电子仿真软件在电工学教学中的应用研究

张赞 逯鹏

摘要：如何灵活、有效地开展多种类电子电路实验和教学是工学类课程教学过程中普遍存在的重要问题。针对该问题，以电工学中数字电路的仿真为切入点，基于Proteus和Multisim电子仿真软件，设计和实现适应实验和教学需求的仿真实验，以验证这种仿真方法在传统实验和教学过程中的可行性、必要性和适用范围。教学实践表明，对电工学等一类理论性与实践性强的课程，仿真技术与实际实验和教学过程有效集成，既提高了教学效率，又简化了实验过程。

关键词：电工学;电子电路仿真;Proteus软件;Multisim软件

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）44-0157-03

在工学类课程的教学过程中，实验是一个重要的环节。实验的种类众多，实验设计复杂。如何灵活有效地开展实验是一个普遍存在的教学问题。针对该问题，以理论性、实践性、应用性强的电工学课程为切入点，围绕教学过程中学生普遍感觉课程难学、实验难操作的问题，在课堂教学中引用电子设计自动化软件Proteus和Multisim，有利于形象化教学，吸引学生兴趣，提高教学效果。

一、仿真软件

Proteus是英国Labcenter Electronics公司推出的EDA工具软件。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，两个仿真软件都提供了丰富的仿真资源。本文通过电子仿真软件Proteus和Multisim实现了数字电路中计数器的仿真。利用仿真软件形象、直观的观察结果，可以让学生加深对理论知识的理解和记忆，也可以让学生对课后开展的传统实验环节做好充分预习，提高实践操作的兴趣。同时，对比两款仿真软件对不同计数器电路搭建的难易程度，仿真结果不同的观察方式，总结出两款软件的特点，以便在课堂教学过程中发挥不同仿真软件的优点，达到更好的效果。

二、Proteus仿真软件对计数器电路的仿真

（一）异步四位二进制加法计数器电路仿真

利用Proteus仿真软件搭建四位异步二进制加法计数器电路，时钟CLOCK模块产生脉冲信号，时钟频率设置为1Hz，接到最低位触发器的CLK端，为观察计数器计数的动态过程，在每个触发器的输出端Q连接一个逻辑电平探测器（Logic Probe），它能够显示逻辑“0”和“1”的状态，并通过数码管（7SEG-BCD）显示当前计数值0～F。每个器件的连线端都有红、蓝两色方块，显示该端的电平变化，红色为高电平，蓝色为低电平。

图1所示的是二进制计数器计数到10时，探针显示二进制码“1010”，数码管显示“A”。在这一仿真瞬间，四个JK触发器的CLK时钟端连线红、蓝两色方块颜色不同，说明时钟信号的电平高低不一致，触发器翻转的时间有先有后，与计数脉冲不同步，因此为异步计数器。

（二）同步四位二进制加法计数器电路仿真

在图1电路的基础上通过简单的连线更改，搭建同步四位二进制加法计数器。仿真结果如图2所示，同步二进制计数器计数到11时，探针显示二进制码“1011”，数码管显示“b”。在这一仿真瞬间，四个JK触发器的CLK时钟端，时钟信号的电平与时钟CLOCK模块相同，说明为同步计数器。Proteus软件中提供虚拟示波器，可以动态显示仿真结果的波形图，将A、B、C、D四个通道分别接入JK触发器的输出端，仿真时，将每个通道拨至DC档观察工作波形。图3中显示的是二进制加法计数器从0000到0011的动态工作波形图。

（三）N进制计数器的电路仿真

利用JK触发器可以在异步或同步四位二进制计数器的基础上进行改动，将计数值在0000～1001之间循环，实现十进制的计数功能，也可以利用集成芯片异步十进制计数器74LS290和同步十进制计数器74LS160来实现，Proteus软件平台只提供了74LS160相应的仿真环境。利用十进制计数器可以方便的实现任意进制计数的功能。两片74LS160可以实现百进制计数器，只要将右片的74LS160进位端RCO接在左片74LS160的ET、EP端即可，当右片的RCO进位端输出变高电平，使左片处于计数状态。如图4所示为计数至“67”的瞬间仿真截图。从以上计数器电路仿真结果分析得出，Proteus软件可以实现大部分数字电路的仿真，电路搭建操作简单，适合课堂教学，也提供了多种虚拟仪器来观察仿真结果。

