Multisim在競爭冒險教學中的應用

摘 要:在數字邏輯課堂教學中，引入Multisim軟件，結合邏輯電路實例講述競爭冒險現象。利用Multisim軟件中的虛擬元件建立示例電路的仿真模型，模擬電路的運行狀況，生動地展示了競爭冒險的產生過程，使課堂教學更加地貼近工程實際，幫助學生更好地理解和掌握所學內容，對提高課堂教學效率，激發學生的學習興趣有重要的意義。

關鍵詞:數字邏輯; 競爭冒險; Multisim軟件; 教學

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0166-03

Application of Multisim in Race and Hazard Teaching

ZHAO Bo

(Department Electrical Engineering， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China)

Abstract: The race and hazard phenomenon is deseribed with the introduction of Multisim software applied in digital logic class teaching in combination with example of logic circuit. The simulation model of example circuit is built by the virtual components.The process generating race and hazard phenomenon is psesented vividly through simulating the circuit.This method makes class teaching more close to the engineering practice and helpful to students′ understanding and mastering of the know-ledge.Also， this is meaningful to improve the efficiency of class teaching and inspiring the students′ interest in learning.

Keywords: digital logic; race and hazard; Multisim software; teaching

0 引 言

競爭冒險是發生在數字邏輯電路實際運行中的一種現象。在電路的實際運行中，信號的變化以及電路傳輸延遲的存在會造成競爭冒險的產生。如何在課堂教學中更好地去講述這一在電路實際運行中發生的現象是值得教學工作者考慮的問題。課堂教學側重于相關理論的講述，理論講述可有效地對競爭冒險產生的原因進行分析，并說明由此帶來的結果，但很難給學生形成一種直觀的印象。對于這種與實際聯系較為緊密的問題，僅僅從理論上闡述是不夠的，一種較好的方法是在理論講述的同時能夠呈現產生這一現象的過程，從而給學生留下更深刻的印象，幫助學生更好地將理論知識與實際聯系起來。在通常的教學過程中，受時間和空間的限制，顯然不可能把實驗設備搬至課堂。而仿真軟件的出現可以彌補這一不足。

本文所使用的仿真軟件是Multisim。Multisim是加拿大IIT公司在EWB 5.0的基礎上推出的更高版本的電路設計與仿真軟件[1]，主要用于模擬和數字電路的仿真[2]。Multisim繼承了EWB 5.0上手快、實用性強、界面簡單等優點。同時，Multisim的電路仿真速度更快、元件庫更豐富。Multisim包含有大量的仿真元器件和常用仿真儀器[3]。因其強大的功能和諸多的優點，近年來已被廣泛應用于課堂教學，各種與Multisim相結合的教學方法也層出不窮[3-8]。

1 教學示例

在進行組合邏輯電路競爭冒險教學時，教材[9]中提到如圖1所示邏輯電路。

圖1 教學示例邏輯電路圖

該電路的邏輯表達式為L=AC+BC。當A，B都為1時，邏輯表達式為L=C+C，理論上，在不考慮傳輸門延遲，并且認為電路處于穩定狀態時，輸出為1。但在實際電路中，邏輯門是存在傳輸延遲的，當輸入信號C發生變化時，信號在各個路徑上的傳輸時間不同，電路會出現競爭冒險現象。教學中，將重點討論信號電平變化瞬間電路的輸出情況。

2 Multisim仿真

2.1 建立仿真模型

2.1.1 確定輸入信號

在仿真時需向邏輯電路輸入端C提供變化的信號。這里變化信號由Multisim軟件中的虛擬信號發生器提供。打開信號發生器屬性框，如圖2所示。選擇方波信號，設置頻率為1 MHz，幅值為5 V。

圖2 設置信號發生器

2.1.2 建立仿真電路

Multisim軟件的元件庫中有大量的邏輯門可供選擇，這里選擇74HC_6 V系列邏輯門，按照圖1建立仿真電路，如圖3所示。Multisim中的邏輯門具有傳輸延遲參數，恰好可以滿足仿真中需要傳輸延遲的要求。傳輸門G1的默認平均延遲為20 ns，傳輸門G2，G3，G4的默認平均延遲為21 ns。

圖3 仿真電路

2.1.3 輸出觀察工具的選擇

通常在觀察電路輸出時需要示波器，Multisim軟件中帶有虛擬示波器，可用來觀察仿真結果，使仿真變得更加直觀。為了能夠對電路的多個信號同時進行觀察比較，這里選擇4通道的虛擬示波器。

完整的仿真電路模型，如圖4所示。示波器的A通道用來觀察輸入信號，B通道用來觀察傳輸門G2的輸出，C通道用來觀察傳輸門G3的輸出，D通道用來觀察傳輸門G4的輸出。

2.2 運行仿真

基于輸入信號的頻率為1 MHz，設置仿真時間為2 μs，這樣觀察2個周期就可以了。運行仿真，完成后打開示波器，仿真結果如圖5所示。

圖4 完整的仿真電路模型

圖5 仿真結果

示波器窗口界面中，自上而下依次為C端輸入信號、傳輸門G2輸出信號、傳輸門G3輸出信號、傳輸門G4輸出信號。當C端輸入信號由高電平突變為低電平時，傳輸門G2由于傳輸延遲的存在，其輸出信號由高到低的變化相比輸入信號的變化時刻出現了延遲。傳輸門G3的輸出同樣也出現了延遲，而且從輸出端C到G3的輸出經過了G1、G3兩個邏輯門，因此G3輸出信號的延遲較比G2輸出信號的延遲更大，這就是傳輸路徑的不同導致了延遲的不同。由以上分析可知，由于G2輸出信號由高到低的變化和G3輸出信號由低到高的變化不是同時發生的，存在時間差，出現了競爭，經過邏輯門G4后導致了低電平冒險脈沖的出現，該脈沖的輸出也存在延遲。從圖中可以較為清楚地觀察到競爭冒險的發生。

競爭冒險的存在會導致電路運行時發生誤動作，因此總希望消除競爭冒險的發生。對以上建立的邏輯電路，可通過增加乘積項的方法消除競爭冒險。增加乘積項后的仿真電路如圖6所示，圖中G5為所增加的與門，此時電路的邏輯表達式為L=AC+BC+AB，邏輯關系未發生改變。對該電路進行仿真，結果如圖7所示。從圖中看出，增加乘積項的電路已消除了競爭冒險現象。

圖6 增加乘積項后的仿真電路

圖7 增加乘積項后的仿真結果

3 結 語

針對競爭冒險這一電路實際運行中發生的現象，在教學過程中引入Multisim軟件，利用Multisim軟件中的信號發生器、邏輯門、示波器等建立仿真電路，模擬實際電路的運行情況。由此觀察當輸入信號發生變化時，電路中各傳輸門的輸出變化及之間的時序關系。以此，更加深入地分析和揭示競爭冒險現象的產生機理，對課堂教學起到了良好的輔助作用。

參考文獻

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