Multisim在模拟电路和数字电路课程中的应用

张辉，何春燕，王玮

（重庆邮电大学移通学院，重庆合川，401520）

0 引言

模拟电子技术和数字电路与逻辑设计是高等学校中的一门极其重要的专业基础课程[1-2]，这两门课程与《电路分析基础》、《高频电子电路》课程结合起来被人们简称为“四电”课程[3]。可以说要学好“四电”，《电路分析基础》是基础，《高频电子电路》是进阶，其中《模拟电子技术》和《数字电路与逻辑设计》才是关键。而在教学中，学生学习存在一定的问题：基础差，缺乏动力，积极性差，缺乏兴趣。这就迫切需求虚拟实验平台来辅助教学，帮助学生提高学习兴趣和动力。

模拟电子技术课程讲授常用电子元件的基本特性及应用，讲授模拟基本单元电路的组成、基本工作原理、制作与调试、功能测试及其应用。数字电路与逻辑设计课程讲授各种电子元器件构成的组合电路和时序电路的特性及应用，讲授数字逻辑器件、数字逻辑电路的基本工作原理、调试、功能测试及其应用。如果结合虚拟实验平台，可更好的使学生获得模拟电子技术和数字电路与逻辑设计必备的基本理论、基础知识的同时，提高他们分析问题、解决问题以及实践应用的能力。

Multisim是美国国家仪器公司推出的一款以Windows为基础的仿真工具，该工具可用于对模拟电路的仿真或者数字电路板的仿真与设计。该软件不仅有丰富的元件库，用户根据实际可以调取所需元器件，并且对于调取元件的参数可根据自己的需求进行修改，有助于学生理解元器件的使用功能及使用方法。同时该软件的操作界面清晰直观，简单易学，容易被学生接受，这对于刚刚接触电子技术专业课的学生来说方便轻松了很多。

对于部分出入口较多的干线公路，需要设置全高架，上下匝道等，工程规模及造价较高。因此，部分城市提出城市准快速路的改造标准，局部保留信控平交口。该形式主要适用于城市快速化要求不高，周边横向交叉道路较多，且主要道路较少的干线公路。例如，吴江市南北快速干线。

本文是基于通信专业基础课程的教学新型授课模式的探讨和设计，对模拟电子技术和数字电路与逻辑设计课程中教师教学和学生学习中所存在的问题，尝试运用电子仿真软件的强大功能来促进解决教学中存在的部分问题。本文以节日彩灯控制器的设计为例，详细阐述Multisim在模拟电子技术和数字电路与逻辑设计中的应用[4-5]。

1 Multisim在模拟电子技术和数字电路逻辑设计课程中设计流程

数字电路与逻辑设计中时序逻辑电路应用十分广泛，时序逻辑电路正常工作就少不了时钟脉冲信号，所以脉冲电路的设计尤为重要。

2.2.1 电源部分设计与仿真

图1 Multisim在课程教学中的应用流程图

2 基于Multisim的节日彩灯控制器设计

■2.1 设计要求

2.2.2 脉冲产生电路设计与仿真

本文利用555定时器构成多谐振荡器，利用Multisim仿真电路及结果如图3所示，所选用R1和R2阻值分别为100kΩ和680kΩ，电容C取值为1μF，实现了正常的脉冲信号，其输出频率和占空比符合设计要求，输出周期T和占空比q由式（1）和式（2）计算可得，周期T约为1.022s，占空比q约为53.42%。由图3仿真结果可知，该电路输出脉冲频率为988MHz，与计算结果基本吻合。

1∶250 000 DLG数据的更新，以1∶50 000 DLG数据库为基础，参考交通资料、地理国情监测成果资料，对1∶250 000 DLG数据库中的交通、居民地、境界、地名、水系要素进行更新。

■2.2 电路设计及仿真

毕淑敏毫不怀疑在 “此岸”的对面有一个光明的 “彼岸”,在那里存在着“公正、合理、秩序、规范”,也许途中荆棘密布,但只要用心寻找总能到达。因此，她的文章洋溢着一种类似西方19世纪文学所特有的乐观，[13]体现出温暖柔和的风格。

不管在模拟电路还是在数字电路中，我们一般需要直流稳压电源，而在模拟电子技术课程中我们学习了直流稳压电源的设计过程。大致过程如下：首先是变压，如果交流电压过高，则第一步要利用变压器将高压交流电变为所需要的低压交流电；其次是整流，利用整流器把低压交流电变化为直流电；然后是滤波，由于整流出的直流电中依然存在部分交流电，所以通过滤波器将多余的交流电滤除；最后是稳压，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本文设计的直流稳压电源电路在Multisim中的仿真如图2所示，由仿真结果显示，13V交流电源最终变换为直流5V电源，达到预期要求。

