基于Multisim和Authorware的数字电路仿真实验平台设计

周 围,韩 建,于 波

(东北石油大学电子科学学院,黑龙江大庆 163318)

虚拟仿真技术探索与实践

基于Multisim和Authorware的数字电路仿真实验平台设计

周 围,韩 建,于 波

(东北石油大学电子科学学院,黑龙江大庆 163318)

基于Multisim和Authorware软件设计了数字电路仿真平台。通过Multisim软件对数字电路中的各种功能电路进行设计,通过Authorware软件对仿真平台的交互界面进行设计,学生通过简单的操作即可实现电路功能及仿真波形的可视化,并可通过修改电路参数来观察参数变化对电路的影响。

仿真实验;平台设计;Multisim;Authorware

“数字电子技术”作为电子、通信及自动化等专业非常重要的专业基础课程,在专业知识结构中有重要的地位。在“数字电子技术”教学实践中,实验课程与理论课程往往不能同步进行,而且实验设备多是实验箱,学生实验时只需按照实验步骤、方法进行简单的连线即可观察到实验现象或得到测试结果,导致学生动手操作的余地和自由发挥空间小,需要主动思考的问题也少[1-2]。若能引入Multisim等仿真软件,辅以生动的仿真演示和自主操作的仿真实验,实现理论讲解和验证的同步进行,不仅能增强教学的直观性与灵活性,而且能够最大限度地利用有限的授课学时,加深学生对基本理论知识的理解,为传统的教学方法注入活力[3-4]。本文介绍基于Multisim和Authorware设计的数字电路仿真实验平台。

1 基于Multisim仿真实验开发

首先针对数字电路中的典型电路及其应用开发了数字电路仿真实验平台,以直观、动态地展现电路功能。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和种类多样且标准化的仿真仪器,例如万用表、示波器、逻辑分析仪、失真度分析仪、波特图测试仪等[5-6]。按照课程体系,开发的仿真实验项目如图1所示。

图1 实验开发项目框图

(1)在基本逻辑门电路中,设计实现了COMS和TTL电路构成的基本逻辑(与、或、非)和复合逻辑(与非、或非、与或非、异或、同或)的仿真电路。

(2)在组合逻辑电路中,设计实现了常用组合逻辑电路8线-3线优先编码器、3线-8线译码器、显示译码器、半加器、全加器、双四选一多路选择器、数值比较器以及组合逻辑电路中的竞争冒险(0型冒险、1型冒险)仿真电路。

(3)在触发器电路中,设计实现了电平触发、脉冲触发及边沿触发的JK触发器和D触发器的仿真电路。

(4)在时序逻辑电路中,设计实现了由74LS160、74LS161、74LS190、74LS191、74LS192、74LS193、74LS290等常用计数芯片同步和异步级联构成的其他进制计数器、由D触发器和JK触发器构成的移位寄存器、双向移位寄存器、序列发生器的仿真电路。

(5)在脉冲发生与整形电路中,设计实现了由门电路和555定时器构成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器的仿真电路。

(6)在AD/DA转换电路中,设计实现了并联比较型ADC(模数转换器)、计数型和逐次渐进型的反馈比较ADC、权电阻网络DAC(数模转换器)、倒T形网络DAC、权电流型网络DAC、开关树型DAC的仿真电路。

(7)在典型应用电路中,设计实现了ASK/FSK/ PSK键控调制电路、可控加减法电路、任意信号发生电路、任意进制计数分频电路、函数实现电路、智力抢答器电路、硬币存钱箱电路、篮球计时计分电路等应用电路的仿真电路。

所有电路均可通过简单的操作实现电路功能和仿真波形的可视化,并可通过修改电路参数来观察参数变化对电路的影响。

2 基于Authorware的仿真平台设计

Authorware的人机交互功能是通过交互图标来实现的[7]。人机交互有利于建构理想的学习环境,实现学习的导向、监督、调节、激励、诊断等功能,为自主性学习提供了强有力的技术支持[8-9]。

首先建立起交互环境和入口界面。交互图标提示允许用户进行交互的元素以及在交互过程中出现的文本和图像,并可控制其显示效果。当用户把操作信息传递给相关的响应类型标识符,即进入到相应的子页面。每一个响应分支均有相应的文字和具体的电路对知识点进行讲解,并利用“Go To(IconID＠“目录”)”命令实现子页面向主页面的返回操作。

