Multisim仿真軟件在電路電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

程曉輝

（天津財經(jīng)大學(xué)珠江學(xué)院，天津 301811）

0 引 言

《電路與電子技術(shù)》是高校理工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)課程。對于首次接觸該課程的大多數(shù)大學(xué)生來說，晦澀難懂的電路圖往往使他們望而生畏。在對天津財經(jīng)大學(xué)珠江學(xué)院學(xué)習(xí)過《電路與電子技術(shù)》課程的調(diào)查問卷中，實(shí)驗(yàn)課上80%的學(xué)生要教師指導(dǎo)后才能完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，只有20%的學(xué)生可以獨(dú)立完成，且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都在一個固定的電模板上進(jìn)行接線，內(nèi)容簡單，無法滿足學(xué)生建模、測試新的設(shè)計思路。因此，引入Multisim軟件實(shí)現(xiàn)理論、實(shí)踐、仿真一體化教學(xué)。MUltisim軟件可以使學(xué)生在任何時間、任何地點(diǎn)通過虛擬實(shí)驗(yàn)完成設(shè)計，不再受外在硬件設(shè)備的限制。因此，該軟件得到了廣大師生的青睞。此外，一個新產(chǎn)品誕生的前期要做成百上千次試驗(yàn)。對于電子產(chǎn)品來說，每個思路、每個模型都要生產(chǎn)一個PCB板，將會極大增加產(chǎn)品的成本投入和企業(yè)的負(fù)擔(dān)。此時，如果采用軟件仿真對比每個模型的優(yōu)缺點(diǎn)，然后生產(chǎn)針對性的PCB模板，將可大大減少企業(yè)開支。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以其無可比擬的優(yōu)勢滲入到教育教學(xué)、生產(chǎn)設(shè)計、仿真實(shí)驗(yàn)。與《電路與電子技術(shù)》相關(guān)的軟件有Multisim、Proteus、Quartus II、PADS、aallegro和 Cadence等， 本 文 將 以Multisim仿真軟件為例進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 Multisim軟件簡介

Electronics Workbench（EWB）是加拿大Interctive Image Technologies（IIT）公司于20世紀(jì)八九十年代推出的用于電路仿真與設(shè)計的EDA軟件，又稱“虛擬電子工作臺”。IIT公司從EWB6.0版本開始，將專門用做電路仿真和設(shè)計模塊改名為MultiSim。Multisim是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的軟件，目前廣泛應(yīng)用于電路學(xué)、模擬電子、數(shù)字電子分析、仿真與設(shè)計。該軟件與一般Windows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格相似，采用人們最易接受的圖形界面方式，并與菜單欄、工具欄和快捷鍵相結(jié)合，便于用戶快速入門，且配置了大量可視化虛擬儀器表。當(dāng)今，任何一個的電子產(chǎn)品的設(shè)計都離不開計算機(jī)軟件，從概念思路的確定到電路原理、PCB畫圖、單片機(jī)應(yīng)用程序、FPGA的建立與仿真、外觀界面、電磁兼容的分析設(shè)計，都需要在計算機(jī)軟件上完成[1]。

Multisim的優(yōu)勢可匯總?cè)缦拢?/p>

（1）Multisim的操作界面就像一個電子實(shí)現(xiàn)平臺，把各個軟件和測試儀器放到界面屏幕上，用鼠標(biāo)就可用導(dǎo)線連接，測量的數(shù)據(jù)、波形圖形和曲線與真實(shí)儀器相同。

（2）Multisim提供了世界主流元件提供商的約超過17 000多種元器件，還可以修正器件參數(shù)，用模型和代碼完成對原始模型的構(gòu)建。

（3）Multisim強(qiáng)大的仿真能力，包括MCU仿真、SPICE仿真、VHDL仿真、RF仿真和電路向?qū)У裙δ埽遗cSPICE軟件兼容，可相互轉(zhuǎn)換。Multisim產(chǎn)生的電路文件還可以直接輸出至常見的Protel、Tango、Orcad等印制電路板排版軟件。

