Multisim軟件在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用探究

姚吉鑫 魯世斌 童小偉 楊金

摘要：文章討論了Multisim仿真軟件在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用，通過對(duì)譯碼器、二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器和555觸摸定時(shí)開關(guān)電路的設(shè)計(jì)與仿真，使學(xué)生能夠掌握電路的工作原理以及如何設(shè)計(jì)電路參數(shù)，激發(fā)學(xué)生對(duì)電路分析與設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提升課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Multisim；數(shù)字電子；譯碼器；計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0160-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

1 引言

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電子信息類、計(jì)算機(jī)類、電氣工程類及通信類等專業(yè)的重要必修基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性[1，2]。通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能；掌握數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)方法；培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)觀念，為進(jìn)一步從事學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)?！稊?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程理論抽象，實(shí)踐性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)豐富，各高校教師對(duì)該課程的教學(xué)方法和教學(xué)模式改革層出不窮[2]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是現(xiàn)代課程教學(xué)中，通過電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）軟件，如Quartus II[3]、Proteus[4]、Multisim[5]、Vivado[6]等對(duì)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的電路進(jìn)行仿真測(cè)試，解決傳統(tǒng)課程教學(xué)方式不能夠滿足當(dāng)代課堂教學(xué)要求，可以將枯燥、抽象的內(nèi)容生動(dòng)、形象地展示出來(lái)，使得學(xué)生更加容易理解課程內(nèi)容。

筆者通過近年來(lái)對(duì)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)該課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握不牢固，動(dòng)手實(shí)踐能力較弱。為提高教學(xué)效果，根據(jù)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)內(nèi)容，搭建了14個(gè)仿真教學(xué)案例，如表1所示，重點(diǎn)對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，建立了課前“預(yù)習(xí)”，課中“理論+仿真”和課后“實(shí)踐”三位一體的教學(xué)模式。在具體實(shí)施過程中，由于學(xué)生之前很少有機(jī)會(huì)接觸此類EDA仿真軟件，初次使用的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)操作不當(dāng)現(xiàn)象，但通過結(jié)合微課視頻的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生可以很快掌握軟件的使用，能夠正確搭建相關(guān)電路并進(jìn)行仿真。本文主要以譯碼器、計(jì)數(shù)器和555觸摸定時(shí)開關(guān)電路設(shè)計(jì)與仿真案例介紹Multisim軟件在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程中的應(yīng)用。

2 譯碼器設(shè)計(jì)及其仿真

譯碼器（Decoder）是多路輸入多路輸出組合邏輯電路器件，通?？煞譃椋鹤兞孔g碼器和碼制譯碼器兩類。變量譯碼器即二進(jìn)制譯碼器，碼制譯碼器即非二進(jìn)制譯碼器，兩者區(qū)別在于二進(jìn)制譯碼器輸出信號(hào)數(shù)量等于2n，n輸入地址線的數(shù)量，碼制譯碼器則不相等。常見的二進(jìn)制譯碼器有74LS138、74LS139等，碼制譯碼器有74LS42、74LS48等。顯示譯碼器屬于碼制譯碼器，主要將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的七段碼，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。表2為設(shè)計(jì)的3線-8線譯碼器功能表，當(dāng)選通端[ST=1]時(shí)，譯碼器輸出全部為低電平0；當(dāng)[ST=0]時(shí)，地址線A2A1A0從000變化到111，譯碼器輸出Y0到Y(jié)7輪流出現(xiàn)高電平1。

根據(jù)邏輯表達(dá)式，可以畫出由非門和與非門構(gòu)成的3線-8線譯碼器電路，如圖1所示。3線-8線譯碼器的仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，當(dāng)A2A1A0=000時(shí)，輸出Y0=1，其余輸出均為0，因此只有Y0對(duì)應(yīng)的指示燈亮，其余指示燈滅，與功能表2所描述相一致。

