Multisim软件在数字电子技术实验中的应用

吴 彤

(常州大学微电子与控制工程学院，江苏 常州 213164)

0 引言

数字电子技术课程是电子信息科学与电气信息类相关专业的基础课程，该课程基本性质即为电子技术方面入门的技术基础课，其教学任务在于使学生能够获得数字电子技术方面的相关理论、技能，为今后在其他专业课中的应用打下基础。作为本课程实践教学依托的实验教学，目的则在于使学生熟练掌握数字电路的实验方法，激发学生的学习兴趣。由于在实际的教学过程中，学生对于枯燥的教学内容无法提起学习兴趣，教学效果有待提升,因此为结合当今数字电子技术的教学改革要求，将Multisim软件仿真教学引进实验课堂。仿真实验教学的引进，不仅能够将原本抽象的知识变得形象，更能完成在实操实验教学中没有实验条件的新型元器件的使用及电路设计，而不仅仅是书本上的理论堆砌。由数字电子技术的基础课程仿真实验为引导，使学生愿意更深入地去了解、学习本专业其他相关软件，提升学生实践能力。

1 Multisim软件简介

最初的Multisim软件是加拿大Interactive Image Technologies Ltd(简称IIT公司)推出的EWB5.0的升级版本，第一代Multisim软件是2001年该公司的EWB6.0软件更名而来，2005年IIT公司并入美国国家仪器有限公司NI后，相继推出Multisim软件的更新版本。

Multisim软件在不断地更新过程中，延续了EWB软件的直观界面、操作方便、简单易用等优点，同时在软件的功能上做到了创新性的升级改动。当前的Multisim软件已能够更加有效灵活地完成电子电路设计、虚拟仿真的工作需求，使操作者可更加方便地完成真实数据和仿真数据的比较，避免设计上的反复。

在数字电子技术的实验教学中，Multisim软件使得实验电路的绘制、验证过程得以简化。软件界面具有操作简便、易于使用的特点，基本操作界面包括：菜单栏、工具栏、仿真开关、虚拟仪器栏、电路仿真工作区等，该界面即相当于一个小型的虚拟实验仿真平台。该平台内囊括了数字电子技术实验中的常用器件库：基本元件库(电容、电阻、开关等基本元件)、晶体管库、TTL元件库、CMOS元件库、微控制器元件库等。在实际操作过程中，应用该软件即可实现对数字逻辑电路的仿真实验，达到实验设计需求。

2 Multisim软件在数字电子技术实验应用中的优缺点

2.1 Multisim软件在数字电子技术实验应用中的优点

1) 时间和空间的灵活性

一般高校的数字电子技术实验室条件有限，实验台或实验箱的数量仅能满足几人一组共同使用操作，而在这个过程中，定会导致某些学生处于观察同组学生进行实操而自己直接获取实验结果数据的状态，这使得数字电子技术实验教学不能达到原有设想的效果，部分学生动手实践能力得不到锻炼；并且实验室使用时间有限，部分实验室未做开放式管理，学生无法在课外其他时间完成相关扩展的实验设计。而Multisim软件则打破了传统数字电子技术实验对于时间、空间上的限制，使学生能够随时随地完成实验的仿真设计，且由于数字电子技术的特殊性，其仿真结果一般与实际实验操作得到的结果几乎相同，有助于学生提高学习效率，对于课外扩展实验的仿真实现，则有效地培养了学生的设计能力及创造力。

2) 器件和仪器选择的灵活性

在传统的数字电子技术实操实验中，由于课时及实验室的相关限制，实验项目仅能选择课堂内容中小部分电路及器件进行实操。例如某些芯片采购困难，某些仪器实验室未大量采购等因素，令学生无法完成某些验证性或设计性的实验。而Multisim软件强大的元器件库、丰富的虚拟仪表等，则满足了学生对于课程中或课程以外遇到的相关元器件的使用需求。对于初学者来说，能快速地在软件的元器件组中搜索到相关器件，虚拟仪器栏中也提供了多样的仪器仪表，例如：函数发生器、示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪等。因此Multisim软件能够令学生了解使用在实操实验中没有条件完成的实验仿真，达到扩展学习内容的目的。

3) 交互界面的灵活性

在使用Multisim软件进行数字电子技术实验仿真时，首先最为学生关注的便是软件的操作、学习、使用。一般数字电子技术的学习都是安排在大学二年级，大部分大二学生未接触过某些专业性软件学习，那么软件的交互界面使用是否便捷，便是学生激发学习兴趣的首要条件。Multisim软件界面是以Windows应用软件为基础设计的界面风格，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，令使用者能够根据自有的Windows应用软件使用基础为依托，完成该软件的使用学习，元器件的放置、电路的连接都极为简单便捷，并且在电路原理图创建完成后，仿真结果同时在一个窗口界面显示出来；在学生熟悉了软件的界面操作后，可更加熟练地完成实验电路的搭建与实验结果分析，显著提高学生的学习效率。

