Multisim在“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計中的應(yīng)用

呂念芝

（福州理工學(xué)院工學(xué)院，福建福州350001）

0 引言

目前我校電子類專業(yè)在“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計環(huán)節(jié)中存在如下問題［1］：

（1）課堂理論教學(xué)只是對一些脫離實際的電路模型進(jìn)行各種分析方法的傳授，學(xué)生對實際電路設(shè)計掌握并不扎實。

（2）開設(shè)的專周課程設(shè)計實訓(xùn)所需的耗材購買數(shù)量有限，不能做到讓每個學(xué)生都少受限制地更換元器件。

（3）在之前課程安排的配套實驗課上，因為實驗儀器數(shù)量有限，不能做到讓每個學(xué)生獨立操作，實驗過程被動參與，實際效果很不理想，動手能力得不到提高。

針對以上問題，如果學(xué)生在課程設(shè)計中仍然采用傳統(tǒng)的課程設(shè)計方式，就會出現(xiàn)課程設(shè)計環(huán)節(jié)周期長、耗時費力的現(xiàn)象。若在課程設(shè)計的環(huán)節(jié)中引入電路仿真軟件，通過計算機(jī)強(qiáng)大的輔助設(shè)計和計算能力，學(xué)生可以方便地繪制電路原理圖、更改元器件參數(shù)并模擬和測試電路功能。電路功能測試成功后再進(jìn)行電路板制作，這樣既提高了電路設(shè)計的效率和準(zhǔn)確率，又降低了元器件材料的損耗，有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、計算機(jī)應(yīng)用能力和實際動手能力。

Multisim仿真是美國公司推出一款專用于電子線路仿真的軟件。它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真以及外圍電路等部分組成的仿真系統(tǒng)，其自身具有豐富的元件庫，元件庫能提供各種類型的元器件。Multisim還提供了眾多的虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、電壓表、電流表等，它們功能與實際儀器儀表功能相同，可以方便地進(jìn)行電路的仿真測試和分析。

本文以數(shù)字電子鐘的設(shè)計為例，詳細(xì)闡述Multisim 在“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計中的應(yīng)用［2～3］。

1 數(shù)字電子鐘的設(shè)計與仿真

1．1 設(shè)計任務(wù)

數(shù)字電子鐘基本要求如下：

（1）時間以24小時為計時周期并顯示時、分、秒；

（2）具有12／24小時計時周期的切換功能；

（3）具有整點報時功能，整點前10秒蜂鳴報時。

（4）具有對“時”及“分”進(jìn)行單獨校時功能；

1．2 設(shè)計步驟

（1）明確設(shè)計的目標(biāo)——功能和指標(biāo)。

（2）系統(tǒng)層設(shè)計——系統(tǒng)原理框圖。

（3）功能模塊（電路）設(shè)計——論證、仿真驗證可行性。

（4）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)——解決存在問題，實現(xiàn)功能要求（仿真）。

（5）確定整機(jī)電路圖，給出元器件清單，繪制、制作PCB。

（6）安裝調(diào)試、測試，驗證是否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)要求。

（7）撰寫設(shè)計報告。

2 主要功能電路設(shè)計

2．1 秒、分計時電路和12／24切換電路

計時電路是整個電路設(shè)計的核心部分，它的正確與否關(guān)系到后面能否正常顯示及其他電路的正常運行。

秒計數(shù)電路和分計數(shù)電路都是采用置零法進(jìn)行的60進(jìn)制的計數(shù)操作，電路上除了計數(shù)脈沖有差別之外，其余電路結(jié)構(gòu)和器件都基本一樣。以秒計數(shù)電路為例，秒計數(shù)電路如圖1所示。

圖1 秒計數(shù)仿真電路

除了計數(shù)信號不同（秒計數(shù)電路的計數(shù)脈沖是IO_s，分計數(shù)電路的計數(shù)脈沖是IO_m）。在采用置零法時，因為是在59秒時給LOAD低電平信號，在個位的十進(jìn)制中，數(shù)字從0變化到9時有競爭冒險。同樣，在十位的十進(jìn)制中，數(shù)字從0變化到5時也存在競爭冒險。為了解決這個問題，在不改變原來的邏輯關(guān)系的情況下，加入兩個非門延長一定的時間。

