將Multisim引入數字電路實驗教學探討

鄭兆兆+高靜+李建霞

[摘 要] 針對數字電路實驗中硬件實驗的不足，將Multisim引入實驗教學中。介紹了如何用Multisim軟件模擬數字實驗箱，通過實例探討了Multisim在數字電路實驗教學中的應用。實踐表明，這種虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式提高了實驗效率，節省了實驗資源，激發了學生的學習積極性，在更新實驗教學方法、改進實驗教學質量、改善實驗教學效果等方面起著非常重要的作用。

[關鍵詞] 數字電路實驗；Multisim；虛實結合；軟硬兼顧

[中圖分類號] G642.0 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）02-0086-03

0 引言

《數字電子技術》是電氣信息類學生的專業基礎課程，也是實踐性很強的技術基礎課程。為了培養學生的工程實踐能力及分析問題、解決問題的能力，在實驗安排上，除2學時的驗證性實驗外，其他10學時均為設計性實驗。要求學生運用所學理論知識，自行設計、連線與調試電路達到實驗的要求。由于學生理論知識掌握不好、動手能力差、接觸工程實踐少等原因，在實驗開展中，普遍存在著設計照抄課本、理論知識與工程實踐脫節、實驗成功率低、興趣及主動性下降等現象。

實驗的根本目的是培養學生的理論應用能力，以及分析問題和解決問題的能力，歸根到底是培養學生的實踐創新能力。數字電路實驗一方面可以幫助學生鞏固所學理論知識，另一方面可以鍛煉學生的動手能力及解決工程問題的能力，任何忽視或輕視這一實踐教學環節的行為，都將使學生走向工程實踐的適應性降低或適應周期加長。這無論對學校培養創新人才還是對發揮學生的個人才智都是極為不利的。因此，提高對實驗環節重要性的認識，加大對實驗環節的建設，對保證這一教學實踐環節有力、有序、有效地開展，具有極為重要的意義。

1 現行實驗教學模式

現行的數字電路實驗教學模式以傳統的硬件搭試為主，采用常規的TTL邏輯器件（如74LS00、74LS10、74LS138等）在數字實驗箱上進行硬件連線搭接，輔之以相關的外圍電路和器件（如電平開關、LED燈、數碼管等），實現一定的數字邏輯功能。此方法的優點在于操作對象為實際的電子器件，直觀、易懂，能很好地激發學生的實驗積極性，鍛煉動手操作能力。缺點是容易出現硬件接觸不良、集成芯片及導線耗損量大、線路復雜難以調試等一系列問題。在實驗過程中如出現問題，教師要花費大量時間去幫助學生檢查連線錯誤，排除一些技術上、工藝上的故障[1，2]。同時，由于電路的測試要用到許多專門的儀器，加上受實驗室的規模和開放時間的限制，如果學生沒有完成實驗也無法利用課后時間繼續進行，這對于實驗管理、硬件及時間消耗等來說都是一種資源浪費，會導致學生實驗課時得不到有效利用，影響實驗效果。

2 虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式

針對以上現行實驗教學的不足，筆者探索一種新的實驗教學模式——虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式。該模式在數字電路實驗教學中引入EDA技術，這樣就使實驗教學在時間和空間上不受課時和實驗器材的限制，克服傳統實驗的不足，提高實驗效率。

EDA是電子設計自動化（Electronics Design Automation）的英文縮寫，是在20世紀90年代初計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）等概念的基礎上發展而來的[3]。EDA軟件有很多，Multisim是其中比較受歡迎的一種。Multisim前身是加拿大IIT公司推出的大型設計工具軟件EWB（Electrical Workbench），被美國NI公司收購以后，其性能得到了極大的提升。它不僅提供了電路原理圖輸入和硬件描述語言模型輸入的接口和比較全面的仿真分析功能，還提供了一個龐大的元、器件模型庫和一整套虛擬儀表（其中包括示波器、信號發生器、萬用表、邏輯分析儀、邏輯轉換器、字符發生器、波特圖繪圖儀、瓦特表等），滿足對一般的數字邏輯電路、模擬電路以及數字-模擬混合電路進行分析和設計的需要。Multisim另一個突出優點是用戶界面友好、直觀，使用非常方便[4]。

