基于NI Multisim 10.1数字逻辑选择器的虚拟仿真

程秀英, 侯卫周,b

(河南大学 a.物理与电子学院;b.民生学院，河南 开封 475003)

基于NI Multisim 10.1数字逻辑选择器的虚拟仿真

程秀英a, 侯卫周a,b

(河南大学 a.物理与电子学院;b.民生学院，河南 开封 475003)

通过NI Multisim10.1电路软件对74HC153双四选一的数字逻辑选择器进行了仿真。利用搭建的仿真测试电路中的指示灯来监视输入端管脚和地址码管脚的取值变化，观察到了双四选一输出管脚的数据选择。将双四选一的功能扩展端通过附加门电路作为第三个地址码，能实现八选一的功能。虚拟仿真测试的结果与实际理论分析相一致。运用实例验证了将NI Multisim10.1仿真软件合理地引入电子电路实践教学后，能使理论教学变得更具体生动，有利于学生技能、素养的培养和数字电路课程教学效果的提升。

数字逻辑选择器；NI Multisim10.1软件；虚拟仿真；实验研究

在实际数字电路应用中，数字逻辑选择器指的是经过选择，把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上去[1-2]，能实现数据选择功能的逻辑电路，其作用相当于多个输入的单刀多掷开关。它是一种通用性很强的逻辑器件，除了可以实现一些组合逻辑设计外，还可用做分时多路传输电路、函数发生器、码制转换及数码比较器等。当用数字逻辑选择器来实现逻辑电路的诸多功能时，有时需通过大量的实验来辅助和加深理论学习[3]。传统的数字电路实验教学存在一定的局限性。NI Multisim是由美国国家仪器有限公司研发的电子电路模拟仿真软件。将较高版本的NI Multisim 10.1仿真软件用于电子线路实验教学[4-7]，对传统的实验教学模式能起到很好的补充作用。本文以双四选一(74HC153)数字逻辑选择器(又称为数据选择器)的工作过程为例，对其进行仿真分析，来说明和介绍NI Multisim 10.1仿真软件在电子电路实验教学中的广泛应用和开发。

1 数字电路中逻辑选择器的工作原理

根据地址码从多路数据中选择一路数据输出的器件，被称为数据选择器(MUX)，也称多路选择器或多路开关。利用数据选择器可将并行输入的数据转换成串行数据输出。数据选择器的逻辑功能是在地址选择信号的控制下，从多路数据中选择一路数据作为输出信号[8]，有四选一数据选择器、双四选一数据选择(型号为74HC153)、八选一数据选择器(型号为74151、74LS151、74251等)、十六选一数据选择器(可用两片74LS151连接起来构成)等之分。文中数据选择器型号中的HC(high-speed CMOS)代表高速CMOS系列，LS(low-power schottky)代表低功耗肖特基系列(下同)。 四选一的逻辑选择器的示意图如图1所示，其工作原理如下：

输出管脚Y的表达为

当A1A0=00时，Y= D0； 当A1A0=01时，Y= D1；当A1A0=10时，Y= D2； 当A1A0=11时，Y= D3。即地址码A1A0的值不同时，输出Y的值选择D0、D1、D2、D3中的一个数值，具有数据选择的功能。

图1 四选一数据选择器示意图

图1中，D0、D1、D2、D3管脚为输入端；A0、A1管脚为地址输入端；Y为选择数据的输出端。

双四选一的数字逻辑选择器74HC153包含两个完全相同的四选一数据选择器，它们共用相同的两个地址码A1和A0，如图2所示。

图2 双四选一数据选择器74HC153示意图

对于Y1、Y2的表达分别见式(2)和式(3)：

两个数据选择器有公共的地址输入端，但两个数据选择器的输入端、输出端及其附加控制端是各自独立的。通过给定不同的地址代码，即可从四个输入数据中选出所要的一个数据并送至输出端Y。当然，利用双四选一数据选择器74HC153可以添加必要的门电路、元器件及布线来构成八选一的数据选择器。市场上有现成的八选一数据选择器——74HC151，其示意图如图3所示。

