電子仿真軟件在電工學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

張贊 逯鵬

摘要：如何靈活、有效地開(kāi)展多種類(lèi)電子電路實(shí)驗(yàn)和教學(xué)是工學(xué)類(lèi)課程教學(xué)過(guò)程中普遍存在的重要問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，以電工學(xué)中數(shù)字電路的仿真為切入點(diǎn)，基于Proteus和Multisim電子仿真軟件，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)需求的仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證這種仿真方法在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)過(guò)程中的可行性、必要性和適用范圍。教學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)電工學(xué)等一類(lèi)理論性與實(shí)踐性強(qiáng)的課程，仿真技術(shù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)和教學(xué)過(guò)程有效集成，既提高了教學(xué)效率，又簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：電工學(xué);電子電路仿真;Proteus軟件;Multisim軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）44-0157-03

在工學(xué)類(lèi)課程的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)的種類(lèi)眾多，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜。如何靈活有效地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)是一個(gè)普遍存在的教學(xué)問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，以理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的電工學(xué)課程為切入點(diǎn)，圍繞教學(xué)過(guò)程中學(xué)生普遍感覺(jué)課程難學(xué)、實(shí)驗(yàn)難操作的問(wèn)題，在課堂教學(xué)中引用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Proteus和Multisim，有利于形象化教學(xué)，吸引學(xué)生興趣，提高教學(xué)效果。

一、仿真軟件

Proteus是英國(guó)Labcenter Electronics公司推出的EDA工具軟件。Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，兩個(gè)仿真軟件都提供了豐富的仿真資源。本文通過(guò)電子仿真軟件Proteus和Multisim實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電路中計(jì)數(shù)器的仿真。利用仿真軟件形象、直觀的觀察結(jié)果，可以讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶，也可以讓學(xué)生對(duì)課后開(kāi)展的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)做好充分預(yù)習(xí)，提高實(shí)踐操作的興趣。同時(shí)，對(duì)比兩款仿真軟件對(duì)不同計(jì)數(shù)器電路搭建的難易程度，仿真結(jié)果不同的觀察方式，總結(jié)出兩款軟件的特點(diǎn)，以便在課堂教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮不同仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到更好的效果。

二、Proteus仿真軟件對(duì)計(jì)數(shù)器電路的仿真

（一）異步四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路仿真

利用Proteus仿真軟件搭建四位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路，時(shí)鐘CLOCK模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)，時(shí)鐘頻率設(shè)置為1Hz，接到最低位觸發(fā)器的CLK端，為觀察計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在每個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q連接一個(gè)邏輯電平探測(cè)器（Logic Probe），它能夠顯示邏輯“0”和“1”的狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)碼管（7SEG-BCD）顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)值0～F。每個(gè)器件的連線端都有紅、藍(lán)兩色方塊，顯示該端的電平變化，紅色為高電平，藍(lán)色為低電平。

圖1所示的是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到10時(shí)，探針顯示二進(jìn)制碼“1010”，數(shù)碼管顯示“A”。在這一仿真瞬間，四個(gè)JK觸發(fā)器的CLK時(shí)鐘端連線紅、藍(lán)兩色方塊顏色不同，說(shuō)明時(shí)鐘信號(hào)的電平高低不一致，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的時(shí)間有先有后，與計(jì)數(shù)脈沖不同步，因此為異步計(jì)數(shù)器。

（二）同步四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路仿真

在圖1電路的基礎(chǔ)上通過(guò)簡(jiǎn)單的連線更改，搭建同步四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。仿真結(jié)果如圖2所示，同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到11時(shí)，探針顯示二進(jìn)制碼“1011”，數(shù)碼管顯示“b”。在這一仿真瞬間，四個(gè)JK觸發(fā)器的CLK時(shí)鐘端，時(shí)鐘信號(hào)的電平與時(shí)鐘CLOCK模塊相同，說(shuō)明為同步計(jì)數(shù)器。Proteus軟件中提供虛擬示波器，可以動(dòng)態(tài)顯示仿真結(jié)果的波形圖，將A、B、C、D四個(gè)通道分別接入JK觸發(fā)器的輸出端，仿真時(shí)，將每個(gè)通道撥至DC檔觀察工作波形。圖3中顯示的是二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器從0000到0011的動(dòng)態(tài)工作波形圖。

（三）N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路仿真

利用JK觸發(fā)器可以在異步或同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)，將計(jì)數(shù)值在0000～1001之間循環(huán)，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)功能，也可以利用集成芯片異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS290和同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)，Proteus軟件平臺(tái)只提供了74LS160相應(yīng)的仿真環(huán)境。利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以方便的實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能。兩片74LS160可以實(shí)現(xiàn)百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，只要將右片的74LS160進(jìn)位端RCO接在左片74LS160的ET、EP端即可，當(dāng)右片的RCO進(jìn)位端輸出變高電平，使左片處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。如圖4所示為計(jì)數(shù)至“67”的瞬間仿真截圖。從以上計(jì)數(shù)器電路仿真結(jié)果分析得出，Proteus軟件可以實(shí)現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字電路的仿真，電路搭建操作簡(jiǎn)單，適合課堂教學(xué)，也提供了多種虛擬儀器來(lái)觀察仿真結(jié)果。

