基于Multisim和Authorware的數(shù)字電路仿真實驗平臺設(shè)計

周 圍,韓 建,于 波

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

虛擬仿真技術(shù)探索與實踐

基于Multisim和Authorware的數(shù)字電路仿真實驗平臺設(shè)計

周 圍,韓 建,于 波

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

基于Multisim和Authorware軟件設(shè)計了數(shù)字電路仿真平臺。通過Multisim軟件對數(shù)字電路中的各種功能電路進(jìn)行設(shè)計,通過Authorware軟件對仿真平臺的交互界面進(jìn)行設(shè)計,學(xué)生通過簡單的操作即可實現(xiàn)電路功能及仿真波形的可視化,并可通過修改電路參數(shù)來觀察參數(shù)變化對電路的影響。

仿真實驗;平臺設(shè)計;Multisim;Authorware

“數(shù)字電子技術(shù)”作為電子、通信及自動化等專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,在專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中有重要的地位。在“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)實踐中,實驗課程與理論課程往往不能同步進(jìn)行,而且實驗設(shè)備多是實驗箱,學(xué)生實驗時只需按照實驗步驟、方法進(jìn)行簡單的連線即可觀察到實驗現(xiàn)象或得到測試結(jié)果,導(dǎo)致學(xué)生動手操作的余地和自由發(fā)揮空間小,需要主動思考的問題也少[1-2]。若能引入Multisim等仿真軟件,輔以生動的仿真演示和自主操作的仿真實驗,實現(xiàn)理論講解和驗證的同步進(jìn)行,不僅能增強(qiáng)教學(xué)的直觀性與靈活性,而且能夠最大限度地利用有限的授課學(xué)時,加深學(xué)生對基本理論知識的理解,為傳統(tǒng)的教學(xué)方法注入活力[3-4]。本文介紹基于Multisim和Authorware設(shè)計的數(shù)字電路仿真實驗平臺。

1 基于Multisim仿真實驗開發(fā)

首先針對數(shù)字電路中的典型電路及其應(yīng)用開發(fā)了數(shù)字電路仿真實驗平臺,以直觀、動態(tài)地展現(xiàn)電路功能。數(shù)字電路包括門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、譯碼器、顯示器、寄存器、計數(shù)器、AD/DA轉(zhuǎn)換器等。Multisim仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數(shù)據(jù)庫和種類多樣且標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器,例如萬用表、示波器、邏輯分析儀、失真度分析儀、波特圖測試儀等[5-6]。按照課程體系,開發(fā)的仿真實驗項目如圖1所示。

圖1 實驗開發(fā)項目框圖

(1)在基本邏輯門電路中,設(shè)計實現(xiàn)了COMS和TTL電路構(gòu)成的基本邏輯(與、或、非)和復(fù)合邏輯(與非、或非、與或非、異或、同或)的仿真電路。

(2)在組合邏輯電路中,設(shè)計實現(xiàn)了常用組合邏輯電路8線-3線優(yōu)先編碼器、3線-8線譯碼器、顯示譯碼器、半加器、全加器、雙四選一多路選擇器、數(shù)值比較器以及組合邏輯電路中的競爭冒險(0型冒險、1型冒險)仿真電路。

(3)在觸發(fā)器電路中,設(shè)計實現(xiàn)了電平觸發(fā)、脈沖觸發(fā)及邊沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器的仿真電路。

(4)在時序邏輯電路中,設(shè)計實現(xiàn)了由74LS160、74LS161、74LS190、74LS191、74LS192、74LS193、74LS290等常用計數(shù)芯片同步和異步級聯(lián)構(gòu)成的其他進(jìn)制計數(shù)器、由D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器構(gòu)成的移位寄存器、雙向移位寄存器、序列發(fā)生器的仿真電路。

(5)在脈沖發(fā)生與整形電路中,設(shè)計實現(xiàn)了由門電路和555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的仿真電路。

(6)在AD/DA轉(zhuǎn)換電路中,設(shè)計實現(xiàn)了并聯(lián)比較型ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、計數(shù)型和逐次漸進(jìn)型的反饋比較ADC、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、倒T形網(wǎng)絡(luò)DAC、權(quán)電流型網(wǎng)絡(luò)DAC、開關(guān)樹型DAC的仿真電路。

