Multisim仿真軟件在數字電子技術實驗教學中的應用

鄭寬磊?陳柳

摘要：介紹了Multisim仿真軟件的特點，設計了一個在時鐘脈沖控制下實現八位并行數據輸入到串行數據輸出的轉換電路，通過該設計性實驗闡述了該軟件在數字電路實驗教學中的具體應用，提出了一種仿真設計與實物實驗相結合的電子技術實驗教學模式。

關鍵詞：Multisim仿真軟件；數字電路；電子技術實驗教學

作者簡介：鄭寬磊（1981-），男，湖北仙桃人，武漢工程大學電氣信息學院，講師；陳柳（1979-），女，湖北丹江口人，武漢工程大學電氣信息學院，講師。（湖北 武漢 430205）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0166-02

隨著電子技術和計算機技術的迅猛發展，社會對高校工科電子類專業學生的創新思維和實踐能力的要求越來越高。尤其對“數字電子技術”這門理論性和實踐性都很強的電子類專業重要專業基礎課而言，其對學生實踐能力的要求尤其高。實驗教學是該課程的重要環節，通過理論聯系實際能夠有效地訓練、提高學生的動手能力。傳統的純硬件實物電路實驗教學由于存在諸多弊病，不少學校已經著手改革這種實驗教學模式，采用仿真設計與硬件實物電路相結合的實驗教學模式，將虛擬電子仿真軟件Multisim應用于電子技術的實驗教學中，為學生提供更加靈活方便的實驗環境，以此激發學生的創造性，提高學生的綜合動手能力和創新設計能力。

一、Multisim 軟件的特點

Multisim是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件，是美國國家儀器公司（NI，National Instruments）電子線路仿真軟件EWB（ElectronicsWorkbench，虛擬電子工作臺）的升級版。[1]它界面友好，簡單直觀，軟件易學易用。它將原理圖的創建、電路的測試分析、結果的圖表顯示等全部集成到同一個電路窗口中。可以仿真模擬電路、數字電路和模數混合電路，具有和真實環境一致的可視化界面，整個操作界面就像一個實驗工作臺，與實際操作幾乎相同，深受廣大教師、科研人員及電子設計工作者的喜愛。Multisim的基本特點有：

1.采用直觀的電路圖輸入方式

繪制電路圖所需元器件以及仿真所需儀器儀表均是由軟件方法虛擬，可直接從圖形界面的工作平臺上選取，實現了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。

2.提供豐富的元器件庫

同時用戶也可以根據從生產廠商產品使用手冊中查到的元器件參數新建或擴充已有的元器件庫，因此也很方便地在工程設計中使用。

3.強大的虛擬儀器功能[2]

不僅提供有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數信號發生器、雙蹤示波器、直流電源等，而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器等。并且所有儀器都與實物相似，所有儀器都可以多臺同時調用，為電路的仿真提供了強大的保證。

4.完整的分析方法

提供了電路瞬態和穩態分析、時域和頻域分析、器件線性和非線性分析等十幾種電路仿真分析方法，這些分析方法基本能滿足一般電路分析設計的要求。

二、數字電路的設計性實驗舉例

一般來說，對一個設計性實驗電路進行設計和仿真前，首先需要對電路的工作原理有初步了解，明確實現該實驗電路所描述邏輯功能所需要的模塊電路、每個模塊的具體功能，以及模塊之間的信號傳輸關系等等，了解這些后根據參數指標選擇適當的元器件通過Multisim 軟件完成各模塊電路初步設計，然后經過仿真觀察分析，邊選擇邊測試，邊修改邊比對，不斷從仿真的測試現象中分析判斷，直到設計出符合要求的電路。該實驗電路要求設計一個在時鐘脈沖控制下實現8位并行數據輸入到串行輸出的轉換電路，具體來說分兩步來實現：

1.繪制電路原理圖

整個電路分為三個功能模塊：LMC555定時器構成多諧振蕩器產生時鐘脈沖模塊、4位二進制加法計數器74LS163構成的計數器模塊以及數據選擇器74LS151構成的并轉串電路模塊。電路設計采用模塊設計的方法分塊設計。