Multisim引入數字實驗教學中，有如下優勢。

1）加強了實驗預習。以往的實驗預習大多是學生看看指導書，寫一個預習報告，目的是讓學生熟悉實驗內容，而學生自己對實驗的過程和結果很茫然。在實驗教學中引入Multisim后，預習通過計算機軟件仿真來完成。學生在做硬件實驗前，先進入到計算機仿真環境中，對實驗的全部過程進行仿真。這種方式的優點是不但可以避免因學生誤操作帶來的經濟損失，而且能夠讓學生完整的操作整個實驗。利用仿真軟件的強大功能，使學生看到仿真結果及仿真過程中所出現的種種問題，掌握電子電路現代化設計方法，培養學生對新知識的掌握及應用能力。

2）建立了互動關系。課堂教學內容可以與實驗內容相互融合，形成一種互動關系。在課堂上，講授理論知識的時候可以有針對性地講解一些實驗所涉及的理論、實驗內容，安排一些與應用、實驗相關的習題或思考題，引導學生把理論與實際結合起來。另一方面，可以把那些講起來既費事又費時的課堂教學內容放到實驗過程中進行，通過硬件實驗和Multisim軟件仿真，學生可以直接觀察到課堂上或習題中可能被忽略的現象，加深對基礎知識的理解，積累一些實用性的知識和經驗。

12年秋，電子實驗教學中心對10級自動化卓越班學生的數字電路實驗進行教學改革，按照虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式，將Multisim引入數字電路實驗教學中。學生在搭建實際電路之前，先在計算機上利用Multisim軟件按照自己的設計思想設計電路、調試電路，找出原理設計中存在的問題，仿真電路功能，完成初步設計。一方面使學生在實驗前就可以確定實驗方案的可行性，增加了學生的自信心，避免了盲目實驗；另一方面在Multisim中仿真設計電路時學生可以修改參數，觀察參數變化對實驗現象的影響，可以加深學生對理論知識的理解和掌握。這種虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式，從一定程度上提高了學生的實驗積極性以及分析問題、解決問題的能力，不但擴展了實驗容量，提高了實驗效率，節省了實驗資源，而且有利于理論知識與實踐的緊密結合。

3 用Multisim軟件模擬數字實驗箱

將Multisim引入數字電路實驗教學中，通常是先在Multisim軟件中設計電路、調試電路，仿真正確后再到數字實驗箱上進行連線操作。為了方便學生更好地把硬件實物與軟件模擬聯系起來，就需要找出Multisim軟件與數字實驗箱的對應關系。燕山大學電子實驗教學中心所用的數字實驗箱是由清華科教儀器廠提供的SXJ-3C型。實驗箱上包含：邏輯電平開關和脈沖信號源兩種輸入設備；電平顯示和數碼管兩種輸出顯示設備；電源VCC、GND；元件庫（電位器、電阻、電容）等。

3.1 邏輯電平開關（撥碼開關）的對應

在數字實驗箱中，邏輯電平開關是提供“0”、“1”兩種電平輸入的設備。在Multisim中可由圖1所示模擬邏輯電平開關，節點A就相當于數字實驗箱中的邏輯電平輸入端。此電路常態時節點A輸出為高電平“1”，開關閉合時節點A輸出為低電平“0”。的范圍為1～100K，一般取=10K。

3.2 電平顯示（LED顯示）的對應

LED（Light Emitting Diode，發光二極管）具有類似于普通二極管的伏安特性，工作電流一般在10mA左右，導通結壓降比普通二極管高，約為1～1.4V。從伏安特性上可以看出，LED屬于電流驅動型器件，通常采用電壓源串聯電阻方法代替電流源來驅動LED。在數字實驗箱中電平顯示電路是預留陽極的LED發光管，即輸出信號為高電平時驅動LED點亮。在Multisim中可由圖2所示模擬電平顯示，節點B相當于電平顯示輸出端。電路中限流電阻的大小決定LED的工作電流，（-1）/。這里=510，輸入阻抗=100。

3.3 實驗箱上其他設備的對應

數字實驗箱中的脈沖信號源在Multisim中可以用儀器工具欄中的函數信號發生器產生相應的頻率信號來模擬。Multisim元器件庫中有各種型號的數碼管、電阻元件、電位器，可以直接用來模擬數字實驗箱中的BCD七段譯碼顯示、電阻及電位器。另外，數字實驗箱中的+5V電源及地線，在Multisim中用VCC+5V及GROUND模擬即可。

4 循環彩燈的設計

本節通過循環彩燈設計的例子來說明如何利用Multisim軟件輔助數字電路實驗。設計一個L1-L8的循環彩燈，要求其狀態為L1-L8這八個彩燈依次熄滅（同一時刻只有一個燈熄滅），依此循環。

