Multisim10和AD10在數字電路實驗教學中的應用

李謙+王云秀+沈歡

摘 要：針對《數字電子技術基礎》的教學現狀和存在問題，提出將仿真軟件Multisim10和AD10融入到數字電路實驗教學中，介紹了Multisim10仿真軟件的功能與特點，以NE555定時器為核心的簡易電子琴的實驗設計為仿真實例，進一步促進教學用AD10對電子琴進行PCB設計，展開實物制作，將講授的知識更為直觀地展現給學生，以有效改善傳統實驗教學效果，提高學生對數字電路的學習興趣及自主學習與創新能力。

關鍵詞：數字電路；Multisim10軟件；AD10軟件；實驗教學

中圖分類號：TP393；TN709 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-0-02

0 引 言

《數字電子技術基礎》是電子信息工程、電子信息科學與技術、應用電子技術教育、通信工程等電子信息類相關專業的一門重要的專業基礎課程，具有很強的實踐性和工程性，且實驗教學是本課程教學中的一個重要環節。在實驗教學中讓學生自主動手掌握課堂中所學器件的特性，在理論基礎上更好地應用知識，從而幫助學生進行自主創新，提高學習熱情。在實際教學過程中，因《數字電子技術基礎》課程內容較多、較為抽象且課時安排比較緊湊，而隨著電子技術的迅速發展，不斷涌現的新型元器件、新電路，使得現有的實驗條件已無法滿足實驗教學中的各種電路設計要求，導致大部分學生對《數字電子技術基礎》知識的學習僅僅停留在對各種芯片、電路的堆砌上，并未將應用作為重點掌握。

為解決在數字電路實驗教學中存在的問題，更好地促進學生的學習興趣和創造性的提高，在傳統的實驗教學基礎上，引入軟件Multisim10和AD10，將數字電子技術基礎課程教學中的理論知識更好地融入實驗教學中，讓學生從理論無縫過渡到仿真和實驗。

1 Multisim10的功能與特點

《數字電子技術基礎》包括數制與編碼、邏輯代數基礎、集成邏輯門、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路的分析與設計、脈沖波形的產生與整形、存儲器和可編程邏輯器件、AD/DA轉換器等知識。而仿真軟件Multisim10的引入為實驗教學提供了較好的虛擬實驗平臺，Multisim10是由美國國家儀器（NI）公司研發的仿真軟件，現已升級到Multisim14，但目前高校常用的是Multisim10，與其他電路仿真軟件相比，具備諸多優點。

1.1 規模龐大的元器件庫

Multisim10提供了豐富的元器件庫，使用者可根據實際需要選擇相應的元器件。對于初學者來說，因不熟悉所需的元器件在哪個元器件組和元件系列中時，可點開任意一個元器件組然后進行元器件搜索，在搜索窗口中輸入所需元器件的名稱，最后點擊搜索即可找到所需元器件。

1.2 標準化的虛擬儀器儀表

Multisim10提供了儀器工具條，可用于進行虛擬電子實驗室和電子設計仿真，常用的虛擬儀表有數字萬用表、函數發生器、示波器、邏輯分析儀、波特圖示儀、頻譜分析儀等，為電路的仿真提供了強有力的保證，使學生更快、更好地掌握常用實驗儀器的使用與測量方法。

1.3 強大的分析能力

Multisim10為使用者提供了較為強大的電路分析能力，包括電路的交直流分析、頻譜分析、噪聲因素分析、邏輯分析、失真分析、傅里葉分析、溫度掃描、布線寬度分析等。擁有其他軟件所不具備的分析功能，它的最大優勢就是其仿真結果與真實實驗操作結果幾乎完全相同，使得該軟件能廣泛用于實驗教學，有助于提高學生的學習效率，培養學生的創造性。

1.4 便利的交互界面

Multisim10能將原理圖的創建、電路仿真分析與仿真結果等同時呈現在同一個窗口界面，相當于將傳統實驗教學中的元器件都集中在一個實驗箱，然后再與仿真測量儀器儀表相連進行仿真分析。而使用鼠標即可將元器件用導線相連，大大提高了學習效率。

2 Multisim10在《數字電子技術基礎》實驗教學中的仿真應用

以數字電路中典型芯片的應用即以芯片NE555為核心設計的簡易電子琴為例，闡述采用Multisim10軟件進行仿真應用的過程。

2.1 實驗方案的確立

簡易電子琴的系統框圖如圖1所示。輸入電路由8個按鈕開關和8個電阻值固定的電阻組成，通過按下不同按鍵，使接入電路的電阻值發生改變，從而改變NE555振蕩電路的輸出頻率，使得輸出頻率與音樂學中的音名頻率相匹配，再經過三極管放大，最后由蜂鳴器輸出。

2.2 輸入電路的設計

蜂鳴器在不同頻率信號的驅動下將發出不同的聲音，而頻率由接入555定時器的電阻決定，因此，8個電阻阻值的確定至關重要。根據音樂學理論，不同音名對應的頻率見表1所列。

由555定時器構成的多諧振蕩器如圖2所示。

R1、R9、C1為外接定時元件，決定著振蕩器的振蕩周期，其中R9為引腳RST 和DIS之間的電阻，R1為引腳DIS和TRI之間的電阻，C1為引腳 TRI和地之間的電容，C2為濾波電容，該電路不必外加觸發信號，加電后就能產生周期性的方波。多諧振蕩器的振蕩周期包含兩個暫穩態的持續時間，即：

通過表1可知，不同的音名對應不同的頻率，在引腳DIS和TRI之間串聯8個音階電阻來產生8種不同頻率的方波，控制蜂鳴器發出不同頻率的聲音，可通過按下不同的按鍵使得接入555定時器的電阻不同，從而改變其輸出頻率。

2.3 電路的仿真

根據以上分析，繪制出圖3所示的簡易電子琴仿真電路，555定時器輸出端連接的電阻起穩定電壓的作用，使輸出的方波信號穩定，降低發出聲音的失真度。再經過PNP三極管進行功率放大，最后由蜂鳴器輸出。當按下開關J1后，接入電路的電阻值為R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8，圖4所示為按下J1開關后通過示波器測試輸出方波的波形和周期，測量探針測出其實際頻率為264 Hz，與理論頻率低音do基本一致，能較好地實現電子琴的音效，且波形穩定。

2.4 用AD10進行PCB設計，展開實物制作

在仿真基礎上，為進一步激發學生的學習興趣與創新能力，可通過軟件AD10進行PCB設計，圖5所示為簡易電子琴的PCB圖，然后購買相應元器件展開實物制作，圖6所示為簡易電子琴實物圖。

3 結 語

借助虛擬實驗平臺Multisim10和AD10設計數字電子技術基礎課程中簡易電子琴的實驗，能有效解決課程教學中存在的難題。通過課堂理論知識的講授與Multisim10仿真及AD10 PCB設計相結合的方式，為教師提供了靈活的教學方法，將原本枯燥的知識內容以鮮活的形式展現出來，可有效幫助學生掌握常用芯片的使用和外圍電路的設計，進一步加深對課堂教學內容的理解，同時也培養了學生在數字電路中的動手能力和綜合實驗設計能力，為學生進入實驗室進行實物操作奠定了基礎，學生也能自己利用課后時間進行有趣的數字電路實驗設計，促使學生提高自主學習和創新能力。

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