将Multisim引入数字电路实验教学探讨

郑兆兆+高静+李建霞

[摘 要] 针对数字电路实验中硬件实验的不足，将Multisim引入实验教学中。介绍了如何用Multisim软件模拟数字实验箱，通过实例探讨了Multisim在数字电路实验教学中的应用。实践表明，这种虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式提高了实验效率，节省了实验资源，激发了学生的学习积极性，在更新实验教学方法、改进实验教学质量、改善实验教学效果等方面起着非常重要的作用。

[关键词] 数字电路实验；Multisim；虚实结合；软硬兼顾

[中图分类号] G642.0 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）02-0086-03

0 引言

《数字电子技术》是电气信息类学生的专业基础课程，也是实践性很强的技术基础课程。为了培养学生的工程实践能力及分析问题、解决问题的能力，在实验安排上，除2学时的验证性实验外，其他10学时均为设计性实验。要求学生运用所学理论知识，自行设计、连线与调试电路达到实验的要求。由于学生理论知识掌握不好、动手能力差、接触工程实践少等原因，在实验开展中，普遍存在着设计照抄课本、理论知识与工程实践脱节、实验成功率低、兴趣及主动性下降等现象。

实验的根本目的是培养学生的理论应用能力，以及分析问题和解决问题的能力，归根到底是培养学生的实践创新能力。数字电路实验一方面可以帮助学生巩固所学理论知识，另一方面可以锻炼学生的动手能力及解决工程问题的能力，任何忽视或轻视这一实践教学环节的行为，都将使学生走向工程实践的适应性降低或适应周期加长。这无论对学校培养创新人才还是对发挥学生的个人才智都是极为不利的。因此，提高对实验环节重要性的认识，加大对实验环节的建设，对保证这一教学实践环节有力、有序、有效地开展，具有极为重要的意义。

1 现行实验教学模式

现行的数字电路实验教学模式以传统的硬件搭试为主，采用常规的TTL逻辑器件（如74LS00、74LS10、74LS138等）在数字实验箱上进行硬件连线搭接，辅之以相关的外围电路和器件（如电平开关、LED灯、数码管等），实现一定的数字逻辑功能。此方法的优点在于操作对象为实际的电子器件，直观、易懂，能很好地激发学生的实验积极性，锻炼动手操作能力。缺点是容易出现硬件接触不良、集成芯片及导线耗损量大、线路复杂难以调试等一系列问题。在实验过程中如出现问题，教师要花费大量时间去帮助学生检查连线错误，排除一些技术上、工艺上的故障[1，2]。同时，由于电路的测试要用到许多专门的仪器，加上受实验室的规模和开放时间的限制，如果学生没有完成实验也无法利用课后时间继续进行，这对于实验管理、硬件及时间消耗等来说都是一种资源浪费，会导致学生实验课时得不到有效利用，影响实验效果。

2 虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式

针对以上现行实验教学的不足，笔者探索一种新的实验教学模式——虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式。该模式在数字电路实验教学中引入EDA技术，这样就使实验教学在时间和空间上不受课时和实验器材的限制，克服传统实验的不足，提高实验效率。

EDA是电子设计自动化（Electronics Design Automation）的英文缩写，是在20世纪90年代初计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）等概念的基础上发展而来的[3]。EDA软件有很多，Multisim是其中比较受欢迎的一种。Multisim前身是加拿大IIT公司推出的大型设计工具软件EWB（Electrical Workbench），被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。它不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的仿真分析功能，还提供了一个庞大的元、器件模型库和一整套虚拟仪表（其中包括示波器、信号发生器、万用表、逻辑分析仪、逻辑转换器、字符发生器、波特图绘图仪、瓦特表等），满足对一般的数字逻辑电路、模拟电路以及数字-模拟混合电路进行分析和设计的需要。Multisim另一个突出优点是用户界面友好、直观，使用非常方便[4]。

