Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用

王尔申，庞 涛，李 鹏，郑 丹

（沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136）

数字电路课程内容比较抽象，课时安排比较紧凑，学生普遍感觉到知识抽象、难于理解器件的逻辑功能、较难掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何应用，如何利用所学器件设计实用电路时显得不知所措。大部分学生学习数字电路知识只是停留在知识的堆砌，而没有将应用作为重点掌握的内容［1］。另外，考虑到电子设计自动化（EDA）技术日趋成熟，并走向本科教学课堂，学生掌握EDA技术已成为时代发展的要求。为了更好地激发学生的学习兴趣和创造性，解决数字电路教学中存在的问题，在数字电路教学中可适度利用Multisim和Proteus等电子设计自动化仿真软件［2－4］。针对数字电路课程教学的不同知识内容，分别利用Multisim和Proteus设计仿真电路来演示器件的功能，并利用数字电路中所学的知识进行简单实用系统的设计，从而将EDA技术融入到数字电路课程的整个教学环节中。实践证明，将EDA技术与传统的数字电路课程教学方式相结合有助于提高学生数字电路知识运用的综合能力和专业素质。

1 Multisim在数字电路教学中的应用

数字电路包括门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、译码器、显示器、寄存器、计数器、AD／DA转换器等。Multisim仿真软件为电子电路仿真提供了丰富的元件数据库，同时提供了种类多样且标准化的仿真仪器，比如万用表、示波器、逻辑分析仪、失真度分析仪、波特图测试仪等。Multisim作为以Windows为基础的仿真工具，具有丰富的仿真分析能力以及完整的电路原理图图形输入方式。引入Multisim软件帮助学生快速地将刚学到的理论知识用计算机仿真再现出来，帮助学生更快、更好地掌握教学内容，加深对概念、原理的理解，并能熟悉常用实验仪器的测量方法，进一步培养学生的综合能力和创新能力，提高课程教学质量［5－7］。为此，研究 Multisim 在“数字电路”中的应用，以期帮助学生掌握理论知识。

下面以数字电路课程涉及到的典型集成芯片的应用电路为设计仿真实例，分析利用Multisim辅助理论教学电路仿真情况。

1.1 数码管控制与显示电路仿真

Multisim仿真软件提供了发光元件，如小灯泡、发光二极管、数码管等［8］。课堂教学中利用这些元件展示电路的运行过程与结果，可以改善课堂的气氛和学生的学习热情。图1给出了利用74LS169N十进制计数器和4511BD译码器驱动7段数码管显示的电路。在时钟脉冲的控制下，在数码管上循环显示0～9十进制数，形象地将显示结果展示在学生面前。

1.2 译码器功能仿真

在数字电路课程中学习的74LS138译码器在数字系统设计中有着广泛的用途，不仅可以用于代码的转换、终端的数字显示，而且还可用于数据分配、存储器寻址以及组合控制信号等。为了使学生更好地掌握74LS138译码器的外特性，图2给出了利用开关J1、J2和J3模拟二进制数，来验证74LS138译码器译码功能的仿真电路。在输出端接上小灯泡，可以直观地观测开关所模拟的二进制数经过74LS138译码器后的输出结果，让学生更好地理解和掌握74LS138译码器的逻辑功能。

图1 数码管显示仿真电路

图2 74LS138译码器仿真验证电路

1.3 计数器功能仿真分析

74LS161是常用的4位二进制同步计数器，在数字电路以及单片机系统中有非常广泛的应用。图3给出了利用74LS161N十六进制计数器来实现十一进制计数功能的仿真验证电路。在脉冲信号控制下，计数结果送入示波器，可以直观地观测到QA、QB和QC对输入频率进行二、四、八分频的效果，通过与非门输出端来验证十一进制计数器的功能。图4给出了利用示波器观察到的输出“0100”组合，对应的十进制数为4。同时，可以看出在QC、QB、QA端得到的信号频率分别为时钟频率的1／8、1／4和1／2。