(7)在典型應(yīng)用電路中,設(shè)計實現(xiàn)了ASK/FSK/ PSK鍵控調(diào)制電路、可控加減法電路、任意信號發(fā)生電路、任意進(jìn)制計數(shù)分頻電路、函數(shù)實現(xiàn)電路、智力搶答器電路、硬幣存錢箱電路、籃球計時計分電路等應(yīng)用電路的仿真電路。

所有電路均可通過簡單的操作實現(xiàn)電路功能和仿真波形的可視化,并可通過修改電路參數(shù)來觀察參數(shù)變化對電路的影響。

2 基于Authorware的仿真平臺設(shè)計

Authorware的人機(jī)交互功能是通過交互圖標(biāo)來實現(xiàn)的[7]。人機(jī)交互有利于建構(gòu)理想的學(xué)習(xí)環(huán)境,實現(xiàn)學(xué)習(xí)的導(dǎo)向、監(jiān)督、調(diào)節(jié)、激勵、診斷等功能,為自主性學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[8-9]。

首先建立起交互環(huán)境和入口界面。交互圖標(biāo)提示允許用戶進(jìn)行交互的元素以及在交互過程中出現(xiàn)的文本和圖像,并可控制其顯示效果。當(dāng)用戶把操作信息傳遞給相關(guān)的響應(yīng)類型標(biāo)識符,即進(jìn)入到相應(yīng)的子頁面。每一個響應(yīng)分支均有相應(yīng)的文字和具體的電路對知識點進(jìn)行講解,并利用“Go To(IconID＠“目錄”)”命令實現(xiàn)子頁面向主頁面的返回操作。

3 仿真電路設(shè)計與實現(xiàn)

由于該平臺涉及的電路類型和數(shù)量較多,在這里只展示數(shù)字電路仿真實驗平臺中幾個典型電路的仿真電路設(shè)計。

3.1 555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

進(jìn)入數(shù)字電路仿真實驗平臺基礎(chǔ)篇的“脈沖發(fā)生與整形電路”界面,可以了解555定時器的主要應(yīng)用電路。若點擊“555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器”,即可進(jìn)入到施密特觸發(fā)器子界面。該界面介紹了施密特觸發(fā)器的特點及電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖2)。點擊進(jìn)入仿真即可鏈接到Multisim軟件的仿真頁面(見圖3)。運行后可通過觀察示波器的輸入輸出波形,直觀地了解施密特觸發(fā)器的特點(見圖4)。由圖4可見,輸入的正弦波經(jīng)施密特觸發(fā)器后,其輸出波形為方波,且波形變換所對應(yīng)的正向閾值電壓和反向閾值電壓不同,可見施密特觸發(fā)器具有對波形變換及整形功能,在觀察實驗結(jié)果的同時,可以改變輸入信號的幅值、頻率等信息來觀察輸出信號的變化。

3.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

圖2 施密特觸發(fā)器子界面

圖3 施密特觸發(fā)仿真電路

圖4 示波器顯示波形

在數(shù)字電路仿真實驗平臺基礎(chǔ)篇的“模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換”模塊,有介紹D/A和A/D轉(zhuǎn)換主要電路類型的內(nèi)容。點擊DAC中的“倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC”即可進(jìn)入到該子界面。該界面介紹了倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)及數(shù)模運算關(guān)系(見圖5)。開始進(jìn)行仿真后,即可鏈接到Multisim軟件的仿真頁面(見圖6)。由圖6可見,電路基準(zhǔn)電壓為5 V,輸入二進(jìn)制代碼1001,其輸出的模擬量為－2.809 V。在觀察實驗結(jié)果的同時,可以改變輸入的數(shù)字量數(shù)值來觀察輸出模擬電壓數(shù)值的變化,運行后可通過觀察電壓表的輸出電壓,直觀地了解模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖5 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC子頁面

圖6 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC仿真電路

3.3 硬幣存錢箱的電路設(shè)計與仿真

硬幣存錢箱的硬幣檢測原理如圖7所示,電路總體設(shè)計如圖8所示。圖8左上方的5個輕觸開關(guān)分別模擬了硬幣檢測用的啟動、C、B、A及結(jié)束的光耦合器。

圖7 硬幣檢測原理圖

圖8 硬幣存錢箱仿真電路

(1)當(dāng)依次按下啟動開關(guān)、A開關(guān)、結(jié)束開關(guān)時,即模擬硬幣依次通過產(chǎn)生啟動信號的光耦合器以及A光耦合器,而B光耦合器和C光耦合器沒有硬幣通過,說明通過的是1角硬幣;

