。我們選用的是美國國家儀器公司發(fā)行的multisim11版本，與之前的版本相比具有更豐富的元件量，且可進(jìn)行單片機(jī)仿真。

2.1 定制用戶界面

進(jìn)入multisim仿真平臺，我們可以根據(jù)電路的需要、自己的喜好改變界面，包括電路顏色、圖紙尺寸、元件的符號標(biāo)準(zhǔn)等。執(zhí)行option/sheet properties菜單可打開屬性對話框。進(jìn)入“circuit”選項卡，在“show”選項組可以設(shè)置元件、節(jié)點、導(dǎo)線上所顯示的說明性文字等信息，在“color”選項組可設(shè)置元件、導(dǎo)線、背景的顏色； “workspace”選項卡則可以設(shè)置圖紙大小及顯示模式；“wiring”選項卡用來改變導(dǎo)線、總線的寬度；其他選項卡不再一一贅述（見圖1）。

圖1 界面定制對話框

2.2元件庫

Multisim擁有規(guī)模龐大的元件庫，并將所有元件分為17類，便于查找選擇。選擇view/toolbars/components菜單可以調(diào)出元件工具欄，如圖2所示，點擊各個按鈕可以直接進(jìn)入對應(yīng)類別的元件庫選取元件，選擇place/component菜單可以打開元件選取對話框。平臺提供多方向翻轉(zhuǎn)、屬性設(shè)置等元件編輯功能，可非常方便地修改其庫中提供的任何元器件并且創(chuàng)建自己需要的各種元器件。

圖2 元件工具欄

2.3 儀器儀表

Multisim自帶了20多種虛擬儀器儀表，既提供示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、邏輯分析儀等實際存在的儀器，又有字信號發(fā)生器及邏輯轉(zhuǎn)換儀等這些在現(xiàn)實實驗室找不到的儀器，而且在使用數(shù)量上不受限制，這為電路仿真提供了強(qiáng)大的保障。通過view/toolbars/instruments菜單可以調(diào)出儀器儀表工具欄，如圖3所示。

圖3 儀器儀表工具欄

3.數(shù)字電子技術(shù)虛擬實訓(xùn)設(shè)置

實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)在高職院校數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中是至關(guān)重要的。所有的實訓(xùn)都可以歸結(jié)為三大模塊：功能驗證模塊、擴(kuò)展應(yīng)用模塊和綜合設(shè)計模塊，使學(xué)生由簡入難，逐步領(lǐng)會到電路應(yīng)用、設(shè)計的概念，進(jìn)而提高自身的綜合能力。我們將結(jié)合案例說明不同類型的數(shù)字電路實訓(xùn)模塊。

3.1 功能驗證實訓(xùn)模塊

功能驗證模塊主要培養(yǎng)學(xué)生的操作技能，用以加深對理論知識的理解，包括兩大類：一類是對基礎(chǔ)邏輯門的功能驗證，一類則是對常用芯片（器件）的邏輯功能進(jìn)行驗證、測試。

3.1.1 基礎(chǔ)邏輯門邏輯功能驗證

基礎(chǔ)的邏輯門就是與、或、非、與非、或非、與或非、異或、同或等這些實現(xiàn)簡單邏輯功能轉(zhuǎn)換的邏輯門，要求學(xué)生掌握它們的邏輯關(guān)系。在此，以或非、與非為例，搭建如圖4所示的簡單電路，即可實現(xiàn)其功能驗證。撥動撥碼開關(guān)，可以改變與非、或非門兩個輸入端接收到的高低電平，在輸出端，指示燈亮代表輸出為高電平、反之則為低電平。實驗操作：分別設(shè)置00、01、10、11四種不同輸入組合，記錄對應(yīng)的邏輯輸出，分析數(shù)據(jù)，理論聯(lián)系虛擬實訓(xùn)加深對邏輯門的理解。

（a）與非門？搖？搖？搖 ？搖 （b）或非門

圖4 基礎(chǔ)邏輯門功能驗證

3.1.2 常用芯片邏輯功能驗證

數(shù)字電子技術(shù)課程中，學(xué)生會學(xué)到74LS138（譯碼器）、74LS148（編碼器）、74LS151（數(shù)據(jù)選擇器）、74LS161（計數(shù)器）、74LS194（寄存器）等眾多中小規(guī)模組合、時序集成電路，與基本邏輯門相比，這些芯片其邏輯功能不再單一，驗證相對繁瑣。圖5是搭建的194（雙向移位寄存器）功能驗證電路，雙向移位寄存器除了有左移、右移主要功能外，還具有異步清零、同步置數(shù)功能。參照使能端的優(yōu)先級別，設(shè)置功能驗證步驟如下：

3.1.2.1異步清零功能，圖中clear為控制清零端的開關(guān)，開關(guān)撥向ground一側(cè)，清零端接收到低電平，194處于清零狀態(tài)，四個輸出端均變零。

3.1.2.2同步置數(shù)功能，S0、S1為芯片控制執(zhí)行除清零外其他三種功能的端口，首先要保證clear為高電平，有時鐘信號（CLK端可接收到一定頻率的脈沖信號），然后S0、S1才起控制作用。要置數(shù)，S0、S1均為高電平，也就是S0=S1=1，滿足置數(shù)條件，將數(shù)據(jù)輸入端PA、PB、PC、PD的數(shù)值分別傳遞給寄存器的四個輸出端QA、QB、QC、QD。圖5即為置入0011數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果圖。

圖5 194功能驗證電路

3.1.2.3左移功能，在滿足clear=1的條件下，設(shè)置S1=1、S0=0，在CLK上升沿的作用下即可實現(xiàn)左移功能，依次將SL端的數(shù)據(jù)串行送入寄存器。

