Multisim 14.0在電子設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用研究

摘" 要：為提高電子設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果，幫助學(xué)生依照電路原理進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，以數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)教學(xué)為例，研究在電子設(shè)計(jì)課程中應(yīng)用Multisim 14.0進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、修改、元器件封裝及PCB制作。實(shí)踐結(jié)果表明，在電子設(shè)計(jì)課程中應(yīng)用Multisim 14.0可以夯實(shí)學(xué)生的理論知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，提升電子設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計(jì)；Multisim 14.0；時(shí)鐘電路；PCB；電路仿真

中圖分類號(hào)：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）11-0195-04

Research on the Application of Multisim 14.0 in Electronic Design Courses

—Taking Digital Clock Circuit as an Example

MA Hongxing， MA Yun， LIU Xuan， SHENG Tielei

（North Minzu University， Yinchuan" 750021， China）

Abstract： To improve the teaching effectiveness of electronic design courses and assist students in conducting virtual experiments based on circuit principles， taking digital clock design teaching as an example， this study investigates the application of Multisim 14.0 in circuit design， simulation， modification， component packaging， and PCB production in electronic design courses. The practical results show that applying Multisim 14.0 in electronic design courses can solidify students' theoretical knowledge， improve their practical abilities， and enhance the teaching effectiveness of electronic design courses.

Keywords： electronic design; Multisim 14.0; clock circuit; PCB; circuit simulation

0" 引" 言

電子設(shè)計(jì)是一門跨學(xué)科綜合性課程，涵蓋電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)等多領(lǐng)域的知識(shí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)技能。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將能夠設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試各種電子電路系統(tǒng)。課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合分析性，在培養(yǎng)新工科應(yīng)用型人才方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。

Multisim 14.0提供強(qiáng)大的教學(xué)工具，在電子設(shè)計(jì)課程中有著廣泛的應(yīng)用，有助于教師更好地傳授電子設(shè)計(jì)知識(shí)，是電子設(shè)計(jì)課程中不可或缺的一部分。Multisim 14.0允許學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真和PCB制作，使學(xué)生在不使用硬件設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室資源的情況下也能在該學(xué)習(xí)平臺(tái)上進(jìn)行電子設(shè)計(jì)[2]。這種靈活性不僅為學(xué)生提供更多的自主學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，還有助于豐富學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用電子原理，獲得專業(yè)實(shí)用的電子設(shè)計(jì)技能。以虛擬環(huán)境為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)方式也大大降低了學(xué)習(xí)成本，提供一個(gè)較為便利和高效的電子類專業(yè)人才培養(yǎng)途徑。

在此以時(shí)鐘電路為例，在Multisim 14.0環(huán)境中設(shè)計(jì)和仿真電路。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，引入了電子設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理思想，根據(jù)時(shí)鐘電路的課程設(shè)計(jì)任務(wù)和系統(tǒng)功能，對(duì)創(chuàng)建電路、添加元件、電路設(shè)計(jì)、仿真，以及電路修改和PCB制作等流程進(jìn)行詳細(xì)闡述，以此培養(yǎng)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)能力，提高電子設(shè)計(jì)課程的落地性和實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1" 時(shí)鐘電路功能結(jié)構(gòu)

數(shù)字時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)是電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)綜合性項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建數(shù)字時(shí)鐘，使學(xué)生深入了解數(shù)字電路的操作原理。作為經(jīng)典的數(shù)字電路，數(shù)字時(shí)鐘涵蓋了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的要素。完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)以后，學(xué)生將更全面地理解數(shù)字時(shí)鐘的原理，掌握集成電路的使用技能。這不僅有助于加深學(xué)生對(duì)邏輯電路工作原理的理解，還能使學(xué)生獲得應(yīng)用集成電路的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3]。

數(shù)字時(shí)鐘一般由振蕩器、分頻器、譯碼器和顯示器等組件構(gòu)成。具體而言，振蕩器和分頻器協(xié)同工作，形成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)生成器。計(jì)時(shí)系統(tǒng)由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器等組件構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)通常由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)生成器傳遞至計(jì)數(shù)器，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器的累積，時(shí)間結(jié)果以數(shù)字形式呈現(xiàn)。數(shù)字時(shí)鐘結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

時(shí)鐘電路是一種計(jì)數(shù)電路，用于精準(zhǔn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)頻率，通常以小時(shí)和分鐘的格式顯示時(shí)間。與傳統(tǒng)模擬時(shí)鐘不同，數(shù)字時(shí)鐘采用現(xiàn)代化技術(shù)（如液晶顯示、LED顯示或數(shù)碼顯示管）來(lái)清晰、準(zhǔn)確地顯現(xiàn)時(shí)間信息。這種顯示技術(shù)使得數(shù)字時(shí)鐘在各種環(huán)境下都能提供清晰可見(jiàn)的時(shí)間顯示，數(shù)字時(shí)鐘也比傳統(tǒng)模擬時(shí)鐘更為精確和豐富。

