利用Multisim10軟件提高數字電路的教學質量

張立萍，柴萬東

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

數字電路課程是電子技術、信息通信、自動化控制和其他部分專業的一門專業基礎必修課程，其傳統的教學方法是首先進行理論學習，然后進行實驗操作驗證所學理論知識，目的是為了培養學生在數字電子電路的設計、實現過程中，分析問題、解決問題的能力，從而提高學生在數字電子技術領域的綜合設計能力.利用Multisim軟件分析和設計數字電路,可以方便的修改電路和元件參數,優化設計方案,加快設計過程,節約設計費用.通過教學實踐已經證明了利用Multisim軟件進行數字電路教學，可以提高學生的綜合分析能力和解決問題的能力，從而提高了數字電路的教學質量.

2 Multisim10軟件介紹

Muhisim10軟件是一種電子設計自動化（簡稱EDA）軟件，專門用于電子電路的設計與仿真.Muhisim10軟件是以Windows為操作平臺，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，同時還提供了龐大的元器件模型庫和一整套虛擬儀表（包括示波器、信號發生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器和波特圖繪圖儀等等），可以滿足一般的模擬/數字電路以及數字-模擬混合電路的分析與設計.

Multisim10軟件的突出優點是用戶界面友好、直觀，使用非常方便，只要是熟悉Windows的用戶，很容易掌握其用法；而且系統高度集成，元器件和測試儀器豐富，電路分析和仿真功能強大，可以完成各種模擬電路、數字電路以及模擬/數字混合電路的設計仿真.

3 Multisim10軟件在數字電路教學中的應用

數字電路的理論內容包括：邏輯代數、門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖信號的產生與整形電路、模數、數模轉換電路等等.其中對組合邏輯電路、時序邏輯電路的分析與設計是數字電路課程的重要內容.利用Multisim10軟件中豐富的元器件模型可以進行電路設計，再利用Multisim10軟件提供的各種虛擬儀器進行電路仿真，直接將把理論知識與實驗結果進行對照，加深了對抽象的理論知識的理解，從而使課堂教學效果大大改善.

3.1 Multisim10軟件在組合邏輯電路分析與設計中的應用

組合邏輯電路的特點是即刻輸入決定即刻輸出，電路中不包含記憶性元件.組合邏輯電路的分析過程包括：首先根據邏輯電路圖寫出輸出邏輯函數，在進行邏輯函數的化簡和變換，最后列出真值表或說明其邏輯功能；而組合邏輯電路的設計過程則是：根據邏輯功能描述抽象出真值表，寫出輸出邏輯函數表達式，再進行化簡、變換，最后畫出邏輯電路圖.在進行包含集成器件的組合邏輯電路的分析與設計時，學生覺得較難理解.而利用Multisim10軟件提供的虛擬儀表——邏輯轉換器，可以在邏輯函數的各種表示形式（如邏輯電路圖、真值表、邏輯表達式）之間進行相互轉換，使得組合邏輯電路的分析和設計變得更為簡單.

比如，分析圖1所示電路的功能，要求列出邏輯真值表，并寫出電路的邏輯函數式.

圖1 電路圖

圖2 Multisim10構建的電路圖

圖3 Multisim10的邏輯轉換器結果

現在利用Multisim10來實現，先啟動Multisim10程序，出現用戶界面后首先需要建立圖1所示的邏輯電路圖.我們從CMOS集成電路器件庫中找出74HC151、74HC04、VDD和接地端的符號，將它們放在合適的位置連成與圖1完全相同的電路圖，如圖2所示，注意圖2中的G、A、B、C與圖1中的S、A0、A1、A2相對應.然后從用戶界面上的儀器欄中將“邏輯轉換器”擊出，將電路的輸入變量M、N、P、Q依次接到邏輯轉換器最左邊的四個輸入端ABCD，同時將電路的輸出端Z接到邏輯轉換器最右邊的一個輸出端，如圖2所顯示的那樣.雙擊邏輯轉換器圖標，便彈出圖3所示窗口，點擊窗口右側上方第一個按鈕，邏輯表就出現在左側的表格中，再點擊右側上方的第三個按鈕，在窗口的底部出現化簡后的邏輯表達式BD+ABD+BC，對應圖1電路的輸出函數式為Z=NQ+MNQ+NP，至此完成題目要求，分析過程十分簡便.

3.2 Multisim10在時序邏輯電路分析與設計中的應用

時序邏輯電路的特點是某一時刻的輸出不僅與該時刻的輸入有關，還與電路存儲的狀態有關，也就是電路中一定包含記憶性元件.時序電路的分析與設計比組合邏輯電路更復雜，學生難以理解，尤其是對計數器的分析與設計更是如此.下面我們利用Multisim10軟件中的虛擬儀表——邏輯分析儀進行實時的電路仿真，觀察電路的輸入輸出波形圖，畫出電路的狀態裝換圖，直接了解電路的邏輯功能，明顯提高了課堂教學效果.

分析圖4所示計數器電路，畫出電路的時序圖，說明這是幾進制計數器.

圖4 計數器電路圖

在Multisim10中選用TTL器件庫中的74LS160、反相器7404及與非門7420構成圖4中的電路，并接入信號發生器XFG1和邏輯分析儀XLA1如圖5所示，圖5中QAQBQCQD的與圖4中的Q0Q1Q2Q3對應.利用Multisim10中的邏輯分析儀XLA1對計數器的時鐘脈沖和輸出信號波形進行觀察，得到圖6，由此圖可以發現，每隔五個時鐘周期輸出信號波形就重復變化一次，并在7420的輸出端產生一個進位脈沖，因此這是一個五進制計數器.根據邏輯分析儀給出的輸出波形畫出電路的狀態轉換圖如圖7所示.

圖5 Multisim10構建的計數器電路圖

圖6 用Multisim10的邏輯分析儀分析圖4電路的波形圖

圖7 計數器的狀態轉換圖

分析圖4的計數器電路發現計數器采用了同步預置數的工作方式，當計數器處于QDQCQBQA=0100狀態時，用7404和7420譯出LDc=0的信號，將計數器預置為Q3Q2Q1Q0=0000狀態，作為計數循環的起始值.進一步分析可知這是一個五進制計數器.

由此可見，通過Multisim10中的邏輯分析儀能夠得到直接的輸入、輸出信號波形，邏輯功能一目了然，相比于常規教學教學效果更好.

4 總結

在數字電路課堂教學中使用Multisim10軟件，一方面可以使理論課的教學更加生動有趣，另一方面在課堂進行實驗演示可以更好的吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣.學生通過直接觀察實驗仿真結果，可以更加透徹的理解數字電路的工作過程，有助于提高學生的自學能力和創新能力.

總之，利用Multisim10軟件對數字電路進行建模與仿真，不僅使學生明白了數字電路的功能，更清楚的掌握了數字電路的設計方法，既加深了對理論的理解，又對電路功能建立起動態、形象、直觀的感性認識；因此，在數字電路課堂教學中使用Multisim10軟件進行電路建模、仿真、調試，通過優化電路結構和參數得出最佳的電路設計方案，使教學過程更加直觀、明了，學生容易獲得明確的結果，提高了數字電路的質量.

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