張贊 逯鵬

摘要：如何靈活、有效地開展多種類電子電路實驗和教學(xué)是工學(xué)類課程教學(xué)過程中普遍存在的重要問題。針對該問題，以電工學(xué)中數(shù)字電路的仿真為切入點，基于Proteus和Multisim電子仿真軟件，設(shè)計和實現(xiàn)適應(yīng)實驗和教學(xué)需求的仿真實驗，以驗證這種仿真方法在傳統(tǒng)實驗和教學(xué)過程中的可行性、必要性和適用范圍。教學(xué)實踐表明，對電工學(xué)等一類理論性與實踐性強的課程，仿真技術(shù)與實際實驗和教學(xué)過程有效集成，既提高了教學(xué)效率，又簡化了實驗過程。

關(guān)鍵詞：電工學(xué);電子電路仿真;Proteus軟件;Multisim軟件

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）44-0157-03

在工學(xué)類課程的教學(xué)過程中，實驗是一個重要的環(huán)節(jié)。實驗的種類眾多，實驗設(shè)計復(fù)雜。如何靈活有效地開展實驗是一個普遍存在的教學(xué)問題。針對該問題，以理論性、實踐性、應(yīng)用性強的電工學(xué)課程為切入點，圍繞教學(xué)過程中學(xué)生普遍感覺課程難學(xué)、實驗難操作的問題，在課堂教學(xué)中引用電子設(shè)計自動化軟件Proteus和Multisim，有利于形象化教學(xué)，吸引學(xué)生興趣，提高教學(xué)效果。

一、仿真軟件

Proteus是英國Labcenter Electronics公司推出的EDA工具軟件。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，兩個仿真軟件都提供了豐富的仿真資源。本文通過電子仿真軟件Proteus和Multisim實現(xiàn)了數(shù)字電路中計數(shù)器的仿真。利用仿真軟件形象、直觀的觀察結(jié)果，可以讓學(xué)生加深對理論知識的理解和記憶，也可以讓學(xué)生對課后開展的傳統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)做好充分預(yù)習(xí)，提高實踐操作的興趣。同時，對比兩款仿真軟件對不同計數(shù)器電路搭建的難易程度，仿真結(jié)果不同的觀察方式，總結(jié)出兩款軟件的特點，以便在課堂教學(xué)過程中發(fā)揮不同仿真軟件的優(yōu)點，達到更好的效果。

二、Proteus仿真軟件對計數(shù)器電路的仿真

（一）異步四位二進制加法計數(shù)器電路仿真

利用Proteus仿真軟件搭建四位異步二進制加法計數(shù)器電路，時鐘CLOCK模塊產(chǎn)生脈沖信號，時鐘頻率設(shè)置為1Hz，接到最低位觸發(fā)器的CLK端，為觀察計數(shù)器計數(shù)的動態(tài)過程，在每個觸發(fā)器的輸出端Q連接一個邏輯電平探測器（Logic Probe），它能夠顯示邏輯“0”和“1”的狀態(tài)，并通過數(shù)碼管（7SEG-BCD）顯示當(dāng)前計數(shù)值0～F。每個器件的連線端都有紅、藍兩色方塊，顯示該端的電平變化，紅色為高電平，藍色為低電平。

圖1所示的是二進制計數(shù)器計數(shù)到10時，探針顯示二進制碼“1010”，數(shù)碼管顯示“A”。在這一仿真瞬間，四個JK觸發(fā)器的CLK時鐘端連線紅、藍兩色方塊顏色不同，說明時鐘信號的電平高低不一致，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的時間有先有后，與計數(shù)脈沖不同步，因此為異步計數(shù)器。

（二）同步四位二進制加法計數(shù)器電路仿真

在圖1電路的基礎(chǔ)上通過簡單的連線更改，搭建同步四位二進制加法計數(shù)器。仿真結(jié)果如圖2所示，同步二進制計數(shù)器計數(shù)到11時，探針顯示二進制碼“1011”，數(shù)碼管顯示“b”。在這一仿真瞬間，四個JK觸發(fā)器的CLK時鐘端，時鐘信號的電平與時鐘CLOCK模塊相同，說明為同步計數(shù)器。Proteus軟件中提供虛擬示波器，可以動態(tài)顯示仿真結(jié)果的波形圖，將A、B、C、D四個通道分別接入JK觸發(fā)器的輸出端，仿真時，將每個通道撥至DC檔觀察工作波形。圖3中顯示的是二進制加法計數(shù)器從0000到0011的動態(tài)工作波形圖。

（三）N進制計數(shù)器的電路仿真

利用JK觸發(fā)器可以在異步或同步四位二進制計數(shù)器的基礎(chǔ)上進行改動，將計數(shù)值在0000～1001之間循環(huán)，實現(xiàn)十進制的計數(shù)功能，也可以利用集成芯片異步十進制計數(shù)器74LS290和同步十進制計數(shù)器74LS160來實現(xiàn)，Proteus軟件平臺只提供了74LS160相應(yīng)的仿真環(huán)境。利用十進制計數(shù)器可以方便的實現(xiàn)任意進制計數(shù)的功能。兩片74LS160可以實現(xiàn)百進制計數(shù)器，只要將右片的74LS160進位端RCO接在左片74LS160的ET、EP端即可，當(dāng)右片的RCO進位端輸出變高電平，使左片處于計數(shù)狀態(tài)。如圖4所示為計數(shù)至“67”的瞬間仿真截圖。從以上計數(shù)器電路仿真結(jié)果分析得出，Proteus軟件可以實現(xiàn)大部分數(shù)字電路的仿真，電路搭建操作簡單，適合課堂教學(xué)，也提供了多種虛擬儀器來觀察仿真結(jié)果。

