基于multisim11的数字电子技术虚拟实训

曹艳

摘 要： 数字电子技术是一门理论联系实践的课程，本文举例说明了仿真软件multisim在数字电子技术三大实训模块、功能验证、扩展应用、综合设计中的应用。虚拟实训的开发为学生的学习带来了新的体验，增强了教学效果，提高了学生在电路设计方面的综合能力。

关键词： multisim 数字电路实验 电路仿真

1.引言

《数字电子技术》是高职院校电子信息类相关专业的一门专业基础课，其实践性很强，要求学生在掌握基本理论知识的同时还要具备对电路进行分析、设计、调试、完善电路等重要的实际应用技能。因此，为了提高教学质量，当前设有电子类专业的高职院校包括所有的本科院校及中专职业学校都会配备相应的实验室。然而现实是，介于资金、管理、设备损坏率等多方面的因素，实验室规模受到很大程度的限制，设备、仪器、仪表的数量、种类均使实验室不能满足完成各种实验的要求。

随着计算机技术的发展，大批量的电子EDA软件应需而生，pspice、protel、EWB、proteus及multisim等。使用仿真软件，可以摆脱对硬件条件的依赖，且可以利用专业的软件对设计电路进行专业的仿真、测试，确保设计的准确度，从而避免人工设计中出现的各类问题。Multisim与其他软件相比具有界面直观、操作简单、一键仿真及仿真结果可视化等优点，尤其适合理论知识较弱的高职院校类学生使用。通过动态、直观的仿真，一方面可以加深学生对理论知识的理解，另一方面可以提高电路设计的准确率，避免人力、物力、财力方面不必要的浪费。

2. Multisim软件

Multisim的前身实际上就是加拿大IIT公司的EWB（Electrical Workbench），EWB版本更新到6.0的时候，IIT公司将电路仿真与设计这一模块改名为multisim，不仅增强了软件在仿真、测试、分析方面的功能，而且丰富了仿真元件的数量，使得仿真更精确，进一步提高电路设计的可行度。我们选用的是美国国家仪器公司发行的multisim11版本，与之前的版本相比具有更丰富的元件量，且可进行单片机仿真。

2.1 定制用户界面

进入multisim仿真平台，我们可以根据电路的需要、自己的喜好改变界面，包括电路颜色、图纸尺寸、元件的符号标准等。执行option/sheet properties菜单可打开属性对话框。进入“circuit”选项卡，在“show”选项组可以设置元件、节点、导线上所显示的说明性文字等信息，在“color”选项组可设置元件、导线、背景的颜色； “workspace”选项卡则可以设置图纸大小及显示模式；“wiring”选项卡用来改变导线、总线的宽度；其他选项卡不再一一赘述（见图1）。

图1 界面定制对话框

2.2元件库

Multisim拥有规模庞大的元件库，并将所有元件分为17类，便于查找选择。选择view/toolbars/components菜单可以调出元件工具栏，如图2所示，点击各个按钮可以直接进入对应类别的元件库选取元件，选择place/component菜单可以打开元件选取对话框。平台提供多方向翻转、属性设置等元件编辑功能，可非常方便地修改其库中提供的任何元器件并且创建自己需要的各种元器件。

图2 元件工具栏

2.3 仪器仪表

Multisim自带了20多种虚拟仪器仪表，既提供示波器、函数信号发生器、逻辑分析仪等实际存在的仪器，又有字信号发生器及逻辑转换仪等这些在现实实验室找不到的仪器，而且在使用数量上不受限制，这为电路仿真提供了强大的保障。通过view/toolbars/instruments菜单可以调出仪器仪表工具栏，如图3所示。

图3 仪器仪表工具栏

3.数字电子技术虚拟实训设置

实训教学环节在高职院校数字电子技术课程教学中是至关重要的。所有的实训都可以归结为三大模块：功能验证模块、扩展应用模块和综合设计模块，使学生由简入难，逐步领会到电路应用、设计的概念，进而提高自身的综合能力。我们将结合案例说明不同类型的数字电路实训模块。

3.1 功能验证实训模块

功能验证模块主要培养学生的操作技能，用以加深对理论知识的理解，包括两大类：一类是对基础逻辑门的功能验证，一类则是对常用芯片（器件）的逻辑功能进行验证、测试。

3.1.1 基础逻辑门逻辑功能验证

基础的逻辑门就是与、或、非、与非、或非、与或非、异或、同或等这些实现简单逻辑功能转换的逻辑门，要求学生掌握它们的逻辑关系。在此，以或非、与非为例，搭建如图4所示的简单电路，即可实现其功能验证。拨动拨码开关，可以改变与非、或非门两个输入端接收到的高低电平，在输出端，指示灯亮代表输出为高电平、反之则为低电平。实验操作：分别设置00、01、10、11四种不同输入组合，记录对应的逻辑输出，分析数据，理论联系虚拟实训加深对逻辑门的理解。

（a）与非门？摇？摇？摇 ？摇 （b）或非门

图4 基础逻辑门功能验证

3.1.2 常用芯片逻辑功能验证

数字电子技术课程中，学生会学到74LS138（译码器）、74LS148（编码器）、74LS151（数据选择器）、74LS161（计数器）、74LS194（寄存器）等众多中小规模组合、时序集成电路，与基本逻辑门相比，这些芯片其逻辑功能不再单一，验证相对繁琐。图5是搭建的194（双向移位寄存器）功能验证电路，双向移位寄存器除了有左移、右移主要功能外，还具有异步清零、同步置数功能。参照使能端的优先级别，设置功能验证步骤如下：