图3 八选一数据选择器74HC151示意图

74HC151的工作原理如下：

八选一数字逻辑选择器的输出Y表达式为

当S′=1时，输出被封锁在低电平；当S′=1时，输出按照地址码取值可选出不同的数据，具体如下：

A2A1A0=000时，Y=D0；A2A1A0=001时，Y=D1；A2A1A0=010时，Y=D2；A2A1A0=011时，Y=D3；A2A1A0=100时，Y=D4；A2A1A0=101时，Y=D5；A2A1A0=110时，Y=D6；A2A1A0=111时，Y=D7。

图3中，D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7管脚为八个数据输入端；A2、A1、A0管脚为三个地址端；S′管脚为控制端；Y管脚为数据输出端；W′管脚是与Y互为反码的输出端。

若数字逻辑选择器的地址码个数是n，而选择器的数据输入端管脚个数是M，则两者之间需满足

M=2n(5)

2 数字逻辑选择器的虚拟仿真分析要求

2.1 构建数据选择器的仿真电路

按照数字逻辑选择器的管脚分布和逻辑功能，从元器件库中相应调出字发生器、必要的附加门电路、元器件和指示灯，选择特定的参数要求搭建数字逻辑选择器电路，并且按照上述介绍的各类数据选择器的原理掌握仿真电路的结构。

2.2 分析74HC153的逻辑功能

2.3 用74HC153构成八选一的数据选择器

3 NI Multisim 10.1对74HC153的虚拟仿真

3.1 构建数字逻辑选择器的仿真电路

按实际要求在NIMultisim10.1的软件平台上搭建如图4所示的虚拟仿真电路。从“仪器工作条”中调出字发生器；从元件库中调出两个单刀双掷开关、七个逻辑指示灯(颜色可不同，以示区分)、接地端、双四选一数据选择器74HC153D、由74HC153D构成的八选一数据选择器及布线结构。工作电压VCC=5V。

图4 双四选一数据选择器74HC153的逻辑仿真电路

3.2 虚拟仿真的操作步骤

1) 搭建74HC153的仿真电路(能实现四选一)。地址输入开关设置为由键盘的A、B键控制，控制端开关用键盘的空格键控制，数据输入由字发生器产生。通过字发生器的“设置”来使选择器按照“加计数”方式输出，起始模式为0000，缓冲区大小000F，频率选择2Hz。地址输入端数字信号利用红色逻辑指示灯监视，数据输入用绿色逻辑指示灯监视，待选的输出数据信号用蓝色逻辑指示灯监视(注：灯亮用逻辑数字“1”表示，灯灭用逻辑数字“0”表示，下同)。

2)打开仿真开关，点击字发生器的“循环”按钮，四个输入信号的绿色逻辑指示灯将按照不同的频率闪烁。通过按空格键，令“～1G”=1，再按A、B键改变地址码输入端BA逻辑数字的四种逻辑组合取值，再次观察输出1Y有无变化(注：本文中实现的四选一用软件中74HC153D的上面1Y输出，也可选用下面2Y进行输出)。

3)让“～1G”接为低电平(即“～1G” =0)，通过按A、B键来改变地址的输入BA值，观察74HC153D的输出1Y所接的蓝色逻辑指示灯的闪烁频率，与输入管脚的数据加以比较并记录。

4)八选一数据选择器根据三个不同地址码组合取值，能将八个输入数据中对应的一个选中，并输出到输出端1Y。可以利用74HC153D的附加控制端“～1G”和“～2G”将其扩展为八选一的数据选择器，如图5所示。地址码输入可以通过键盘上空格键来加以控制。地址码CBA的组合取值变化用绿色逻辑指示灯来测试；数据输入端接在字发生器上，用蓝色逻辑指示灯来监视；输出端用红色逻辑指示灯来监视。

5)通过按C、B、A三个键来改变地址的输入CBA逻辑组合取值，观察附加门74LS32D(实现逻辑“或”的功能)输出端的红色逻辑指示灯变化。

图5 由74HC153构成的八选一数据选择器逻辑仿真电路

3.3 虚拟仿真的测试结果

1)对74HC153D的仿真结果见表1(注：该表仅测试双四选一输出的一个管脚1Y结果，管脚2Y输出与其类似)。表1中“～1G”管脚取值为逻辑“1”或“0”，B和A的组合取值是逻辑“1”或“0”的组合，1Y管脚的输出是74HC153D数据输入管脚取值。控制信号“～1G”或“～2G”在低电平时有效，当控制信号“～1G”=0(即低电平)时，电路处于正常的工作状态；当附加控制信号“～1G”=1(即高电平)时，无论输入的地址码是什么取值组合，电路输出1Y总被封锁在低电平，即输出1Y=0。(注：2Y输出与1Y类似)