2" 時(shí)鐘電路功能單元設(shè)計(jì)與仿真

2.1" 秒脈沖信號(hào)發(fā)生單元

秒脈沖信號(hào)發(fā)生單元在設(shè)計(jì)上選用555數(shù)字振蕩器作為核心定時(shí)芯片。555數(shù)字振蕩器以其高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性以及簡(jiǎn)潔的外圍電路而著稱。而且還可以根據(jù)實(shí)際使用需求快速調(diào)整振蕩器的輸出參數(shù)等特性[4]。通過(guò)結(jié)合集成電路555定時(shí)器與多諧振蕩器，可以有效地構(gòu)建出秒脈沖信號(hào)發(fā)生單元，這種組合也提供了可靠的時(shí)間基準(zhǔn)。在Multisim 14.0電路設(shè)計(jì)中，元器件的連接方式如圖2所示。

秒脈沖信號(hào)發(fā)生單元的秒脈沖信號(hào)頻率為100 Hz，通過(guò)對(duì)555信號(hào)發(fā)生器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)外圍電路主要參數(shù)值如下：

C2放電所需時(shí)間T1：

C2充電所需時(shí)間T2：

輸出方波信號(hào)振蕩周期T：

輸出方波信號(hào)振蕩頻率F：

因此，電路的振蕩周期T為：

振蕩頻率F為：

2.2" 計(jì)時(shí)單元

計(jì)時(shí)單元是電子時(shí)鐘系統(tǒng)的核心部分，主要使用計(jì)數(shù)器74LS160N來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，完成時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的累積以及相應(yīng)的進(jìn)位清零等。74LS160N的CLK為脈沖輸入端，RCO為進(jìn)位信號(hào)輸出端，ENP和ENT為計(jì)數(shù)的工作狀態(tài)端，CLR為清零端，LOAD為置數(shù)端，A～D為數(shù)據(jù)輸入端，QA～QD為數(shù)據(jù)輸出端[5]。計(jì)時(shí)單元組成模塊如圖3所示。

在計(jì)時(shí)單元電路設(shè)計(jì)中，采用六片74LS160N芯片構(gòu)建一個(gè)多功能的計(jì)數(shù)系統(tǒng)，支持二十四進(jìn)制和六十進(jìn)制的計(jì)時(shí)。通過(guò)連接兩片74LS160N的輸出端和輸入端，實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能。將另外兩片74LS160N的輸出端與輸入端相連，以完成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能。74LS160N是一種十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，通常用于計(jì)數(shù)和分頻應(yīng)用，可以在上升沿或下降沿觸發(fā)后遞增計(jì)數(shù)，可重置初始狀態(tài)[6]。也可以在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)清零和置數(shù)的操作。其端口資源包括但不限于進(jìn)位輸出端、置數(shù)端、清零端、置數(shù)輸入端、狀態(tài)輸出端以及用于接收時(shí)鐘信號(hào)的端口等。對(duì)于那些在此實(shí)驗(yàn)中未被使用的端口，都進(jìn)行了接地處理以確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。時(shí)鐘信號(hào)可用于控制計(jì)數(shù)操作，每當(dāng)接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)器會(huì)增加一個(gè)計(jì)數(shù)，通過(guò)多個(gè)74LS160N芯片相互搭配，成功實(shí)現(xiàn)了二十四進(jìn)制和六十進(jìn)制的計(jì)時(shí)功能。

2.3" 譯碼顯示單元

譯碼顯示單元由共陰極七段數(shù)碼管和譯碼器7447N構(gòu)成。7447N是一個(gè)4位二進(jìn)制七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器。其與數(shù)碼管構(gòu)成的譯碼顯示原理基于將二進(jìn)制輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為七段數(shù)碼管所需的控制信號(hào)，從而完成數(shù)字的顯示。數(shù)碼管通常由七個(gè)LED組成，這七個(gè)LED排列成數(shù)字“8”的形狀，每個(gè)LED稱為一個(gè)段，分別標(biāo)記為a、b、c、d、e、f和g。通過(guò)控制這些段的亮滅狀態(tài)，可以顯示不同的數(shù)字。7447N接收一個(gè)4位的二進(jìn)制輸入，共有16種可能的輸入組合，這4位的二進(jìn)制輸入表示要顯示的數(shù)字，再通過(guò)內(nèi)部的邏輯電路，7447N將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的七段LED數(shù)碼管的控制信號(hào)。通過(guò)這種方式，7447N將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)臄?shù)碼管控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字的動(dòng)態(tài)顯示[7]。

2.4" 時(shí)鐘電路仿真

在Multisim 14.0中設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，如圖4所示，主要由100 Hz時(shí)鐘脈沖源電路、60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器、60進(jìn)制分計(jì)數(shù)器和24小時(shí)計(jì)數(shù)器組成。

