Multisim14.0軟件在數字電子技術教學中的應用

王旭 朱建梅

摘要 本文通過對具體的數字電路分析與設計實例，介紹了Multisim14.0軟件在數字電子技術教學過程中的具體應用。使用Multisim14.0軟件可以讓學生跳出對于數字電路理論推導和計算的束縛，將學習的重點放在對數字電路應用的思考和創新上，激發學生學習激情，釋放數字電子技術的趣味性。

【關鍵詞】數字電子技術Multisim14.0 虛擬儀器 電路分析與設計

1 引言

數字電子技術是電子技術基礎的重要組成部分，是電類相關專業學生的必修內容和后續專業知識學習的基礎。在傳統的教學過程中，不論是老師的教、還是學生的學，都主要強調怎樣去理解原理、推導公式、分析計算，這種強調知識而忽略體驗的教學過程，必然導致學生興趣不高、教學效果不佳的結果。Multisim 14.0是一款非常適合電子技術教學的EDA（電子設計自動化“Electronics DesignAutomation”的縮寫）工具軟件，可以方便的進行電子電路的設計與仿真分析，其自帶的元件庫涵蓋了絕大多數常用的電子元器件，在數字電路學習過程中克服了傳統實驗實訓設備搭建實驗電路的局限性，極大拓展了實驗電路的范圍，為理論水平不高但又喜歡電路的同學提供了另一條認識電子電路的新途徑。實踐教學證明如果在具有多媒體教學環境的課堂教學中能夠適時引入Multisim，就可以滿足不同層次學生的學習需求，極大提高學生的學習興趣，真正讓學生在一堂課中就能做到“在實驗中體會、在理論中思考”，最終達到自我建構知識的學習目的。

2 Multisim14. 0軟件介紹

Multisim14.0是美國國家儀器（NI）有限公司推出一款基于Windows操作系統平臺的EDA工具軟件，提供業界一流的SPICE仿真標準環境，可通過設計、原型開發、電子電路測試等實踐操作來提高學生的技能。其教學版是專為電路和電子技術相關內容的教學而開發，通過一個交互式、圖形化的學習環境將電路理論視覺化，避免學習過程中枯燥乏味的復雜數學推導和理論知識，幫助學生鞏固對公式和方程式的理解。Multisim提供萬用表、信號發生器、邏輯分析儀等多種虛擬儀器和交互式的電路分析工具，能形象地展示電路行為，有利于學生理解電路知識和教師快速設計與課堂和課后作業主題相匹配的基礎電路。

3 Multisim14.0軟件在數字電子技術教學中的應用

在數字電子技術的教學過程中，組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設計是教學重點、難點，也是學習興趣點。教師需要重點培養學生對邏輯電路分析與設計的基本思想，訓練學生掌握分析與設計階段需要用到的基本方法和工具，激發學生的學習興趣和創新。利用Multisim軟件提供的虛擬儀器，可以大大降低學生學習數字電路分析和設計的數學要求，輔助完成復雜的數學計算和推導，從而突出重點、化解難點。再利用其強大的電路仿真功能，搭建測試電路，仿真檢驗分析和設計的正確性，激發學習興趣。

3.1 Multisim14.0在組合邏輯電路分析中的應用

組合邏輯電路在結構上表現為輸入和輸出之間不存在反饋通路、電路中沒有記憶元件;在功能上表現為任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀態無關。組合邏輯電路在實際應用中非常廣泛，如編碼器、譯碼器、數據選擇器、數據分配器、全加器、半加器、加法器均為常見的組合邏輯電路。對于給定的組合邏輯電路，確定其邏輯功能的過程，就是對組合邏輯電路的分析，分析過程一般是：首先通過邏輯電路圖寫出其對應的邏輯表達式，然后對所得的邏輯表達式進行化簡得到最簡邏輯表達式，再根據最簡邏輯表達式列出邏輯真值表，最后通過對真值表的分析確定邏輯功能。與組合邏輯電路的分析相反，對于給定的邏輯功能，實現其邏輯電路的過程，就是對組合邏輯電路的設計，設計過程一般是：首先根據設計要求確定輸入和輸出變量，并對邏輯變量進行邏輯賦值，然后根據邏輯功能列出邏輯真值表，再根據邏輯真值表寫出邏輯表達式，之后根據實際需要進行邏輯表達式的化簡或變換，最后將化簡或變換后的邏輯表達式轉換成邏輯電路圖。顯而易見，不論是組合邏輯電路的設計還是分析，其實質都是同一邏輯關系的不同表示形式之間的轉換。對于學生來講，要正確完成對組合邏輯電路的分析和設計最頭疼的就是轉換過程中的數學式子，這正是使學生學習組合邏輯電路興趣不高的癥結所在，而Multisim14.0軟件提供了一種可以在邏輯關系各種表示形式（如邏輯電路圖、真值表、邏輯表達式）之間進行相互轉換的虛擬儀器一一邏輯轉換器，使得組合邏輯電路的分析和設計變得十分簡便，實現了將學習的重點放在電路上而不是數學上，從而達到釋放學生的學習激情、提高學習效率的目的。

