Multisim软件在《数字电子技术基础》课程教学中的应用探究

姚吉鑫 鲁世斌 童小伟 杨金

摘要：文章讨论了Multisim仿真软件在《数字电子技术基础》课程教学中的应用，通过对译码器、二十四进制计数器和555触摸定时开关电路的设计与仿真，使学生能够掌握电路的工作原理以及如何设计电路参数，激发学生对电路分析与设计的学习兴趣，调动学生学习主动性，培养学生动手能力和创新能力，提升课堂教学效果。

关键词：Multisim；数字电子；译码器；计数器

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）06-0160-02

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1 引言

《数字电子技术基础》是电子信息类、计算机类、电气工程类及通信类等专业的重要必修基础课程，具有较强的理论性和实践性[1，2]。通过对该课程的学习，可以让学生获得数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能；掌握数字电路的分析和设计方法；培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力；培养学生工程设计观念，为进一步从事学术研究和工程应用奠定基础。《数字电子技术基础》课程理论抽象，实践性强，知识点丰富，各高校教师对该课程的教学方法和教学模式改革层出不穷[2]。随着信息技术的发展，计算机技术已经应用到各个领域，尤其是现代课程教学中，通过电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）软件，如Quartus II[3]、Proteus[4]、Multisim[5]、Vivado[6]等对数字电子技术教学中的电路进行仿真测试，解决传统课程教学方式不能够满足当代课堂教学要求，可以将枯燥、抽象的内容生动、形象地展示出来，使得学生更加容易理解课程内容。

笔者通过近年来对《数字电子技术基础》课程教学，发现学生对该课程的基础理论知识掌握不牢固，动手实践能力较弱。为提高教学效果，根据《数字电子技术基础》课程教学内容，搭建了14个仿真教学案例，如表1所示，重点对教学设计、教学方法、教学内容进行优化，建立了课前“预习”，课中“理论+仿真”和课后“实践”三位一体的教学模式。在具体实施过程中，由于学生之前很少有机会接触此类EDA仿真软件，初次使用的时候会出现操作不当现象，但通过结合微课视频的学习，大部分学生可以很快掌握软件的使用，能够正确搭建相关电路并进行仿真。本文主要以译码器、计数器和555触摸定时开关电路设计与仿真案例介绍Multisim软件在《数字电子技术基础》课程中的应用。

2 译码器设计及其仿真

译码器（Decoder）是多路输入多路输出组合逻辑电路器件，通常可分为：变量译码器和码制译码器两类。变量译码器即二进制译码器，码制译码器即非二进制译码器，两者区别在于二进制译码器输出信号数量等于2n，n输入地址线的数量，码制译码器则不相等。常见的二进制译码器有74LS138、74LS139等，码制译码器有74LS42、74LS48等。显示译码器属于码制译码器，主要将二进制数转换成对应的七段码，可用来驱动LED数码管。表2为设计的3线-8线译码器功能表，当选通端[ST=1]时，译码器输出全部为低电平0；当[ST=0]时，地址线A2A1A0从000变化到111，译码器输出Y0到Y7轮流出现高电平1。

根据逻辑表达式，可以画出由非门和与非门构成的3线-8线译码器电路，如图1所示。3线-8线译码器的仿真结果如图2所示，可以看出，当A2A1A0=000时，输出Y0=1，其余输出均为0，因此只有Y0对应的指示灯亮，其余指示灯灭，与功能表2所描述相一致。

3 计数器设计与仿真

计数器（Counter）属于时序逻辑电路，通常用于脉冲计数，以实现测量、计数和控制等功能，也可用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。计数器通常由基本计数单元（触发器）和控制门（门电路）构成，计数单元主要包括RS触发器、D触发器、T触发器和JK触发器，门电路主要由与非门和或非门等构成。常用的集成计数器有74LS160、74LS161、74LS290等[7]，利用现有的集成计数器，可以搭建出任意进制计数器。

图3为由四位二进制74LS161构成的24进制计数器。根据74LS161的功能，利用置数法，可将计数器U1和U2先构造成十进制计数器。当计数器U1和U2的输出分别为1001时，与非门U3和U4的输出为0，然后通过置数使得计数器U1和U2跳过1010、1011、1100、1101、1110和1111状态。此外与非U4的输出作为计数器U2的时钟信号，从而将十进制计数器扩展为100进制计数器，然后再通过整体清零可以将100进制计数器构成任意进制计数器。当计数器U1和U2的输出分别为0100、0010时，与非门U5的输出为0，此时计数器U1和U2立即清零，因此实际的BCD显示器输出为00-23，完成二十四进制计数器功能。通过本案例仿真，可以使学生掌握置数法和清零法构建不同模值的计数器，熟练掌握集成计数器芯片的使用。

4 555触摸定时开关电路设计与仿真

555定时器（LM555CN）、继电器（EDR201A05）、示波器（XSC1）以及电阻电容等元件构成555触摸定时开关电路，如图5所示。LM555CN芯片构成单稳态触发器[8]。

当开关S1接地时，输入引脚2为低电平，此时引脚3输出高电平，使得继电器吸合，从而点亮220V电路中的灯泡L1。当开关S1接地时，输入引脚2为低电平，电容C1上电压上升至电源电压的2/3（3.33V）时，

555定时器第7脚通过内部晶体三极管使C1放电，第3脚输出由高电平变到低电平，继电器释放，电灯L1熄灭，定时结束。继电器断电时线圈会产生感应电动势，并接的二极管起到保护电路的作用。定时时长由R1、C1决定：T1=1.1R1*C1。

根据图5中所标数值可计算出定时时间约为550ms，仿真波形如图6所示。通过对触摸定时开关电路的仿真分析，可以生动形象地观察电路工作原理，进一步提升课堂教学质量，培养学生的实践创新能力。

5 总结

本文运用Multisim软件针对《数字电子技术基础》课程中的译码器、计数器、555定時器教学内容做了电路设计，并给出仿真结果。教学实施过程中，通过教师讲解、学生微课视频自学，可以使学生更生动形象的理解电路工作原理，并掌握相关电路的设计方法。合理引入EDA仿真软件教学，可以弥补传统课堂教学的不足，能够让学生在熟悉工作原理的基础上，立刻就可以观察电路的工作情况，激发了学生学习兴趣、调动了学生学习主动性，培养了学生工程应用能力，提高了课堂教学质量。

参考文献：

[1] 鲁世斌，樊敏，杨金，等.EDA软件在《数字电子技术基础》课程教学中的应用[J].电脑知识与技术，2019，15（20）：153-154，157.

[2] 何静，刘跃华.基于MOOC的翻转课堂模式在《数字电子技术》课程教学中的应用[J].电脑知识与技术，2021，17（8）：116-117，131.

[3] 张玉梅，周腾蛟，曲延华，等.QuartusⅡ仿真软件在数字电子技术教学中的应用[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2014，32（1）：84-87.

[4] 胡辉.Proteus在数字电子设计中的仿真应用[J].清远职业技术学院学报，2021，14（4）：50-57.

[5] 张学文，司佑全.Multisim13仿真软件在触发器中的应用分析[J].湖北师范大学学报（自然科学版），2021，41（3）：93-98.

[6] 张辉，樊亚妮.基于Vivado HLS的数字电子技术实验课程教学实践[J].集成电路应用，2021，38（11）：102-103.

[7] 阎石.数字电子技术基础[M].6版.北京：高等教育出版社，2016：276-304.

[8] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].3版.北京：高等教育出版社，2018：335-340.

【通联编辑：王力】