摘要：學(xué)生應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱做數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目接線復(fù)雜，故障難查找，完成一次實(shí)驗(yàn)耗時耗力。文章分析了Multisim仿真軟件應(yīng)用特點(diǎn)，列舉了將Multisim軟件應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，學(xué)生們能將專業(yè)理論知識與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合，提高了課程學(xué)習(xí)興趣與專業(yè)技能水平。

關(guān)鍵詞：Multisim;電路;實(shí)驗(yàn);仿真

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0045-03

數(shù)字電子技術(shù)是高職學(xué)院廣播電視技術(shù)、電子信息工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)等理工科專業(yè)開設(shè)的必修科目。科目中涉及的電路實(shí)驗(yàn)應(yīng)用芯片做驗(yàn)證和創(chuàng)新，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)接線比較復(fù)雜，容易出錯，查找起來費(fèi)時費(fèi)力，關(guān)鍵是課堂上有限的時間達(dá)不到驗(yàn)證成功的目的。對于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用芯片搭建，更有此類同樣問題。學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)因?yàn)樵O(shè)計(jì)線路出錯或者線路接線接觸不良無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期，使得學(xué)生對創(chuàng)新喪失信心。

隨著時代進(jìn)步，科技發(fā)展，計(jì)算機(jī)設(shè)備日新月異發(fā)展與更新，虛擬電子實(shí)驗(yàn)也迅速發(fā)展，因此有了虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用需求。各高校電子電路教師鼓勵學(xué)生應(yīng)用Multisim軟件仿真電子電路實(shí)驗(yàn)，這不僅能夠驗(yàn)證和鞏固理論知識，而且還可以使學(xué)生跟上時代發(fā)展步伐，鍛煉了學(xué)生的動手實(shí)踐能力和思維創(chuàng)新能力，為后期學(xué)生設(shè)計(jì)電路項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 Multisim的特點(diǎn)

Multisim是美國國家儀器公司（NI） 推出的一款電子電路仿真軟件[1]。在當(dāng)前計(jì)算機(jī)設(shè)備上安裝Multisim軟件實(shí)現(xiàn)電路的虛擬分析、測試與仿真。所以該軟件也稱為“計(jì)算機(jī)里的電子實(shí)驗(yàn)室”，其主要特點(diǎn)如下：

1）? 直觀的圖形界面。安裝Multisim軟件在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，直觀的操作界面展現(xiàn)在眼前，界面就像真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的電路工作臺，直觀、快捷。

2） 具有豐富的元件及測試工具。Multisim提供了豐富的元件庫，主要包括基本元件庫、模擬元件庫、電源庫及集成電路庫，可以隨時調(diào)用。并且用戶可以根據(jù)要求通過元件編輯器建立我的元件庫。另外價(jià)格昂貴的高檔測試儀，軟件也自帶，較為全面，比如網(wǎng)絡(luò)分析系、頻譜分析儀等這些虛擬儀器在應(yīng)用實(shí)踐中真實(shí)可靠。

3） 強(qiáng)大的電路分析功能和電路設(shè)計(jì)功能。軟件提供了較為詳細(xì)的電路分析方法完成簡單電路及復(fù)雜電路的參數(shù)分析，比如共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、時域分析、頻域分析及傅里葉分析。這些分析方法幫助實(shí)驗(yàn)的學(xué)生分析電路性能，為他們實(shí)踐提高了作業(yè)效率，從而更完美實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路。對于復(fù)雜一些的電路在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)臺模擬接線，由于線路太多，看不清線，更不用說排查故障了，費(fèi)時費(fèi)力。Multisim提供一種自頂而下的模塊電路設(shè)計(jì)方法，只要確定系統(tǒng)模塊，分級設(shè)計(jì)，模塊級連，思路清晰，大大提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效率。

4） 超級仿真能力及軟件兼容能力[2]。電路設(shè)計(jì)好，軟件不但能對簡單電路仿真而且對大規(guī)模復(fù)雜電路也能仿真測試，對于創(chuàng)建的電路還可以模塊合用，完成印刷電路板的自動化設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大。另外Multisim設(shè)計(jì)的文件在Protel類似軟件中也可以完美應(yīng)用，對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)電路，可以應(yīng)用到Protel中設(shè)計(jì)出多層高性能的電路板，將理論設(shè)計(jì)電路轉(zhuǎn)化為實(shí)際的電子產(chǎn)品，軟件兼容性高。