3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與仿真

計(jì)數(shù)器（Counter）屬于時(shí)序邏輯電路，通常用于脈沖計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、計(jì)數(shù)和控制等功能，也可用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。計(jì)數(shù)器通常由基本計(jì)數(shù)單元（觸發(fā)器）和控制門（門電路）構(gòu)成，計(jì)數(shù)單元主要包括RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，門電路主要由與非門和或非門等構(gòu)成。常用的集成計(jì)數(shù)器有74LS160、74LS161、74LS290等[7]，利用現(xiàn)有的集成計(jì)數(shù)器，可以搭建出任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖3為由四位二進(jìn)制74LS161構(gòu)成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。根據(jù)74LS161的功能，利用置數(shù)法，可將計(jì)數(shù)器U1和U2先構(gòu)造成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器U1和U2的輸出分別為1001時(shí)，與非門U3和U4的輸出為0，然后通過置數(shù)使得計(jì)數(shù)器U1和U2跳過1010、1011、1100、1101、1110和1111狀態(tài)。此外與非U4的輸出作為計(jì)數(shù)器U2的時(shí)鐘信號(hào)，從而將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器擴(kuò)展為100進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后再通過整體清零可以將100進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器U1和U2的輸出分別為0100、0010時(shí)，與非門U5的輸出為0，此時(shí)計(jì)數(shù)器U1和U2立即清零，因此實(shí)際的BCD顯示器輸出為00-23，完成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能。通過本案例仿真，可以使學(xué)生掌握置數(shù)法和清零法構(gòu)建不同模值的計(jì)數(shù)器，熟練掌握集成計(jì)數(shù)器芯片的使用。

4 555觸摸定時(shí)開關(guān)電路設(shè)計(jì)與仿真

555定時(shí)器（LM555CN）、繼電器（EDR201A05）、示波器（XSC1）以及電阻電容等元件構(gòu)成555觸摸定時(shí)開關(guān)電路，如圖5所示。LM555CN芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[8]。

當(dāng)開關(guān)S1接地時(shí)，輸入引腳2為低電平，此時(shí)引腳3輸出高電平，使得繼電器吸合，從而點(diǎn)亮220V電路中的燈泡L1。當(dāng)開關(guān)S1接地時(shí)，輸入引腳2為低電平，電容C1上電壓上升至電源電壓的2/3（3.33V）時(shí)，

555定時(shí)器第7腳通過內(nèi)部晶體三極管使C1放電，第3腳輸出由高電平變到低電平，繼電器釋放，電燈L1熄滅，定時(shí)結(jié)束。繼電器斷電時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并接的二極管起到保護(hù)電路的作用。定時(shí)時(shí)長(zhǎng)由R1、C1決定：T1=1.1R1*C1。

根據(jù)圖5中所標(biāo)數(shù)值可計(jì)算出定時(shí)時(shí)間約為550ms，仿真波形如圖6所示。通過對(duì)觸摸定時(shí)開關(guān)電路的仿真分析，可以生動(dòng)形象地觀察電路工作原理，進(jìn)一步提升課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

5 總結(jié)

本文運(yùn)用Multisim軟件針對(duì)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程中的譯碼器、計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器教學(xué)內(nèi)容做了電路設(shè)計(jì)，并給出仿真結(jié)果。教學(xué)實(shí)施過程中，通過教師講解、學(xué)生微課視頻自學(xué)，可以使學(xué)生更生動(dòng)形象的理解電路工作原理，并掌握相關(guān)電路的設(shè)計(jì)方法。合理引入EDA仿真軟件教學(xué)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足，能夠讓學(xué)生在熟悉工作原理的基礎(chǔ)上，立刻就可以觀察電路的工作情況，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生工程應(yīng)用能力，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魯世斌，樊敏，楊金，等.EDA軟件在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（20）：153-154，157.

[2] 何靜，劉躍華.基于MOOC的翻轉(zhuǎn)課堂模式在《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（8）：116-117，131.

[3] 張玉梅，周騰蛟，曲延華，等.QuartusⅡ仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，32（1）：84-87.

[4] 胡輝.Proteus在數(shù)字電子設(shè)計(jì)中的仿真應(yīng)用[J].清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，14（4）：50-57.

[5] 張學(xué)文，司佑全.Multisim13仿真軟件在觸發(fā)器中的應(yīng)用分析[J].湖北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，41（3）：93-98.

[6] 張輝，樊亞妮.基于Vivado HLS的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)踐[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（11）：102-103.

[7] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].6版.北京：高等教育出版社，2016：276-304.

[8] 王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)[M].3版.北京：高等教育出版社，2018：335-340.

【通聯(lián)編輯：王力】