吳 彤

(常州大學(xué)微電子與控制工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)課程是電子信息科學(xué)與電氣信息類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程基本性質(zhì)即為電子技術(shù)方面入門(mén)的技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)任務(wù)在于使學(xué)生能夠獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的相關(guān)理論、技能，為今后在其他專業(yè)課中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。作為本課程實(shí)踐教學(xué)依托的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目的則在于使學(xué)生熟練掌握數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于枯燥的教學(xué)內(nèi)容無(wú)法提起學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果有待提升,因此為結(jié)合當(dāng)今數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)改革要求，將Multisim軟件仿真教學(xué)引進(jìn)實(shí)驗(yàn)課堂。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引進(jìn)，不僅能夠?qū)⒃境橄蟮闹R(shí)變得形象，更能完成在實(shí)操實(shí)驗(yàn)教學(xué)中沒(méi)有實(shí)驗(yàn)條件的新型元器件的使用及電路設(shè)計(jì)，而不僅僅是書(shū)本上的理論堆砌。由數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)課程仿真實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)，使學(xué)生愿意更深入地去了解、學(xué)習(xí)本專業(yè)其他相關(guān)軟件，提升學(xué)生實(shí)踐能力。

1 Multisim軟件簡(jiǎn)介

最初的Multisim軟件是加拿大Interactive Image Technologies Ltd(簡(jiǎn)稱IIT公司)推出的EWB5.0的升級(jí)版本，第一代Multisim軟件是2001年該公司的EWB6.0軟件更名而來(lái)，2005年IIT公司并入美國(guó)國(guó)家儀器有限公司NI后，相繼推出Multisim軟件的更新版本。

Multisim軟件在不斷地更新過(guò)程中，延續(xù)了EWB軟件的直觀界面、操作方便、簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在軟件的功能上做到了創(chuàng)新性的升級(jí)改動(dòng)。當(dāng)前的Multisim軟件已能夠更加有效靈活地完成電子電路設(shè)計(jì)、虛擬仿真的工作需求，使操作者可更加方便地完成真實(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的比較，避免設(shè)計(jì)上的反復(fù)。

在數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，Multisim軟件使得實(shí)驗(yàn)電路的繪制、驗(yàn)證過(guò)程得以簡(jiǎn)化。軟件界面具有操作簡(jiǎn)便、易于使用的特點(diǎn)，基本操作界面包括：菜單欄、工具欄、仿真開(kāi)關(guān)、虛擬儀器欄、電路仿真工作區(qū)等，該界面即相當(dāng)于一個(gè)小型的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)內(nèi)囊括了數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的常用器件庫(kù)：基本元件庫(kù)(電容、電阻、開(kāi)關(guān)等基本元件)、晶體管庫(kù)、TTL元件庫(kù)、CMOS元件庫(kù)、微控制器元件庫(kù)等。在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)用該軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字邏輯電路的仿真實(shí)驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求。

2 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)

1) 時(shí)間和空間的靈活性

一般高校的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室條件有限，實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱的數(shù)量?jī)H能滿足幾人一組共同使用操作，而在這個(gè)過(guò)程中，定會(huì)導(dǎo)致某些學(xué)生處于觀察同組學(xué)生進(jìn)行實(shí)操而自己直接獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的狀態(tài)，這使得數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能達(dá)到原有設(shè)想的效果，部分學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力得不到鍛煉；并且實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間有限，部分實(shí)驗(yàn)室未做開(kāi)放式管理，學(xué)生無(wú)法在課外其他時(shí)間完成相關(guān)擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。而Multisim軟件則打破了傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)于時(shí)間、空間上的限制，使學(xué)生能夠隨時(shí)隨地完成實(shí)驗(yàn)的仿真設(shè)計(jì)，且由于數(shù)字電子技術(shù)的特殊性，其仿真結(jié)果一般與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作得到的結(jié)果幾乎相同，有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，對(duì)于課外擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的仿真實(shí)現(xiàn)，則有效地培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)造力。

