吳 彤

(常州大學(xué)微電子與控制工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)課程是電子信息科學(xué)與電氣信息類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程基本性質(zhì)即為電子技術(shù)方面入門的技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)任務(wù)在于使學(xué)生能夠獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的相關(guān)理論、技能，為今后在其他專業(yè)課中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。作為本課程實踐教學(xué)依托的實驗教學(xué)，目的則在于使學(xué)生熟練掌握數(shù)字電路的實驗方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于在實際的教學(xué)過程中，學(xué)生對于枯燥的教學(xué)內(nèi)容無法提起學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果有待提升,因此為結(jié)合當(dāng)今數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)改革要求，將Multisim軟件仿真教學(xué)引進(jìn)實驗課堂。仿真實驗教學(xué)的引進(jìn)，不僅能夠?qū)⒃境橄蟮闹R變得形象，更能完成在實操實驗教學(xué)中沒有實驗條件的新型元器件的使用及電路設(shè)計，而不僅僅是書本上的理論堆砌。由數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)課程仿真實驗為引導(dǎo)，使學(xué)生愿意更深入地去了解、學(xué)習(xí)本專業(yè)其他相關(guān)軟件，提升學(xué)生實踐能力。

1 Multisim軟件簡介

最初的Multisim軟件是加拿大Interactive Image Technologies Ltd(簡稱IIT公司)推出的EWB5.0的升級版本，第一代Multisim軟件是2001年該公司的EWB6.0軟件更名而來，2005年IIT公司并入美國國家儀器有限公司NI后，相繼推出Multisim軟件的更新版本。

Multisim軟件在不斷地更新過程中，延續(xù)了EWB軟件的直觀界面、操作方便、簡單易用等優(yōu)點，同時在軟件的功能上做到了創(chuàng)新性的升級改動。當(dāng)前的Multisim軟件已能夠更加有效靈活地完成電子電路設(shè)計、虛擬仿真的工作需求，使操作者可更加方便地完成真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的比較，避免設(shè)計上的反復(fù)。

在數(shù)字電子技術(shù)的實驗教學(xué)中，Multisim軟件使得實驗電路的繪制、驗證過程得以簡化。軟件界面具有操作簡便、易于使用的特點，基本操作界面包括：菜單欄、工具欄、仿真開關(guān)、虛擬儀器欄、電路仿真工作區(qū)等，該界面即相當(dāng)于一個小型的虛擬實驗仿真平臺。該平臺內(nèi)囊括了數(shù)字電子技術(shù)實驗中的常用器件庫：基本元件庫(電容、電阻、開關(guān)等基本元件)、晶體管庫、TTL元件庫、CMOS元件庫、微控制器元件庫等。在實際操作過程中，應(yīng)用該軟件即可實現(xiàn)對數(shù)字邏輯電路的仿真實驗，達(dá)到實驗設(shè)計需求。

2 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實驗應(yīng)用中的優(yōu)缺點

2.1 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實驗應(yīng)用中的優(yōu)點

1) 時間和空間的靈活性

一般高校的數(shù)字電子技術(shù)實驗室條件有限，實驗臺或?qū)嶒炏涞臄?shù)量僅能滿足幾人一組共同使用操作，而在這個過程中，定會導(dǎo)致某些學(xué)生處于觀察同組學(xué)生進(jìn)行實操而自己直接獲取實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的狀態(tài)，這使得數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)不能達(dá)到原有設(shè)想的效果，部分學(xué)生動手實踐能力得不到鍛煉；并且實驗室使用時間有限，部分實驗室未做開放式管理，學(xué)生無法在課外其他時間完成相關(guān)擴(kuò)展的實驗設(shè)計。而Multisim軟件則打破了傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實驗對于時間、空間上的限制，使學(xué)生能夠隨時隨地完成實驗的仿真設(shè)計，且由于數(shù)字電子技術(shù)的特殊性，其仿真結(jié)果一般與實際實驗操作得到的結(jié)果幾乎相同，有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，對于課外擴(kuò)展實驗的仿真實現(xiàn)，則有效地培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計能力及創(chuàng)造力。