三、Multisim对计数器电路的仿真

（一）异步四位二进制加法计数器电路仿真

为了和Proteus软件对比，利用Multisim软件也搭建了同样的仿真电路。在元件库中搜索JK触发器JK_FF，接法同图1所示。添加时钟端DIGITAL_CLOCK，频率设置为10Hz。通过数码管（DCD-HEX）显示当前计数值。

图5所示的是二进制计数器计数到12时，数码管显示“C”。对比图1和图5相同的计数器电路，不同的是在Multisim仿真软件中JK触发器具有置位和清零端，利用相应的接线端可以实现更多计数功能。Multisim软件中逻辑分析仪提供动态波形的绘制功能，每个触发器的输出端分别接入逻辑分析仪的四个波形输入端。在图5电路中，将每个JK触发器的输出端连线改为不同的颜色，这样呈现在逻辑分析仪的波形上就有颜色区分，观察更为直观。图6中显示的是四位二进制加法计数器从0110到1111的动态工作波形。除了逻辑分析仪，Multisim 12软件提供了多个虚拟示波器，为了同时观察4个JK触发器的输出端，本文选择了4通道示波器。将示波器四个输入通道分别接入JK触发器的输出端。在示波器设置界面，分别将4个通道的Y轴位移更改，以防出现波形重叠。本文仿真4通道的Y轴位移分别是：1.8、0.4、-1、-2.4，时基标度改为100ms/Div。图7中显示的是二进制加法计数器从0011到0110的动态工作波形图。

对比图3和图7虚拟示波器功能，Proteus软件提供的示波器在使用上更为方便，只要将被检测的信号接入输入端即可观察波形，并且4通道波形图的颜色区分也不需要设置。而Multisim软件中的4通道示波器要改变4个通道接入连线的颜色，才能得到波形颜色的区分，也要调节4个波形的Y轴位移，不然会出现波形的重叠，但是在示波器显示界面提供实时的通道电平值，这样观察现象更直观。

（二）N进制计数器的电路仿真

对于数字电路的仿真Proteus和Multisim软件都提供了强大的仿真工具，但相比两个仿真软件，Proteus软件中有些芯片有元件库，但没有仿真库，只能由相似的元件代替仿真，而Multisim软件对于电子电路提供的仿真库资源更为丰富。如计数器仿真芯片有同步二进制计数器74LS161，十进制计数器74LS290、74LS160、74LS192等。图8中利用十进制计数器74LS290的清零端，将其转换为六进制计数功能。在N进制计数器的课程教学时，无论是采用清零法或置数法实现任意进制计数的功能，都是画计数器状态循环图来说明问题，而通过Multisim仿真软件的DCD_HEX数码管或者逻辑分析仪，现象的观察非常清楚，使学生更容易理解此知识点。

四、结语

两个仿真软件都具有丰富的仿真工具，易于操作的仿真环境，仅针对数字电路的仿真环节，Multisim仿真软件提供的元件仿真库更多一些，动态波形图的观察更直观一些，所以在数字电路课程教学中可采用Multisim软件。

通过实践，将仿真软件应用在电工教学过程中，可以帮助学生加深对理论知识的理解，使学生拥有一个“零消耗”的实验平台，缩短从理论知识到实际应用的过程。只要学生感兴趣，课堂教学中涉及的每一款电路都可以在仿真平台验证其功能，这是传统实验所不能比拟的。但必须指出，仿真不能完全代替实物，在实际应用中会遇到很多问题，所以不能完全替代传统的实验手段，因此在实际的教学过程中，应把实验环节和电路仿真结合起来，发挥各自的优势，从而提高电工学课程的教学效率，达到好的教学效果。

参考文献：

[1]唐介.电工学[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]秦曾煌.电工学下册——电子技术[M].北京：高等教育出版社，2009.

[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]梁丽.现代化教学手段在电工电子学教学中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（4）：331-333.

[5]付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011，30（4）：120-122.