图3 74LS161N计数器仿真验证电路

图4 74LS161N计数器仿真测试波形

1.4 60s计时器的仿真设计

为了使学生更加深入地掌握74LS161的应用，图5给出了利用74LS161N芯片设计的60s计时器的仿真验证电路。电路中将十六进制计数器74LS161N分别接成六进制计数器和十进制计数器，然后将2个计数器进行级联起来，组合成六十进制计数器。将1Hz的时钟脉冲接到芯片的CLK端，在时钟的作用下可以形成一个60s的计时器。在计数器的输出端口接上显示数码管，可以很直观地观察计数结果。在本设计的启发下，该电路还可以扩展设计成具有更多功能的计数器和计时器，这部分内容将作为课后作业让学生独立完成，也可作为下次课堂讨论的内容。

2 Proteus在数字电路教学中的应用

Proteus软件由Labcenter Electronics公司开发，是嵌入式系统设计与仿真平台，可实现数字电路、模拟电路、微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是能够对多种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA软件工具［9－10］。

利用Proteus开展数字电路课程中相关内容的教学，不但可以使学生掌握利用芯片进行部分功能硬件电路的设计，还可为学生在学习后续的“单片机原理与应用”打下坚实的基础，尤其是一些与单片机相连接的接口电路的设计和应用，有利于提高学生系统设计的综合能力。

图5 60s计数器仿真验证电路

在数字电路中，模数转换器ADC和数模转换器DAC的应用十分广泛。ADC0804和DAC0832以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在应用系统中得到了广泛的应用［11－12］。为了让学生在实践中掌握ADC0804和DAC0832的原理及应用，从Proteus元件库中选取ADC0804、DAC0832、LM324以及相应外围器件等，按图6组成数据采集与输出仿真验证电路。

图6 ADC和DAC联合仿真验证电路

电路主要由一个8位的AD0804和一个8位的DAC0832组成，由外部电阻和电容构成振荡器作为AD0804时钟输入，参考电压为5V，ADC的分辨率为5／255V，输入模拟量的范围为0V～＋5V，可由滑动变阻器进行调整。LM324将DAC0832输出的电流信号转换为电压输出，在相关节点配上电压表测量显示，可以明显地观察数模转换和模数转换的运行结果。通过前后2个电压表的对比，可以更好地验证ADC和DAC的原理。本电路可为学生在此基础上与相关微处理器进行接口设计提供基础。

3 结束语

借助电子仿真设计平台Multisim和Proteus设计数字电路课程中涉及到的部分器件和电路的仿真验证实例，有效解决了课堂教学环节中存在的难题。通过课堂理论知识的讲授与Multisim及Proteus仿真相结合的方式，加深了学生对课程理论内容的理解，帮助学生掌握常用芯片的使用方法和外围电路设计，提高了学生分析和解决问题的能力，更好地培养了学生在数字电路综合设计与实践动手方面的能力，为学生进入实验室进行实物器件的实验奠定了基础，提高了学生采用实际器件做实验时对引起误差因素的分析能力，实现了课堂教学与实验教学的有机结合，对培养学生综合素质起到了积极的促进作用。

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［1］肖伟才.理论教学与实践教学一体化教学模式的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（4）：81－84.

［2］张俊涛.电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用［J］.实验技术与管理，2007，24（6）：83－85.

［3］张志友.Multisim在电工电子课程教学中的典型应用［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：108－110.

［4］易灵芝，王根平，李卫平，等.Multisim在电类课程实验教学中的应用［J］.计量与测试技术，2009（5）：1－3.

［5］杨庆.基于Multisim的数字电路设计性实验研究［J］.九江学院学报：自然科学版，2010（2）：24－26.

［6］郭丽颖.基于Multisim的彩灯循环闪烁电路设计与仿真［J］.实验室研究与探索，2010，29（7）：187－189.

［7］张亚君，陈龙，牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2008，25（8）：108－110.

［8］王冠华.Multisim10电路设计及应用［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［9］万志平.仿真软件在电类课程教学中的应用［J］.实验技术与管理，2009，26（4）：76－79.

［10］李雪梅，何光谱，张建平，等.改革“电子技术课程设计”教学，培养“3CE”应 用 型 创 新 人 才 ［J］.实验技术与管理，2011，28（3）：148－150.

［11］李莉.基于Proteus的数据采集系统仿真设计［J］.电力学报，2009，24（3）：226－228.

［12］朱清慧.Proteus电子技术虚拟实验室［M］.北京：中国水利出版社，2010.