下面以分析圖1所示電路圖的邏輯功能為例，介紹Multisim14.0軟件中組合邏輯電路分析的具體實現。

啟動Multisim14.0，在原理圖中繪制圖2所示電路圖，圖中74LS138D 3線-8線集成譯碼器、74LS20N四輸入與非門和圖1電路圖中相應元件對應，邏輯轉換器XLC1左側輸入端A、B、C和右側輸出端H通過輸入輸出網絡標號A、B、C、F接入邏輯電路。

雙擊邏輯轉換器XLC1，彈出圖3邏輯轉換器對話框，其界面主要由三部分組成。左側為真值表輸入表、顯示欄，可以最多有8個輸入變量A-G、1個輸出變量H。右側為轉換按鈕，從上至下依次為：電路圖轉真值表、真值表轉換為邏輯表達式、真值表轉換為最簡邏輯表達式、表達式轉換為真值表、表達式轉換為與、或、非門組成的電路、表達式轉換為與非門電路。最下方為表達式輸入、輸出框。如圖3所示。

單擊右側“電路圖轉真值表”按鈕，左側顯示欄將會顯示該電路的邏輯真值表，若要得到其最簡邏輯表達式，可單擊“真值表轉換為最簡邏輯表達式”按鈕，最簡表達式將會出現在下方文本框內，如圖4所示。通過對真值表的分析可知圖1所示電路是一個具有三人表決功能的邏輯電路，至此邏輯電路分析完成，整個分析過程簡潔明了。

分析完成后，在Multisim中搭建如圖5測試電路，可以得到的結論是電路仿真結果和前面分析結果是一致的，此處不再具體說明。

3.2 Multisim14.0在組合邏輯電路設計中的應用

邏輯轉換器不但可以方便的完成組合邏輯電路的分析，也可以輔助完成組合邏輯電路的設計。在電路圖中添加邏輯轉換器，雙擊打開邏輯轉換器對話框，對話框左側“真值表輸入表”顯示為三列，最左側為序號列，中間為輸入組合列，右側為輸出結果列，其中序號列、輸入列的取值會根據單擊字母上方的圓圈選擇輸入變量的不同自動生成，輸出結果列則有四種符號顯示，默認為“？”號，可以通過單擊顯示符號實現在“0、1、×、？”之間的轉換，從而完成真值表的輸入，然后單擊“真值表轉換為邏輯表達式按鈕”或“真值表轉換為最簡邏輯表達式”將真值表轉換成邏輯表達式，單擊“表達式轉換為與、或、非門組成的電路”或“表達式轉換為與非門電路”將表達式轉換成邏輯電路圖，將得到的電路圖放置到電路原理圖中，最后搭建測試電路驗證設計是否正確，從而完成組合邏輯電路的設計任務。

4 總結

教師在實際的教學過程中，針對不同層次的學生，可以通過不同的途徑使用Multisim輔助完成對組合邏輯電路的分析和設計。對于學習水平較高的學生，可以先進行理論推導，然后再在Multisim中使用邏輯轉換器進行輔助分析和設計，驗證理論推導結論是否正確，最后通過搭建測試電路進行電路的仿真進一步提升學生對電路的實際應用能力;對于學習水平較弱的學生，可以先在教師的輔導下，在Multisim中使用邏輯轉換器進行電路的邏輯功能分析、設計，然后搭建測試電路進行電路仿真，讓學生對電路的邏輯控制功能有一個感性的認識，激發學生的學習激情，最后通過一步步地邏輯抽象完成對該電路的理論分析和設計，最終達到逐步培養學生理論分析的能力。

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