淺談仿真軟件Multisim及其在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

車沛強(qiáng)

摘要：數(shù)字電路課程是電子專業(yè)中的一門非常重要的基礎(chǔ)課程，在數(shù)字電路課程的教學(xué)中，不僅包含有數(shù)字電路的理論知識(shí)教學(xué)，同時(shí)還包括數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而隨著現(xiàn)在科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式也要與時(shí)俱進(jìn)，在充分結(jié)合科學(xué)技術(shù)手段的情況下更大程度地提升教學(xué)效果，在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，利用計(jì)算機(jī)軟件的模擬仿真功能和實(shí)踐操作相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，不僅大大提升了教學(xué)效果，降低了學(xué)習(xí)難度，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力。本文通過對(duì)計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim進(jìn)行概況分析，探討在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用和應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：仿真軟件Multisim 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0220-02

在電子專業(yè)數(shù)字電路課程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過理論知識(shí)教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的方法，在提升教學(xué)效果的同時(shí)也提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，而在傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，完全依靠的是純硬件實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種方法存在許多弊端，而現(xiàn)今在結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上，讓數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)變得更加靈活方便，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的綜合動(dòng)手能力，而且還激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，本文主要分析探討的是在數(shù)字電路中，計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用。

1 仿真軟件Multisim的概況

計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim是根據(jù)美國國家儀器公司電子線路仿真軟件EWB升級(jí)而來，其主要目的就是對(duì)電路進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，對(duì)電路功能進(jìn)行測試等，在計(jì)算機(jī)中，Multisim軟件不僅界面清晰，簡單直觀，而且操作起來也較為簡便，易學(xué)易用。仿真軟件Multisim將原理圖的創(chuàng)建，電路的測試分析以及結(jié)果顯示通過集成的方式統(tǒng)一顯示到一個(gè)電路窗口當(dāng)中，對(duì)數(shù)字電路和模數(shù)混合電路等進(jìn)行仿直模擬，而且在可視化界面上，其仿真出來的電路環(huán)境與真實(shí)情況一般無二，整個(gè)操作界面操作起來完全就像是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，非常具有可實(shí)操性，在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，深受廣大教師以及學(xué)生的喜愛[1]。

2 在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)首先要了解的是電路的工作原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路中的模塊電路以及每個(gè)模塊的具體功能都要有一個(gè)具體清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還要明確每個(gè)模塊之間的信號(hào)傳輸關(guān)系等，在對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施了解清楚之后，再結(jié)合相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)所需的電路元器件，通過仿真軟件Multisim對(duì)各個(gè)電路模塊的初步設(shè)計(jì)，最后在仿真模擬的過程中邊選擇邊測試，邊修改邊對(duì)比，不斷地分析判讀，直到實(shí)驗(yàn)出真正的數(shù)字電路，因此在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

2.1 繪制電路原理圖

本次數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)以在時(shí)鐘控制下實(shí)現(xiàn)八位并行數(shù)據(jù)輸入到串行數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換電路為例，這個(gè)數(shù)字電路主要有三個(gè)功能模塊，即LM555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖模塊，4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS163構(gòu)成的計(jì)數(shù)器模塊和數(shù)據(jù)選擇器74LS151構(gòu)成的并轉(zhuǎn)器電路模塊[2]，待這三個(gè)功能模塊分步設(shè)計(jì)完成后，這個(gè)轉(zhuǎn)換電路的原理圖就設(shè)計(jì)完成了，然后再結(jié)合仿真軟件Multisim中豐富的元器件資源快速的完成所需元器件的找尋工作，其次再將這些元器件進(jìn)行連接，對(duì)一些必要的元器件參數(shù)屬性等進(jìn)行相應(yīng)的修改，同時(shí)對(duì)元器件標(biāo)注出相對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，最后這個(gè)轉(zhuǎn)換電路的原理圖繪制工作也就完成了，如圖1所示，為繪制的此次實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換電路的原理圖。

2.2 電路的仿真分析

在上述的轉(zhuǎn)換電路實(shí)驗(yàn)中，通過仿真軟件Multisim可以提供出虛擬的儀器對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，在仿真分析中，主要用到的分析儀器包括示波器，邏輯分析儀，字信號(hào)發(fā)生器以及邏輯轉(zhuǎn)換器等，其仿真分析主要分為兩部分進(jìn)行：首先仿真分析的是第一個(gè)模塊，針對(duì)第一個(gè)功能模塊LM555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖模塊，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生加深對(duì)其的理解與學(xué)習(xí)，可以用仿真軟件Multisim提供的示波器來觀察555定時(shí)器外圍充放電的電容波形和輸出時(shí)的脈沖方波信號(hào)波形等，最后發(fā)現(xiàn)其充電時(shí)間要大于放電時(shí)間，其仿真波形與理論分析計(jì)算得出的結(jié)果保持一致；其次仿真分析的是第二個(gè)功能模塊和第三個(gè)功能模塊，針對(duì)這兩個(gè)模塊可用仿真軟件Multisim提供的邏輯分析儀進(jìn)行分析，主要觀測分析的是第二個(gè)模塊計(jì)數(shù)器的時(shí)序波形和第三個(gè)模塊數(shù)據(jù)選擇器輸出的波形，如圖2所示，為計(jì)數(shù)器時(shí)序波形的仿真圖，通過圖2可以看出，在脈沖作用下，計(jì)數(shù)器的低三位循環(huán)計(jì)數(shù)產(chǎn)生000到111這八種狀態(tài)，而假設(shè)計(jì)數(shù)初始的狀態(tài)為000時(shí)，那么數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端D0將被選通，而151的輸出將變成1，再來一次CP脈沖上升沿后，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)就變成了001，而這時(shí)數(shù)據(jù)輸入端D1將被選通，151的輸出就又變成了0，同理待第七個(gè)脈沖來之后，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)就變成了111，這時(shí)的就是D7被選通，同樣的151的輸出也變成了0，151的8位并行輸出數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的控制作用下，來一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿就送出一位數(shù)，相應(yīng)的8位并行輸入的數(shù)據(jù)也就一個(gè)一個(gè)地被串行輸入送出來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)能夠并行輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換[3]。

