Multisim仿真软件在数字电子技术实验教学中的应用

郑宽磊?陈柳

摘要：介绍了Multisim仿真软件的特点，设计了一个在时钟脉冲控制下实现八位并行数据输入到串行数据输出的转换电路，通过该设计性实验阐述了该软件在数字电路实验教学中的具体应用，提出了一种仿真设计与实物实验相结合的电子技术实验教学模式。

关键词：Multisim仿真软件；数字电路；电子技术实验教学

作者简介：郑宽磊（1981-），男，湖北仙桃人，武汉工程大学电气信息学院，讲师；陈柳（1979-），女，湖北丹江口人，武汉工程大学电气信息学院，讲师。（湖北 武汉 430205）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0166-02

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，社会对高校工科电子类专业学生的创新思维和实践能力的要求越来越高。尤其对“数字电子技术”这门理论性和实践性都很强的电子类专业重要专业基础课而言，其对学生实践能力的要求尤其高。实验教学是该课程的重要环节，通过理论联系实际能够有效地训练、提高学生的动手能力。传统的纯硬件实物电路实验教学由于存在诸多弊病，不少学校已经着手改革这种实验教学模式，采用仿真设计与硬件实物电路相结合的实验教学模式，将虚拟电子仿真软件Multisim应用于电子技术的实验教学中，为学生提供更加灵活方便的实验环境，以此激发学生的创造性，提高学生的综合动手能力和创新设计能力。

一、Multisim 软件的特点

Multisim是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）电子线路仿真软件EWB（ElectronicsWorkbench，虚拟电子工作台）的升级版。[1]它界面友好，简单直观，软件易学易用。它将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。可以仿真模拟电路、数字电路和模数混合电路，具有和真实环境一致的可视化界面，整个操作界面就像一个实验工作台，与实际操作几乎相同，深受广大教师、科研人员及电子设计工作者的喜爱。Multisim的基本特点有：

1.采用直观的电路图输入方式

绘制电路图所需元器件以及仿真所需仪器仪表均是由软件方法虚拟，可直接从图形界面的工作平台上选取，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。

2.提供丰富的元器件库

同时用户也可以根据从生产厂商产品使用手册中查到的元器件参数新建或扩充已有的元器件库，因此也很方便地在工程设计中使用。

3.强大的虚拟仪器功能[2]

不仅提供有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源等，而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器等。并且所有仪器都与实物相似，所有仪器都可以多台同时调用，为电路的仿真提供了强大的保证。

4.完整的分析方法

提供了电路瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件线性和非线性分析等十几种电路仿真分析方法，這些分析方法基本能满足一般电路分析设计的要求。

二、数字电路的设计性实验举例

一般来说，对一个设计性实验电路进行设计和仿真前，首先需要对电路的工作原理有初步了解，明确实现该实验电路所描述逻辑功能所需要的模块电路、每个模块的具体功能，以及模块之间的信号传输关系等等，了解这些后根据参数指标选择适当的元器件通过Multisim 软件完成各模块电路初步设计，然后经过仿真观察分析，边选择边测试，边修改边比对，不断从仿真的测试现象中分析判断，直到设计出符合要求的电路。该实验电路要求设计一个在时钟脉冲控制下实现8位并行数据输入到串行输出的转换电路，具体来说分两步来实现：

1.绘制电路原理图

整个电路分为三个功能模块：LMC555定时器构成多谐振荡器产生时钟脉冲模块、4位二进制加法计数器74LS163构成的计数器模块以及数据选择器74LS151构成的并转串电路模块。电路设计采用模块设计的方法分块设计。

第一个模块，可根据其设计指标要求，选择数字模拟混合型的中规模集成电路LMC555定时器，在其外围配上标称电阻R1=4.7K、R2=5.1K、标称电容C1=0.1μF构造一个多谐振荡器产生时钟脉冲信号，[2]根据理论公式T=0.7（R1+2R2）C1计算其振荡频率约为1KHz。

第二个模块，要求在时钟脉冲控制下将8位并行输入的数据串行输出，控制8位数据的脉冲信号很明显是以8个时钟脉冲为一个循环周期，因此可以设计一个8 进制的计数器，可选计数器很多，这里选择一款常用4位二进制同步加法计数器，其输出端QDQCQBQA的状态从0000～1111可以看成两组，分别为0000～0111和1000～1111，只需取其低三位QCQBQA作为输出时即可构成一个8进制的加法计数器。将555定时器所产生的时钟脉冲信号送入到74LS163 芯片的时钟脉冲输入端，则其低三位QCQBQA计数从000～111共8 种计数状态输出到下一个模块中。

第三个模块，要实现8位并行数据输入到串行输出的转换，选用八选一的数据选择器74LS151显然是最合适的，将第二个模块74LS163输出的低三位QCQBQA分别与数据选择器74LS151的3个地址输入端（通道选择信号）CBA相连，即可实现整个电路是在时钟脉冲控制下，计数器的低三位QCQBQA循环产生从000～111这8种状态，74LS151的地址输入端CBA在接收到这循环的8种状态后，可以将8个并行输入的数据通道上的数据从D0～D7（10100010）依次送到151的输出端Y，实现了在时钟脉冲控制下，将8位并行数据输入转换为串行输出。

以上三个模块的分步设计完成后，整个电路原理图的设计就完成了。有了原理图，利用Multisim丰富的元器件资源就可以很快找到所需器件，排放好元器件后对各元器件进行连接，修改必要的元器件参数及属性，并标注相应元器件标签，电路原理图如图1所示，即完成了原理图绘制。