這個題目可以考慮用計數器級聯譯碼器的設計思路。因為設計要求中總共有八個狀態，所以需要一個八進制計數器和一個3線-8線譯碼器。采用置數法由同步十進制計數器74LS160構成八進制計數器，再通過3線-8線譯碼器74LS138譯出循環彩燈的八個狀態，用以驅動L1-L8按規律亮滅。數字實驗室中的芯片都是TTL系列的，所以在Multisim中選用TTL元件庫中74LS系列的芯片來設計電路。

在Multisim軟件中按圖3連線。計數器74LS160的脈沖激勵信號CLK由函數信號發生器提供，其輸出端QA、QB、QC、QD分別接到數碼管顯示器的A、B、C、D端。為了構成八進制計數器，當計數器計數到“111”狀態時，通過一個三輸入與非門使置數端有效，進而控制計數器的輸出端置數到“000”狀態。為了把000-111譯成

（下轉第92頁）

Y0-Y7這八個狀態，計數器的輸出端QA、QB、QC分別接到譯碼器的輸入端A、B、C上，而譯碼器的輸出端Y0-Y7分別接到LED1-LED8上。連好線后打開仿真開關，可以看到，在脈沖的激勵下，計數器開始工作，數碼管上顯示0、1、2、3、4、5、6、7，指示燈LED1-LED8依次熄滅。（圖3中所示為計數到2的狀態，LED3熄滅。）

仿真正確后，按照Multisim軟件與數字實驗箱的對應關系進行硬件連線。輸入信號為脈沖信號源，1HZ、2HZ均可，輸出連接到電平顯示的八個紅色信號指示燈上，核心芯片是74LS160、74LS138及74LS10。按圖3所示連線，硬件實驗現象符合設計要求，表明實驗成功。

5 結束語

將Multisim引入數字電路實驗教學中，可彌補傳統的純硬件實驗的不足，使學生掌握用軟件仿真輔助硬件實驗，以實踐驗證理論，形成“理論教學―計算機仿真―實驗環節”的教學模式。這種虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式提高了實驗效率，節省了實驗資源，激發了學生的學習積極性，在更新實驗教學方法、改進實驗教學質量、改善實驗教學效果等方面起著非常重要的作用。

參考文獻

[1]劉銀萍，陳惠珊.數字電子技術實驗教學改革的探討.實驗室研究與探索[J]，2006，25（8）：981-983.

[2]汪建.將EDA技術引入電子類課程教學研究.電子科技大學學報（社科版）[J]，2002，（2）：91-94.

[3]黃春耀.現代EDA技術與電子類基礎課實驗教學改革.龍巖學院學報[J]，2005，23（3）：122-124.

[4]張新喜，許軍，王新忠等.Multisim 10電路仿真及應用[M].北京：機械工業出版社[M]，2011：337-350

3 用Multisim軟件模擬數字實驗箱

將Multisim引入數字電路實驗教學中，通常是先在Multisim軟件中設計電路、調試電路，仿真正確后再到數字實驗箱上進行連線操作。為了方便學生更好地把硬件實物與軟件模擬聯系起來，就需要找出Multisim軟件與數字實驗箱的對應關系。燕山大學電子實驗教學中心所用的數字實驗箱是由清華科教儀器廠提供的SXJ-3C型。實驗箱上包含：邏輯電平開關和脈沖信號源兩種輸入設備；電平顯示和數碼管兩種輸出顯示設備；電源VCC、GND；元件庫（電位器、電阻、電容）等。

3.1 邏輯電平開關（撥碼開關）的對應

在數字實驗箱中，邏輯電平開關是提供“0”、“1”兩種電平輸入的設備。在Multisim中可由圖1所示模擬邏輯電平開關，節點A就相當于數字實驗箱中的邏輯電平輸入端。此電路常態時節點A輸出為高電平“1”，開關閉合時節點A輸出為低電平“0”。的范圍為1～100K，一般取=10K。

3.2 電平顯示（LED顯示）的對應

LED（Light Emitting Diode，發光二極管）具有類似于普通二極管的伏安特性，工作電流一般在10mA左右，導通結壓降比普通二極管高，約為1～1.4V。從伏安特性上可以看出，LED屬于電流驅動型器件，通常采用電壓源串聯電阻方法代替電流源來驅動LED。在數字實驗箱中電平顯示電路是預留陽極的LED發光管，即輸出信號為高電平時驅動LED點亮。在Multisim中可由圖2所示模擬電平顯示，節點B相當于電平顯示輸出端。電路中限流電阻的大小決定LED的工作電流，（-1）/。這里=510，輸入阻抗=100。

