王旭 朱建梅

摘要 本文通過對具體的數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了Multisim14.0軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)過程中的具體應(yīng)用。使用Multisim14.0軟件可以讓學(xué)生跳出對于數(shù)字電路理論推導(dǎo)和計(jì)算的束縛，將學(xué)習(xí)的重點(diǎn)放在對數(shù)字電路應(yīng)用的思考和創(chuàng)新上，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)激情，釋放數(shù)字電子技術(shù)的趣味性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電子技術(shù)Multisim14.0 虛擬儀器 電路分析與設(shè)計(jì)

1 引言

數(shù)字電子技術(shù)是電子技術(shù)基礎(chǔ)的重要組成部分，是電類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修內(nèi)容和后續(xù)專業(yè)知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，不論是老師的教、還是學(xué)生的學(xué)，都主要強(qiáng)調(diào)怎樣去理解原理、推導(dǎo)公式、分析計(jì)算，這種強(qiáng)調(diào)知識而忽略體驗(yàn)的教學(xué)過程，必然導(dǎo)致學(xué)生興趣不高、教學(xué)效果不佳的結(jié)果。Multisim 14.0是一款非常適合電子技術(shù)教學(xué)的EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化“Electronics DesignAutomation”的縮寫）工具軟件，可以方便的進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)與仿真分析，其自帶的元件庫涵蓋了絕大多數(shù)常用的電子元器件，在數(shù)字電路學(xué)習(xí)過程中克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)電路的局限性，極大拓展了實(shí)驗(yàn)電路的范圍，為理論水平不高但又喜歡電路的同學(xué)提供了另一條認(rèn)識電子電路的新途徑。實(shí)踐教學(xué)證明如果在具有多媒體教學(xué)環(huán)境的課堂教學(xué)中能夠適時(shí)引入Multisim，就可以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正讓學(xué)生在一堂課中就能做到“在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)、在理論中思考”，最終達(dá)到自我建構(gòu)知識的學(xué)習(xí)目的。

2 Multisim14. 0軟件介紹

Multisim14.0是美國國家儀器（NI）有限公司推出一款基于Windows操作系統(tǒng)平臺的EDA工具軟件，提供業(yè)界一流的SPICE仿真標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，可通過設(shè)計(jì)、原型開發(fā)、電子電路測試等實(shí)踐操作來提高學(xué)生的技能。其教學(xué)版是專為電路和電子技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)而開發(fā)，通過一個(gè)交互式、圖形化的學(xué)習(xí)環(huán)境將電路理論視覺化，避免學(xué)習(xí)過程中枯燥乏味的復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論知識，幫助學(xué)生鞏固對公式和方程式的理解。Multisim提供萬用表、信號發(fā)生器、邏輯分析儀等多種虛擬儀器和交互式的電路分析工具，能形象地展示電路行為，有利于學(xué)生理解電路知識和教師快速設(shè)計(jì)與課堂和課后作業(yè)主題相匹配的基礎(chǔ)電路。

3 Multisim14.0軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

在數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)過程中，組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)是教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)。教師需要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基本思想，訓(xùn)練學(xué)生掌握分析與設(shè)計(jì)階段需要用到的基本方法和工具，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新。利用Multisim軟件提供的虛擬儀器，可以大大降低學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路分析和設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)要求，輔助完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和推導(dǎo)，從而突出重點(diǎn)、化解難點(diǎn)。再利用其強(qiáng)大的電路仿真功能，搭建測試電路，仿真檢驗(yàn)分析和設(shè)計(jì)的正確性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3.1 Multisim14.0在組合邏輯電路分析中的應(yīng)用

組合邏輯電路在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為輸入和輸出之間不存在反饋通路、電路中沒有記憶元件;在功能上表現(xiàn)為任意時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。組合邏輯電路在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛，如編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器、全加器、半加器、加法器均為常見的組合邏輯電路。對于給定的組合邏輯電路，確定其邏輯功能的過程，就是對組合邏輯電路的分析，分析過程一般是：首先通過邏輯電路圖寫出其對應(yīng)的邏輯表達(dá)式，然后對所得的邏輯表達(dá)式進(jìn)行化簡得到最簡邏輯表達(dá)式，再根據(jù)最簡邏輯表達(dá)式列出邏輯真值表，最后通過對真值表的分析確定邏輯功能。與組合邏輯電路的分析相反，對于給定的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)其邏輯電路的過程，就是對組合邏輯電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程一般是：首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定輸入和輸出變量，并對邏輯變量進(jìn)行邏輯賦值，然后根據(jù)邏輯功能列出邏輯真值表，再根據(jù)邏輯真值表寫出邏輯表達(dá)式，之后根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行邏輯表達(dá)式的化簡或變換，最后將化簡或變換后的邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)換成邏輯電路圖。顯而易見，不論是組合邏輯電路的設(shè)計(jì)還是分析，其實(shí)質(zhì)都是同一邏輯關(guān)系的不同表示形式之間的轉(zhuǎn)換。對于學(xué)生來講，要正確完成對組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)最頭疼的就是轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)學(xué)式子，這正是使學(xué)生學(xué)習(xí)組合邏輯電路興趣不高的癥結(jié)所在，而Multisim14.0軟件提供了一種可以在邏輯關(guān)系各種表示形式（如邏輯電路圖、真值表、邏輯表達(dá)式）之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的虛擬儀器一一邏輯轉(zhuǎn)換器，使得組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)變得十分簡便，實(shí)現(xiàn)了將學(xué)習(xí)的重點(diǎn)放在電路上而不是數(shù)學(xué)上，從而達(dá)到釋放學(xué)生的學(xué)習(xí)激情、提高學(xué)習(xí)效率的目的。