第一個模塊，可根據其設計指標要求，選擇數字模擬混合型的中規模集成電路LMC555定時器，在其外圍配上標稱電阻R1=4.7K、R2=5.1K、標稱電容C1=0.1μF構造一個多諧振蕩器產生時鐘脈沖信號，[2]根據理論公式T=0.7（R1+2R2）C1計算其振蕩頻率約為1KHz。

第二個模塊，要求在時鐘脈沖控制下將8位并行輸入的數據串行輸出，控制8位數據的脈沖信號很明顯是以8個時鐘脈沖為一個循環周期，因此可以設計一個8 進制的計數器，可選計數器很多，這里選擇一款常用4位二進制同步加法計數器，其輸出端QDQCQBQA的狀態從0000～1111可以看成兩組，分別為0000～0111和1000～1111，只需取其低三位QCQBQA作為輸出時即可構成一個8進制的加法計數器。將555定時器所產生的時鐘脈沖信號送入到74LS163 芯片的時鐘脈沖輸入端，則其低三位QCQBQA計數從000～111共8 種計數狀態輸出到下一個模塊中。

第三個模塊，要實現8位并行數據輸入到串行輸出的轉換，選用八選一的數據選擇器74LS151顯然是最合適的，將第二個模塊74LS163輸出的低三位QCQBQA分別與數據選擇器74LS151的3個地址輸入端（通道選擇信號）CBA相連，即可實現整個電路是在時鐘脈沖控制下，計數器的低三位QCQBQA循環產生從000～111這8種狀態，74LS151的地址輸入端CBA在接收到這循環的8種狀態后，可以將8個并行輸入的數據通道上的數據從D0～D7（10100010）依次送到151的輸出端Y，實現了在時鐘脈沖控制下，將8位并行數據輸入轉換為串行輸出。

以上三個模塊的分步設計完成后，整個電路原理圖的設計就完成了。有了原理圖，利用Multisim豐富的元器件資源就可以很快找到所需器件，排放好元器件后對各元器件進行連接，修改必要的元器件參數及屬性，并標注相應元器件標簽，電路原理圖如圖1所示，即完成了原理圖繪制。

2.完成電路的仿真分析

Multisim軟件提供了充足的虛擬儀器對電路進行仿真分析，在數字電路仿真設計中常用到示波器、邏輯分析儀、字信號發生器和邏輯轉換器等等。本實驗可以分兩部分仿真：第一個模塊部分，為加深對555定時器構成的多諧振蕩器的原理的理解和學習，這里可以用雙蹤示波器觀察555定時器的外圍充放電電容C1兩端波形，以及其輸出的脈沖方波信號波形，示波器仿真波形圖如圖2所示。由圖可見，方波信號的頻率約為1ms，周期約為1KHz，充電時間大于放電時間，仿真波形與理論分析及公式計算一致。

第二個模塊計數器和第三個模塊數據選擇器，可以使用邏輯分析儀對計數器的時序波形和數據選擇器串行輸出的波形一起觀測，邏輯分析儀仿真時序圖如圖3所示，設定數據選擇器74LS151的8位并行數據輸入端D0～D7=10100010。由圖3可知，在時鐘脈沖作用下，計數器74LS163的低三位QCQBQA循環計數產生000～111這8種狀態，假設計數初始狀態為000時，即151的通道選擇信號CBA=000，此時D0被選通，151的輸出Y=D0=1，來一個CP脈沖上升沿后，計數狀態加1變為001，CBA=001，此時D1被選通，151的輸出Y=D1=0。同理，依次第7個脈沖到來后，計數狀態變111時，此時D7被選通，151輸出Y=D7=0，由仿真時序圖可以明顯看出151的八位并行輸入的數據10100010在時鐘脈沖控制下，來一個時鐘脈沖上升沿送出一位數，8位并行輸入的數據一個接一個的串行送出來，當第7個脈沖到來時8位數據全部送出來，實現了數據并行輸入到串行輸出的轉換。

