Multisim10中的虚拟仪器在电子实验教学中的应用探索

（天津理工大学 自动化学院，天津 300384）

Multisim10是美国NI公司推出的的电子仿真软件，是一个完整的集成化设计环境。提供了21种虚拟测试仪器/仪表。这些虚拟仪器和现实中所使用的仪器一样，可以直接通过仪器观察电路的运行状态。同时，虚拟仪器还充分利用了计算机处理数据速度快的优点，对测量的数据进行加工处理，并产生相应的结果。这样学生上实验课之前，可以利用课余时间进行Multisim仿真，熟悉实验内容，课后可以利用Multisim仿真，可以和实际测量的结果进行比较，分析出现的问题。很大程度上解决了实验室普遍存在仪表种类和数量有限、开放时间有限的问题。

一、Multisim10中的虚拟仪器简介

Multisim10仪器库中的虚拟仪表如图1所示,从左至右分别是：数字万用表（Multimeter）、失真分析仪（Distortion Analyzer）、函数信号发生器（Function Generator）功率表（Wattmeter）、双踪道示波器（Oscilloscope）、频率计（Frequency Counter）、安捷伦函数发生器（Agilent Funcition Generator）、四踪示波器（Four-channel Oscilloscope）、、波特图示仪（Bode Plotter）、IV 分析仪（IV Analyzer）、字信号发生器（Word Generator）、逻辑转换仪（Logic Converter）、逻辑分析仪（Logic Anlyzer）、安捷伦示波器（Agilent Oscilloscope）、安捷伦万用表（Agilent Multimeter）、频谱分析仪（Spectrum Analyzer）、网络分析仪（Network Analyzer）、泰克示波器（Tektronix Oscilloscope）、电流探针（Current probe）、LabVIEW仪器（LabVIEW Insturment）、测量探针（measurement probe）。这些仪器在电路分析中都起到很重要的作用。

本文通过几个典型实例，介绍Multisim中的虚拟仪器在电工电子实验教学中的具体应用。

二、虚拟示波器（Oscilloscope）和逻辑分析仪（Logic Anlyzer）的应用

虚拟示波器（Oscilloscope）包括双踪道示波器、四踪示波器、安捷伦示波器、泰克示波器等；能够完成信号的测量，显示等，完全可以媲美实际示波器。

逻辑分析仪（Logic Anlyzer）是利用时钟从测试设备上采集和显示数字信号的仪器，最主要作用在于时序判定。对数字系统进行分析和故障判断非常有用，该仪器价格昂贵，一般高校实验室都没有购买该仪器。利用Multisim10的虚拟示波器和逻辑分析仪可以很方面的进行电子实验的结果预判和故障排查。

1.应用1：异步二进制计数器实验故障排查

该实验要求搭建一个异步二进制计数器，从CP端输入单脉冲，测试并记录Q1～Q4的状态及波形。

传统的教学模式是在数字实验箱上进行的；该实验箱具有多种芯片插座和输入电平源、脉冲源、输出指示灯等组成；在实验中，有的学生发现了下面的现象，模拟实验箱的Q1、Q2、Q3、Q4指示灯；Q4一直不亮，也就是说异步二进制加法计数器只能从000计数到111；问题出在哪里？

要想查找该问题，需要把脉冲输入和Q1、Q2、Q3、Q4引入仪器观测，观察那一路出现问题；由于实验室只有2通道的示波器无法观察输入和多路输出；Multisim中的多通道虚拟示波器或者虚拟逻辑分析仪可以解决这个问题；

首先，在实验开始前，按照实验指导书在Multisim中搭建异步二进制加法计数器电路图，把输入，Q1、Q2、Q3、Q4都引入虚拟示波器；这样就可以观测输入变化时，中间过程及输出的变化情况；

图1 异步二进制计数器仿真电路

二进制加法计数器输出Q1、Q2、Q3、Q4的波形如下：

图2 Q1、Q2、Q3、Q4 仿真测试波形

光标1、2之间就是一个异步加法二进制一个计数周期输出，从0000记数到1111；

这个和传统的实验对比，可以让学生加深对J、K触发器的理解。

现在的问题是计数器只能计数到111；使用逻辑分析仪就可以观察多于4路以上的信号，把输入脉冲连接到逻辑分析仪的时钟输入端，Q1、Q2、Q3、Q4 连接到逻辑分析仪的 1、2、3、4 通道；点击逻辑分析仪属性，设置逻辑分析仪：

图3 虚拟逻辑分析仪时钟设置界面图

选择外部时钟源，时钟频率设置和输入脉冲频率一致即可。然后再设置每格含多少时钟数，设置50即可；下面是出现问题的波形：

图4 输入时钟、Q1、Q2、Q3、Q4仿真测试波形

Q4一直为低，所以灯一直不亮；通过对比每一级J-K触发器输入输出，发现第4个触发器存在问题；Q3的下降沿来了以后，Q4没有变化，这存在几种可能：

●J、K连线错误；

●CLR连线错误；

●第4个触发器损坏；

通过排查，发现第4个触发器的J端导线断裂，更换导线，在测试，计数器功能正常。

2.应用2：异步二--十进制计数器输出观测

在进行传统的异步二--十进制实验时，学生对计数记道1001还是1010产生了争论，如果用传统的方法观察，由于实验室没有4通道示波器，需要两台2通道的示波器一起观察，费时费力；通过Multisim中的虚拟4通道示波器很容易的解决了这个问题。

首先用Multisim搭建一个二-十进制加法计数器，通过虚拟4通道示波器观察 Q1、Q2、Q3、Q4输出即可；

图5 异步二-十进制计数器仿真电路

对4通道示波器进行设置；参数如下图所示：

图6 虚拟示波器参数设置界面

鼠标点击右侧旋钮，即可进行A、B、C、D通道切换。输出Q1、Q2、Q3、Q4的波形如下：

图7 Q1、Q2、Q3、Q4 仿真测试波形

光标1、2之间就是一个异步加法二进制一个计数周期输出，从0000记数到1001而不是1010；

三、虚拟函数信号发生器（Function Generator）的应用

函数信号发生器是电子实验中必不可少的仪器，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，为电路提供源。Multisim中的信号源有通用的函数信号发生器和Agilent函数信号发生器，都可产生正弦波、方波、三角波；可以满足电工电子实验的需要。

1.应用1：积分电路实验

积分电路实验是电子实验中一个较难的实验，主要是需要实时观测输入输出波形，改变输入，观察输出。传统的方法是一边改变，一边观察，很不方面。利用Multisim可以很好的解决这个问题。利用Multisim搭建的电路如下：

设置信号发生器，设置100Hz，幅度是2V的方波，参数设置如下：

通过示波器观察输入输出波形：

然后直接更改输入，输出也会立即跟着变化了。

四、结束语

借助电子仿真设计软件Multisim仿真软件及自带的丰富的虚拟仪器，很大程度上解决了实验室普遍存在仪表种类和数量有限、开放时间有限的问题。利用该软件，提高了学生的分析能力，对培养学生综合素质起到了积极的促进作用。