3.1.2.1异步清零功能，图中clear为控制清零端的开关，开关拨向ground一侧，清零端接收到低电平，194处于清零状态，四个输出端均变零。

3.1.2.2同步置数功能，S0、S1为芯片控制执行除清零外其他三种功能的端口，首先要保证clear为高电平，有时钟信号（CLK端可接收到一定频率的脉冲信号），然后S0、S1才起控制作用。要置数，S0、S1均为高电平，也就是S0=S1=1，满足置数条件，将数据输入端PA、PB、PC、PD的数值分别传递给寄存器的四个输出端QA、QB、QC、QD。图5即为置入0011数据的仿真结果图。

图5 194功能验证电路

3.1.2.3左移功能，在满足clear=1的条件下，设置S1=1、S0=0，在CLK上升沿的作用下即可实现左移功能，依次将SL端的数据串行送入寄存器。

3.1.2.4右移功能，与左移功能的条件区别仅在于S1=0、S0=1，右移时则依次将SR端的数据串行送入寄存器。

3.2 扩展应用模块

扩展应用模块是在功能验证的基础上，培养学生分析、设计数字逻辑电路的能力，可以结合简单逻辑门的辅助来实现常见数字芯片的基本应用。

3.2.1 基础逻辑门的应用

主要培养学生当没有某种逻辑门的时候，如何用另一种逻辑门实现具体要求。比如可以用与非门实现与逻辑、或逻辑、非逻辑，图6所示为用与非门实现与逻辑（有0得0）和或逻辑（有1得1）。

（a）与逻辑 ？摇 ？摇？摇？摇 （b）或逻辑

图6 与非门应用

3.2.2 集成芯片的扩展实训

集成芯片的扩展是指利用基础逻辑门的辅助实现一些芯片本身所不能实现的功能要求。利用2片138实现4-16线的译码器；利用151实现16选1的数据选择器；用194制作扭环形、环形计数器；利用555芯片来实现多谐振荡器、施密特触发器等，扩展实训是为了培养学生灵活使用芯片的能力，这些都将对提高学生的综合设计能力有莫大的帮助。图7是用异步2-5-10进制计数器290级联而成的60进制计数器，个位是10进制，十位为利用290的置零功能构成的6进制计数器。这个电路要求学生掌握两个技能：一个是单片290的功能扩展，另一个则是关于芯片的级联。

图7 级联构成60进制计数器

3.3 综合设计模块

综合设计模块是指不同功能的芯片组合起来完成特定的逻辑功能，考验的是学生的综合能力。不但要了解所用芯片的原理、基本功能，还要把他们巧妙地结合在一起实现一定的功能要求。用触发器完成多路抢答器、用555实现各种报警电路、用138和151构成分时数据传输电路、结合多谐振荡器和计数器构成流水灯，这些都是一些利用数字集成电路实现的常见功能性电路。综合设计模块主要培养学以致用的能力，提高他们的实用性技能。

用计数器和数据选择器可以实现任意的序列脉冲发生器，在此，我们要求实现一个能周期性输出“011011”的序列脉冲发生器。设计方案有多种，计数器加各种门电路、多个触发器加门电路等。我们选择计数器和数据选择器实现，设计过程如下：（1）脉冲序列的长度为仅为6，那么用1片161制作一个6进制的计数器即可满足长度要求。（2）序列的内容为“011011”，将151的数据端从低位到高位依次设置为011011。（3）考虑计数器是需要时钟信号的，这里我们用555芯片构成多谐振荡电路来提供161的时钟信号。

图8 “011011”序列脉冲发生器

基于以上设计思路，搭建出图8所示电路，运行仿真，用逻辑分析仪测量输出信号，结果如图9所示，上方为输出的序列脉冲，下方为时钟信号，通过改变可调电阻的阻值可以改变序列脉冲的输出周期。

图9 逻辑分析仪测量结果

经过此次设计，学生既熟悉了555芯片、计数器、数据选择器的原理及应用，又掌握了序列脉冲发生器的设计思路、实现方法。

利用仿真平台验证、设计电路最大的优势是没有约束、限制，可完全照自己的思路选择元器件搭建电路，通过仿真发现问题所在，修改参数、元件，不断地完善电路以达到最理想的结果，最后再完成电路的实体设计、制作。这在很大程度上节约了各项成本，而且不会因为材料的浪费、仪器的损坏给学生造成心理负担，挫伤他们设计电路的积极性。

4.结语

在“教”方面，虚拟实训使得课堂不再平淡、乏味，勾起学生的学习兴趣；“学”方面，搭建好的电路，可以无限制地设置元件参数、修改电路的搭接，而且大量地避免各种损失，使得学生放开胆子思考电路设计的各种方案、完善电路，从而达到最佳设计。

当代社会需要的是能够不断接受挑战的人才，对学生综合能力的要求持续升高，虚拟实训引发学生的学习兴趣、开发学生设计电路的发散性思维，并且在培养学生分析问题、解决问题的能力方面有不可估量的作用。

参考文献：

[1]余红娟.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]王琰.Multisim在《数字电子技术》实验教学中的应用[J].佳木斯教育学院学报，2013（2）.

[3]刘丹.基于 Multisim的高职“模拟电路”虚拟实验教学实例研究[J].职教通讯，2013（24）.