（4）提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路測量。

（5）Multisimt提供了大量的分析功能，如DC Operating Point Analysis（直流工作點(diǎn)分析）、AC Analysis（交流分析）、Transient Analysis（瞬態(tài)分析）、Fourier Analysis（傅里葉分析）和Noise Analysis（噪聲分析）等。

（6）獨(dú)特的射頻（RF）模塊，提供基本射頻電路的設(shè)計、分析和仿真，包括Spectrum Analyzer頻譜分析儀、Network Analyzer網(wǎng)絡(luò)分析儀和一些RF-specific分析。

（7）強(qiáng)大的MCU模塊，支持4種類型的單片機(jī)芯片，支持對外部RAM、外部ROM、鍵盤和LCD等外圍設(shè)備的仿真；分別對4種類型芯片提供匯編和編譯支持；所建項(xiàng)目支持C代碼、匯編代碼等[2]。

以上的幾大優(yōu)勢可以使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)后，方便地通過計算機(jī)進(jìn)行仿真，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增加課程興趣。

2 Multisim應(yīng)用于《電路與電子技術(shù)》課程的教學(xué)改革方案

《電路與電子技術(shù)》課程在以前傳統(tǒng)的教學(xué)模式下進(jìn)行了新的改革。具體地，將以前的“理論講解+固定的試驗(yàn)箱”改為“理論講解+固定試驗(yàn)箱+項(xiàng)目仿真設(shè)計+項(xiàng)目評論”。理論講解是教師灌輸知識；固定試驗(yàn)箱只有幾個傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，如常用萬能表的使用、伏安特性實(shí)驗(yàn)、晶體管放大電路的測量、差分放大電路的實(shí)驗(yàn)、負(fù)反饋放大電路等；項(xiàng)目仿真設(shè)計有基本的實(shí)驗(yàn)，包括與邏輯、或邏輯、非邏輯、與非邏輯、異或邏輯、與非門電路、與或非門電路、3線8線譯碼器（74LS138）、對稱式多諧振蕩器、555定時器接成的施密特觸發(fā)器等，也包括一些綜合性實(shí)驗(yàn)，如4路或者6路搶答器、60進(jìn)制計數(shù)器、LC并聯(lián)諧振電路等；項(xiàng)目評論是最后一個環(huán)節(jié)，也是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，學(xué)生可以將自己的思路介紹給其他同學(xué)，集思廣益，使課堂學(xué)習(xí)氛圍更加濃厚。新的教學(xué)方案一方面可使學(xué)生學(xué)習(xí)理論，經(jīng)過實(shí)物實(shí)驗(yàn)建立一定的直觀認(rèn)識，另一方面可以使用Multisim軟件實(shí)現(xiàn)自己新的設(shè)計思路，并和其他同學(xué)討論，提高電路分析能力，拓展設(shè)計創(chuàng)新能力。

Multisim仿真實(shí)驗(yàn)過程流程如下[3]：

第一步：確定實(shí)驗(yàn)方案

第二步：原理圖設(shè)計

第三步：Multisim搭建電路模型

第四步：設(shè)置參數(shù)，仿真測試

第五步：檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果結(jié)果符合事實(shí)、滿足需求，則進(jìn)行第六步；如果結(jié)果有誤，則返回第二步，直到結(jié)果滿足需求。

第六步：實(shí)驗(yàn)室搭建電路

第七步：對比分分析

第八步：總結(jié)實(shí)驗(yàn)

3 Multisim仿真設(shè)計教學(xué)用例

3.1 項(xiàng)目1：六路搶答器設(shè)計方案

利用Multisim軟件設(shè)計一個競賽時的搶答按鈕，可以供六個代表隊(duì)同時使用，按鈕的編號分別為“1”“2”“3”“4”“5”“6”，按鈕的編號與參賽者的號碼一一對應(yīng)，分別為“J1”“J2”“J3”“J4”“J5”“J6”。