(2)當(dāng)依次按下啟動開關(guān)、B開關(guān)、A開關(guān)、結(jié)束開關(guān)時,說明模擬通過的是5角硬幣;

(3)當(dāng)依次按下啟動開關(guān)、C開關(guān)、B開關(guān)、A開關(guān)、結(jié)束開關(guān)時,說明模擬通過的是1元硬幣。

圖8中上方3組數(shù)碼管分別顯示1元、5角和1角硬幣的數(shù)量;下方的一組數(shù)碼管顯示表示硬幣總金額;通過對所有計數(shù)芯片的統(tǒng)一復(fù)位,實現(xiàn)硬幣數(shù)量及金額的同步歸零。圖中左下方為555定時器構(gòu)成的頻率可調(diào)矩形脈沖發(fā)生器,作為電路的時鐘脈沖,通過調(diào)整阻容元件的參數(shù)可以得到700～1 300 k Hz的時鐘脈沖。該電路可實現(xiàn)硬幣檢測、各種硬幣的計數(shù)顯示、總金額計算顯示及復(fù)位功能,測試結(jié)果正確。

4 結(jié)束語

本文基于Multisim和Authorware軟件完成了數(shù)字電路仿真設(shè)計,通過Multisim軟件實現(xiàn)的虛擬仿真實驗具有較強(qiáng)的可操作性。該平臺有利于學(xué)生掌握常用芯片的使用方法和外圍電路設(shè)計,提高分析和解決問題的能力,提高數(shù)字電路綜合設(shè)計與實踐動手能力,為進(jìn)行實物器件的實驗奠定了基礎(chǔ)[10-12]。通過Authorware軟件建立的可交互的仿真實驗平臺,使得每一個知識點圖文并茂,實現(xiàn)了虛擬實驗的直觀性、可視性、動態(tài)性、交互性、擴(kuò)展性和可重復(fù)性。

References)

[1]杜世民,楊相生,楊潤萍.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路綜合實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(10):93-96.

[2]劉君,楊曉蘋,呂聯(lián)榮,等.Multisim 11在模擬電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):95-98.

[3]顏芳,宋焱翼,謝禮瑩.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(5):59-62.

[4]雷躍,譚永紅.基于Multisim 10的電子線路課程設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2009,28(10):180-182.

[5]王爾申,龐濤,李鵬.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):78-81.

[6]付揚.Multisim仿真在電工電子實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):120-122.

[7]黃小花.Author Ware中常用交互功能的使用[J].計算機(jī)時代,2012 (5):43-44.

[8]楊象馳.基于Authorware的多媒體教學(xué)軟件設(shè)計研究[J].計算機(jī)工程與設(shè)計[J].2004,25(5):697-699.

[9]張有錄.基于Authorware的交互功能分析[J].電腦編程技巧與維護(hù),2008(9):5-7.

[10]張志軍.Multisim在電工電子課程教學(xué)中的典型應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(4):108-110.

[11]張亞軍,陳龍,牛小燕.Multisim在數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(8):108-114.

[12]謝斌盛,鄧文婷.Multisim在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2009,28(6):213-214,226.

Design of simulation experimental platform in digital circuit based on Multisim and Authorware

Zhou Wei,Han Jian,Yu Bo
(College of Electronic Science,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

This paper introduces a design of simulation experimental platform in digital circuit based on Multisim and Authorware.It designs various function in digital circuit by Multisim,and it designs interactive interface of simulation platform by Authorware.The students can realize the function of circuit and the simulation visualization by simple operation,and it also can observe the effect when parameter varying.

simulation experiment;design of platform;Multisim;Authorware;

TP319;TN791

A

1002-4956(2015)4-0119-04

2014-09-10

黑龍江省教育廳教育科學(xué)規(guī)劃課題“電子信息工程專業(yè)‘卓越工程師’培養(yǎng)模式的研究與實踐”(GBC1212015);東北石油大學(xué)教育教學(xué)改革項目“電路與電子技術(shù)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新研究”;東北石油大學(xué)教育教學(xué)改革項目“電子信息工程專業(yè)課程群體系建設(shè)與研究”

周圍(1980—),女,黑龍江大慶,碩士,副教授,主要從事傳感測試技術(shù)及電子信息工程等方面的研究.

E-mail:aroundwei＠163.com