2) 器件和儀器選擇的靈活性

在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)操實(shí)驗(yàn)中，由于課時(shí)及實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)限制，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H能選擇課堂內(nèi)容中小部分電路及器件進(jìn)行實(shí)操。例如某些芯片采購(gòu)困難，某些儀器實(shí)驗(yàn)室未大量采購(gòu)等因素，令學(xué)生無(wú)法完成某些驗(yàn)證性或設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。而Multisim軟件強(qiáng)大的元器件庫(kù)、豐富的虛擬儀表等，則滿足了學(xué)生對(duì)于課程中或課程以外遇到的相關(guān)元器件的使用需求。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，能快速地在軟件的元器件組中搜索到相關(guān)器件，虛擬儀器欄中也提供了多樣的儀器儀表，例如：函數(shù)發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀等。因此Multisim軟件能夠令學(xué)生了解使用在實(shí)操實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有條件完成的實(shí)驗(yàn)仿真，達(dá)到擴(kuò)展學(xué)習(xí)內(nèi)容的目的。

3) 交互界面的靈活性

在使用Multisim軟件進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)，首先最為學(xué)生關(guān)注的便是軟件的操作、學(xué)習(xí)、使用。一般數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)都是安排在大學(xué)二年級(jí)，大部分大二學(xué)生未接觸過(guò)某些專業(yè)性軟件學(xué)習(xí)，那么軟件的交互界面使用是否便捷，便是學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的首要條件。Multisim軟件界面是以Windows應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的界面風(fēng)格，采用菜單、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，令使用者能夠根據(jù)自有的Windows應(yīng)用軟件使用基礎(chǔ)為依托，完成該軟件的使用學(xué)習(xí)，元器件的放置、電路的連接都極為簡(jiǎn)單便捷，并且在電路原理圖創(chuàng)建完成后，仿真結(jié)果同時(shí)在一個(gè)窗口界面顯示出來(lái)；在學(xué)生熟悉了軟件的界面操作后，可更加熟練地完成實(shí)驗(yàn)電路的搭建與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.2 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中的缺點(diǎn)

1) 學(xué)生實(shí)操的局限性

雖然Multisim軟件能夠滿足學(xué)生個(gè)體的仿真實(shí)驗(yàn)分析實(shí)現(xiàn)，但這并不能代替學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中那種親自動(dòng)手連線的操作，由于實(shí)操中會(huì)遇到某些電路連接的相關(guān)問(wèn)題，如接線接觸不良、芯片未接電、電源線連接錯(cuò)等操作而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法實(shí)現(xiàn)、甚至燒毀芯片的情況，這些不可控因素能夠促使學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中自覺(jué)檢查電路多次后再通電操作，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在Multisim軟件的虛擬仿真中，僅僅需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行電路修改，弱化了學(xué)生的動(dòng)手能力和電路故障排除能力。

2) 選擇器件的局限性

Multisim軟件強(qiáng)大的元器件庫(kù)雖能實(shí)現(xiàn)某些因?qū)嶒?yàn)室條件有限而不能完成的電路搭建，但虛擬的元器件與現(xiàn)實(shí)的元器件還是存在差距，雖然功能相同，但某些芯片的引腳與仿真軟件中的器件引腳不符，某些器件都是簡(jiǎn)化后的狀態(tài)，僅用于實(shí)現(xiàn)功能即可。這使得學(xué)生不能對(duì)某些實(shí)際中使用的如可變電阻、電容、集成芯片有較高的辨認(rèn)能力，與實(shí)操實(shí)驗(yàn)存在差距。

3) 儀表測(cè)試的局限性

豐富的虛擬儀表是Multisim軟件的一大優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際使用中，僅是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的TTL與非門(mén)的參數(shù)測(cè)試中即可發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)操中得到的輸出電壓數(shù)據(jù)與Multisim軟件仿真得到的輸出電壓數(shù)據(jù)存在著很大差別，究其原因，則是虛擬儀器儀表都是在理想狀態(tài)下的精確測(cè)量，而實(shí)際的測(cè)量?jī)x器儀表則是有內(nèi)阻，有誤差存在的，因此某些時(shí)候，虛擬儀表不能完全替代實(shí)操中的測(cè)量?jī)x表。