設(shè)計搶答器時，應(yīng)該考慮搶答器的數(shù)據(jù)鎖存功能，將鎖存的數(shù)據(jù)用DCD_HEX數(shù)碼管顯示出來，以便于識別最先搶答成功的編號。該搶答器具有很高的靈敏性，可以對搶答選手的動作先后順序進(jìn)行辨別，即使按鈕動作的差別只有幾毫秒，也能分辨出搶答者按鈕的順序。最先按鈕的編號會一直顯示，直到主持人將搶答器系統(tǒng)清除為止。清零時，只需按下J7開關(guān)即可。該搶答器的清零和啟動由主持人按下J7按鈕為準(zhǔn)，此時選手們即可開始搶答。搶答后DCD_HEX數(shù)碼管顯示優(yōu)先搶答者序號，并阻止其他搶答者的信號傳遞。

數(shù)碼管是一種由發(fā)光二極管組成的斷碼型顯示器件，包括8個小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示不同的字形。數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種類型。共陰極是將8個LED的陰極連在一起接地，這樣給任何一個LED的另一端高電平，它便點(diǎn)亮。共陽極是將8個LED的陽極連在一起。該六路搶答器的設(shè)計采用共陰極連接方式，連接時需要將7段數(shù)碼管的abcdefg7個發(fā)光二極管的負(fù)極連接在一起并接GND以示接地，而把其余7個正極接到74LS248D相應(yīng)的abcdefg輸出端上。

74LS148D是8-3線優(yōu)先譯碼器。它可以允許多個信號同時有效，但只對優(yōu)先級別最高的信號進(jìn)行編碼。在使能端EI非有效的情況下，將輸入的8位二進(jìn)制數(shù)譯碼，并以A2非為高位的三位8421BCD碼。譯碼過程中優(yōu)先檢驗(yàn)D7位置，并依此檢驗(yàn)直至D0位置。其中，D7-D0是低輸入端有效，EI非是使能端，A0～A2是輸出端[4]。

在Multisim軟件中繪制六路搶答器設(shè)計原理，如圖1所示。該圖是主持人按下J7清零按鈕后宣布開始搶答，6位選手根據(jù)自己的判斷按下J1到J6的開關(guān)按鈕。其中，74LS148D都接受選手的按鈕信息，但會根據(jù)選手按下的順序判斷出優(yōu)先級高低，并對最高級的按鈕進(jìn)行編碼，DCD_HEX數(shù)碼管則顯示第四位選手率先按下開關(guān)按鈕。此時，其他選手的按鈕信息將不會再進(jìn)行編碼，數(shù)碼管顯示的數(shù)字4即第四位選手作答的依據(jù)，直到主持人按下J7按鈕后再進(jìn)行下一輪搶答。

圖1 在Multisim軟件中設(shè)計的六路搶答器原理圖

3.2 項(xiàng)目2：六十進(jìn)制計數(shù)器

六十進(jìn)制計數(shù)器的個位和十位實(shí)現(xiàn)。利用兩片74LS290N分別作為六十進(jìn)制計數(shù)器的高位和低位，并分別與DCD數(shù)碼管連接。其中一個通過一個與門器件構(gòu)成一個六進(jìn)制計數(shù)器，另一個芯片構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器。十進(jìn)制計數(shù)器（個位）和六進(jìn)制計數(shù)器（十位）均采用反饋清零法利用兩個74LS290N構(gòu)成。

該計數(shù)器十位的計數(shù)要求。當(dāng)個位計數(shù)器的數(shù)值從1001計數(shù)到0000時，十位計數(shù)器也要計數(shù)一次，以實(shí)現(xiàn)兩芯片之間的級聯(lián)。

該設(shè)計使用1 Hz時鐘信號作為該六十進(jìn)制計數(shù)器的時鐘脈沖。根據(jù)設(shè)計原理可知，計數(shù)器初值通常為00，按遞增方式進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)DCD數(shù)碼管增到59時，將再重新自動返回到00。

