基于multisim11的數字電子技術虛擬實訓

曹艷

摘 要： 數字電子技術是一門理論聯系實踐的課程，本文舉例說明了仿真軟件multisim在數字電子技術三大實訓模塊、功能驗證、擴展應用、綜合設計中的應用。虛擬實訓的開發為學生的學習帶來了新的體驗，增強了教學效果，提高了學生在電路設計方面的綜合能力。

關鍵詞： multisim 數字電路實驗 電路仿真

1.引言

《數字電子技術》是高職院校電子信息類相關專業的一門專業基礎課，其實踐性很強，要求學生在掌握基本理論知識的同時還要具備對電路進行分析、設計、調試、完善電路等重要的實際應用技能。因此，為了提高教學質量，當前設有電子類專業的高職院校包括所有的本科院校及中專職業學校都會配備相應的實驗室。然而現實是，介于資金、管理、設備損壞率等多方面的因素，實驗室規模受到很大程度的限制，設備、儀器、儀表的數量、種類均使實驗室不能滿足完成各種實驗的要求。

隨著計算機技術的發展，大批量的電子EDA軟件應需而生，pspice、protel、EWB、proteus及multisim等。使用仿真軟件，可以擺脫對硬件條件的依賴，且可以利用專業的軟件對設計電路進行專業的仿真、測試，確保設計的準確度，從而避免人工設計中出現的各類問題。Multisim與其他軟件相比具有界面直觀、操作簡單、一鍵仿真及仿真結果可視化等優點，尤其適合理論知識較弱的高職院校類學生使用。通過動態、直觀的仿真，一方面可以加深學生對理論知識的理解，另一方面可以提高電路設計的準確率，避免人力、物力、財力方面不必要的浪費。

2. Multisim軟件

Multisim的前身實際上就是加拿大IIT公司的EWB（Electrical Workbench），EWB版本更新到6.0的時候，IIT公司將電路仿真與設計這一模塊改名為multisim，不僅增強了軟件在仿真、測試、分析方面的功能，而且豐富了仿真元件的數量，使得仿真更精確，進一步提高電路設計的可行度。我們選用的是美國國家儀器公司發行的multisim11版本，與之前的版本相比具有更豐富的元件量，且可進行單片機仿真。

2.1 定制用戶界面

進入multisim仿真平臺，我們可以根據電路的需要、自己的喜好改變界面，包括電路顏色、圖紙尺寸、元件的符號標準等。執行option/sheet properties菜單可打開屬性對話框。進入“circuit”選項卡，在“show”選項組可以設置元件、節點、導線上所顯示的說明性文字等信息，在“color”選項組可設置元件、導線、背景的顏色； “workspace”選項卡則可以設置圖紙大小及顯示模式；“wiring”選項卡用來改變導線、總線的寬度；其他選項卡不再一一贅述（見圖1）。

圖1 界面定制對話框

2.2元件庫

Multisim擁有規模龐大的元件庫，并將所有元件分為17類，便于查找選擇。選擇view/toolbars/components菜單可以調出元件工具欄，如圖2所示，點擊各個按鈕可以直接進入對應類別的元件庫選取元件，選擇place/component菜單可以打開元件選取對話框。平臺提供多方向翻轉、屬性設置等元件編輯功能，可非常方便地修改其庫中提供的任何元器件并且創建自己需要的各種元器件。

圖2 元件工具欄

2.3 儀器儀表

Multisim自帶了20多種虛擬儀器儀表，既提供示波器、函數信號發生器、邏輯分析儀等實際存在的儀器，又有字信號發生器及邏輯轉換儀等這些在現實實驗室找不到的儀器，而且在使用數量上不受限制，這為電路仿真提供了強大的保障。通過view/toolbars/instruments菜單可以調出儀器儀表工具欄，如圖3所示。

圖3 儀器儀表工具欄

3.數字電子技術虛擬實訓設置

實訓教學環節在高職院校數字電子技術課程教學中是至關重要的。所有的實訓都可以歸結為三大模塊：功能驗證模塊、擴展應用模塊和綜合設計模塊，使學生由簡入難，逐步領會到電路應用、設計的概念，進而提高自身的綜合能力。我們將結合案例說明不同類型的數字電路實訓模塊。

3.1 功能驗證實訓模塊

功能驗證模塊主要培養學生的操作技能，用以加深對理論知識的理解，包括兩大類：一類是對基礎邏輯門的功能驗證，一類則是對常用芯片（器件）的邏輯功能進行驗證、測試。

3.1.1 基礎邏輯門邏輯功能驗證

基礎的邏輯門就是與、或、非、與非、或非、與或非、異或、同或等這些實現簡單邏輯功能轉換的邏輯門，要求學生掌握它們的邏輯關系。在此，以或非、與非為例，搭建如圖4所示的簡單電路，即可實現其功能驗證。撥動撥碼開關，可以改變與非、或非門兩個輸入端接收到的高低電平，在輸出端，指示燈亮代表輸出為高電平、反之則為低電平。實驗操作：分別設置00、01、10、11四種不同輸入組合，記錄對應的邏輯輸出，分析數據，理論聯系虛擬實訓加深對邏輯門的理解。

（a）與非門？搖？搖？搖 ？搖 （b）或非門

圖4 基礎邏輯門功能驗證

3.1.2 常用芯片邏輯功能驗證

數字電子技術課程中，學生會學到74LS138（譯碼器）、74LS148（編碼器）、74LS151（數據選擇器）、74LS161（計數器）、74LS194（寄存器）等眾多中小規模組合、時序集成電路，與基本邏輯門相比，這些芯片其邏輯功能不再單一，驗證相對繁瑣。圖5是搭建的194（雙向移位寄存器）功能驗證電路，雙向移位寄存器除了有左移、右移主要功能外，還具有異步清零、同步置數功能。參照使能端的優先級別，設置功能驗證步驟如下：