3 仿真电路设计与实现

由于该平台涉及的电路类型和数量较多,在这里只展示数字电路仿真实验平台中几个典型电路的仿真电路设计。

3.1 555构成的施密特触发器

进入数字电路仿真实验平台基础篇的“脉冲发生与整形电路”界面,可以了解555定时器的主要应用电路。若点击“555构成的施密特触发器”,即可进入到施密特触发器子界面。该界面介绍了施密特触发器的特点及电路内部结构(见图2)。点击进入仿真即可链接到Multisim软件的仿真页面(见图3)。运行后可通过观察示波器的输入输出波形,直观地了解施密特触发器的特点(见图4)。由图4可见,输入的正弦波经施密特触发器后,其输出波形为方波,且波形变换所对应的正向阈值电压和反向阈值电压不同,可见施密特触发器具有对波形变换及整形功能,在观察实验结果的同时,可以改变输入信号的幅值、频率等信息来观察输出信号的变化。

3.2 倒T型电阻网络DAC

图2 施密特触发器子界面

图3 施密特触发仿真电路

图4 示波器显示波形

在数字电路仿真实验平台基础篇的“模数与数模转换”模块,有介绍D/A和A/D转换主要电路类型的内容。点击DAC中的“倒T型电阻网络DAC”即可进入到该子界面。该界面介绍了倒T型电阻网络DAC电路内部结构及数模运算关系(见图5)。开始进行仿真后,即可链接到Multisim软件的仿真页面(见图6)。由图6可见,电路基准电压为5 V,输入二进制代码1001,其输出的模拟量为－2.809 V。在观察实验结果的同时,可以改变输入的数字量数值来观察输出模拟电压数值的变化,运行后可通过观察电压表的输出电压,直观地了解模拟量与数字量的转换关系。

图5 倒T型电阻网络DAC子页面

图6 倒T型电阻网络DAC仿真电路

3.3 硬币存钱箱的电路设计与仿真

硬币存钱箱的硬币检测原理如图7所示,电路总体设计如图8所示。图8左上方的5个轻触开关分别模拟了硬币检测用的启动、C、B、A及结束的光耦合器。

图7 硬币检测原理图

图8 硬币存钱箱仿真电路

(1)当依次按下启动开关、A开关、结束开关时,即模拟硬币依次通过产生启动信号的光耦合器以及A光耦合器,而B光耦合器和C光耦合器没有硬币通过,说明通过的是1角硬币;

(2)当依次按下启动开关、B开关、A开关、结束开关时,说明模拟通过的是5角硬币;

(3)当依次按下启动开关、C开关、B开关、A开关、结束开关时,说明模拟通过的是1元硬币。

图8中上方3组数码管分别显示1元、5角和1角硬币的数量;下方的一组数码管显示表示硬币总金额;通过对所有计数芯片的统一复位,实现硬币数量及金额的同步归零。图中左下方为555定时器构成的频率可调矩形脉冲发生器,作为电路的时钟脉冲,通过调整阻容元件的参数可以得到700～1 300 k Hz的时钟脉冲。该电路可实现硬币检测、各种硬币的计数显示、总金额计算显示及复位功能,测试结果正确。

4 结束语

本文基于Multisim和Authorware软件完成了数字电路仿真设计,通过Multisim软件实现的虚拟仿真实验具有较强的可操作性。该平台有利于学生掌握常用芯片的使用方法和外围电路设计,提高分析和解决问题的能力,提高数字电路综合设计与实践动手能力,为进行实物器件的实验奠定了基础[10-12]。通过Authorware软件建立的可交互的仿真实验平台,使得每一个知识点图文并茂,实现了虚拟实验的直观性、可视性、动态性、交互性、扩展性和可重复性。

References)

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Design of simulation experimental platform in digital circuit based on Multisim and Authorware

Zhou Wei,Han Jian,Yu Bo
(College of Electronic Science,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

This paper introduces a design of simulation experimental platform in digital circuit based on Multisim and Authorware.It designs various function in digital circuit by Multisim,and it designs interactive interface of simulation platform by Authorware.The students can realize the function of circuit and the simulation visualization by simple operation,and it also can observe the effect when parameter varying.

simulation experiment;design of platform;Multisim;Authorware;

TP319;TN791

A

1002-4956(2015)4-0119-04

2014-09-10

黑龙江省教育厅教育科学规划课题“电子信息工程专业‘卓越工程师’培养模式的研究与实践”(GBC1212015);东北石油大学教育教学改革项目“电路与电子技术课程教学改革与创新研究”;东北石油大学教育教学改革项目“电子信息工程专业课程群体系建设与研究”

周围(1980—),女,黑龙江大庆,硕士,副教授,主要从事传感测试技术及电子信息工程等方面的研究.

E-mail:aroundwei＠163.com