小時計數(shù)電路同樣也是采用的置零法設(shè)計的，但是因為采用的是12進(jìn)制和24進(jìn)制，又要實現(xiàn)兩種進(jìn)制的切換，電路結(jié)構(gòu)與秒計數(shù)和分計數(shù)電路不同，具體電路如圖2所示。在此電路中，在計數(shù)過程中各位二進(jìn)制數(shù)沒有出現(xiàn)同時變化的現(xiàn)象，不需要考慮競爭冒險。開關(guān)S1實現(xiàn)12和24進(jìn)制的切換，在仿真電路中采用普通單刀雙擲開關(guān)。

圖2 小時計算仿真電路

2．2 校時電路

這部分電路主要完成對小時和分鐘數(shù)據(jù)的快速調(diào)整。本文設(shè)計的電路能實現(xiàn)對小時、分鐘的單獨調(diào)整。調(diào)整功能由三個開關(guān)控制，分別是S2、S3、S4。仿真電路中利用開關(guān)構(gòu)成RS觸發(fā)器實現(xiàn)去抖動功能［1］。開關(guān)S2、S3實現(xiàn)單獨校對小時數(shù)和校對分鐘數(shù)。開關(guān)S4控制正常計數(shù)。當(dāng)需要校時時開關(guān)向下閉合：開關(guān)S2往上閉合，同時開關(guān)S4往下閉合時實現(xiàn)對小時的單獨調(diào)整。同理開關(guān)S3往上閉合，同時開關(guān)S4往下閉合時實現(xiàn)對分鐘的單獨調(diào)整。開關(guān)S4控制計數(shù)狀態(tài)，往上閉合時正常計時。校時電路如圖3所示。

圖3 分和時單獨校時的仿真電路

2．3 主要功能電路仿真結(jié)果

主要電路連接正確后，用信號發(fā)生器輸出秒脈沖，作為計時電路的輸入，計數(shù)結(jié)果經(jīng)過譯碼電路后連接到共陰數(shù)碼管。點擊仿真運行后的結(jié)果如圖4、5（a）（b）所示。

2．4 總體功能設(shè)計及仿真

在Multisim12平臺中整體電路設(shè)計采用層次化設(shè)計［4～5］，主要電路功能包括：秒脈沖輸出，時、分、秒計時和譯碼顯示，整點報時，時和分校正。電路整體框圖如圖6所示。圖中包括各個底層文件的模塊示意圖，體現(xiàn)了底層模塊的輸入和輸出接口，用導(dǎo)線和總線按照信號的連接關(guān)系連接，數(shù)字鐘的仿真電路就完成了。

圖4 60進(jìn)制的計數(shù)結(jié)果經(jīng)過譯碼后的仿真結(jié)果

圖5 12／24進(jìn)制的計數(shù)結(jié)果經(jīng)過譯碼后的仿真結(jié)果

圖6 數(shù)字鐘整體功能頂層文件仿真圖

2．5 整體電路仿真結(jié)果

整體電路設(shè)計完成后，點擊“運行”，進(jìn)行仿真測試。為了加速仿真運行結(jié)果，在校時電路中通過對校時開關(guān)S2、S3的控制，結(jié)果顯示：基本完成數(shù)字鐘的設(shè)計功能。在Multisim12平臺的運行結(jié)果如圖7所示。圖7中展示了12進(jìn)制和24進(jìn)制兩種運行結(jié)果［6］。

3 結(jié)語

“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計是繼“數(shù)字電子技術(shù)”課程之后的一門重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，把Multisim仿真軟件運用到課程設(shè)計環(huán)節(jié)中，可以使學(xué)生靈活自主的設(shè)計電路，不用擔(dān)心元器件和儀器的損壞，不用受到時間和場地的限制，而且在仿真平臺中隨意的更換元件器參數(shù)調(diào)整電路，直到達(dá)到預(yù)期設(shè)計功能。

圖7 數(shù)字鐘仿真運行結(jié)果

在課程設(shè)計中引入Multisim仿真軟件，還可以激發(fā)學(xué)生積極、主動地參與教學(xué)過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高他們的創(chuàng)造能力，可以大幅度提高教學(xué)質(zhì)量［7］。