在圖4中，通過(guò)組合使用非門和與非門的電路，將60秒置位信號(hào)（～LOAD）傳送到60分的時(shí)鐘脈沖（CLK），將60分置位信號(hào)（～LOAD）傳送到24時(shí)的時(shí)鐘脈沖（CLK），并將100 Hz電路的輸出（OUT）連接到60秒的時(shí)鐘脈沖（CLK）[8]。采用非門和與非門的組合是為了確保高位信號(hào)的觸發(fā)速度慢于低位信號(hào)的觸發(fā)。多次運(yùn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路能夠完成既定的時(shí)鐘計(jì)時(shí)顯示功能——從00：00：01到23：59：59，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知顯示效果良好。

3" PCB制作

在完成對(duì)如圖3所示時(shí)鐘電路圖的設(shè)計(jì)和無(wú)錯(cuò)誤仿真后，需要對(duì)電路進(jìn)行修改以便制作PCB。由于電路中的各集成電路都有獨(dú)立的供電電源，在PCB制作過(guò)程中無(wú)法對(duì)電源進(jìn)行封裝，因此需要?jiǎng)h除電源和接地符號(hào)，并添加連接器以提供接口。使用Multisim 14.0對(duì)電路中未封裝的元件進(jìn)行二次封裝[9]。完成封裝后，將原理圖導(dǎo)出為網(wǎng)格表文件，以便在Ultiboard 14.0中導(dǎo)入。具體的操作步驟如下：

1）在執(zhí)行Transfer菜單中的“Forward Annotated to Ultiboard 14.0”操作時(shí)，系統(tǒng)將彈出“Save as”對(duì)話框。在該對(duì)話框中，需選擇將當(dāng)前文件導(dǎo)出為*.ewnet格式文件，文件保存類型指定為Ultiboard 14.0，進(jìn)行命名保存。隨后，在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)Ultiboard 14.0，并通過(guò)Ultiboard 14.0的File菜單下的“Open”命令，打開先前保存的ewnet文件。

2）啟動(dòng)Ultiboard 14.0，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，并執(zhí)行Tools菜單下的“Board Wizard”。在彈出的“電路板板層設(shè)置（Board Technology）”對(duì)話框中，點(diǎn)擊“Change the Layer Technology”，然后在“Technology”選項(xiàng)下選擇“Double-sided”（雙面板），隨后點(diǎn)擊“Next”。在“Board Wizard-Shape of Board”中設(shè)置電路板的尺寸和外形，最后點(diǎn)擊“Finish”以完成電路板設(shè)置。

3）在Ultiboard 14.0中，使用File菜單下的“Open”命令打開之前保存的文件。在彈出的“ImportNetlist”中，可以設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并在此默認(rèn)設(shè)置后單擊“OK”。在進(jìn)行自動(dòng)布局之前，鑒于J1是連接器且用于接電源接口，因此將其預(yù)先放置在電路板的右下角，并對(duì)其進(jìn)行鎖定。接著，執(zhí)行“Autoplaceparts”命令（該命令位于Autoroute菜單下），以開始自動(dòng)布局。在實(shí)際布局過(guò)程中，需要適當(dāng)拉開元器件之間的距離，以防止元器件堆積導(dǎo)致布線無(wú)法通過(guò)[10]。經(jīng)過(guò)調(diào)整后，元器件的最終布局如圖5所示。

4）執(zhí)行Design菜單下的“DRC and Netlist Check”命令以及Designed菜單下的“Connectivity Check”命令，以檢查PCB是否存在設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）錯(cuò)誤或未連接的網(wǎng)絡(luò)等問(wèn)題。如果存在錯(cuò)誤，則需要進(jìn)行相應(yīng)修改[11]。接著，利用Autoroute菜單下的“Start/Resume Autorouter”命令生成自動(dòng)布線的效果圖，具體效果如圖6所示。

5）通過(guò)執(zhí)行Tools菜單下的“3D View”命令，可以觀察PCB的三維顯示效果。具體的三維顯示效果如圖7所示。

4" 結(jié)" 論

通過(guò)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)實(shí)例，深入研究了電子設(shè)計(jì)課程中電路設(shè)計(jì)的整體流程，重點(diǎn)探討了PCB的制作過(guò)程，深刻認(rèn)識(shí)到電子設(shè)計(jì)課程教學(xué)的實(shí)踐性效果。在實(shí)際操作過(guò)程中，需要在Multisim 14.0中對(duì)時(shí)鐘電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真驗(yàn)證所實(shí)現(xiàn)的基本功能。再對(duì)電路進(jìn)行修改、封裝、PCB制作和3D視圖顯示，這些均達(dá)到既定目標(biāo)。通過(guò)這一實(shí)例，有助于學(xué)生理解電子設(shè)計(jì)原理并加以靈活應(yīng)用，為學(xué)生提供了寶貴的理論知識(shí)，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和技能水平，改善電子設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果，使學(xué)生能夠更好地掌握電子設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，也提供一種較為有效的用以提高電子設(shè)計(jì)教育質(zhì)量的方式。

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作者簡(jiǎn)介：馬宏興（1975—），男，回族，寧夏西吉人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：智能感知與信息處理。

收稿日期：2023-11-07

基金項(xiàng)目：北方民族大學(xué)重點(diǎn)教研項(xiàng)目（2021JY005）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（220603879075555）