2.3 邏輯轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

邏輯轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在組合邏輯電路中，對(duì)于組合邏輯電路而言，其特點(diǎn)就是沒有存儲(chǔ)記憶功能，而其設(shè)計(jì)就需要根據(jù)邏輯命題，再列出邏輯真值表，寫出邏輯表達(dá)式，然后選擇所用器件，即可完成組合邏輯電路的設(shè)計(jì)工作，但是在輸入變量增多時(shí)，組合邏輯電路的設(shè)計(jì)工作就變得繁復(fù)多雜，經(jīng)常出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，在這時(shí)利用仿真軟件Multisim提供的邏輯轉(zhuǎn)換器就可以對(duì)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行簡化，提高電路的設(shè)計(jì)效率[4]。

仿真軟件Multisim提供的邏輯轉(zhuǎn)換器支持8輸入變量與單輸出的組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)，根據(jù)邏輯轉(zhuǎn)換器可以將組合邏輯電路中的真值表進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將真值表與邏輯表達(dá)式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將直值表與簡單表達(dá)式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將邏輯表達(dá)式與邏輯電路之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換以及將邏輯表達(dá)式與非門邏輯電路之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換等。

2.4 譯碼器的仿真應(yīng)用

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程中，譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有著極為廣泛的用途，其在代碼之間的轉(zhuǎn)換，終端的數(shù)字顯示，同數(shù)據(jù)分配，存儲(chǔ)器的尋址以及組合控制信號(hào)等都能起到非常重要的作用，在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，以仿真軟件Multisim提供的74LS138譯碼器為例，為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)地過程中更好的掌握譯碼器的外特征，如圖3所示，通過利用開關(guān)K1，K2和K3來模擬二進(jìn)制數(shù)，來對(duì)74LS138譯碼器的譯碼功能的仿真電路進(jìn)行驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，在輸出端接上小燈泡后，可以對(duì)二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過譯碼器后的輸出結(jié)果進(jìn)行直接觀測，從而使學(xué)生在這一過程中可以更好的理解與掌握譯碼器的邏輯功能[5]。

3 在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中利用仿真軟件Multisim的優(yōu)勢

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的純硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法一般都是事先查找大量的相關(guān)資料，對(duì)電路原理進(jìn)行硬性理解，然后再根據(jù)電路指標(biāo)要求對(duì)元器件的具體參數(shù)進(jìn)行估算，最后在紙上畫出大概的硬件電路圖，在實(shí)驗(yàn)時(shí)一般也是通過面包板或?qū)嶒?yàn)箱來搭建完成，然后在觀察分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，也是通過實(shí)驗(yàn)室有限的儀器儀表等來進(jìn)行，這樣的實(shí)驗(yàn)方式很難檢查出實(shí)驗(yàn)過程中的某項(xiàng)具體問題，比如所選用芯片是否合適，哪一根線路出現(xiàn)問題等，而一旦真的發(fā)現(xiàn)問題這整個(gè)電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也要推倒重來，耗時(shí)耗力不說而且還沒有起到應(yīng)有的教學(xué)效果，而利用計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim，學(xué)生只需要在對(duì)數(shù)字電路的基本原理了解清楚的情況下，利用仿真軟件Multisim直接選出實(shí)驗(yàn)所需的元器件，然后直接進(jìn)行電路搭建，在計(jì)算機(jī)操作界面直接進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)操作，而不用擔(dān)心芯片的選擇是否錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)消耗材料是否浪費(fèi)，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)是否不足以及元器件等是否出現(xiàn)老化等種種問題，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以通過界面直觀的顯示在學(xué)生面前，同時(shí)通過不斷反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在理解力得到增強(qiáng)的同時(shí)，實(shí)踐動(dòng)手操作能力也得到了提升，而且這種虛擬的實(shí)驗(yàn)空間也使得學(xué)生的自由創(chuàng)造能力得到了充分的發(fā)揮，最重要的是節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提升了數(shù)字電路的教學(xué)效果[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim進(jìn)行概況分析，探討在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的具體應(yīng)用，其具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，以在時(shí)鐘控制下實(shí)現(xiàn)八位并行數(shù)據(jù)輸入到串行數(shù)據(jù)輸出的轉(zhuǎn)換電路為例探討了仿真軟件Multisim的兩種應(yīng)用，即電路原理圖的繪制以及電路的仿真分析，其次還探討了仿真軟件Multisim的邏輯轉(zhuǎn)換器與譯碼器的具體應(yīng)用，最后還分析了在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中仿真軟件Multisim的應(yīng)用優(yōu)勢，希望本文的分析探討對(duì)我國電子專業(yè)中數(shù)字電路教學(xué)以及計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim的實(shí)際應(yīng)用能起到相應(yīng)的幫助作用。

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