2 數(shù)字電子計(jì)數(shù)器應(yīng)用Multisim軟件仿真實(shí)驗(yàn)可行性分析

在數(shù)字電路電子計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)中，主要應(yīng)用芯片有74LS290、74LS48、74LS20、74LS05、七段碼顯示、信號源及電源[3]。對于十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器在實(shí)驗(yàn)臺接線，此時線路不是很多，但對于有小時、分鐘、秒鐘這樣的大型電子計(jì)數(shù)器來說完成起來非常困難。即使同學(xué)們用圖紙畫出電路圖，模擬仿真過程中，線路總會出現(xiàn)故障，比如線路接線人為操作錯誤，線路接觸不良、線路損壞、芯片接觸問題及損壞等一系列問題，更不要說驗(yàn)證學(xué)生們設(shè)計(jì)電路的準(zhǔn)確性了。而且實(shí)驗(yàn)中問題檢查與測試耗時耗力，有的學(xué)生一次課完不成實(shí)驗(yàn)，下次課重來，失去信心，不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，難以達(dá)到最佳教學(xué)目的。

Multisim軟件有豐富的元件庫，高效仿真測試功能，虛擬一個與現(xiàn)實(shí)相仿的環(huán)境[4]。同學(xué)們一邊設(shè)計(jì)一邊實(shí)驗(yàn)，把電子計(jì)數(shù)器看成一個電子系統(tǒng)，分模塊分別設(shè)計(jì)，模塊級聯(lián)完成實(shí)驗(yàn)功能。設(shè)計(jì)過程中只要連線正確，不存在線路接觸不良及芯片損壞等情況，克服了這兩個因素對設(shè)計(jì)的影響，同時也克服實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)測量儀器不全的矛盾，加強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐操作能力。對于模塊電路入手設(shè)計(jì)，根據(jù)軟件分析電路參數(shù)，再分析修改電路與元件參數(shù)，實(shí)驗(yàn)成功之后可以直接打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測試參數(shù)等。為電路操作臺實(shí)驗(yàn)過程中提供了可靠的方向指導(dǎo)，便于實(shí)驗(yàn)成功。從而學(xué)生們實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，樂于參與，主動思考電路故障原因，解決問題，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3 Multisim軟件在六十進(jìn)制數(shù)字電子計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)的仿真

3.1 電子計(jì)數(shù)器工作原理及選擇芯片

1） 計(jì)數(shù)器定義及分類

計(jì)數(shù)器是應(yīng)用廣泛的時序邏輯電路，它不僅可以用來對脈沖計(jì)數(shù)，而且還常用于數(shù)字系統(tǒng)的定時、延時、分頻及構(gòu)成節(jié)拍脈沖發(fā)生器等。按計(jì)數(shù)脈沖的引入方式可分為異步型計(jì)數(shù)器和同步型計(jì)數(shù)器兩類。異步計(jì)數(shù)器是指計(jì)數(shù)脈沖沒有加到所有觸發(fā)器的CP端，只作用于某些觸發(fā)器的CP端，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖到來時，各個觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時刻不同，所以分析異步計(jì)數(shù)器要特別注意各個觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的有效時鐘條件。同步計(jì)數(shù)器是將輸入計(jì)數(shù)脈沖同時加到所有觸發(fā)器的CP輸入端，使得觸發(fā)器在計(jì)數(shù)脈沖到來時同步翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。

2） 六十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器工作原理

大型數(shù)字電子計(jì)數(shù)器以六十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器為基礎(chǔ)，六十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器若仿真成功，其他電子計(jì)數(shù)器仿真方法可以套用。六十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)選用74LS290芯片，此芯片為二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，引腳如圖1，芯片內(nèi)部有四個觸發(fā)器，第一個觸發(fā)器有獨(dú)立的時鐘輸入端CP0和輸出端QA，構(gòu)成二進(jìn)制計(jì)數(shù)，其余三個觸發(fā)器以五進(jìn)制方式相連，其時鐘輸入為CP1，輸出端為QB、QC、QD。通過設(shè)置連接可以完成：

①置9功能，當(dāng)異步置9端R91和R92均為高電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，就可以完成置9功能。

②清零功能，當(dāng)異步清零端R01和R02均為高電平時，只要置9端有一個為低電平，就可以完成清零功能。

③計(jì)數(shù)功能，當(dāng)R01和R02中有一個為低電平以及R91和R92中有一個為低電平這兩個條件同時滿足時，即可以進(jìn)行計(jì)數(shù)。