Multisim引入数字实验教学中，有如下优势。

1）加强了实验预习。以往的实验预习大多是学生看看指导书，写一个预习报告，目的是让学生熟悉实验内容，而学生自己对实验的过程和结果很茫然。在实验教学中引入Multisim后，预习通过计算机软件仿真来完成。学生在做硬件实验前，先进入到计算机仿真环境中，对实验的全部过程进行仿真。这种方式的优点是不但可以避免因学生误操作带来的经济损失，而且能够让学生完整的操作整个实验。利用仿真软件的强大功能，使学生看到仿真结果及仿真过程中所出现的种种问题，掌握电子电路现代化设计方法，培养学生对新知识的掌握及应用能力。

2）建立了互动关系。课堂教学内容可以与实验内容相互融合，形成一种互动关系。在课堂上，讲授理论知识的时候可以有针对性地讲解一些实验所涉及的理论、实验内容，安排一些与应用、实验相关的习题或思考题，引导学生把理论与实际结合起来。另一方面，可以把那些讲起来既费事又费时的课堂教学内容放到实验过程中进行，通过硬件实验和Multisim软件仿真，学生可以直接观察到课堂上或习题中可能被忽略的现象，加深对基础知识的理解，积累一些实用性的知识和经验。

12年秋，电子实验教学中心对10级自动化卓越班学生的数字电路实验进行教学改革，按照虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式，将Multisim引入数字电路实验教学中。学生在搭建实际电路之前，先在计算机上利用Multisim软件按照自己的设计思想设计电路、调试电路，找出原理设计中存在的问题，仿真电路功能，完成初步设计。一方面使学生在实验前就可以确定实验方案的可行性，增加了学生的自信心，避免了盲目实验；另一方面在Multisim中仿真设计电路时学生可以修改参数，观察参数变化对实验现象的影响，可以加深学生对理论知识的理解和掌握。这种虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式，从一定程度上提高了学生的实验积极性以及分析问题、解决问题的能力，不但扩展了实验容量，提高了实验效率，节省了实验资源，而且有利于理论知识与实践的紧密结合。

3 用Multisim软件模拟数字实验箱

将Multisim引入数字电路实验教学中，通常是先在Multisim软件中设计电路、调试电路，仿真正确后再到数字实验箱上进行连线操作。为了方便学生更好地把硬件实物与软件模拟联系起来，就需要找出Multisim软件与数字实验箱的对应关系。燕山大学电子实验教学中心所用的数字实验箱是由清华科教仪器厂提供的SXJ-3C型。实验箱上包含：逻辑电平开关和脉冲信号源两种输入设备；电平显示和数码管两种输出显示设备；电源VCC、GND；元件库（电位器、电阻、电容）等。

3.1 逻辑电平开关（拨码开关）的对应

在数字实验箱中，逻辑电平开关是提供“0”、“1”两种电平输入的设备。在Multisim中可由图1所示模拟逻辑电平开关，节点A就相当于数字实验箱中的逻辑电平输入端。此电路常态时节点A输出为高电平“1”，开关闭合时节点A输出为低电平“0”。的范围为1～100K，一般取=10K。

3.2 电平显示（LED显示）的对应

LED（Light Emitting Diode，发光二极管）具有类似于普通二极管的伏安特性，工作电流一般在10mA左右，导通结压降比普通二极管高，约为1～1.4V。从伏安特性上可以看出，LED属于电流驱动型器件，通常采用电压源串联电阻方法代替电流源来驱动LED。在数字实验箱中电平显示电路是预留阳极的LED发光管，即输出信号为高电平时驱动LED点亮。在Multisim中可由图2所示模拟电平显示，节点B相当于电平显示输出端。电路中限流电阻的大小决定LED的工作电流，（-1）/。这里=510，输入阻抗=100。

3.3 实验箱上其他设备的对应

数字实验箱中的脉冲信号源在Multisim中可以用仪器工具栏中的函数信号发生器产生相应的频率信号来模拟。Multisim元器件库中有各种型号的数码管、电阻元件、电位器，可以直接用来模拟数字实验箱中的BCD七段译码显示、电阻及电位器。另外，数字实验箱中的+5V电源及地线，在Multisim中用VCC+5V及GROUND模拟即可。

4 循环彩灯的设计

本节通过循环彩灯设计的例子来说明如何利用Multisim软件辅助数字电路实验。设计一个L1-L8的循环彩灯，要求其状态为L1-L8这八个彩灯依次熄灭（同一时刻只有一个灯熄灭），依此循环。