3.3 實驗箱上其他設備的對應

數字實驗箱中的脈沖信號源在Multisim中可以用儀器工具欄中的函數信號發生器產生相應的頻率信號來模擬。Multisim元器件庫中有各種型號的數碼管、電阻元件、電位器，可以直接用來模擬數字實驗箱中的BCD七段譯碼顯示、電阻及電位器。另外，數字實驗箱中的+5V電源及地線，在Multisim中用VCC+5V及GROUND模擬即可。

4 循環彩燈的設計

本節通過循環彩燈設計的例子來說明如何利用Multisim軟件輔助數字電路實驗。設計一個L1-L8的循環彩燈，要求其狀態為L1-L8這八個彩燈依次熄滅（同一時刻只有一個燈熄滅），依此循環。

這個題目可以考慮用計數器級聯譯碼器的設計思路。因為設計要求中總共有八個狀態，所以需要一個八進制計數器和一個3線-8線譯碼器。采用置數法由同步十進制計數器74LS160構成八進制計數器，再通過3線-8線譯碼器74LS138譯出循環彩燈的八個狀態，用以驅動L1-L8按規律亮滅。數字實驗室中的芯片都是TTL系列的，所以在Multisim中選用TTL元件庫中74LS系列的芯片來設計電路。

在Multisim軟件中按圖3連線。計數器74LS160的脈沖激勵信號CLK由函數信號發生器提供，其輸出端QA、QB、QC、QD分別接到數碼管顯示器的A、B、C、D端。為了構成八進制計數器，當計數器計數到“111”狀態時，通過一個三輸入與非門使置數端有效，進而控制計數器的輸出端置數到“000”狀態。為了把000-111譯成

（下轉第92頁）

Y0-Y7這八個狀態，計數器的輸出端QA、QB、QC分別接到譯碼器的輸入端A、B、C上，而譯碼器的輸出端Y0-Y7分別接到LED1-LED8上。連好線后打開仿真開關，可以看到，在脈沖的激勵下，計數器開始工作，數碼管上顯示0、1、2、3、4、5、6、7，指示燈LED1-LED8依次熄滅。（圖3中所示為計數到2的狀態，LED3熄滅。）

仿真正確后，按照Multisim軟件與數字實驗箱的對應關系進行硬件連線。輸入信號為脈沖信號源，1HZ、2HZ均可，輸出連接到電平顯示的八個紅色信號指示燈上，核心芯片是74LS160、74LS138及74LS10。按圖3所示連線，硬件實驗現象符合設計要求，表明實驗成功。

5 結束語

將Multisim引入數字電路實驗教學中，可彌補傳統的純硬件實驗的不足，使學生掌握用軟件仿真輔助硬件實驗，以實踐驗證理論，形成“理論教學―計算機仿真―實驗環節”的教學模式。這種虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式提高了實驗效率，節省了實驗資源，激發了學生的學習積極性，在更新實驗教學方法、改進實驗教學質量、改善實驗教學效果等方面起著非常重要的作用。

參考文獻

[1]劉銀萍，陳惠珊.數字電子技術實驗教學改革的探討.實驗室研究與探索[J]，2006，25（8）：981-983.

[2]汪建.將EDA技術引入電子類課程教學研究.電子科技大學學報（社科版）[J]，2002，（2）：91-94.

[3]黃春耀.現代EDA技術與電子類基礎課實驗教學改革.龍巖學院學報[J]，2005，23（3）：122-124.

[4]張新喜，許軍，王新忠等.Multisim 10電路仿真及應用[M].北京：機械工業出版社[M]，2011：337-350

3 用Multisim軟件模擬數字實驗箱

將Multisim引入數字電路實驗教學中，通常是先在Multisim軟件中設計電路、調試電路，仿真正確后再到數字實驗箱上進行連線操作。為了方便學生更好地把硬件實物與軟件模擬聯系起來，就需要找出Multisim軟件與數字實驗箱的對應關系。燕山大學電子實驗教學中心所用的數字實驗箱是由清華科教儀器廠提供的SXJ-3C型。實驗箱上包含：邏輯電平開關和脈沖信號源兩種輸入設備；電平顯示和數碼管兩種輸出顯示設備；電源VCC、GND；元件庫（電位器、電阻、電容）等。

3.1 邏輯電平開關（撥碼開關）的對應

在數字實驗箱中，邏輯電平開關是提供“0”、“1”兩種電平輸入的設備。在Multisim中可由圖1所示模擬邏輯電平開關，節點A就相當于數字實驗箱中的邏輯電平輸入端。此電路常態時節點A輸出為高電平“1”，開關閉合時節點A輸出為低電平“0”。的范圍為1～100K，一般取=10K。