2.完成电路的仿真分析

Multisim软件提供了充足的虚拟仪器对电路进行仿真分析，在数字电路仿真设计中常用到示波器、逻辑分析仪、字信号发生器和逻辑转换器等等。本实验可以分两部分仿真：第一个模块部分，为加深对555定时器构成的多谐振荡器的原理的理解和学习，这里可以用双踪示波器观察555定时器的外围充放电电容C1两端波形，以及其输出的脉冲方波信号波形，示波器仿真波形图如图2所示。由图可见，方波信号的频率约为1ms，周期约为1KHz，充电时间大于放电时间，仿真波形与理论分析及公式计算一致。

第二个模块计数器和第三个模块数据选择器，可以使用逻辑分析仪对计数器的时序波形和数据选择器串行输出的波形一起观测，逻辑分析仪仿真时序图如图3所示，设定数据选择器74LS151的8位并行数据输入端D0～D7=10100010。由图3可知，在时钟脉冲作用下，计数器74LS163的低三位QCQBQA循环计数产生000～111这8种状态，假设计数初始状态为000时，即151的通道选择信号CBA=000，此时D0被选通，151的输出Y=D0=1，来一个CP脉冲上升沿后，计数状态加1变为001，CBA=001，此时D1被选通，151的输出Y=D1=0。同理，依次第7个脉冲到来后，计数状态变111时，此时D7被选通，151输出Y=D7=0，由仿真时序图可以明显看出151的八位并行输入的数据10100010在时钟脉冲控制下，来一个时钟脉冲上升沿送出一位数，8位并行输入的数据一个接一个的串行送出来，当第7个脉冲到来时8位数据全部送出来，实现了数据并行输入到串行输出的转换。

通过Multisim软件平台仿真设计的并转串电路满足设计要求，接下来按照仿真连线在实验箱或者面包板上进行接线，采用这种先仿真后硬件实物电路相结合的实验教学模式可极大地节省试验时间，提高实验效率。

三、Multisim应用于数字电子技术实验教学的优点

与基于Multisim仿真软件的这种虚拟电路设计方法不同，学生在进行传统的纯硬件实物实验时，这种设计性实验一般都需要事先大量查找资料，理解原理，按照电路指标要求估算元器件的具体参数，画出粗略的硬件电路图，在面包板或者实验箱上直接搭建硬件实物电路，同时也只能用实验室有限的示波器、频率计和万用表等仪器仪表进行观察分析，实际操作中这样的设计性实验连线一般较多，若所选用芯片不合适，电路设计本身就存在问题，或者哪个芯片有问题，又或者哪一根线不通，有时候很难检查出具体问题，即便检查出来可能硬件电路设计也要推到重来，那么在四个学时内实验结果很难做出，通过本校最近几年数字电子技术设计性实验开设的情况观察发现，不少学生往往会为了完成实验任务直接照搬其他同学的电路设计或者要求老师直接给出可行的电路图，然后只是机械按照硬件电路图连线，最后实验结果是出来了，但大多这样的学生即便实驗做完了，可电路工作原理却完全不懂，根本达不到通过开设设计性实验锻炼学生实际动手能力、培养他们分析问题和解决问题能力的目的。

相反，如果先用仿真软件仿真，学生只需在了解基本原理后就可以选择元器件在仿真软件工作平台上直接搭建电路，可以大胆实践任意选择芯片而不必理会材料消耗、实验室经费不足或是元器件损坏和老化等故障问题，可以把元件的所有可能的连接方式全部试验并通过仿真分析把所有可能的结果直观呈现出来，通过在计算机上反复地实验，不断实时得到不同的实验结果仿真观察和对比分析，选择符合要求的元器件，设计出满意的仿真电路，然后再在实验箱或面包板上搭建硬件实物电路，通过实物电路验证最后的实验结果。这种虚拟电路的仿真设计方法给了学生更大的创造自由度和设计空间，同时也节省了实验时间，让学生可以把更多的时间用在电路的具体设计、仿真、纠错和创新等方面，帮助学生更快、更好地理解和掌握数字电路的基本概念和基本原理，弥补传统数字电路实验教学纯硬件实物实验的诸多不足，大大提高了学生的学习兴趣，锻炼了他们综合分析和设计的能力、排除故障的能力，培养了他们创新的能力和应用开发的能力。

四、结束语

从以上设计和仿真分析过程可以看到，利用Multisim仿真软件可以为数字电路实验教学的改革带来极大的帮助。将Multisim仿真软件引入到数字电子技术实验教学中起到了打通理论教学与实践教学的桥梁作用，通过这种先仿真后实物硬件电路相结合的实验教学模式不仅可以使学生能更好地掌握电子技术的基本理论和技能，还能够充分发挥学生学习的主观能动性，最终达到提高学生实践能力和培养创新思维的目的。[4]但虚拟仿真也有其局限性，仿真软件设计的虚拟电路仍需实物电路的验证，因而在进行电子技术实验时除了需要将“虚拟”与“实物”相结合，还需遵循“理论导入，虚实结合，仿真设计，实物验证”的实验步骤。此外，Multisim仿真软件还可以用在电工电子类课堂教学、电子技术课程设计以及毕业设计等方面，对提高学生实际动手能力和培养科技创新意识都有积极的促进作用。

参考文献：

[1]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]郭文川.Multisim在电子类课程教学中的实践[J].中国电力教育，2006，（4）：351-357.

[3]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第五版.北京：高等教育出版社，2005.

[4]巩瑞春，王润文.EWB在数字电路设计性实验中的应用研究[J].阴山学刊，2009，23（3）：68-70.

（责任编辑：王祝萍）