Multisim在電子設(shè)計實踐課程教學中的應用

蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 杜先君

Multisim在電子設(shè)計實踐課程教學中的應用

蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 杜先君

電子設(shè)計類實踐課程的教學目的是要學生掌握電子電路的基本設(shè)計方法、驗證方法，同時培養(yǎng)學生的實踐能力。本文以交通燈控制電路為例，介紹了電子電路的一般設(shè)計方法。設(shè)計過程中使用Multisim軟件對理論設(shè)計結(jié)果進行電路仿真，并對結(jié)果進行了分析。通過驗證，該交通燈可以實現(xiàn)現(xiàn)有道路十字路口的交通指揮功能，具有較高的可靠性和一定的實用性。使用Multisim軟件進行電路的設(shè)計和仿真，不僅省時，而且可以節(jié)約大量的實驗資源，而且可以給枯燥的課堂教學提供生動的教學演示，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學效果。

Multisim；交通燈；電子設(shè)計；仿真

電子設(shè)計實踐是我校開設(shè)的一系列電子技術(shù)實踐類課程，包括電子技術(shù)課程設(shè)計、電子技術(shù)綜合訓練等。課程要求學生應用電子技術(shù)課程所學理論知識進行電子電路的綜合設(shè)計，完成電路仿真、圖紙繪制與實際電路的焊接等。

重視理論與實踐教學相結(jié)合是學好此類課程的一個重要方法[1]。因此，就要求學生在完成理論學習之后，要進行系統(tǒng)的實驗驗證與綜合設(shè)計，對所學知識從“系統(tǒng)”的角度進行完善，從而促進學生對動手、分析和解決問題的能力培養(yǎng)。電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，各種新型電子器件、電子電路日新月異，僅靠現(xiàn)有實驗條件將無法滿足電子設(shè)計實踐課程中電子電路的設(shè)計和調(diào)試要求[2]，對于這樣一類學科基礎(chǔ)課程的教學效果而言，無疑將受到很大影響，甚至在一定程度上影響了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。NI公司的Multisim軟件具有強大的電路分析和電路仿真等基礎(chǔ)功能，并且界面友好、生動，將其虛擬的設(shè)計環(huán)境引入到理論與實踐教學中，對解決這一問題有著較強的實踐意義。

1　 Multisim軟件概述

Multisim13是美國NI公司推出的最新電路設(shè)計與仿真工具軟件，與早期版本相比，其性能提升的同時，用戶可以根據(jù)自己的需求自定義儀器；仿真時的虛擬信號可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上；實際硬件電路的結(jié)果可通過數(shù)據(jù)線傳輸回計算機進行分析、處理。

Multisim13仿真軟件主要可以完成電路原理圖設(shè)計、仿真分析等功能，可對實際模擬/數(shù)字電路及模數(shù)混合電路進行有效的設(shè)計與仿真分析。用戶可以通過其人性化的界面，使用其龐大的虛擬器件、儀表庫，進行絕大部分的電子電路設(shè)計與仿真，各種虛擬儀表非常逼真地與電路原理圖放置在同一操作界面上進行各項參數(shù)和波形的測試，以圖形化的方式消除了傳統(tǒng)電路仿真的復雜性，幫助教育工作者、學生和工程師使用先進電路分析技術(shù)。同時，該軟件可將電路原理圖轉(zhuǎn)換輸出至PCB設(shè)計界面，進行相應的電子電路制板操作[4]。

因此，利用Multisim13進行電子電路設(shè)計類課程教學時，學生可在虛擬環(huán)境中完成原理圖設(shè)計，包括元件的選擇、創(chuàng)建，電路參數(shù)的調(diào)整以及仿真結(jié)果的分析等環(huán)節(jié)，仿真過程中，可以隨時對設(shè)計結(jié)果進行修正，并利用虛擬的測試儀表進行相關(guān)電路特性的測試[5,6]；完成理論設(shè)計之后，即可采購元件，進行電路的安裝、調(diào)試，優(yōu)化了電路設(shè)計過程，且可以保證達到設(shè)計要求。

