Multisim軟件仿真數字電子計數器實驗的綜述

摘要：學生應用實驗箱做數字電子技術實驗，各個實驗項目接線復雜，故障難查找，完成一次實驗耗時耗力。文章分析了Multisim仿真軟件應用特點，列舉了將Multisim軟件應用于數字電子技術實驗教學項目中，學生們能將專業理論知識與虛擬仿真實驗有效結合，提高了課程學習興趣與專業技能水平。

關鍵詞：Multisim;電路;實驗;仿真

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0045-03

數字電子技術是高職學院廣播電視技術、電子信息工程技術、計算機網絡技術及通信技術等理工科專業開設的必修科目。科目中涉及的電路實驗應用芯片做驗證和創新，驗證實驗接線比較復雜，容易出錯，查找起來費時費力，關鍵是課堂上有限的時間達不到驗證成功的目的。對于創新實驗應用芯片搭建，更有此類同樣問題。學生設計的實驗因為設計線路出錯或者線路接線接觸不良無法達到實驗預期，使得學生對創新喪失信心。

隨著時代進步，科技發展，計算機設備日新月異發展與更新，虛擬電子實驗也迅速發展，因此有了虛擬實驗應用需求。各高校電子電路教師鼓勵學生應用Multisim軟件仿真電子電路實驗，這不僅能夠驗證和鞏固理論知識，而且還可以使學生跟上時代發展步伐，鍛煉了學生的動手實踐能力和思維創新能力，為后期學生設計電路項目打下堅實基礎。

1 Multisim的特點

Multisim是美國國家儀器公司（NI） 推出的一款電子電路仿真軟件[1]。在當前計算機設備上安裝Multisim軟件實現電路的虛擬分析、測試與仿真。所以該軟件也稱為“計算機里的電子實驗室”，其主要特點如下：

1）? 直觀的圖形界面。安裝Multisim軟件在Windows系統下運行，直觀的操作界面展現在眼前，界面就像真實實驗室的電路工作臺，直觀、快捷。

2） 具有豐富的元件及測試工具。Multisim提供了豐富的元件庫，主要包括基本元件庫、模擬元件庫、電源庫及集成電路庫，可以隨時調用。并且用戶可以根據要求通過元件編輯器建立我的元件庫。另外價格昂貴的高檔測試儀，軟件也自帶，較為全面，比如網絡分析系、頻譜分析儀等這些虛擬儀器在應用實踐中真實可靠。

3） 強大的電路分析功能和電路設計功能。軟件提供了較為詳細的電路分析方法完成簡單電路及復雜電路的參數分析，比如共射放大電路靜態工作點分析、瞬態分析、時域分析、頻域分析及傅里葉分析。這些分析方法幫助實驗的學生分析電路性能，為他們實踐提高了作業效率，從而更完美實驗設計電路。對于復雜一些的電路在現實的實驗臺模擬接線，由于線路太多，看不清線，更不用說排查故障了，費時費力。Multisim提供一種自頂而下的模塊電路設計方法，只要確定系統模塊，分級設計，模塊級連，思路清晰，大大提高了學生實驗的學習效率。

4） 超級仿真能力及軟件兼容能力[2]。電路設計好，軟件不但能對簡單電路仿真而且對大規模復雜電路也能仿真測試，對于創建的電路還可以模塊合用，完成印刷電路板的自動化設計，功能強大。另外Multisim設計的文件在Protel類似軟件中也可以完美應用，對于一個復雜的系統電路，可以應用到Protel中設計出多層高性能的電路板，將理論設計電路轉化為實際的電子產品，軟件兼容性高。

2 數字電子計數器應用Multisim軟件仿真實驗可行性分析

在數字電路電子計數器實驗中，主要應用芯片有74LS290、74LS48、74LS20、74LS05、七段碼顯示、信號源及電源[3]。對于十進制的計數器在實驗臺接線，此時線路不是很多，但對于有小時、分鐘、秒鐘這樣的大型電子計數器來說完成起來非常困難。即使同學們用圖紙畫出電路圖，模擬仿真過程中，線路總會出現故障，比如線路接線人為操作錯誤，線路接觸不良、線路損壞、芯片接觸問題及損壞等一系列問題，更不要說驗證學生們設計電路的準確性了。而且實驗中問題檢查與測試耗時耗力，有的學生一次課完不成實驗，下次課重來，失去信心，不能充分調動學生學習的積極性，難以達到最佳教學目的。

Multisim軟件有豐富的元件庫，高效仿真測試功能，虛擬一個與現實相仿的環境[4]。同學們一邊設計一邊實驗，把電子計數器看成一個電子系統，分模塊分別設計，模塊級聯完成實驗功能。設計過程中只要連線正確，不存在線路接觸不良及芯片損壞等情況，克服了這兩個因素對設計的影響，同時也克服實驗臺實驗測量儀器不全的矛盾，加強了學生實踐操作能力。對于模塊電路入手設計，根據軟件分析電路參數，再分析修改電路與元件參數，實驗成功之后可以直接打印實驗數據、測試參數等。為電路操作臺實驗過程中提供了可靠的方向指導，便于實驗成功。從而學生們實驗興趣濃厚，樂于參與，主動思考電路故障原因，解決問題，從而提高實驗教學質量。