通過Multisim軟件平臺仿真設計的并轉串電路滿足設計要求，接下來按照仿真連線在實驗箱或者面包板上進行接線，采用這種先仿真后硬件實物電路相結合的實驗教學模式可極大地節省試驗時間，提高實驗效率。

三、Multisim應用于數字電子技術實驗教學的優點

與基于Multisim仿真軟件的這種虛擬電路設計方法不同，學生在進行傳統的純硬件實物實驗時，這種設計性實驗一般都需要事先大量查找資料，理解原理，按照電路指標要求估算元器件的具體參數，畫出粗略的硬件電路圖，在面包板或者實驗箱上直接搭建硬件實物電路，同時也只能用實驗室有限的示波器、頻率計和萬用表等儀器儀表進行觀察分析，實際操作中這樣的設計性實驗連線一般較多，若所選用芯片不合適，電路設計本身就存在問題，或者哪個芯片有問題，又或者哪一根線不通，有時候很難檢查出具體問題，即便檢查出來可能硬件電路設計也要推到重來，那么在四個學時內實驗結果很難做出，通過本校最近幾年數字電子技術設計性實驗開設的情況觀察發現，不少學生往往會為了完成實驗任務直接照搬其他同學的電路設計或者要求老師直接給出可行的電路圖，然后只是機械按照硬件電路圖連線，最后實驗結果是出來了，但大多這樣的學生即便實驗做完了，可電路工作原理卻完全不懂，根本達不到通過開設設計性實驗鍛煉學生實際動手能力、培養他們分析問題和解決問題能力的目的。

相反，如果先用仿真軟件仿真，學生只需在了解基本原理后就可以選擇元器件在仿真軟件工作平臺上直接搭建電路，可以大膽實踐任意選擇芯片而不必理會材料消耗、實驗室經費不足或是元器件損壞和老化等故障問題，可以把元件的所有可能的連接方式全部試驗并通過仿真分析把所有可能的結果直觀呈現出來，通過在計算機上反復地實驗，不斷實時得到不同的實驗結果仿真觀察和對比分析，選擇符合要求的元器件，設計出滿意的仿真電路，然后再在實驗箱或面包板上搭建硬件實物電路，通過實物電路驗證最后的實驗結果。這種虛擬電路的仿真設計方法給了學生更大的創造自由度和設計空間，同時也節省了實驗時間，讓學生可以把更多的時間用在電路的具體設計、仿真、糾錯和創新等方面，幫助學生更快、更好地理解和掌握數字電路的基本概念和基本原理，彌補傳統數字電路實驗教學純硬件實物實驗的諸多不足，大大提高了學生的學習興趣，鍛煉了他們綜合分析和設計的能力、排除故障的能力，培養了他們創新的能力和應用開發的能力。

四、結束語

從以上設計和仿真分析過程可以看到，利用Multisim仿真軟件可以為數字電路實驗教學的改革帶來極大的幫助。將Multisim仿真軟件引入到數字電子技術實驗教學中起到了打通理論教學與實踐教學的橋梁作用，通過這種先仿真后實物硬件電路相結合的實驗教學模式不僅可以使學生能更好地掌握電子技術的基本理論和技能，還能夠充分發揮學生學習的主觀能動性，最終達到提高學生實踐能力和培養創新思維的目的。[4]但虛擬仿真也有其局限性，仿真軟件設計的虛擬電路仍需實物電路的驗證，因而在進行電子技術實驗時除了需要將“虛擬”與“實物”相結合，還需遵循“理論導入，虛實結合，仿真設計，實物驗證”的實驗步驟。此外，Multisim仿真軟件還可以用在電工電子類課堂教學、電子技術課程設計以及畢業設計等方面，對提高學生實際動手能力和培養科技創新意識都有積極的促進作用。

參考文獻：

[1]黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]郭文川.Multisim在電子類課程教學中的實踐[J].中國電力教育，2006，（4）：351-357.

[3]康華光.電子技術基礎（數字部分）[M].第五版.北京：高等教育出版社，2005.

[4]鞏瑞春，王潤文.EWB在數字電路設計性實驗中的應用研究[J].陰山學刊，2009，23（3）：68-70.

（責任編輯：王祝萍）