Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用

王爾申，龐 濤，李 鵬，鄭 丹

（沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136）

數字電路課程內容比較抽象，課時安排比較緊湊，學生普遍感覺到知識抽象、難于理解器件的邏輯功能、較難掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何應用，如何利用所學器件設計實用電路時顯得不知所措。大部分學生學習數字電路知識只是停留在知識的堆砌，而沒有將應用作為重點掌握的內容［1］。另外，考慮到電子設計自動化（EDA）技術日趨成熟，并走向本科教學課堂，學生掌握EDA技術已成為時代發展的要求。為了更好地激發學生的學習興趣和創造性，解決數字電路教學中存在的問題，在數字電路教學中可適度利用Multisim和Proteus等電子設計自動化仿真軟件［2－4］。針對數字電路課程教學的不同知識內容，分別利用Multisim和Proteus設計仿真電路來演示器件的功能，并利用數字電路中所學的知識進行簡單實用系統的設計，從而將EDA技術融入到數字電路課程的整個教學環節中。實踐證明，將EDA技術與傳統的數字電路課程教學方式相結合有助于提高學生數字電路知識運用的綜合能力和專業素質。

1 Multisim在數字電路教學中的應用

數字電路包括門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、譯碼器、顯示器、寄存器、計數器、AD／DA轉換器等。Multisim仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數據庫，同時提供了種類多樣且標準化的仿真儀器，比如萬用表、示波器、邏輯分析儀、失真度分析儀、波特圖測試儀等。Multisim作為以Windows為基礎的仿真工具，具有豐富的仿真分析能力以及完整的電路原理圖圖形輸入方式。引入Multisim軟件幫助學生快速地將剛學到的理論知識用計算機仿真再現出來，幫助學生更快、更好地掌握教學內容，加深對概念、原理的理解，并能熟悉常用實驗儀器的測量方法，進一步培養學生的綜合能力和創新能力，提高課程教學質量［5－7］。為此，研究 Multisim 在“數字電路”中的應用，以期幫助學生掌握理論知識。

下面以數字電路課程涉及到的典型集成芯片的應用電路為設計仿真實例，分析利用Multisim輔助理論教學電路仿真情況。

1.1 數碼管控制與顯示電路仿真

Multisim仿真軟件提供了發光元件，如小燈泡、發光二極管、數碼管等［8］。課堂教學中利用這些元件展示電路的運行過程與結果，可以改善課堂的氣氛和學生的學習熱情。圖1給出了利用74LS169N十進制計數器和4511BD譯碼器驅動7段數碼管顯示的電路。在時鐘脈沖的控制下，在數碼管上循環顯示0～9十進制數，形象地將顯示結果展示在學生面前。

1.2 譯碼器功能仿真

在數字電路課程中學習的74LS138譯碼器在數字系統設計中有著廣泛的用途，不僅可以用于代碼的轉換、終端的數字顯示，而且還可用于數據分配、存儲器尋址以及組合控制信號等。為了使學生更好地掌握74LS138譯碼器的外特性，圖2給出了利用開關J1、J2和J3模擬二進制數，來驗證74LS138譯碼器譯碼功能的仿真電路。在輸出端接上小燈泡，可以直觀地觀測開關所模擬的二進制數經過74LS138譯碼器后的輸出結果，讓學生更好地理解和掌握74LS138譯碼器的邏輯功能。

圖1 數碼管顯示仿真電路

圖2 74LS138譯碼器仿真驗證電路

1.3 計數器功能仿真分析

74LS161是常用的4位二進制同步計數器，在數字電路以及單片機系統中有非常廣泛的應用。圖3給出了利用74LS161N十六進制計數器來實現十一進制計數功能的仿真驗證電路。在脈沖信號控制下，計數結果送入示波器，可以直觀地觀測到QA、QB和QC對輸入頻率進行二、四、八分頻的效果，通過與非門輸出端來驗證十一進制計數器的功能。圖4給出了利用示波器觀察到的輸出“0100”組合，對應的十進制數為4。同時，可以看出在QC、QB、QA端得到的信號頻率分別為時鐘頻率的1／8、1／4和1／2。