2) 器件和儀器選擇的靈活性

在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實操實驗中，由于課時及實驗室的相關(guān)限制，實驗項目僅能選擇課堂內(nèi)容中小部分電路及器件進(jìn)行實操。例如某些芯片采購困難，某些儀器實驗室未大量采購等因素，令學(xué)生無法完成某些驗證性或設(shè)計性的實驗。而Multisim軟件強(qiáng)大的元器件庫、豐富的虛擬儀表等，則滿足了學(xué)生對于課程中或課程以外遇到的相關(guān)元器件的使用需求。對于初學(xué)者來說，能快速地在軟件的元器件組中搜索到相關(guān)器件，虛擬儀器欄中也提供了多樣的儀器儀表，例如：函數(shù)發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀等。因此Multisim軟件能夠令學(xué)生了解使用在實操實驗中沒有條件完成的實驗仿真，達(dá)到擴(kuò)展學(xué)習(xí)內(nèi)容的目的。

3) 交互界面的靈活性

在使用Multisim軟件進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實驗仿真時，首先最為學(xué)生關(guān)注的便是軟件的操作、學(xué)習(xí)、使用。一般數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)都是安排在大學(xué)二年級，大部分大二學(xué)生未接觸過某些專業(yè)性軟件學(xué)習(xí)，那么軟件的交互界面使用是否便捷，便是學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的首要條件。Multisim軟件界面是以Windows應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)設(shè)計的界面風(fēng)格，采用菜單、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，令使用者能夠根據(jù)自有的Windows應(yīng)用軟件使用基礎(chǔ)為依托，完成該軟件的使用學(xué)習(xí)，元器件的放置、電路的連接都極為簡單便捷，并且在電路原理圖創(chuàng)建完成后，仿真結(jié)果同時在一個窗口界面顯示出來；在學(xué)生熟悉了軟件的界面操作后，可更加熟練地完成實驗電路的搭建與實驗結(jié)果分析，顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.2 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實驗應(yīng)用中的缺點

1) 學(xué)生實操的局限性

雖然Multisim軟件能夠滿足學(xué)生個體的仿真實驗分析實現(xiàn)，但這并不能代替學(xué)生在傳統(tǒng)實驗中那種親自動手連線的操作，由于實操中會遇到某些電路連接的相關(guān)問題，如接線接觸不良、芯片未接電、電源線連接錯等操作而導(dǎo)致實驗結(jié)果無法實現(xiàn)、甚至燒毀芯片的情況，這些不可控因素能夠促使學(xué)生在實際操作過程中自覺檢查電路多次后再通電操作，觀察實驗結(jié)果。在Multisim軟件的虛擬仿真中，僅僅需要點擊鼠標(biāo)進(jìn)行電路修改，弱化了學(xué)生的動手能力和電路故障排除能力。

2) 選擇器件的局限性

Multisim軟件強(qiáng)大的元器件庫雖能實現(xiàn)某些因?qū)嶒炇覘l件有限而不能完成的電路搭建，但虛擬的元器件與現(xiàn)實的元器件還是存在差距，雖然功能相同，但某些芯片的引腳與仿真軟件中的器件引腳不符，某些器件都是簡化后的狀態(tài)，僅用于實現(xiàn)功能即可。這使得學(xué)生不能對某些實際中使用的如可變電阻、電容、集成芯片有較高的辨認(rèn)能力，與實操實驗存在差距。

3) 儀表測試的局限性

豐富的虛擬儀表是Multisim軟件的一大優(yōu)勢，但在實際使用中，僅是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗中的TTL與非門的參數(shù)測試中即可發(fā)現(xiàn)，在實驗箱或?qū)嶒炁_進(jìn)行實操中得到的輸出電壓數(shù)據(jù)與Multisim軟件仿真得到的輸出電壓數(shù)據(jù)存在著很大差別，究其原因，則是虛擬儀器儀表都是在理想狀態(tài)下的精確測量，而實際的測量儀器儀表則是有內(nèi)阻，有誤差存在的，因此某些時候，虛擬儀表不能完全替代實操中的測量儀表。