3 Multisim軟件在六十進制數字電子計數器實驗的仿真

3.1 電子計數器工作原理及選擇芯片

1） 計數器定義及分類

計數器是應用廣泛的時序邏輯電路，它不僅可以用來對脈沖計數，而且還常用于數字系統的定時、延時、分頻及構成節拍脈沖發生器等。按計數脈沖的引入方式可分為異步型計數器和同步型計數器兩類。異步計數器是指計數脈沖沒有加到所有觸發器的CP端，只作用于某些觸發器的CP端，當計數脈沖到來時，各個觸發器的翻轉時刻不同，所以分析異步計數器要特別注意各個觸發器翻轉所對應的有效時鐘條件。同步計數器是將輸入計數脈沖同時加到所有觸發器的CP輸入端，使得觸發器在計數脈沖到來時同步翻轉計數。

2） 六十進制電子計數器工作原理

大型數字電子計數器以六十進制電子計數器為基礎，六十進制電子計數器若仿真成功，其他電子計數器仿真方法可以套用。六十進制電子計數器實驗選用74LS290芯片，此芯片為二—五—十進制計數器，引腳如圖1，芯片內部有四個觸發器，第一個觸發器有獨立的時鐘輸入端CP0和輸出端QA，構成二進制計數，其余三個觸發器以五進制方式相連，其時鐘輸入為CP1，輸出端為QB、QC、QD。通過設置連接可以完成：

①置9功能，當異步置9端R91和R92均為高電平時，不管其他輸入端的狀態如何，就可以完成置9功能。

②清零功能，當異步清零端R01和R02均為高電平時，只要置9端有一個為低電平，就可以完成清零功能。

③計數功能，當R01和R02中有一個為低電平以及R91和R92中有一個為低電平這兩個條件同時滿足時，即可以進行計數。

通過計數器的級聯實現多進制計數，計數器的級聯是將多個計數器（如M1進制、M2進制） 串接起來，以獲得計數容量更大的N（N=M1*M2）進制計數器，如六十進制計數器等于十進制計數器乘以六進制計數器。一般集成計數器都設有級聯用的輸入端和輸出端，異步計數器級聯實現的方法是低位進位信號給高位的CP端，利用兩片74LS290（圖1） 構成六十進制加法計數器。其中個位的74LS290連成十進制方式，其QD與十位74LS290的CP0相連，十位的74LS290連成六進制形式。每當個位計數到1001，在下一個計數脈沖到來時，其QD的下降沿脈沖向十位的74LS290發出計數信號使得十位加1，當計數器計到十進制數59時，在下一個計數脈沖的下降沿到來后，個位和十位計數器均復位到0，完成六十進制計數功能，如圖2。

3.2 六十進制電子計數器仿真

計算機已經安裝Multisim軟件，利用前期課程學習的理論知識結合Multisim軟件提供的元件庫，根據需求建立計數器模塊圖及內部原理圖，以六十進制數字電子計數器為例：

1） 電路原理圖設計布局。元件庫欄中找到74LS290、74LS48、74LS20、74LS05、七段碼顯示器、頻率信號源、電阻、電源、接地及開關等元件，分別設置元件參數，放置在合適的工作區，排列條理，如圖3。接下來根據提前設計的圖紙用鼠標找到對應元件引腳，連接對應導線。

2） 保存設計電路文件。在一定目錄下，建立相關名稱文件夾。理論圖設計完成后找到相關目錄保存，以免后期調用再利用。

3） 電路仿真

①在設計過程中，找到與實驗操作臺一致的元器件，便于后期實際操作，接好電路后，只需要按下“啟動/停止”按鈕，電路開始仿真，如圖4。

②從圖像顯示結果看，計數顯示太快，可以停止仿真，再次調整信號源參數，能清楚看到0-59計數變化。另外注意反饋清零與反饋置1的接法。

③波形圖分析。從測試儀器欄中，調用示波器，通道A接頻率信號源，通道B接74LS290芯片一輸出引腳，如圖5，觀察頻率信號源波形與計數結果輸出是否有誤[5]。注意此時要設置信號源頻率至少為1000Hz，否則因為頻率太低，示波器顯示不能直觀與計數結果對比，QD端輸出如圖6波形。

4 結束語

基于Multisim軟件設計仿真的數字電子計數器顯示結果與理論分析相符合，完成六十進制計數功能實驗，學生們見到正確的仿真效果圖與波形圖。通過軟件模擬仿真使得學生們對于設計電路的正確性堅定信心，對于電路的認知及電路系統理解更加深入，提高了學生實驗作業效率與專業實踐操作能力。學生在實驗室之外，也可以應用Multisim軟件仿真自己設計的電路為實踐制作提供理論依據，為將來走上工作崗位打下良好的專業基礎。

參考文獻：

[1] 王廷才，陳昊.電工電子技術Multisim 10仿真實驗[M].2版.北京：機械工業出版社，2011.

[2] 曾令琴，李偉.電工電子技術[M].2版.北京：人民郵電出版社，2006.

[3] 張雪平.數字電子技術[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4] 周紅軍.數字電子技術實驗指導書[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5] 李文聯，李楊，吳學軍.數字電子技術實驗[M].西安：西安電子科技大學出版社，2017.

收稿日期：2021-11-08

基金項目：安徽省教育廳高校2019年自然科學研究重點項目（編號KJ2019A1143） 研究成果之一

作者簡介：林勇（1981—） ，男，安徽廣德人，實驗師，碩士，研究方向為電子與通信技術。