2　 簡易交通燈信號控制電路設(shè)計

本文以一簡易交通燈信號控制電路為例，說明Multisim13在電子設(shè)計課程中應用。該交通燈電路具體功能要求如下：

（1）十字路口車輛東西-南北方向交替通行，通行時間一致且可在電路中設(shè)置、修改；

（2）變換通行車道前，要求當前通行車道黃燈閃爍亮燈5s，每秒一次；

（3）亮燈時間均采用LED倒計時的方法顯示。

2.1 主要單元電路器件的選擇

2．1．1 計數(shù)單元的選擇

由設(shè)計要求可知，所有亮燈時間均需要采用LED顯示器進行倒計時顯示，因此本文采用同步十進制可逆計數(shù)器74LS190N構(gòu)成所需模態(tài)的減計數(shù)器。在Multisim設(shè)計界面，使用快捷鍵Ctrl+W調(diào)出放置元件對話框，在彈出的對話框中的Group欄中選擇TTL，F(xiàn)amily欄中選擇74LS系列，并在Component欄中找到“74LS190N”并選中，點擊“確定”即可放置所需的計數(shù)器元件。設(shè)計中，設(shè)置撥碼開關(guān)，可按要求改變預置數(shù)的數(shù)值。

圖1　 交通燈信號控制器的仿真電路

2．1．2 邏輯切換控制單元

由設(shè)計要求可知，紅、黃、綠三色交通燈需要在計時過程中實現(xiàn)有規(guī)律的切換，且紅色和綠色LED燈都需要保持顯示一定的時間，黃燈則為閃爍5s，每秒一次。設(shè)計中采用雙JK觸發(fā)器“7473N”實現(xiàn)輸出狀態(tài)保持，并配合門電路實現(xiàn)三色燈轉(zhuǎn)換邏輯。在Multisim設(shè)計界面，使用快捷鍵Ctrl+W調(diào)出放置元件對話框，在彈出的對話框中的Group欄中選擇TTL，F(xiàn)amily欄中選擇74STD系列，并在Component欄中找到“7473N”并選中，點擊“確定”即可放置所需的觸發(fā)器元件。

2.2 交通燈信號控制電路系統(tǒng)設(shè)計

簡易交通燈信號控制電路系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)果如圖1所示。在Multisim電路設(shè)計界面，放置如圖1所示所有需要的元件。

電路運行仿真時，假設(shè)東西方向綠燈亮、南北方向紅燈亮，通行時間45s通過上方LED倒計時顯示。時間顯示數(shù)字“5”時，東西方向車道（當前通行車道）的綠燈切換為黃燈，每秒閃爍亮燈一次，以此提醒司機通行時間將結(jié)束，請減速緩行并停車；倒計時結(jié)束1s后，LED倒計時顯示預置的通行時間45s，通行車道切換完成。如此循環(huán)，實現(xiàn)十字路口交通信號燈的循環(huán)切換控制。通行時間可由用戶通過撥碼開關(guān)自行設(shè)置（范圍1～99），具體運行效果同前。為了便于快速仿真，電路中的時鐘信號頻率為1kHz，實際電路制作時，應設(shè)置相應的時鐘信號產(chǎn)生電路，以便產(chǎn)生標準的秒信號。

3　 結(jié)論

通過Multisim軟件實現(xiàn)此類電路的設(shè)計時，學生可以直觀的看到設(shè)計結(jié)果，并且可以隨時對設(shè)計中的問題進行修改，大大縮減電路設(shè)計周期，且避免利用實物進行實驗時的不必要浪費，節(jié)約成本。在多媒體教學演示過程中，電路的分析過程清晰、直觀、形象、生動，使教學過程中寓教于樂，激發(fā)學生的學習熱情。我們還利用該軟件對電子技術(shù)類課程進行傳統(tǒng)教學模式改革，使實踐與理論有機結(jié)合，有效提高學生在電子電路問題的分析、設(shè)計中的應變能力，提高學生的實踐興趣和創(chuàng)新精神，同時也有效提高了電子設(shè)計類課程的教學效果。

[1]晏湧,藍波．“任務驅(qū)動”教學法在模擬電子技術(shù)實驗中的應用[J]．實驗技術(shù)與管理,2010(11):253-254．

[2]張亞君,陳龍,牛小燕．Multisim在數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗教學中的應用[J]．實驗技術(shù)與管理,2008,25(8):108-110,114．

[3]劉君,楊曉蘋,呂聯(lián)榮,等．Multisim11在模擬電子技術(shù)實驗中的應用[J]．實驗室研究與探索,2013,32(2):95-98．

[4]沙春芳．Multisim10在模擬電子技術(shù)教學中的應用[J]．中國現(xiàn)代教育裝備,2011(3):125-126．

[5]雷躍,譚永紅．用Multisim10提升電子技術(shù)實驗教學水平[J]．實驗室研究與探索,2009,28(4):24-27．

[6]閆俊榮．Multisim10仿真在模擬電子技術(shù)課程教學中的應用[J]．高師理科學刊,2011,31(1):91-93．

蘭州理工大學教學研究項目（JY2013014）基金資助。

杜先君（1979—），男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事電路與系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)建模與控制等方面的教學與研究工作。