Multisim在模擬電路和數(shù)字電路課程中的應(yīng)用

張輝，何春燕，王瑋

（重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，重慶合川，401520）

0 引言

模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)是高等學(xué)校中的一門極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-2]，這兩門課程與《電路分析基礎(chǔ)》、《高頻電子電路》課程結(jié)合起來被人們簡稱為“四電”課程[3]?？梢哉f要學(xué)好“四電”，《電路分析基礎(chǔ)》是基礎(chǔ)，《高頻電子電路》是進(jìn)階，其中《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》才是關(guān)鍵。而在教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)存在一定的問題：基礎(chǔ)差，缺乏動(dòng)力，積極性差，缺乏興趣。這就迫切需求虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來輔助教學(xué)，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

模擬電子技術(shù)課程講授常用電子元件的基本特性及應(yīng)用，講授模擬基本單元電路的組成、基本工作原理、制作與調(diào)試、功能測(cè)試及其應(yīng)用。數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程講授各種電子元器件構(gòu)成的組合電路和時(shí)序電路的特性及應(yīng)用，講授數(shù)字邏輯器件、數(shù)字邏輯電路的基本工作原理、調(diào)試、功能測(cè)試及其應(yīng)用。如果結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可更好的使學(xué)生獲得模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)必備的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，提高他們分析問題、解決問題以及實(shí)踐應(yīng)用的能力。

Multisim是美國國家儀器公司推出的一款以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，該工具可用于對(duì)模擬電路的仿真或者數(shù)字電路板的仿真與設(shè)計(jì)。該軟件不僅有豐富的元件庫，用戶根據(jù)實(shí)際可以調(diào)取所需元器件，并且對(duì)于調(diào)取元件的參數(shù)可根據(jù)自己的需求進(jìn)行修改，有助于學(xué)生理解元器件的使用功能及使用方法。同時(shí)該軟件的操作界面清晰直觀，簡單易學(xué)，容易被學(xué)生接受，這對(duì)于剛剛接觸電子技術(shù)專業(yè)課的學(xué)生來說方便輕松了很多。

對(duì)于部分出入口較多的干線公路，需要設(shè)置全高架，上下匝道等，工程規(guī)模及造價(jià)較高。因此，部分城市提出城市準(zhǔn)快速路的改造標(biāo)準(zhǔn)，局部保留信控平交口。該形式主要適用于城市快速化要求不高，周邊橫向交叉道路較多，且主要道路較少的干線公路。例如，吳江市南北快速干線。

本文是基于通信專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)新型授課模式的探討和設(shè)計(jì)，對(duì)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程中教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)中所存在的問題，嘗試運(yùn)用電子仿真軟件的強(qiáng)大功能來促進(jìn)解決教學(xué)中存在的部分問題。本文以節(jié)日彩燈控制器的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡述Multisim在模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[4-5]。

1 Multisim在模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)課程中設(shè)計(jì)流程

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)中時(shí)序邏輯電路應(yīng)用十分廣泛，時(shí)序邏輯電路正常工作就少不了時(shí)鐘脈沖信號(hào)，所以脈沖電路的設(shè)計(jì)尤為重要。

2.2.1 電源部分設(shè)計(jì)與仿真

圖1 Multisim在課程教學(xué)中的應(yīng)用流程圖

2 基于Multisim的節(jié)日彩燈控制器設(shè)計(jì)

■2.1 設(shè)計(jì)要求

2.2.2 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與仿真

本文利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，利用Multisim仿真電路及結(jié)果如圖3所示，所選用R1和R2阻值分別為100kΩ和680kΩ，電容C取值為1μF，實(shí)現(xiàn)了正常的脈沖信號(hào)，其輸出頻率和占空比符合設(shè)計(jì)要求，輸出周期T和占空比q由式（1）和式（2）計(jì)算可得，周期T約為1.022s，占空比q約為53.42%。由圖3仿真結(jié)果可知，該電路輸出脈沖頻率為988MHz，與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)的更新，以1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，參考交通資料、地理國情監(jiān)測(cè)成果資料，對(duì)1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)庫中的交通、居民地、境界、地名、水系要素進(jìn)行更新。

■2.2 電路設(shè)計(jì)及仿真

畢淑敏毫不懷疑在 “此岸”的對(duì)面有一個(gè)光明的 “彼岸”,在那里存在著“公正、合理、秩序、規(guī)范”,也許途中荊棘密布,但只要用心尋找總能到達(dá)。因此，她的文章洋溢著一種類似西方19世紀(jì)文學(xué)所特有的樂觀，[13]體現(xiàn)出溫暖柔和的風(fēng)格。

不管在模擬電路還是在數(shù)字電路中，我們一般需要直流穩(wěn)壓電源，而在模擬電子技術(shù)課程中我們學(xué)習(xí)了直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程。大致過程如下：首先是變壓，如果交流電壓過高，則第一步要利用變壓器將高壓交流電變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?；其次是整流，利用整流器把低壓交流電變化為直流電；然后是濾波，由于整流出的直流電中依然存在部分交流電，所以通過濾波器將多余的交流電濾除；最后是穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本文設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源電路在Multisim中的仿真如圖2所示，由仿真結(jié)果顯示，13V交流電源最終變換為直流5V電源，達(dá)到預(yù)期要求。