3.1.2.4右移功能，與左移功能的條件區(qū)別僅在于S1=0、S0=1，右移時則依次將SR端的數(shù)據(jù)串行送入寄存器。

3.2 擴(kuò)展應(yīng)用模塊

擴(kuò)展應(yīng)用模塊是在功能驗證的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計數(shù)字邏輯電路的能力，可以結(jié)合簡單邏輯門的輔助來實現(xiàn)常見數(shù)字芯片的基本應(yīng)用。

3.2.1 基礎(chǔ)邏輯門的應(yīng)用

主要培養(yǎng)學(xué)生當(dāng)沒有某種邏輯門的時候，如何用另一種邏輯門實現(xiàn)具體要求。比如可以用與非門實現(xiàn)與邏輯、或邏輯、非邏輯，圖6所示為用與非門實現(xiàn)與邏輯（有0得0）和或邏輯（有1得1）。

（a）與邏輯 ？搖 ？搖？搖？搖 （b）或邏輯

圖6 與非門應(yīng)用

3.2.2 集成芯片的擴(kuò)展實訓(xùn)

集成芯片的擴(kuò)展是指利用基礎(chǔ)邏輯門的輔助實現(xiàn)一些芯片本身所不能實現(xiàn)的功能要求。利用2片138實現(xiàn)4-16線的譯碼器；利用151實現(xiàn)16選1的數(shù)據(jù)選擇器；用194制作扭環(huán)形、環(huán)形計數(shù)器；利用555芯片來實現(xiàn)多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等，擴(kuò)展實訓(xùn)是為了培養(yǎng)學(xué)生靈活使用芯片的能力，這些都將對提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力有莫大的幫助。圖7是用異步2-5-10進(jìn)制計數(shù)器290級聯(lián)而成的60進(jìn)制計數(shù)器，個位是10進(jìn)制，十位為利用290的置零功能構(gòu)成的6進(jìn)制計數(shù)器。這個電路要求學(xué)生掌握兩個技能：一個是單片290的功能擴(kuò)展，另一個則是關(guān)于芯片的級聯(lián)。

圖7 級聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計數(shù)器

3.3 綜合設(shè)計模塊

綜合設(shè)計模塊是指不同功能的芯片組合起來完成特定的邏輯功能，考驗的是學(xué)生的綜合能力。不但要了解所用芯片的原理、基本功能，還要把他們巧妙地結(jié)合在一起實現(xiàn)一定的功能要求。用觸發(fā)器完成多路搶答器、用555實現(xiàn)各種報警電路、用138和151構(gòu)成分時數(shù)據(jù)傳輸電路、結(jié)合多諧振蕩器和計數(shù)器構(gòu)成流水燈，這些都是一些利用數(shù)字集成電路實現(xiàn)的常見功能性電路。綜合設(shè)計模塊主要培養(yǎng)學(xué)以致用的能力，提高他們的實用性技能。

用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器可以實現(xiàn)任意的序列脈沖發(fā)生器，在此，我們要求實現(xiàn)一個能周期性輸出“011011”的序列脈沖發(fā)生器。設(shè)計方案有多種，計數(shù)器加各種門電路、多個觸發(fā)器加門電路等。我們選擇計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)，設(shè)計過程如下：（1）脈沖序列的長度為僅為6，那么用1片161制作一個6進(jìn)制的計數(shù)器即可滿足長度要求。（2）序列的內(nèi)容為“011011”，將151的數(shù)據(jù)端從低位到高位依次設(shè)置為011011。（3）考慮計數(shù)器是需要時鐘信號的，這里我們用555芯片構(gòu)成多諧振蕩電路來提供161的時鐘信號。

圖8 “011011”序列脈沖發(fā)生器

基于以上設(shè)計思路，搭建出圖8所示電路，運(yùn)行仿真，用邏輯分析儀測量輸出信號，結(jié)果如圖9所示，上方為輸出的序列脈沖，下方為時鐘信號，通過改變可調(diào)電阻的阻值可以改變序列脈沖的輸出周期。

圖9 邏輯分析儀測量結(jié)果

經(jīng)過此次設(shè)計，學(xué)生既熟悉了555芯片、計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器的原理及應(yīng)用，又掌握了序列脈沖發(fā)生器的設(shè)計思路、實現(xiàn)方法。

利用仿真平臺驗證、設(shè)計電路最大的優(yōu)勢是沒有約束、限制，可完全照自己的思路選擇元器件搭建電路，通過仿真發(fā)現(xiàn)問題所在，修改參數(shù)、元件，不斷地完善電路以達(dá)到最理想的結(jié)果，最后再完成電路的實體設(shè)計、制作。這在很大程度上節(jié)約了各項成本，而且不會因為材料的浪費(fèi)、儀器的損壞給學(xué)生造成心理負(fù)擔(dān)，挫傷他們設(shè)計電路的積極性。

4.結(jié)語

在“教”方面，虛擬實訓(xùn)使得課堂不再平淡、乏味，勾起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；“學(xué)”方面，搭建好的電路，可以無限制地設(shè)置元件參數(shù)、修改電路的搭接，而且大量地避免各種損失，使得學(xué)生放開膽子思考電路設(shè)計的各種方案、完善電路，從而達(dá)到最佳設(shè)計。

當(dāng)代社會需要的是能夠不斷接受挑戰(zhàn)的人才，對學(xué)生綜合能力的要求持續(xù)升高，虛擬實訓(xùn)引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開發(fā)學(xué)生設(shè)計電路的發(fā)散性思維，并且在培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力方面有不可估量的作用。

參考文獻(xiàn)：

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