这个题目可以考虑用计数器级联译码器的设计思路。因为设计要求中总共有八个状态，所以需要一个八进制计数器和一个3线-8线译码器。采用置数法由同步十进制计数器74LS160构成八进制计数器，再通过3线-8线译码器74LS138译出循环彩灯的八个状态，用以驱动L1-L8按规律亮灭。数字实验室中的芯片都是TTL系列的，所以在Multisim中选用TTL元件库中74LS系列的芯片来设计电路。

在Multisim软件中按图3连线。计数器74LS160的脉冲激励信号CLK由函数信号发生器提供，其输出端QA、QB、QC、QD分别接到数码管显示器的A、B、C、D端。为了构成八进制计数器，当计数器计数到“111”状态时，通过一个三输入与非门使置数端有效，进而控制计数器的输出端置数到“000”状态。为了把000-111译成

（下转第92页）

Y0-Y7这八个状态，计数器的输出端QA、QB、QC分别接到译码器的输入端A、B、C上，而译码器的输出端Y0-Y7分别接到LED1-LED8上。连好线后打开仿真开关，可以看到，在脉冲的激励下，计数器开始工作，数码管上显示0、1、2、3、4、5、6、7，指示灯LED1-LED8依次熄灭。（图3中所示为计数到2的状态，LED3熄灭。）

仿真正确后，按照Multisim软件与数字实验箱的对应关系进行硬件连线。输入信号为脉冲信号源，1HZ、2HZ均可，输出连接到电平显示的八个红色信号指示灯上，核心芯片是74LS160、74LS138及74LS10。按图3所示连线，硬件实验现象符合设计要求，表明实验成功。

5 结束语

将Multisim引入数字电路实验教学中，可弥补传统的纯硬件实验的不足，使学生掌握用软件仿真辅助硬件实验，以实践验证理论，形成“理论教学―计算机仿真―实验环节”的教学模式。这种虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式提高了实验效率，节省了实验资源，激发了学生的学习积极性，在更新实验教学方法、改进实验教学质量、改善实验教学效果等方面起着非常重要的作用。

参考文献

[1]刘银萍，陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨.实验室研究与探索[J]，2006，25（8）：981-983.

[2]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究.电子科技大学学报（社科版）[J]，2002，（2）：91-94.

[3]黄春耀.现代EDA技术与电子类基础课实验教学改革.龙岩学院学报[J]，2005，23（3）：122-124.

[4]张新喜，许军，王新忠等.Multisim 10电路仿真及应用[M].北京：机械工业出版社[M]，2011：337-350

3 用Multisim软件模拟数字实验箱

将Multisim引入数字电路实验教学中，通常是先在Multisim软件中设计电路、调试电路，仿真正确后再到数字实验箱上进行连线操作。为了方便学生更好地把硬件实物与软件模拟联系起来，就需要找出Multisim软件与数字实验箱的对应关系。燕山大学电子实验教学中心所用的数字实验箱是由清华科教仪器厂提供的SXJ-3C型。实验箱上包含：逻辑电平开关和脉冲信号源两种输入设备；电平显示和数码管两种输出显示设备；电源VCC、GND；元件库（电位器、电阻、电容）等。

3.1 逻辑电平开关（拨码开关）的对应

在数字实验箱中，逻辑电平开关是提供“0”、“1”两种电平输入的设备。在Multisim中可由图1所示模拟逻辑电平开关，节点A就相当于数字实验箱中的逻辑电平输入端。此电路常态时节点A输出为高电平“1”，开关闭合时节点A输出为低电平“0”。的范围为1～100K，一般取=10K。

3.2 电平显示（LED显示）的对应

LED（Light Emitting Diode，发光二极管）具有类似于普通二极管的伏安特性，工作电流一般在10mA左右，导通结压降比普通二极管高，约为1～1.4V。从伏安特性上可以看出，LED属于电流驱动型器件，通常采用电压源串联电阻方法代替电流源来驱动LED。在数字实验箱中电平显示电路是预留阳极的LED发光管，即输出信号为高电平时驱动LED点亮。在Multisim中可由图2所示模拟电平显示，节点B相当于电平显示输出端。电路中限流电阻的大小决定LED的工作电流，（-1）/。这里=510，输入阻抗=100。