3 Multisim軟件在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的實際應(yīng)用

接下來我們將借助虛擬仿真軟件來實現(xiàn)《數(shù)字電子技術(shù)》這門課程的實驗應(yīng)用。以使用JK觸發(fā)器和門電路設(shè)計一個同步七進(jìn)制計數(shù)器為例，利用Multisim軟件進(jìn)行虛擬仿真。

3.1 設(shè)計思路

根據(jù)實驗設(shè)計要求，同步七進(jìn)制計數(shù)器有七個不同狀態(tài)，分別為S0=000，S1=001，S2=010，S3=011，S4=100，S5=101，S6=110，其中S=111狀態(tài)為無效態(tài)。

列出七進(jìn)制計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示，其中Qn為現(xiàn)態(tài)Qn+1為次態(tài)。

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

由狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可推出七進(jìn)制計數(shù)器的次態(tài)卡諾圖，根據(jù)次態(tài)卡諾圖和課程中學(xué)到的JK觸發(fā)器的特性方程則可得到各觸發(fā)器的驅(qū)動卡諾圖如圖1所示。

圖1 各觸發(fā)器的驅(qū)動卡諾圖

由圖1的各觸發(fā)器的卡諾圖，得到各觸發(fā)器的驅(qū)動方程如下：

(1)

根據(jù)驅(qū)動方程(1)，繪制出同步七進(jìn)制計數(shù)器的邏輯電路圖如圖2所示。

圖2 同步七進(jìn)制計數(shù)器的邏輯電路圖

3.2 同步七進(jìn)制計數(shù)器的Multisim仿真

在Multisim中進(jìn)行電路仿真時，選擇使用兩片雙JK觸發(fā)器74LS112、一片四組2輸入端與非門74LS00和一片四組2輸入端與門74LS08構(gòu)成同步七進(jìn)制計數(shù)器。

圖3 仿真電路接線圖

2)將連接好的電路輸出端接邏輯分析儀XLA1進(jìn)行輸出波形觀察，邏輯分析儀在軟件右側(cè)儀器工具欄中點擊拖入使用，雙擊XLA1打開分析儀波形顯示窗口，邏輯分析儀波形圖如圖4所示，時鐘/格設(shè)為7，可以觀察得知，每7次脈沖完成一個計數(shù)周期。

圖4 電路仿真測試波形圖

3) 采用虛擬元件DCD_HEX進(jìn)行計數(shù)器輸出狀態(tài)顯示，具體接線如圖3所示，時鐘源默認(rèn)為1kHz，在邏輯分析儀中觀察波形時，波形能夠良好顯示，但觀察到輸出波形及數(shù)碼管DCD_HEX的數(shù)字變換過快，不利于肉眼觀察，因此可以將脈沖頻率改為100 Hz，運行仿真，數(shù)碼管由0～6循環(huán)顯示數(shù)字，實現(xiàn)了同步七進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計功能。

3.3 思考

仿真實驗中，通過數(shù)碼管和LED電平顯示，將七進(jìn)制計數(shù)器的邏輯功能更加直觀地顯現(xiàn)出來，根據(jù)電路設(shè)計思路，學(xué)生能夠進(jìn)行更多的修改設(shè)計，完成不同進(jìn)制的計數(shù)器設(shè)計。在仿真實驗完成后，將更好地為學(xué)生提供在實操中的理論思路，一方面能夠使學(xué)生在實操實驗前進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解芯片及元器件的相關(guān)接線要求，減少操作不當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生，另一方面，在完成實操實驗后，學(xué)生可將兩次實驗結(jié)果進(jìn)行對比，針對不同的實驗項目，則會發(fā)現(xiàn)前文所說的，虛擬儀器的測試結(jié)果局限性。

4 結(jié)語

數(shù)字電子技術(shù)作為電子信息科學(xué)與電氣信息類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其理論相較強(qiáng)，某些課程內(nèi)容較為抽象、晦澀難懂。在教學(xué)過程中，極易令學(xué)生理解困難，產(chǎn)生困惑，而通過引入Multisim軟件實驗仿真與實操實驗相結(jié)合的教學(xué)方式，能夠令學(xué)生加深對相關(guān)元器件和儀表的使用方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生創(chuàng)新能力，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。