圖2 直流穩(wěn)壓電源仿真電路與結(jié)果

節(jié)日彩燈是生活中經(jīng)常遇到的，學(xué)生對(duì)彩燈熟知卻不知其具體電路，設(shè)計(jì)節(jié)日彩燈可以增進(jìn)學(xué)生與課堂理論知識(shí)之間的距離。節(jié)日彩燈變化多樣，實(shí)現(xiàn)方式也多種多樣，結(jié)合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程，可提高學(xué)生創(chuàng)新能力。彩燈電路簡單，實(shí)現(xiàn)容易，且與課本知識(shí)又密不可分，彩燈設(shè)計(jì)可增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和學(xué)習(xí)動(dòng)力。結(jié)合模擬電路和數(shù)字電路可以實(shí)現(xiàn)多種形式的彩燈，本文所要完成的電路設(shè)計(jì)要求如下：

模擬電子技術(shù)講授的電子元件包含常用半導(dǎo)體二極管、三極管、場效應(yīng)管等，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)講授各種電子元器件構(gòu)成的門電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路等等。如果將這些冰冷的器件與電路在課堂上用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)表現(xiàn)出來，學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)更有興趣，更好提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。將Multisim仿真軟件應(yīng)用于這兩門課程的流程圖如圖1所示，首先要明確教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)課程安排確定教學(xué)方案，在前面幾次課可根據(jù)學(xué)生是否熟悉Multisim仿真軟件，有選擇的演示元件的選擇和電路的搭建，再進(jìn)行電路的結(jié)果仿真，這樣有利于學(xué)生知識(shí)理解和課上時(shí)間充分利用，還可使學(xué)生快速上手軟件的使用。然后通過仿真過程和仿真結(jié)果演示并驗(yàn)證相關(guān)知識(shí)（如發(fā)光二極管和D觸發(fā)器）的基本原理和應(yīng)用特點(diǎn)，使學(xué)生在操作中掌握課本知識(shí)，并能在應(yīng)用中開拓思維。最后通過學(xué)生問題反饋和教師總結(jié)，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)加以鞏固。

改造建筑設(shè)施，延續(xù)舊建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格，可以保留原有的建筑設(shè)施，減少資源的投入，降低工程施工對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，新舊建筑的設(shè)施項(xiàng)目協(xié)調(diào)發(fā)展，從而提升城市的環(huán)境質(zhì)量。

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)4路移存型彩燈控制器；（2）要求彩燈能完成從左至右或從右向左循環(huán)被點(diǎn)亮；（3）自行設(shè)計(jì)直流5V電源，要求由交流13V變換到直流5V；（4）所需脈沖信號(hào)要求用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成，要求輸出周期1s，占空比接近50%。

圖3 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器的仿真電路

2.2.3 移存控制電路設(shè)計(jì)

移存型彩燈控制器最關(guān)鍵的部分就是控制電路設(shè)計(jì)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求本文選擇移位寄存器為主控芯片（74LS194為數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課本所學(xué)芯片）。

由圖4可知，該4路彩燈控制器以時(shí)序邏輯電路—移位寄存器74LS194為核心器件，組合邏輯電路—與非門7400為部分器件；其中脈沖以1Hz脈沖發(fā)生器代替，電源以5.0V直流電源VCC代替，彩燈由四個(gè)發(fā)光二極管代替，并以4個(gè)100Ω電阻作為發(fā)光二極管的保護(hù)電阻（由于實(shí)際操作時(shí)，發(fā)光二極管很容易因無保護(hù)電阻損壞，這里可為學(xué)生提前養(yǎng)成在實(shí)驗(yàn)室操作的良好習(xí)慣）。74LS194芯片清零端CLR接高電平，保證芯片正常工作；S1和S0分別接高電平和低電平，CLK接脈沖，可使芯片處于左移功能狀態(tài)。利用與非門7400，使輸出端QA經(jīng)與非門接SL，就可完成輸出端循環(huán)左移狀態(tài)，其輸出真值表如表1所示。可以看出，接通電源瞬間，輸出全為低電平，當(dāng)送進(jìn)一個(gè)上升沿脈沖，輸出QD輸出高電平，其他輸出不變，再送進(jìn)一個(gè)上升沿脈沖，輸出QD和QC輸出都為高電平，依次類推，輸出從右向左循環(huán)為高電平，即是彩燈從右向左循環(huán)被點(diǎn)亮，完成左移功能。

依托雙主體辦學(xué)優(yōu)勢(shì)，與合作企業(yè)共同打造網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合服務(wù)平臺(tái)——智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)，為翻轉(zhuǎn)課堂、創(chuàng)客教育、第二課堂等教學(xué)模式提供實(shí)踐平臺(tái)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和課堂教學(xué)效果。通過智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)，落實(shí)以學(xué)生為中心的個(gè)性化培養(yǎng)體系，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層培養(yǎng)。同時(shí)，通過“學(xué)業(yè)周期大閉環(huán)迭代，學(xué)習(xí)過程小閉環(huán)推進(jìn)”的全周期閉環(huán)反饋實(shí)施體系、學(xué)業(yè)動(dòng)態(tài)預(yù)警機(jī)制、畢業(yè)生跟蹤反饋機(jī)制和社會(huì)需求反饋機(jī)制，建立動(dòng)態(tài)、開放、持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量保障體系，構(gòu)建“以生為本”的教學(xué)生態(tài)環(huán)境。

表1 移存控制電路輸出真值表

圖4 移位寄存器74LS194構(gòu)成的控制電路及仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本文以設(shè)計(jì)節(jié)日彩燈控制器為例，將模擬電路中的二極管知識(shí)和直流電源相關(guān)知識(shí)，數(shù)字電路中的555定時(shí)器、多諧振蕩器、時(shí)序邏輯電路相關(guān)知識(shí)，以虛擬仿真軟件Multisim呈現(xiàn)出來，可以看出在模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，適當(dāng)引入Multisim電路仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，將抽象的理論較為形象地顯示出來，便于學(xué)生理解，在一定程度上可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。