3 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用

接下來(lái)我們將借助虛擬仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)《數(shù)字電子技術(shù)》這門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。以使用JK觸發(fā)器和門(mén)電路設(shè)計(jì)一個(gè)同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，利用Multisim軟件進(jìn)行虛擬仿真。

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器有七個(gè)不同狀態(tài)，分別為S0=000，S1=001，S2=010，S3=011，S4=100，S5=101，S6=110，其中S=111狀態(tài)為無(wú)效態(tài)。

列出七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示，其中Qn為現(xiàn)態(tài)Qn+1為次態(tài)。

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

由狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可推出七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的次態(tài)卡諾圖，根據(jù)次態(tài)卡諾圖和課程中學(xué)到的JK觸發(fā)器的特性方程則可得到各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)卡諾圖如圖1所示。

圖1 各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)卡諾圖

由圖1的各觸發(fā)器的卡諾圖，得到各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程如下：

(1)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方程(1)，繪制出同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路圖如圖2所示。

圖2 同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯電路圖

3.2 同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的Multisim仿真

在Multisim中進(jìn)行電路仿真時(shí)，選擇使用兩片雙JK觸發(fā)器74LS112、一片四組2輸入端與非門(mén)74LS00和一片四組2輸入端與門(mén)74LS08構(gòu)成同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖3 仿真電路接線圖

2)將連接好的電路輸出端接邏輯分析儀XLA1進(jìn)行輸出波形觀察，邏輯分析儀在軟件右側(cè)儀器工具欄中點(diǎn)擊拖入使用，雙擊XLA1打開(kāi)分析儀波形顯示窗口，邏輯分析儀波形圖如圖4所示，時(shí)鐘/格設(shè)為7，可以觀察得知，每7次脈沖完成一個(gè)計(jì)數(shù)周期。

圖4 電路仿真測(cè)試波形圖

3) 采用虛擬元件DCD_HEX進(jìn)行計(jì)數(shù)器輸出狀態(tài)顯示，具體接線如圖3所示，時(shí)鐘源默認(rèn)為1kHz，在邏輯分析儀中觀察波形時(shí)，波形能夠良好顯示，但觀察到輸出波形及數(shù)碼管DCD_HEX的數(shù)字變換過(guò)快，不利于肉眼觀察，因此可以將脈沖頻率改為100 Hz，運(yùn)行仿真，數(shù)碼管由0～6循環(huán)顯示數(shù)字，實(shí)現(xiàn)了同步七進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)功能。

3.3 思考

仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)數(shù)碼管和LED電平顯示，將七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯功能更加直觀地顯現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)電路設(shè)計(jì)思路，學(xué)生能夠進(jìn)行更多的修改設(shè)計(jì)，完成不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)。在仿真實(shí)驗(yàn)完成后，將更好地為學(xué)生提供在實(shí)操中的理論思路，一方面能夠使學(xué)生在實(shí)操實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解芯片及元器件的相關(guān)接線要求，減少操作不當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生，另一方面，在完成實(shí)操實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可將兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，則會(huì)發(fā)現(xiàn)前文所說(shuō)的，虛擬儀器的測(cè)試結(jié)果局限性。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字電子技術(shù)作為電子信息科學(xué)與電氣信息類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其理論相較強(qiáng)，某些課程內(nèi)容較為抽象、晦澀難懂。在教學(xué)過(guò)程中，極易令學(xué)生理解困難，產(chǎn)生困惑，而通過(guò)引入Multisim軟件實(shí)驗(yàn)仿真與實(shí)操實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，能夠令學(xué)生加深對(duì)相關(guān)元器件和儀表的使用方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生創(chuàng)新能力，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。