Multisim仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

吳玲敏 鮑明全

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?時(shí)序邏輯電路為數(shù)字電子技術(shù)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)部分，為提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜時(shí)序邏輯電路的理解和分析能力，結(jié)合Multisim 仿真軟件給出設(shè)計(jì)實(shí)例，提高數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?數(shù)字電子技術(shù);時(shí)序邏輯電路;Multisim

[中圖分類號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）45-0064-02

數(shù)字電子技術(shù)課程作為高校電氣工程、自動(dòng)化、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)方案中占據(jù)重要的地位。課程的內(nèi)容主要包括基本邏輯代數(shù)、門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。時(shí)序邏輯電路是數(shù)字電子技術(shù)課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，邏輯性強(qiáng)且內(nèi)容較為抽象，傳統(tǒng)的板書加多媒體教學(xué)方式較為單一，學(xué)生被動(dòng)地接受理論知識(shí)，學(xué)習(xí)積極性不高，缺乏主觀能動(dòng)性，容易喪失學(xué)習(xí)興趣。不斷尋求更加科學(xué)高效的教學(xué)方法和手段，使教學(xué)模式多元化，提升教學(xué)質(zhì)量，需要任課教師更深入地思考。

一、Multisim軟件介紹

Multisim軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司特別推出的以Windows為基礎(chǔ)的虛擬仿真平臺(tái)[1]，它的內(nèi)部集成元器件數(shù)據(jù)庫(kù)，可以采用硬件描述語(yǔ)言或圖形輸入兩種方法創(chuàng)建電路原理圖，已經(jīng)成為電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心專業(yè)軟件[2]，如模擬電路和數(shù)字電路的仿真[3]，可實(shí)現(xiàn)快速、高效的電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。時(shí)序邏輯電路教學(xué)過(guò)程中重視電路分析和設(shè)計(jì)過(guò)程，將Multisim10虛擬仿真軟件融入數(shù)字電子技術(shù)課程，使學(xué)生更加直觀地觀察電路，提高學(xué)生理解、分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜時(shí)序邏輯電路的綜合能力，將理論知識(shí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

二、Multisim軟件在時(shí)序邏輯電路教學(xué)中的應(yīng)用

觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器都是時(shí)序邏輯電路教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)考慮到課程內(nèi)容的深度和廣度，從理論到實(shí)踐環(huán)節(jié)都將觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器作為獨(dú)立的章節(jié)部分分開(kāi)來(lái)講授。基于Multisim軟件建立的虛擬仿真電路實(shí)驗(yàn)打破了時(shí)間、空間的局限性，將獨(dú)立授課的模塊相互融會(huì)貫通，讓學(xué)生利用課余時(shí)間建立更多的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來(lái)加深鞏固所學(xué)內(nèi)容。

（一）仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

利用可逆計(jì)數(shù)器74LS191芯片設(shè)計(jì)一個(gè)按 8421BCD碼計(jì)數(shù)（0到9，9再到0）循環(huán)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用七段顯示器顯示具體的計(jì)數(shù)過(guò)程。

（二）仿真設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果分析

74LS191芯片是一個(gè)計(jì)數(shù)控制信號(hào)低電平有效，帶有選擇控制信號(hào)（U/D=0時(shí)加法計(jì)數(shù)，U/D=1時(shí)減法計(jì)數(shù)），上升沿觸發(fā)的4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器。要想設(shè)計(jì)0到9，9再到0循環(huán)的計(jì)數(shù)器，需在0到9加法計(jì)數(shù)時(shí)保持其U/D=0引腳為低電平不變，在9到0減法計(jì)數(shù)時(shí)U/D=1保持其為高電平不變。如果采用組合邏輯電路控制U/D控制端，很難判斷當(dāng)相同計(jì)數(shù)值時(shí)U/D控制端何時(shí)為低電平、何時(shí)為高電平，而引入D觸發(fā)器74LS74控制該控制端可實(shí)現(xiàn)上述鎖存功能。D觸發(fā)器74LS74為上升沿觸發(fā)，由于計(jì)數(shù)值為0和9時(shí)需要翻轉(zhuǎn)U/D引腳高低電平（即D觸發(fā)器輸出為Q），故僅在計(jì)數(shù)值為0和9時(shí)，D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入脈沖CLK為高電平1，D觸發(fā)Q次態(tài)輸出電平將進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，其他計(jì)數(shù)值時(shí)均為低電平0，D觸發(fā)器Q輸出電平值將被鎖存。

運(yùn)行Multisim以后，電腦屏幕上出現(xiàn)如圖2.1所示的界面。這時(shí)電路圖設(shè)計(jì)窗口是空白的。在右側(cè)的儀表工具欄中找到“邏輯轉(zhuǎn)換器”按鈕，單擊此按鈕后拖拽到電路圖設(shè)計(jì)窗口，然后單擊放置在合適位置[4]。雙擊邏輯轉(zhuǎn)換器圖標(biāo)，屏幕上便會(huì)彈出邏輯轉(zhuǎn)換器的操作窗口“邏輯轉(zhuǎn)換器-XLC1”。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求（僅在計(jì)數(shù)值為0和9時(shí)，D觸發(fā)器時(shí)鐘輸入CLK為高電平1），利用邏輯轉(zhuǎn)換器，將真值表鍵入到操作窗口左半部分，接下來(lái)點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換器操作窗口右面的第三個(gè)按鈕，轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在操作窗口最底部的一欄中，得到Y(jié)（A，B，C，D）=ABCD+AD。將上述邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)化為基本的與、或、非門組成的邏輯門電路，只需要點(diǎn)擊操作窗口右半部分上邊的第五個(gè)按鈕，就可以得到所需的電路圖，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為下圖2.2所示，輸入變量為計(jì)數(shù)器QDQCQBQA，輸出變量為D觸發(fā)器D/Q/CLK。

根據(jù)以上要求搭建仿真電路，如圖2.3所示。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性，用仿真軟件中的四通道示波器同時(shí)觀察計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖、D觸發(fā)器的D、Q和CLK，時(shí)序圖如下圖2.4所示，可以直觀地看到，所測(cè)結(jié)果和電路設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖完全一致。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐中融入Multisim仿真軟件，不僅豐富了教學(xué)手段和教學(xué)方法，更讓學(xué)生在對(duì)復(fù)雜時(shí)序邏輯電路的理解分析過(guò)程中有所探究、有所發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生的思維能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，從而有效地保證了本課程教學(xué)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜先君.Multisim在電子設(shè)計(jì)實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子世界，2015（21）：28-29.

[2]楊斌.Multisim仿真在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].電子制作，2016（8）：15.

[3]劉月嫦，朱齊媛，龍世瑜.基于Multisim的智能多路無(wú)線搶答器的設(shè)計(jì)[J].嶺南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，38（6）：94-97.

[4]王中寶.基于虛擬儀器的時(shí)序邏輯電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（6）：20.

◎編輯 李建軍