三、Multisim對計數(shù)器電路的仿真

（一）異步四位二進制加法計數(shù)器電路仿真

為了和Proteus軟件對比，利用Multisim軟件也搭建了同樣的仿真電路。在元件庫中搜索JK觸發(fā)器JK_FF，接法同圖1所示。添加時鐘端DIGITAL_CLOCK，頻率設(shè)置為10Hz。通過數(shù)碼管（DCD-HEX）顯示當(dāng)前計數(shù)值。

圖5所示的是二進制計數(shù)器計數(shù)到12時，數(shù)碼管顯示“C”。對比圖1和圖5相同的計數(shù)器電路，不同的是在Multisim仿真軟件中JK觸發(fā)器具有置位和清零端，利用相應(yīng)的接線端可以實現(xiàn)更多計數(shù)功能。Multisim軟件中邏輯分析儀提供動態(tài)波形的繪制功能，每個觸發(fā)器的輸出端分別接入邏輯分析儀的四個波形輸入端。在圖5電路中，將每個JK觸發(fā)器的輸出端連線改為不同的顏色，這樣呈現(xiàn)在邏輯分析儀的波形上就有顏色區(qū)分，觀察更為直觀。圖6中顯示的是四位二進制加法計數(shù)器從0110到1111的動態(tài)工作波形。除了邏輯分析儀，Multisim 12軟件提供了多個虛擬示波器，為了同時觀察4個JK觸發(fā)器的輸出端，本文選擇了4通道示波器。將示波器四個輸入通道分別接入JK觸發(fā)器的輸出端。在示波器設(shè)置界面，分別將4個通道的Y軸位移更改，以防出現(xiàn)波形重疊。本文仿真4通道的Y軸位移分別是：1.8、0.4、-1、-2.4，時基標度改為100ms/Div。圖7中顯示的是二進制加法計數(shù)器從0011到0110的動態(tài)工作波形圖。

對比圖3和圖7虛擬示波器功能，Proteus軟件提供的示波器在使用上更為方便，只要將被檢測的信號接入輸入端即可觀察波形，并且4通道波形圖的顏色區(qū)分也不需要設(shè)置。而Multisim軟件中的4通道示波器要改變4個通道接入連線的顏色，才能得到波形顏色的區(qū)分，也要調(diào)節(jié)4個波形的Y軸位移，不然會出現(xiàn)波形的重疊，但是在示波器顯示界面提供實時的通道電平值，這樣觀察現(xiàn)象更直觀。

（二）N進制計數(shù)器的電路仿真

對于數(shù)字電路的仿真Proteus和Multisim軟件都提供了強大的仿真工具，但相比兩個仿真軟件，Proteus軟件中有些芯片有元件庫，但沒有仿真庫，只能由相似的元件代替仿真，而Multisim軟件對于電子電路提供的仿真庫資源更為豐富。如計數(shù)器仿真芯片有同步二進制計數(shù)器74LS161，十進制計數(shù)器74LS290、74LS160、74LS192等。圖8中利用十進制計數(shù)器74LS290的清零端，將其轉(zhuǎn)換為六進制計數(shù)功能。在N進制計數(shù)器的課程教學(xué)時，無論是采用清零法或置數(shù)法實現(xiàn)任意進制計數(shù)的功能，都是畫計數(shù)器狀態(tài)循環(huán)圖來說明問題，而通過Multisim仿真軟件的DCD_HEX數(shù)碼管或者邏輯分析儀，現(xiàn)象的觀察非常清楚，使學(xué)生更容易理解此知識點。

四、結(jié)語

兩個仿真軟件都具有豐富的仿真工具，易于操作的仿真環(huán)境，僅針對數(shù)字電路的仿真環(huán)節(jié)，Multisim仿真軟件提供的元件仿真庫更多一些，動態(tài)波形圖的觀察更直觀一些，所以在數(shù)字電路課程教學(xué)中可采用Multisim軟件。

通過實踐，將仿真軟件應(yīng)用在電工教學(xué)過程中，可以幫助學(xué)生加深對理論知識的理解，使學(xué)生擁有一個“零消耗”的實驗平臺，縮短從理論知識到實際應(yīng)用的過程。只要學(xué)生感興趣，課堂教學(xué)中涉及的每一款電路都可以在仿真平臺驗證其功能，這是傳統(tǒng)實驗所不能比擬的。但必須指出，仿真不能完全代替實物，在實際應(yīng)用中會遇到很多問題，所以不能完全替代傳統(tǒng)的實驗手段，因此在實際的教學(xué)過程中，應(yīng)把實驗環(huán)節(jié)和電路仿真結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而提高電工學(xué)課程的教學(xué)效率，達到好的教學(xué)效果。

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