圖3 74LS161N計數器仿真驗證電路

圖4 74LS161N計數器仿真測試波形

1.4 60s計時器的仿真設計

為了使學生更加深入地掌握74LS161的應用，圖5給出了利用74LS161N芯片設計的60s計時器的仿真驗證電路。電路中將十六進制計數器74LS161N分別接成六進制計數器和十進制計數器，然后將2個計數器進行級聯起來，組合成六十進制計數器。將1Hz的時鐘脈沖接到芯片的CLK端，在時鐘的作用下可以形成一個60s的計時器。在計數器的輸出端口接上顯示數碼管，可以很直觀地觀察計數結果。在本設計的啟發下，該電路還可以擴展設計成具有更多功能的計數器和計時器，這部分內容將作為課后作業讓學生獨立完成，也可作為下次課堂討論的內容。

2 Proteus在數字電路教學中的應用

Proteus軟件由Labcenter Electronics公司開發，是嵌入式系統設計與仿真平臺，可實現數字電路、模擬電路、微控制器系統與外設的混合電路系統的電路仿真、軟件仿真、系統協同仿真和PCB設計等功能，是能夠對多種處理器進行實時仿真、調試與測試的EDA軟件工具［9－10］。

利用Proteus開展數字電路課程中相關內容的教學，不但可以使學生掌握利用芯片進行部分功能硬件電路的設計，還可為學生在學習后續的“單片機原理與應用”打下堅實的基礎，尤其是一些與單片機相連接的接口電路的設計和應用，有利于提高學生系統設計的綜合能力。

圖5 60s計數器仿真驗證電路

在數字電路中，模數轉換器ADC和數模轉換器DAC的應用十分廣泛。ADC0804和DAC0832以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點，在應用系統中得到了廣泛的應用［11－12］。為了讓學生在實踐中掌握ADC0804和DAC0832的原理及應用，從Proteus元件庫中選取ADC0804、DAC0832、LM324以及相應外圍器件等，按圖6組成數據采集與輸出仿真驗證電路。

圖6 ADC和DAC聯合仿真驗證電路

電路主要由一個8位的AD0804和一個8位的DAC0832組成，由外部電阻和電容構成振蕩器作為AD0804時鐘輸入，參考電壓為5V，ADC的分辨率為5／255V，輸入模擬量的范圍為0V～＋5V，可由滑動變阻器進行調整。LM324將DAC0832輸出的電流信號轉換為電壓輸出，在相關節點配上電壓表測量顯示，可以明顯地觀察數模轉換和模數轉換的運行結果。通過前后2個電壓表的對比，可以更好地驗證ADC和DAC的原理。本電路可為學生在此基礎上與相關微處理器進行接口設計提供基礎。

3 結束語

借助電子仿真設計平臺Multisim和Proteus設計數字電路課程中涉及到的部分器件和電路的仿真驗證實例，有效解決了課堂教學環節中存在的難題。通過課堂理論知識的講授與Multisim及Proteus仿真相結合的方式，加深了學生對課程理論內容的理解，幫助學生掌握常用芯片的使用方法和外圍電路設計，提高了學生分析和解決問題的能力，更好地培養了學生在數字電路綜合設計與實踐動手方面的能力，為學生進入實驗室進行實物器件的實驗奠定了基礎，提高了學生采用實際器件做實驗時對引起誤差因素的分析能力，實現了課堂教學與實驗教學的有機結合，對培養學生綜合素質起到了積極的促進作用。

（

）

［1］肖偉才.理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（4）：81－84.

［2］張俊濤.電路仿真軟件在電子技術教學實踐中的應用［J］.實驗技術與管理，2007，24（6）：83－85.

［3］張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用［J］.實驗技術與管理，2012，29（4）：108－110.

［4］易靈芝，王根平，李衛平，等.Multisim在電類課程實驗教學中的應用［J］.計量與測試技術，2009（5）：1－3.

［5］楊慶.基于Multisim的數字電路設計性實驗研究［J］.九江學院學報：自然科學版，2010（2）：24－26.

［6］郭麗穎.基于Multisim的彩燈循環閃爍電路設計與仿真［J］.實驗室研究與探索，2010，29（7）：187－189.

［7］張亞君，陳龍，牛小燕.Multisim在數字電路與邏輯設計實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2008，25（8）：108－110.

［8］王冠華.Multisim10電路設計及應用［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［9］萬志平.仿真軟件在電類課程教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2009，26（4）：76－79.

［10］李雪梅，何光譜，張建平，等.改革“電子技術課程設計”教學，培養“3CE”應 用 型 創 新 人 才 ［J］.實驗技術與管理，2011，28（3）：148－150.

［11］李莉.基于Proteus的數據采集系統仿真設計［J］.電力學報，2009，24（3）：226－228.

［12］朱清慧.Proteus電子技術虛擬實驗室［M］.北京：中國水利出版社，2010.