图2 直流稳压电源仿真电路与结果

节日彩灯是生活中经常遇到的，学生对彩灯熟知却不知其具体电路，设计节日彩灯可以增进学生与课堂理论知识之间的距离。节日彩灯变化多样，实现方式也多种多样，结合模拟电子技术和数字电路与逻辑设计课程，可提高学生创新能力。彩灯电路简单，实现容易，且与课本知识又密不可分，彩灯设计可增强学生学习的自信心和学习动力。结合模拟电路和数字电路可以实现多种形式的彩灯，本文所要完成的电路设计要求如下：

模拟电子技术讲授的电子元件包含常用半导体二极管、三极管、场效应管等，数字电路与逻辑设计讲授各种电子元器件构成的门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路等等。如果将这些冰冷的器件与电路在课堂上用虚拟实验平台表现出来，学生学习会更有兴趣，更好提高学生学习效果。将Multisim仿真软件应用于这两门课程的流程图如图1所示，首先要明确教学内容，根据课程安排确定教学方案，在前面几次课可根据学生是否熟悉Multisim仿真软件，有选择的演示元件的选择和电路的搭建，再进行电路的结果仿真，这样有利于学生知识理解和课上时间充分利用，还可使学生快速上手软件的使用。然后通过仿真过程和仿真结果演示并验证相关知识（如发光二极管和D触发器）的基本原理和应用特点，使学生在操作中掌握课本知识，并能在应用中开拓思维。最后通过学生问题反馈和教师总结，让学生对所学理论知识加以巩固。

改造建筑设施，延续旧建筑设计风格，可以保留原有的建筑设施，减少资源的投入，降低工程施工对周边环境的不利影响，新旧建筑的设施项目协调发展，从而提升城市的环境质量。

（1）设计一个4路移存型彩灯控制器；（2）要求彩灯能完成从左至右或从右向左循环被点亮；（3）自行设计直流5V电源，要求由交流13V变换到直流5V；（4）所需脉冲信号要求用555定时器构成的多谐振荡器构成，要求输出周期1s，占空比接近50%。

图3 555定时器构成多谐振荡器的仿真电路

2.2.3 移存控制电路设计

移存型彩灯控制器最关键的部分就是控制电路设计，结合设计要求本文选择移位寄存器为主控芯片（74LS194为数字电路与逻辑设计课本所学芯片）。

由图4可知，该4路彩灯控制器以时序逻辑电路—移位寄存器74LS194为核心器件，组合逻辑电路—与非门7400为部分器件；其中脉冲以1Hz脉冲发生器代替，电源以5.0V直流电源VCC代替，彩灯由四个发光二极管代替，并以4个100Ω电阻作为发光二极管的保护电阻（由于实际操作时，发光二极管很容易因无保护电阻损坏，这里可为学生提前养成在实验室操作的良好习惯）。74LS194芯片清零端CLR接高电平，保证芯片正常工作；S1和S0分别接高电平和低电平，CLK接脉冲，可使芯片处于左移功能状态。利用与非门7400，使输出端QA经与非门接SL，就可完成输出端循环左移状态，其输出真值表如表1所示。可以看出，接通电源瞬间，输出全为低电平，当送进一个上升沿脉冲，输出QD输出高电平，其他输出不变，再送进一个上升沿脉冲，输出QD和QC输出都为高电平，依次类推，输出从右向左循环为高电平，即是彩灯从右向左循环被点亮，完成左移功能。

依托双主体办学优势，与合作企业共同打造网络教学综合服务平台——智慧学习平台，为翻转课堂、创客教育、第二课堂等教学模式提供实践平台，提高学生自主学习能力和课堂教学效果。通过智慧学习平台，落实以学生为中心的个性化培养体系，根据学生的学习情况，对学生进行分层培养。同时，通过“学业周期大闭环迭代，学习过程小闭环推进”的全周期闭环反馈实施体系、学业动态预警机制、毕业生跟踪反馈机制和社会需求反馈机制，建立动态、开放、持续改进的质量保障体系，构建“以生为本”的教学生态环境。

表1 移存控制电路输出真值表

图4 移位寄存器74LS194构成的控制电路及仿真结果

3 结语

本文以设计节日彩灯控制器为例，将模拟电路中的二极管知识和直流电源相关知识，数字电路中的555定时器、多谐振荡器、时序逻辑电路相关知识，以虚拟仿真软件Multisim呈现出来，可以看出在模拟电子技术和数字电路与逻辑设计课程理论和实验教学中，适当引入Multisim电路仿真软件进行辅助教学，将抽象的理论较为形象地显示出来，便于学生理解，在一定程度上可以激发学生的学习兴趣，提高学生的实践动手能力和创新思维。