3.3 实验箱上其他设备的对应

数字实验箱中的脉冲信号源在Multisim中可以用仪器工具栏中的函数信号发生器产生相应的频率信号来模拟。Multisim元器件库中有各种型号的数码管、电阻元件、电位器，可以直接用来模拟数字实验箱中的BCD七段译码显示、电阻及电位器。另外，数字实验箱中的+5V电源及地线，在Multisim中用VCC+5V及GROUND模拟即可。

4 循环彩灯的设计

本节通过循环彩灯设计的例子来说明如何利用Multisim软件辅助数字电路实验。设计一个L1-L8的循环彩灯，要求其状态为L1-L8这八个彩灯依次熄灭（同一时刻只有一个灯熄灭），依此循环。

这个题目可以考虑用计数器级联译码器的设计思路。因为设计要求中总共有八个状态，所以需要一个八进制计数器和一个3线-8线译码器。采用置数法由同步十进制计数器74LS160构成八进制计数器，再通过3线-8线译码器74LS138译出循环彩灯的八个状态，用以驱动L1-L8按规律亮灭。数字实验室中的芯片都是TTL系列的，所以在Multisim中选用TTL元件库中74LS系列的芯片来设计电路。

在Multisim软件中按图3连线。计数器74LS160的脉冲激励信号CLK由函数信号发生器提供，其输出端QA、QB、QC、QD分别接到数码管显示器的A、B、C、D端。为了构成八进制计数器，当计数器计数到“111”状态时，通过一个三输入与非门使置数端有效，进而控制计数器的输出端置数到“000”状态。为了把000-111译成

（下转第92页）

Y0-Y7这八个状态，计数器的输出端QA、QB、QC分别接到译码器的输入端A、B、C上，而译码器的输出端Y0-Y7分别接到LED1-LED8上。连好线后打开仿真开关，可以看到，在脉冲的激励下，计数器开始工作，数码管上显示0、1、2、3、4、5、6、7，指示灯LED1-LED8依次熄灭。（图3中所示为计数到2的状态，LED3熄灭。）

仿真正确后，按照Multisim软件与数字实验箱的对应关系进行硬件连线。输入信号为脉冲信号源，1HZ、2HZ均可，输出连接到电平显示的八个红色信号指示灯上，核心芯片是74LS160、74LS138及74LS10。按图3所示连线，硬件实验现象符合设计要求，表明实验成功。

5 结束语

将Multisim引入数字电路实验教学中，可弥补传统的纯硬件实验的不足，使学生掌握用软件仿真辅助硬件实验，以实践验证理论，形成“理论教学―计算机仿真―实验环节”的教学模式。这种虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式提高了实验效率，节省了实验资源，激发了学生的学习积极性，在更新实验教学方法、改进实验教学质量、改善实验教学效果等方面起着非常重要的作用。

参考文献

[1]刘银萍，陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨.实验室研究与探索[J]，2006，25（8）：981-983.

[2]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究.电子科技大学学报（社科版）[J]，2002，（2）：91-94.

[3]黄春耀.现代EDA技术与电子类基础课实验教学改革.龙岩学院学报[J]，2005，23（3）：122-124.

[4]张新喜，许军，王新忠等.Multisim 10电路仿真及应用[M].北京：机械工业出版社[M]，2011：337-350

3 用Multisim软件模拟数字实验箱

将Multisim引入数字电路实验教学中，通常是先在Multisim软件中设计电路、调试电路，仿真正确后再到数字实验箱上进行连线操作。为了方便学生更好地把硬件实物与软件模拟联系起来，就需要找出Multisim软件与数字实验箱的对应关系。燕山大学电子实验教学中心所用的数字实验箱是由清华科教仪器厂提供的SXJ-3C型。实验箱上包含：逻辑电平开关和脉冲信号源两种输入设备；电平显示和数码管两种输出显示设备；电源VCC、GND；元件库（电位器、电阻、电容）等。

3.1 逻辑电平开关（拨码开关）的对应

在数字实验箱中，逻辑电平开关是提供“0”、“1”两种电平输入的设备。在Multisim中可由图1所示模拟逻辑电平开关，节点A就相当于数字实验箱中的逻辑电平输入端。此电路常态时节点A输出为高电平“1”，开关闭合时节点A输出为低电平“0”。的范围为1～100K，一般取=10K。