2.2 Multisim软件在数字电子技术实验应用中的缺点

1) 学生实操的局限性

虽然Multisim软件能够满足学生个体的仿真实验分析实现，但这并不能代替学生在传统实验中那种亲自动手连线的操作，由于实操中会遇到某些电路连接的相关问题，如接线接触不良、芯片未接电、电源线连接错等操作而导致实验结果无法实现、甚至烧毁芯片的情况，这些不可控因素能够促使学生在实际操作过程中自觉检查电路多次后再通电操作，观察实验结果。在Multisim软件的虚拟仿真中，仅仅需要点击鼠标进行电路修改，弱化了学生的动手能力和电路故障排除能力。

2) 选择器件的局限性

Multisim软件强大的元器件库虽能实现某些因实验室条件有限而不能完成的电路搭建，但虚拟的元器件与现实的元器件还是存在差距，虽然功能相同，但某些芯片的引脚与仿真软件中的器件引脚不符，某些器件都是简化后的状态，仅用于实现功能即可。这使得学生不能对某些实际中使用的如可变电阻、电容、集成芯片有较高的辨认能力，与实操实验存在差距。

3) 仪表测试的局限性

丰富的虚拟仪表是Multisim软件的一大优势，但在实际使用中，仅是数字电子技术基础实验中的TTL与非门的参数测试中即可发现，在实验箱或实验台进行实操中得到的输出电压数据与Multisim软件仿真得到的输出电压数据存在着很大差别，究其原因，则是虚拟仪器仪表都是在理想状态下的精确测量，而实际的测量仪器仪表则是有内阻，有误差存在的，因此某些时候，虚拟仪表不能完全替代实操中的测量仪表。

3 Multisim软件在数字电子技术实验中的实际应用

接下来我们将借助虚拟仿真软件来实现《数字电子技术》这门课程的实验应用。以使用JK触发器和门电路设计一个同步七进制计数器为例，利用Multisim软件进行虚拟仿真。

3.1 设计思路

根据实验设计要求，同步七进制计数器有七个不同状态，分别为S0=000，S1=001，S2=010，S3=011，S4=100，S5=101，S6=110，其中S=111状态为无效态。

列出七进制计数器的状态转换表如表1所示，其中Qn为现态Qn+1为次态。

表1 状态转换表

由状态转换表可推出七进制计数器的次态卡诺图，根据次态卡诺图和课程中学到的JK触发器的特性方程则可得到各触发器的驱动卡诺图如图1所示。

图1 各触发器的驱动卡诺图

由图1的各触发器的卡诺图，得到各触发器的驱动方程如下：

(1)

根据驱动方程(1)，绘制出同步七进制计数器的逻辑电路图如图2所示。

图2 同步七进制计数器的逻辑电路图

3.2 同步七进制计数器的Multisim仿真

在Multisim中进行电路仿真时，选择使用两片双JK触发器74LS112、一片四组2输入端与非门74LS00和一片四组2输入端与门74LS08构成同步七进制计数器。

图3 仿真电路接线图

2)将连接好的电路输出端接逻辑分析仪XLA1进行输出波形观察，逻辑分析仪在软件右侧仪器工具栏中点击拖入使用，双击XLA1打开分析仪波形显示窗口，逻辑分析仪波形图如图4所示，时钟/格设为7，可以观察得知，每7次脉冲完成一个计数周期。

图4 电路仿真测试波形图

3) 采用虚拟元件DCD_HEX进行计数器输出状态显示，具体接线如图3所示，时钟源默认为1kHz，在逻辑分析仪中观察波形时，波形能够良好显示，但观察到输出波形及数码管DCD_HEX的数字变换过快，不利于肉眼观察，因此可以将脉冲频率改为100 Hz，运行仿真，数码管由0～6循环显示数字，实现了同步七进制计数器设计功能。

3.3 思考

仿真实验中，通过数码管和LED电平显示，将七进制计数器的逻辑功能更加直观地显现出来，根据电路设计思路，学生能够进行更多的修改设计，完成不同进制的计数器设计。在仿真实验完成后，将更好地为学生提供在实操中的理论思路，一方面能够使学生在实操实验前进行预习，了解芯片及元器件的相关接线要求，减少操作不当的情况发生，另一方面，在完成实操实验后，学生可将两次实验结果进行对比，针对不同的实验项目，则会发现前文所说的，虚拟仪器的测试结果局限性。

4 结语

数字电子技术作为电子信息科学与电气信息类相关专业的基础课程，其理论相较强，某些课程内容较为抽象、晦涩难懂。在教学过程中，极易令学生理解困难，产生困惑，而通过引入Multisim软件实验仿真与实操实验相结合的教学方式，能够令学生加深对相关元器件和仪表的使用方法，激发学生的学习兴趣，提升学生创新能力，为后续的专业课学习打下良好基础。