利用Multisim10軟件提高數(shù)字電路的教學(xué)質(zhì)量

張立萍，柴萬東

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

數(shù)字電路課程是電子技術(shù)、信息通信、自動(dòng)化控制和其他部分專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，其傳統(tǒng)的教學(xué)方法是首先進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)，目的是為了培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)字電子電路的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)過程中，分析問題、解決問題的能力，從而提高學(xué)生在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域的綜合設(shè)計(jì)能力.利用Multisim軟件分析和設(shè)計(jì)數(shù)字電路,可以方便的修改電路和元件參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,加快設(shè)計(jì)過程,節(jié)約設(shè)計(jì)費(fèi)用.通過教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)證明了利用Multisim軟件進(jìn)行數(shù)字電路教學(xué)，可以提高學(xué)生的綜合分析能力和解決問題的能力，從而提高了數(shù)字電路的教學(xué)質(zhì)量.

2 Multisim10軟件介紹

Muhisim10軟件是一種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（簡(jiǎn)稱EDA）軟件，專門用于電子電路的設(shè)計(jì)與仿真.Muhisim10軟件是以Windows為操作平臺(tái)，它不僅提供了電路原理圖輸入和硬件描述語(yǔ)言模型輸入的接口和比較全面的仿真分析功能，同時(shí)還提供了龐大的元器件模型庫(kù)和一整套虛擬儀表（包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器和波特圖繪圖儀等等），可以滿足一般的模擬/數(shù)字電路以及數(shù)字-模擬混合電路的分析與設(shè)計(jì).

Multisim10軟件的突出優(yōu)點(diǎn)是用戶界面友好、直觀，使用非常方便，只要是熟悉Windows的用戶，很容易掌握其用法；而且系統(tǒng)高度集成，元器件和測(cè)試儀器豐富，電路分析和仿真功能強(qiáng)大，可以完成各種模擬電路、數(shù)字電路以及模擬/數(shù)字混合電路的設(shè)計(jì)仿真.

3 Multisim10軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字電路的理論內(nèi)容包括：邏輯代數(shù)、門電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與整形電路、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等等.其中對(duì)組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)是數(shù)字電路課程的重要內(nèi)容.利用Multisim10軟件中豐富的元器件模型可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，再利用Multisim10軟件提供的各種虛擬儀器進(jìn)行電路仿真，直接將把理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，加深了對(duì)抽象的理論知識(shí)的理解，從而使課堂教學(xué)效果大大改善.

3.1 Multisim10軟件在組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

組合邏輯電路的特點(diǎn)是即刻輸入決定即刻輸出，電路中不包含記憶性元件.組合邏輯電路的分析過程包括：首先根據(jù)邏輯電路圖寫出輸出邏輯函數(shù)，在進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)和變換，最后列出真值表或說明其邏輯功能；而組合邏輯電路的設(shè)計(jì)過程則是：根據(jù)邏輯功能描述抽象出真值表，寫出輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式，再進(jìn)行化簡(jiǎn)、變換，最后畫出邏輯電路圖.在進(jìn)行包含集成器件的組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生覺得較難理解.而利用Multisim10軟件提供的虛擬儀表——邏輯轉(zhuǎn)換器，可以在邏輯函數(shù)的各種表示形式（如邏輯電路圖、真值表、邏輯表達(dá)式）之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，使得組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單.

比如，分析圖1所示電路的功能，要求列出邏輯真值表，并寫出電路的邏輯函數(shù)式.