通過計(jì)數(shù)器的級聯(lián)實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的級聯(lián)是將多個計(jì)數(shù)器（如M1進(jìn)制、M2進(jìn)制） 串接起來，以獲得計(jì)數(shù)容量更大的N（N=M1*M2）進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等于十進(jìn)制計(jì)數(shù)器乘以六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。一般集成計(jì)數(shù)器都設(shè)有級聯(lián)用的輸入端和輸出端，異步計(jì)數(shù)器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的方法是低位進(jìn)位信號給高位的CP端，利用兩片74LS290（圖1） 構(gòu)成六十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。其中個位的74LS290連成十進(jìn)制方式，其QD與十位74LS290的CP0相連，十位的74LS290連成六進(jìn)制形式。每當(dāng)個位計(jì)數(shù)到1001，在下一個計(jì)數(shù)脈沖到來時，其QD的下降沿脈沖向十位的74LS290發(fā)出計(jì)數(shù)信號使得十位加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到十進(jìn)制數(shù)59時，在下一個計(jì)數(shù)脈沖的下降沿到來后，個位和十位計(jì)數(shù)器均復(fù)位到0，完成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能，如圖2。

3.2 六十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器仿真

計(jì)算機(jī)已經(jīng)安裝Multisim軟件，利用前期課程學(xué)習(xí)的理論知識結(jié)合Multisim軟件提供的元件庫，根據(jù)需求建立計(jì)數(shù)器模塊圖及內(nèi)部原理圖，以六十進(jìn)制數(shù)字電子計(jì)數(shù)器為例：

1） 電路原理圖設(shè)計(jì)布局。元件庫欄中找到74LS290、74LS48、74LS20、74LS05、七段碼顯示器、頻率信號源、電阻、電源、接地及開關(guān)等元件，分別設(shè)置元件參數(shù)，放置在合適的工作區(qū)，排列條理，如圖3。接下來根據(jù)提前設(shè)計(jì)的圖紙用鼠標(biāo)找到對應(yīng)元件引腳，連接對應(yīng)導(dǎo)線。

2） 保存設(shè)計(jì)電路文件。在一定目錄下，建立相關(guān)名稱文件夾。理論圖設(shè)計(jì)完成后找到相關(guān)目錄保存，以免后期調(diào)用再利用。

3） 電路仿真

①在設(shè)計(jì)過程中，找到與實(shí)驗(yàn)操作臺一致的元器件，便于后期實(shí)際操作，接好電路后，只需要按下“啟動/停止”按鈕，電路開始仿真，如圖4。

②從圖像顯示結(jié)果看，計(jì)數(shù)顯示太快，可以停止仿真，再次調(diào)整信號源參數(shù)，能清楚看到0-59計(jì)數(shù)變化。另外注意反饋清零與反饋置1的接法。

③波形圖分析。從測試儀器欄中，調(diào)用示波器，通道A接頻率信號源，通道B接74LS290芯片一輸出引腳，如圖5，觀察頻率信號源波形與計(jì)數(shù)結(jié)果輸出是否有誤[5]。注意此時要設(shè)置信號源頻率至少為1000Hz，否則因?yàn)轭l率太低，示波器顯示不能直觀與計(jì)數(shù)結(jié)果對比，QD端輸出如圖6波形。

4 結(jié)束語

基于Multisim軟件設(shè)計(jì)仿真的數(shù)字電子計(jì)數(shù)器顯示結(jié)果與理論分析相符合，完成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們見到正確的仿真效果圖與波形圖。通過軟件模擬仿真使得學(xué)生們對于設(shè)計(jì)電路的正確性堅(jiān)定信心，對于電路的認(rèn)知及電路系統(tǒng)理解更加深入，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)作業(yè)效率與專業(yè)實(shí)踐操作能力。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室之外，也可以應(yīng)用Multisim軟件仿真自己設(shè)計(jì)的電路為實(shí)踐制作提供理論依據(jù)，為將來走上工作崗位打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王廷才，陳昊.電工電子技術(shù)Multisim 10仿真實(shí)驗(yàn)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 曾令琴，李偉.電工電子技術(shù)[M].2版.北京：人民郵電出版社，2006.

[3] 張雪平.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4] 周紅軍.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5] 李文聯(lián)，李楊，吳學(xué)軍.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2017.

收稿日期：2021-11-08

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳高校2019年自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號KJ2019A1143） 研究成果之一

作者簡介：林勇（1981—） ，男，安徽廣德人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)殡娮优c通信技術(shù)。