具體功能原理。圖2中的U1芯片的QA端和INA端相連，構(gòu)成8421異步的十進(jìn)制計數(shù)器；R91和R92全部接地，即全部為0。該計數(shù)器會一直處在技術(shù)狀態(tài)，INA非接上標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，每一秒計數(shù)一次，把芯片U1中的QD端與芯片U2中的INA端計數(shù)脈沖相接。當(dāng)芯片U1中的技術(shù)一直是0000到0111時，INA非會一直是0；當(dāng)數(shù)值到1000時，INA非為1，直到U1芯片計數(shù)到1001時，然后回到0000重新開始計數(shù)。此時，INA非從1跳變到0產(chǎn)生下降沿。由于74LS290N是下降沿工作，此時U2芯片加計數(shù)1，即芯片U2的計數(shù)是10，芯片U1的計數(shù)為1。由于芯片U1和芯片U2的R01和R02端都同時連接74LS08D與門的輸出端，因此構(gòu)成了六十進(jìn)制的計數(shù)器。

圖2 在Multisim軟件中設(shè)計的六十進(jìn)制計數(shù)器

3.3 項(xiàng)目三：雙向晶閘管的仿真

通常，雙向晶閘管是由N-P-N-P-N或者P-N-PN-P五層半導(dǎo)體材料制成的，對外同樣引出三個電極。雙向晶閘管實(shí)際是相當(dāng)于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但只有一個控制極，通常可以認(rèn)為是柵極。

雙向晶閘管和單向晶閘管啟動是一樣的，也有觸發(fā)控制的特性。但是，它的觸發(fā)控制特性卻與單向晶閘管有很大區(qū)別，即無論在陽極和陰極之間接入何種極性電壓，只要在它的控制極端施加一個觸發(fā)脈沖信號，也不用考慮這個脈沖信號是什么樣的極性，都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。因?yàn)殡p向晶閘管不管是陽極還是陰極，在連接任何極性的工作電壓時，都可以觸發(fā)啟動控制裝置，所以雙向晶閘管的主電極沒有分別，可以是陽極，也可以是陰極。一般將雙向晶閘管的兩個主電極稱作T1電極和T2電極。如果是接在P型半導(dǎo)體材料上的主電極，稱作T1電極；如果是接在N型半導(dǎo)體材料上，則被稱為T2電極[5]。同時，因?yàn)殡p向晶閘管的兩個主電極沒有區(qū)分正負(fù)極，所以在晶閘管的參數(shù)中沒有正向峰值電壓和反向峰值電壓的區(qū)分，只需使用一個最大峰值電壓表示即可。

電路圖圖3的柵極電壓小于某一數(shù)值時，雙向晶閘管不導(dǎo)通；達(dá)到閾值電壓2.5 V后，立即導(dǎo)通，燈泡變亮，雙向晶閘管導(dǎo)通。

圖3 在Multisim軟件中設(shè)計的雙向晶閘管原理圖

4 結(jié) 語

Multisim仿真實(shí)驗(yàn)在電路電子技術(shù)中的應(yīng)用，是隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來而產(chǎn)生的新技術(shù)手段。本文列舉了三個項(xiàng)目應(yīng)用的舉例——六路搶答器、六十進(jìn)制計數(shù)器和雙向晶閘管的功能實(shí)現(xiàn)。可見，相對于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它具有更好的靈活性，易學(xué)，容易引起學(xué)生興趣，有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化[6]。。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于京生.Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].石家莊學(xué)院學(xué)報，2011，13（6）：46-50.

[2] 姜鳳利.Multisim仿真在電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（5）：89-91.

[3] 鄭賓.Multisim仿真在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（2）：111-113，130.

[4] 張志友.Multisim在電工電子課程教學(xué)中的典型應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2012，29（4）：108-110.

[5] SHI Jin-yuan.The Application of Multisim in Electronic Technology Teaching[J].Science & Technology Information，2011，（347-350）：1566-1569.

[6] SONG De-hua.The Realization and Working Conditions of Memristor Based on Multisim[J].International Conference on Electronics，2017，1（6）：310-314.