圖1 電路圖

圖2 Multisim10構(gòu)建的電路圖

圖3 Multisim10的邏輯轉(zhuǎn)換器結(jié)果

現(xiàn)在利用Multisim10來實(shí)現(xiàn)，先啟動(dòng)Multisim10程序，出現(xiàn)用戶界面后首先需要建立圖1所示的邏輯電路圖.我們從CMOS集成電路器件庫(kù)中找出74HC151、74HC04、VDD和接地端的符號(hào)，將它們放在合適的位置連成與圖1完全相同的電路圖，如圖2所示，注意圖2中的G、A、B、C與圖1中的S、A0、A1、A2相對(duì)應(yīng).然后從用戶界面上的儀器欄中將“邏輯轉(zhuǎn)換器”擊出，將電路的輸入變量M、N、P、Q依次接到邏輯轉(zhuǎn)換器最左邊的四個(gè)輸入端ABCD，同時(shí)將電路的輸出端Z接到邏輯轉(zhuǎn)換器最右邊的一個(gè)輸出端，如圖2所顯示的那樣.雙擊邏輯轉(zhuǎn)換器圖標(biāo)，便彈出圖3所示窗口，點(diǎn)擊窗口右側(cè)上方第一個(gè)按鈕，邏輯表就出現(xiàn)在左側(cè)的表格中，再點(diǎn)擊右側(cè)上方的第三個(gè)按鈕，在窗口的底部出現(xiàn)化簡(jiǎn)后的邏輯表達(dá)式BD+ABD+BC，對(duì)應(yīng)圖1電路的輸出函數(shù)式為Z=NQ+MNQ+NP，至此完成題目要求，分析過程十分簡(jiǎn)便.

3.2 Multisim10在時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)是某一時(shí)刻的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，還與電路存儲(chǔ)的狀態(tài)有關(guān)，也就是電路中一定包含記憶性元件.時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)比組合邏輯電路更復(fù)雜，學(xué)生難以理解，尤其是對(duì)計(jì)數(shù)器的分析與設(shè)計(jì)更是如此.下面我們利用Multisim10軟件中的虛擬儀表——邏輯分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的電路仿真，觀察電路的輸入輸出波形圖，畫出電路的狀態(tài)裝換圖，直接了解電路的邏輯功能，明顯提高了課堂教學(xué)效果.

分析圖4所示計(jì)數(shù)器電路，畫出電路的時(shí)序圖，說明這是幾進(jìn)制計(jì)數(shù)器.

圖4 計(jì)數(shù)器電路圖

在Multisim10中選用TTL器件庫(kù)中的74LS160、反相器7404及與非門7420構(gòu)成圖4中的電路，并接入信號(hào)發(fā)生器XFG1和邏輯分析儀XLA1如圖5所示，圖5中QAQBQCQD的與圖4中的Q0Q1Q2Q3對(duì)應(yīng).利用Multisim10中的邏輯分析儀XLA1對(duì)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖和輸出信號(hào)波形進(jìn)行觀察，得到圖6，由此圖可以發(fā)現(xiàn)，每隔五個(gè)時(shí)鐘周期輸出信號(hào)波形就重復(fù)變化一次，并在7420的輸出端產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位脈沖，因此這是一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器.根據(jù)邏輯分析儀給出的輸出波形畫出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖7所示.

圖5 Multisim10構(gòu)建的計(jì)數(shù)器電路圖

圖6 用Multisim10的邏輯分析儀分析圖4電路的波形圖

圖7 計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

分析圖4的計(jì)數(shù)器電路發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)器采用了同步預(yù)置數(shù)的工作方式，當(dāng)計(jì)數(shù)器處于QDQCQBQA=0100狀態(tài)時(shí)，用7404和7420譯出LDc=0的信號(hào)，將計(jì)數(shù)器預(yù)置為Q3Q2Q1Q0=0000狀態(tài)，作為計(jì)數(shù)循環(huán)的起始值.進(jìn)一步分析可知這是一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器.

由此可見，通過Multisim10中的邏輯分析儀能夠得到直接的輸入、輸出信號(hào)波形，邏輯功能一目了然，相比于常規(guī)教學(xué)教學(xué)效果更好.

4 總結(jié)

在數(shù)字電路課堂教學(xué)中使用Multisim10軟件，一方面可以使理論課的教學(xué)更加生動(dòng)有趣，另一方面在課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示可以更好的吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.學(xué)生通過直接觀察實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，可以更加透徹的理解數(shù)字電路的工作過程，有助于提高學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力.

總之，利用Multisim10軟件對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行建模與仿真，不僅使學(xué)生明白了數(shù)字電路的功能，更清楚的掌握了數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法，既加深了對(duì)理論的理解，又對(duì)電路功能建立起動(dòng)態(tài)、形象、直觀的感性認(rèn)識(shí)；因此，在數(shù)字電路課堂教學(xué)中使用Multisim10軟件進(jìn)行電路建模、仿真、調(diào)試，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)得出最佳的電路設(shè)計(jì)方案，使教學(xué)過程更加直觀、明了，學(xué)生容易獲得明確的結(jié)果，提高了數(shù)字電路的質(zhì)量.

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