3.1.2.1異步清零功能，圖中clear為控制清零端的開關，開關撥向ground一側，清零端接收到低電平，194處于清零狀態，四個輸出端均變零。

3.1.2.2同步置數功能，S0、S1為芯片控制執行除清零外其他三種功能的端口，首先要保證clear為高電平，有時鐘信號（CLK端可接收到一定頻率的脈沖信號），然后S0、S1才起控制作用。要置數，S0、S1均為高電平，也就是S0=S1=1，滿足置數條件，將數據輸入端PA、PB、PC、PD的數值分別傳遞給寄存器的四個輸出端QA、QB、QC、QD。圖5即為置入0011數據的仿真結果圖。

圖5 194功能驗證電路

3.1.2.3左移功能，在滿足clear=1的條件下，設置S1=1、S0=0，在CLK上升沿的作用下即可實現左移功能，依次將SL端的數據串行送入寄存器。

3.1.2.4右移功能，與左移功能的條件區別僅在于S1=0、S0=1，右移時則依次將SR端的數據串行送入寄存器。

3.2 擴展應用模塊

擴展應用模塊是在功能驗證的基礎上，培養學生分析、設計數字邏輯電路的能力，可以結合簡單邏輯門的輔助來實現常見數字芯片的基本應用。

3.2.1 基礎邏輯門的應用

主要培養學生當沒有某種邏輯門的時候，如何用另一種邏輯門實現具體要求。比如可以用與非門實現與邏輯、或邏輯、非邏輯，圖6所示為用與非門實現與邏輯（有0得0）和或邏輯（有1得1）。

（a）與邏輯 ？搖 ？搖？搖？搖 （b）或邏輯

圖6 與非門應用

3.2.2 集成芯片的擴展實訓

集成芯片的擴展是指利用基礎邏輯門的輔助實現一些芯片本身所不能實現的功能要求。利用2片138實現4-16線的譯碼器；利用151實現16選1的數據選擇器；用194制作扭環形、環形計數器；利用555芯片來實現多諧振蕩器、施密特觸發器等，擴展實訓是為了培養學生靈活使用芯片的能力，這些都將對提高學生的綜合設計能力有莫大的幫助。圖7是用異步2-5-10進制計數器290級聯而成的60進制計數器，個位是10進制，十位為利用290的置零功能構成的6進制計數器。這個電路要求學生掌握兩個技能：一個是單片290的功能擴展，另一個則是關于芯片的級聯。

圖7 級聯構成60進制計數器

3.3 綜合設計模塊

綜合設計模塊是指不同功能的芯片組合起來完成特定的邏輯功能，考驗的是學生的綜合能力。不但要了解所用芯片的原理、基本功能，還要把他們巧妙地結合在一起實現一定的功能要求。用觸發器完成多路搶答器、用555實現各種報警電路、用138和151構成分時數據傳輸電路、結合多諧振蕩器和計數器構成流水燈，這些都是一些利用數字集成電路實現的常見功能性電路。綜合設計模塊主要培養學以致用的能力，提高他們的實用性技能。

用計數器和數據選擇器可以實現任意的序列脈沖發生器，在此，我們要求實現一個能周期性輸出“011011”的序列脈沖發生器。設計方案有多種，計數器加各種門電路、多個觸發器加門電路等。我們選擇計數器和數據選擇器實現，設計過程如下：（1）脈沖序列的長度為僅為6，那么用1片161制作一個6進制的計數器即可滿足長度要求。（2）序列的內容為“011011”，將151的數據端從低位到高位依次設置為011011。（3）考慮計數器是需要時鐘信號的，這里我們用555芯片構成多諧振蕩電路來提供161的時鐘信號。

圖8 “011011”序列脈沖發生器

基于以上設計思路，搭建出圖8所示電路，運行仿真，用邏輯分析儀測量輸出信號，結果如圖9所示，上方為輸出的序列脈沖，下方為時鐘信號，通過改變可調電阻的阻值可以改變序列脈沖的輸出周期。

圖9 邏輯分析儀測量結果

經過此次設計，學生既熟悉了555芯片、計數器、數據選擇器的原理及應用，又掌握了序列脈沖發生器的設計思路、實現方法。

利用仿真平臺驗證、設計電路最大的優勢是沒有約束、限制，可完全照自己的思路選擇元器件搭建電路，通過仿真發現問題所在，修改參數、元件，不斷地完善電路以達到最理想的結果，最后再完成電路的實體設計、制作。這在很大程度上節約了各項成本，而且不會因為材料的浪費、儀器的損壞給學生造成心理負擔，挫傷他們設計電路的積極性。

4.結語

在“教”方面，虛擬實訓使得課堂不再平淡、乏味，勾起學生的學習興趣；“學”方面，搭建好的電路，可以無限制地設置元件參數、修改電路的搭接，而且大量地避免各種損失，使得學生放開膽子思考電路設計的各種方案、完善電路，從而達到最佳設計。

當代社會需要的是能夠不斷接受挑戰的人才，對學生綜合能力的要求持續升高，虛擬實訓引發學生的學習興趣、開發學生設計電路的發散性思維，并且在培養學生分析問題、解決問題的能力方面有不可估量的作用。

參考文獻：

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