3.2 电平显示（LED显示）的对应

LED（Light Emitting Diode，发光二极管）具有类似于普通二极管的伏安特性，工作电流一般在10mA左右，导通结压降比普通二极管高，约为1～1.4V。从伏安特性上可以看出，LED属于电流驱动型器件，通常采用电压源串联电阻方法代替电流源来驱动LED。在数字实验箱中电平显示电路是预留阳极的LED发光管，即输出信号为高电平时驱动LED点亮。在Multisim中可由图2所示模拟电平显示，节点B相当于电平显示输出端。电路中限流电阻的大小决定LED的工作电流，（-1）/。这里=510，输入阻抗=100。

3.3 实验箱上其他设备的对应

数字实验箱中的脉冲信号源在Multisim中可以用仪器工具栏中的函数信号发生器产生相应的频率信号来模拟。Multisim元器件库中有各种型号的数码管、电阻元件、电位器，可以直接用来模拟数字实验箱中的BCD七段译码显示、电阻及电位器。另外，数字实验箱中的+5V电源及地线，在Multisim中用VCC+5V及GROUND模拟即可。

4 循环彩灯的设计

本节通过循环彩灯设计的例子来说明如何利用Multisim软件辅助数字电路实验。设计一个L1-L8的循环彩灯，要求其状态为L1-L8这八个彩灯依次熄灭（同一时刻只有一个灯熄灭），依此循环。

这个题目可以考虑用计数器级联译码器的设计思路。因为设计要求中总共有八个状态，所以需要一个八进制计数器和一个3线-8线译码器。采用置数法由同步十进制计数器74LS160构成八进制计数器，再通过3线-8线译码器74LS138译出循环彩灯的八个状态，用以驱动L1-L8按规律亮灭。数字实验室中的芯片都是TTL系列的，所以在Multisim中选用TTL元件库中74LS系列的芯片来设计电路。

在Multisim软件中按图3连线。计数器74LS160的脉冲激励信号CLK由函数信号发生器提供，其输出端QA、QB、QC、QD分别接到数码管显示器的A、B、C、D端。为了构成八进制计数器，当计数器计数到“111”状态时，通过一个三输入与非门使置数端有效，进而控制计数器的输出端置数到“000”状态。为了把000-111译成

（下转第92页）

Y0-Y7这八个状态，计数器的输出端QA、QB、QC分别接到译码器的输入端A、B、C上，而译码器的输出端Y0-Y7分别接到LED1-LED8上。连好线后打开仿真开关，可以看到，在脉冲的激励下，计数器开始工作，数码管上显示0、1、2、3、4、5、6、7，指示灯LED1-LED8依次熄灭。（图3中所示为计数到2的状态，LED3熄灭。）

仿真正确后，按照Multisim软件与数字实验箱的对应关系进行硬件连线。输入信号为脉冲信号源，1HZ、2HZ均可，输出连接到电平显示的八个红色信号指示灯上，核心芯片是74LS160、74LS138及74LS10。按图3所示连线，硬件实验现象符合设计要求，表明实验成功。

5 结束语

将Multisim引入数字电路实验教学中，可弥补传统的纯硬件实验的不足，使学生掌握用软件仿真辅助硬件实验，以实践验证理论，形成“理论教学―计算机仿真―实验环节”的教学模式。这种虚实结合、软硬兼顾的实验教学模式提高了实验效率，节省了实验资源，激发了学生的学习积极性，在更新实验教学方法、改进实验教学质量、改善实验教学效果等方面起着非常重要的作用。

参考文献

[1]刘银萍，陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨.实验室研究与探索[J]，2006，25（8）：981-983.

[2]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究.电子科技大学学报（社科版）[J]，2002，（2）：91-94.

[3]黄春耀.现代EDA技术与电子类基础课实验教学改革.龙岩学院学报[J]，2005，23（3）：122-124.

[4]张新喜，许军，王新忠等.Multisim 10电路仿真及应用[M].北京：机械工业出版社[M]，2011：337-350