下面以分析圖1所示電路圖的邏輯功能為例，介紹Multisim14.0軟件中組合邏輯電路分析的具體實(shí)現(xiàn)。

啟動(dòng)Multisim14.0，在原理圖中繪制圖2所示電路圖，圖中74LS138D 3線-8線集成譯碼器、74LS20N四輸入與非門和圖1電路圖中相應(yīng)元件對應(yīng)，邏輯轉(zhuǎn)換器XLC1左側(cè)輸入端A、B、C和右側(cè)輸出端H通過輸入輸出網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號A、B、C、F接入邏輯電路。

雙擊邏輯轉(zhuǎn)換器XLC1，彈出圖3邏輯轉(zhuǎn)換器對話框，其界面主要由三部分組成。左側(cè)為真值表輸入表、顯示欄，可以最多有8個(gè)輸入變量A-G、1個(gè)輸出變量H。右側(cè)為轉(zhuǎn)換按鈕，從上至下依次為：電路圖轉(zhuǎn)真值表、真值表轉(zhuǎn)換為邏輯表達(dá)式、真值表轉(zhuǎn)換為最簡邏輯表達(dá)式、表達(dá)式轉(zhuǎn)換為真值表、表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與、或、非門組成的電路、表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與非門電路。最下方為表達(dá)式輸入、輸出框。如圖3所示。

單擊右側(cè)“電路圖轉(zhuǎn)真值表”按鈕，左側(cè)顯示欄將會(huì)顯示該電路的邏輯真值表，若要得到其最簡邏輯表達(dá)式，可單擊“真值表轉(zhuǎn)換為最簡邏輯表達(dá)式”按鈕，最簡表達(dá)式將會(huì)出現(xiàn)在下方文本框內(nèi)，如圖4所示。通過對真值表的分析可知圖1所示電路是一個(gè)具有三人表決功能的邏輯電路，至此邏輯電路分析完成，整個(gè)分析過程簡潔明了。

分析完成后，在Multisim中搭建如圖5測試電路，可以得到的結(jié)論是電路仿真結(jié)果和前面分析結(jié)果是一致的，此處不再具體說明。

3.2 Multisim14.0在組合邏輯電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

邏輯轉(zhuǎn)換器不但可以方便的完成組合邏輯電路的分析，也可以輔助完成組合邏輯電路的設(shè)計(jì)。在電路圖中添加邏輯轉(zhuǎn)換器，雙擊打開邏輯轉(zhuǎn)換器對話框，對話框左側(cè)“真值表輸入表”顯示為三列，最左側(cè)為序號列，中間為輸入組合列，右側(cè)為輸出結(jié)果列，其中序號列、輸入列的取值會(huì)根據(jù)單擊字母上方的圓圈選擇輸入變量的不同自動(dòng)生成，輸出結(jié)果列則有四種符號顯示，默認(rèn)為“？”號，可以通過單擊顯示符號實(shí)現(xiàn)在“0、1、×、？”之間的轉(zhuǎn)換，從而完成真值表的輸入，然后單擊“真值表轉(zhuǎn)換為邏輯表達(dá)式按鈕”或“真值表轉(zhuǎn)換為最簡邏輯表達(dá)式”將真值表轉(zhuǎn)換成邏輯表達(dá)式，單擊“表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與、或、非門組成的電路”或“表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與非門電路”將表達(dá)式轉(zhuǎn)換成邏輯電路圖，將得到的電路圖放置到電路原理圖中，最后搭建測試電路驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，從而完成組合邏輯電路的設(shè)計(jì)任務(wù)。

4 總結(jié)

教師在實(shí)際的教學(xué)過程中，針對不同層次的學(xué)生，可以通過不同的途徑使用Multisim輔助完成對組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)。對于學(xué)習(xí)水平較高的學(xué)生，可以先進(jìn)行理論推導(dǎo)，然后再在Multisim中使用邏輯轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)，驗(yàn)證理論推導(dǎo)結(jié)論是否正確，最后通過搭建測試電路進(jìn)行電路的仿真進(jìn)一步提升學(xué)生對電路的實(shí)際應(yīng)用能力;對于學(xué)習(xí)水平較弱的學(xué)生，可以先在教師的輔導(dǎo)下，在Multisim中使用邏輯轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電路的邏輯功能分析、設(shè)計(jì)，然后搭建測試電路進(jìn)行電路仿真，讓學(xué)生對電路的邏輯控制功能有一個(gè)感性的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，最后通過一步步地邏輯抽象完成對該電路的理論分析和設(shè)計(jì)，最終達(dá)到逐步培養(yǎng)學(xué)生理論分析的能力。

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