表1 74HC153D仿真电路测试结果

2)将双四选一数据选择器扩展成八选一的数据选择器，把“～1G”管脚作为第三个地址码的输入，通过非门74LS04D接到“～2G”管脚上，再将74HC153D的两个输出1Y和2Y的管脚接到逻辑或门74LS32D输入管脚上，此或门的输出管脚作为八选一的逻辑选择器最终输出，用红色逻辑指示灯进行监视。

从表1的虚拟仿真结果可看出，仿真测试结果和图4逻辑电路及双四选一数据选择器的理论分析是一致的。说明利用NIMultisim10.1对双四选一和由双四选一扩展成的八选一选择的输出数据是正确无误的，进一步验证了数字逻辑选择器实质就是一种多路选择器。同时也说明利用NIMultisim10.1软件对数字逻辑器件构成的电子电路仿真结果是正确的。同样，对于各种基本电路、模拟电路和高频电子线路的仿真，在满足一定条件下的仿真结果也是无误的(对这些电路的虚拟仿真，本文不予以详细探讨)。因此，NIMultisim10.1仿真软件完全可运用于实际电路教学中。

4 结束语

通过NI Multisim10.1构建的74HC153D数字逻辑选择器电路，利用字发生器产生的逻辑值作为输入端数据，采用单刀双掷开关 “合”“断”的意图是：(1)能反映使能端“～1G”和“～2G”的逻辑取值；(2)能进一步确定双四选一中哪个四选一处于正常的工作状态。利用单刀双掷开关的“合”“断”状态还能反映两个地址码变量A、B的四种组合取值，进一步决定输出管脚1Y选择四选一的输入数据1C0、1C1、1C2、1C3中的哪一个(注：2Y选择四选一的输入数据2C0、2C1、2C2、2C3中的一个)。为了能实现多个数据的选择，例如八选一，可以在74HC153D的基础上增加一个地址码，通过附加控制端“～1G”和“～2G”及必要的门电路将地址码扩展为A、B、C三个，此时地址码组合取值有八种情况，对应八个输入数据进行逐一选择并输出。同样，利用两片双四选一可扩展为十六选一的数据选择器。

通过各种模拟类和数字电子电路仿真类的实践证明，在对诸多模拟电路和数字电路进行理论分析的同时，利用NI Multisim10.1辅以虚拟测试的结果，能实现电子电路理论分析和实验验证同步进行。这不仅能增强教学的直观性与灵活性，而且能最大限度地利用有限授课学时，加深学生对基本理论知识的充分理解和牢固掌握，提高教学效果。同时，为传统的教学方法注入新的活力，使学生在学习理论的同时，又能见习实践的模型，增强学生对数字电路的感性认识，全面提高学生的实验技能和创新能力[10-12]。

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Virtual Simulation Study of the Digital Logic Selector Based on NI Multisim 10.1

CHENG Xiuyinga，HOU Weizhoua,b

(a. College of Physics and Electronics; b. College of Minsheng, He’nan University, Kaifeng 475003, China)

The digital logic selector of 74HC153 double four selected one has been simulated by the circuit software of NI Multisim 10.1. The values change of input pin and address code pin has been monitored by the indicator light of setting up simulation test circuit, observed output pin data selection of the 74HC153 digital logic selector. By the additional gate circuit, expansion port of the double four selected one digital logic selector as the third address code port, realized the function of selected one from eight. The simulation result is in accordance with theoretical arithmetic. Through actual example confirming, after reasonable utilization NI Multisim 10.1 in the experiment teaching of practice electronic circuit, the software can make abstract theoretical teaching become much concrete and vivid. At the same time, it is helpful to cultivate students’ literacy of skills and to enhance teaching effect of the digital circuit course.

digital logic selector; NI Multisim10.1 software; virtual simulation; experimental study

2014-12-04；修改日期: 2014-12-22

国家自然科学基金资助项目 (11103002)；河南大学民生学院教育教学改革研究基金资助项目(MSJa2014041)。

程秀英(1962-)，女，学士，实验师，主要从事电子电路实训与实习工作。

侯卫周(1973-)，男，硕士，副教授，主要从事电子电路教学与研究工作。

TN79.1, TP399

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.004