三、Multisim對(duì)計(jì)數(shù)器電路的仿真

（一）異步四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路仿真

為了和Proteus軟件對(duì)比，利用Multisim軟件也搭建了同樣的仿真電路。在元件庫(kù)中搜索JK觸發(fā)器JK_FF，接法同圖1所示。添加時(shí)鐘端DIGITAL_CLOCK，頻率設(shè)置為10Hz。通過(guò)數(shù)碼管（DCD-HEX）顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)值。

圖5所示的是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到12時(shí)，數(shù)碼管顯示“C”。對(duì)比圖1和圖5相同的計(jì)數(shù)器電路，不同的是在Multisim仿真軟件中JK觸發(fā)器具有置位和清零端，利用相應(yīng)的接線端可以實(shí)現(xiàn)更多計(jì)數(shù)功能。Multisim軟件中邏輯分析儀提供動(dòng)態(tài)波形的繪制功能，每個(gè)觸發(fā)器的輸出端分別接入邏輯分析儀的四個(gè)波形輸入端。在圖5電路中，將每個(gè)JK觸發(fā)器的輸出端連線改為不同的顏色，這樣呈現(xiàn)在邏輯分析儀的波形上就有顏色區(qū)分，觀察更為直觀。圖6中顯示的是四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器從0110到1111的動(dòng)態(tài)工作波形。除了邏輯分析儀，Multisim 12軟件提供了多個(gè)虛擬示波器，為了同時(shí)觀察4個(gè)JK觸發(fā)器的輸出端，本文選擇了4通道示波器。將示波器四個(gè)輸入通道分別接入JK觸發(fā)器的輸出端。在示波器設(shè)置界面，分別將4個(gè)通道的Y軸位移更改，以防出現(xiàn)波形重疊。本文仿真4通道的Y軸位移分別是：1.8、0.4、-1、-2.4，時(shí)基標(biāo)度改為100ms/Div。圖7中顯示的是二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器從0011到0110的動(dòng)態(tài)工作波形圖。

對(duì)比圖3和圖7虛擬示波器功能，Proteus軟件提供的示波器在使用上更為方便，只要將被檢測(cè)的信號(hào)接入輸入端即可觀察波形，并且4通道波形圖的顏色區(qū)分也不需要設(shè)置。而Multisim軟件中的4通道示波器要改變4個(gè)通道接入連線的顏色，才能得到波形顏色的區(qū)分，也要調(diào)節(jié)4個(gè)波形的Y軸位移，不然會(huì)出現(xiàn)波形的重疊，但是在示波器顯示界面提供實(shí)時(shí)的通道電平值，這樣觀察現(xiàn)象更直觀。

（二）N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路仿真

對(duì)于數(shù)字電路的仿真Proteus和Multisim軟件都提供了強(qiáng)大的仿真工具，但相比兩個(gè)仿真軟件，Proteus軟件中有些芯片有元件庫(kù)，但沒(méi)有仿真庫(kù)，只能由相似的元件代替仿真，而Multisim軟件對(duì)于電子電路提供的仿真庫(kù)資源更為豐富。如計(jì)數(shù)器仿真芯片有同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS290、74LS160、74LS192等。圖8中利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS290的清零端，將其轉(zhuǎn)換為六進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。在N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的課程教學(xué)時(shí)，無(wú)論是采用清零法或置數(shù)法實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能，都是畫(huà)計(jì)數(shù)器狀態(tài)循環(huán)圖來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，而通過(guò)Multisim仿真軟件的DCD_HEX數(shù)碼管或者邏輯分析儀，現(xiàn)象的觀察非常清楚，使學(xué)生更容易理解此知識(shí)點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

兩個(gè)仿真軟件都具有豐富的仿真工具，易于操作的仿真環(huán)境，僅針對(duì)數(shù)字電路的仿真環(huán)節(jié)，Multisim仿真軟件提供的元件仿真庫(kù)更多一些，動(dòng)態(tài)波形圖的觀察更直觀一些，所以在數(shù)字電路課程教學(xué)中可采用Multisim軟件。

通過(guò)實(shí)踐，將仿真軟件應(yīng)用在電工教學(xué)過(guò)程中，可以幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，使學(xué)生擁有一個(gè)“零消耗”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程。只要學(xué)生感興趣，課堂教學(xué)中涉及的每一款電路都可以在仿真平臺(tái)驗(yàn)證其功能，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所不能比擬的。但必須指出，仿真不能完全代替實(shí)物，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到很多問(wèn)題，所以不能完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，因此在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)把實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和電路仿真結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而提高電工學(xué)課程的教學(xué)效率，達(dá)到好的教學(xué)效果。

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