3.2 電平顯示（LED顯示）的對應

LED（Light Emitting Diode，發光二極管）具有類似于普通二極管的伏安特性，工作電流一般在10mA左右，導通結壓降比普通二極管高，約為1～1.4V。從伏安特性上可以看出，LED屬于電流驅動型器件，通常采用電壓源串聯電阻方法代替電流源來驅動LED。在數字實驗箱中電平顯示電路是預留陽極的LED發光管，即輸出信號為高電平時驅動LED點亮。在Multisim中可由圖2所示模擬電平顯示，節點B相當于電平顯示輸出端。電路中限流電阻的大小決定LED的工作電流，（-1）/。這里=510，輸入阻抗=100。

3.3 實驗箱上其他設備的對應

數字實驗箱中的脈沖信號源在Multisim中可以用儀器工具欄中的函數信號發生器產生相應的頻率信號來模擬。Multisim元器件庫中有各種型號的數碼管、電阻元件、電位器，可以直接用來模擬數字實驗箱中的BCD七段譯碼顯示、電阻及電位器。另外，數字實驗箱中的+5V電源及地線，在Multisim中用VCC+5V及GROUND模擬即可。

4 循環彩燈的設計

本節通過循環彩燈設計的例子來說明如何利用Multisim軟件輔助數字電路實驗。設計一個L1-L8的循環彩燈，要求其狀態為L1-L8這八個彩燈依次熄滅（同一時刻只有一個燈熄滅），依此循環。

這個題目可以考慮用計數器級聯譯碼器的設計思路。因為設計要求中總共有八個狀態，所以需要一個八進制計數器和一個3線-8線譯碼器。采用置數法由同步十進制計數器74LS160構成八進制計數器，再通過3線-8線譯碼器74LS138譯出循環彩燈的八個狀態，用以驅動L1-L8按規律亮滅。數字實驗室中的芯片都是TTL系列的，所以在Multisim中選用TTL元件庫中74LS系列的芯片來設計電路。

在Multisim軟件中按圖3連線。計數器74LS160的脈沖激勵信號CLK由函數信號發生器提供，其輸出端QA、QB、QC、QD分別接到數碼管顯示器的A、B、C、D端。為了構成八進制計數器，當計數器計數到“111”狀態時，通過一個三輸入與非門使置數端有效，進而控制計數器的輸出端置數到“000”狀態。為了把000-111譯成

（下轉第92頁）

Y0-Y7這八個狀態，計數器的輸出端QA、QB、QC分別接到譯碼器的輸入端A、B、C上，而譯碼器的輸出端Y0-Y7分別接到LED1-LED8上。連好線后打開仿真開關，可以看到，在脈沖的激勵下，計數器開始工作，數碼管上顯示0、1、2、3、4、5、6、7，指示燈LED1-LED8依次熄滅。（圖3中所示為計數到2的狀態，LED3熄滅。）

仿真正確后，按照Multisim軟件與數字實驗箱的對應關系進行硬件連線。輸入信號為脈沖信號源，1HZ、2HZ均可，輸出連接到電平顯示的八個紅色信號指示燈上，核心芯片是74LS160、74LS138及74LS10。按圖3所示連線，硬件實驗現象符合設計要求，表明實驗成功。

5 結束語

將Multisim引入數字電路實驗教學中，可彌補傳統的純硬件實驗的不足，使學生掌握用軟件仿真輔助硬件實驗，以實踐驗證理論，形成“理論教學―計算機仿真―實驗環節”的教學模式。這種虛實結合、軟硬兼顧的實驗教學模式提高了實驗效率，節省了實驗資源，激發了學生的學習積極性，在更新實驗教學方法、改進實驗教學質量、改善實驗教學效果等方面起著非常重要的作用。

參考文獻

[1]劉銀萍，陳惠珊.數字電子技術實驗教學改革的探討.實驗室研究與探索[J]，2006，25（8）：981-983.

[2]汪建.將EDA技術引入電子類課程教學研究.電子科技大學學報（社科版）[J]，2002，（2）：91-94.

[3]黃春耀.現代EDA技術與電子類基礎課實驗教學改革.龍巖學院學報[J]，2005，23（3）：122-124.

[4]張新喜，許軍，王新忠等.Multisim 10電路仿真及應用[M].北京：機械工業出版社[M]，2011：337-350