利用Multisim10软件提高数字电路的教学质量

张立萍，柴万东

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

摘 要：本文通过电路实例介绍了Multisim10软件的设计、仿真操作过程.在数字电路的理论课教学中应用Multisim10软件，可以使理论与实验相结合，使教学更灵活、更有效，可以培养学生的自学能力、创新能力和综合分析能力，进一步增强学生的自主学习性，充分激发学生的创新潜能，大大提高数字电路的课堂教学质量.

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关键词 ：数字电路设计；Multisim10软件；电路仿真；应用

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）03-0231-03

1 引言

数字电路课程是电子技术、信息通信、自动化控制和其他部分专业的一门专业基础必修课程，其传统的教学方法是首先进行理论学习，然后进行实验操作验证所学理论知识，目的是为了培养学生在数字电子电路的设计、实现过程中，分析问题、解决问题的能力，从而提高学生在数字电子技术领域的综合设计能力.利用Multisim软件分析和设计数字电路,可以方便的修改电路和元件参数,优化设计方案,加快设计过程,节约设计费用.通过教学实践已经证明了利用Multisim软件进行数字电路教学，可以提高学生的综合分析能力和解决问题的能力，从而提高了数字电路的教学质量.

2 Multisim10软件介绍

Muhisim10软件是一种电子设计自动化（简称EDA）软件，专门用于电子电路的设计与仿真.Muhisim10软件是以Windows为操作平台，它不仅提供了电路原理图输入和硬件描述语言模型输入的接口和比较全面的仿真分析功能，同时还提供了庞大的元器件模型库和一整套虚拟仪表（包括示波器、信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器和波特图绘图仪等等），可以满足一般的模拟/数字电路以及数字-模拟混合电路的分析与设计.

Multisim10软件的突出优点是用户界面友好、直观，使用非常方便，只要是熟悉Windows的用户，很容易掌握其用法；而且系统高度集成，元器件和测试仪器丰富，电路分析和仿真功能强大，可以完成各种模拟电路、数字电路以及模拟/数字混合电路的设计仿真.

3 Multisim10软件在数字电路教学中的应用

数字电路的理论内容包括：逻辑代数、门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲信号的产生与整形电路、模数、数模转换电路等等.其中对组合逻辑电路、时序逻辑电路的分析与设计是数字电路课程的重要内容.利用Multisim10软件中丰富的元器件模型可以进行电路设计，再利用Multisim10软件提供的各种虚拟仪器进行电路仿真，直接将把理论知识与实验结果进行对照，加深了对抽象的理论知识的理解，从而使课堂教学效果大大改善.

3.1 Multisim10软件在组合逻辑电路分析与设计中的应用

组合逻辑电路的特点是即刻输入决定即刻输出，电路中不包含记忆性元件.组合逻辑电路的分析过程包括：首先根据逻辑电路图写出输出逻辑函数，在进行逻辑函数的化简和变换，最后列出真值表或说明其逻辑功能；而组合逻辑电路的设计过程则是：根据逻辑功能描述抽象出真值表，写出输出逻辑函数表达式，再进行化简、变换，最后画出逻辑电路图.在进行包含集成器件的组合逻辑电路的分析与设计时，学生觉得较难理解.而利用Multisim10软件提供的虚拟仪表——逻辑转换器，可以在逻辑函数的各种表示形式（如逻辑电路图、真值表、逻辑表达式）之间进行相互转换，使得组合逻辑电路的分析和设计变得更为简单.

比如，分析图1所示电路的功能，要求列出逻辑真值表，并写出电路的逻辑函数式.

图中74HC151是8选1数据选择器，传统的解题过程是先写出74HC151的输出函数，再将输入变量MNP和Q代入公式中的最小项和数据输入端，写出输出变量Z关于MNPQ的表达式，再进行化简得到最简与或表达式；最后将所有的变量取值组合代入最简输出逻辑函数表达式中算出输出变量Z的值，并列在表中，即可得到真值表.

现在利用Multisim10来实现，先启动Multisim10程序，出现用户界面后首先需要建立图1所示的逻辑电路图.我们从CMOS集成电路器件库中找出74HC151、74HC04、VDD和接地端的符号，将它们放在合适的位置连成与图1完全相同的电路图，如图2所示，注意图2中的G、A、B、C与图1中的S、A0、A1、A2相对应.然后从用户界面上的仪器栏中将“逻辑转换器”击出，将电路的输入变量M、N、P、Q依次接到逻辑转换器最左边的四个输入端ABCD，同时将电路的输出端Z接到逻辑转换器最右边的一个输出端，如图2所显示的那样.双击逻辑转换器图标，便弹出图3所示窗口，点击窗口右侧上方第一个按钮，逻辑表就出现在左侧的表格中，再点击右侧上方的第三个按钮，在窗口的底部出现化简后的逻辑表达式BD+ABD+BC，对应图1电路的输出函数式为Z=NQ+MNQ+NP，至此完成题目要求，分析过程十分简便.

3.2 Multisim10在时序逻辑电路分析与设计中的应用

时序逻辑电路的特点是某一时刻的输出不仅与该时刻的输入有关，还与电路存储的状态有关，也就是电路中一定包含记忆性元件.时序电路的分析与设计比组合逻辑电路更复杂，学生难以理解，尤其是对计数器的分析与设计更是如此.下面我们利用Multisim10软件中的虚拟仪表——逻辑分析仪进行实时的电路仿真，观察电路的输入输出波形图，画出电路的状态装换图，直接了解电路的逻辑功能，明显提高了课堂教学效果.

分析图4所示计数器电路，画出电路的时序图，说明这是几进制计数器.

在Multisim10中选用TTL器件库中的74LS160、反相器7404及与非门7420构成图4中的电路，并接入信号发生器XFG1和逻辑分析仪XLA1如图5所示，图5中QAQBQCQD的与图4中的Q0Q1Q2Q3对应.利用Multisim10中的逻辑分析仪XLA1对计数器的时钟脉冲和输出信号波形进行观察，得到图6，由此图可以发现，每隔五个时钟周期输出信号波形就重复变化一次，并在7420的输出端产生一个进位脉冲，因此这是一个五进制计数器.根据逻辑分析仪给出的输出波形画出电路的状态转换图如图7所示.

分析图4的计数器电路发现计数器采用了同步预置数的工作方式，当计数器处于QDQCQBQA= 0100状态时，用7404和7420译出LDc=0的信号，将计数器预置为Q3Q2Q1Q0=0000状态，作为计数循环的起始值.进一步分析可知这是一个五进制计数器.

由此可见，通过Multisim10中的逻辑分析仪能够得到直接的输入、输出信号波形，逻辑功能一目了然，相比于常规教学教学效果更好.

4 总结

在数字电路课堂教学中使用Multisim10软件，一方面可以使理论课的教学更加生动有趣，另一方面在课堂进行实验演示可以更好的吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣.学生通过直接观察实验仿真结果，可以更加透彻的理解数字电路的工作过程，有助于提高学生的自学能力和创新能力.

总之，利用Multisim10软件对数字电路进行建模与仿真，不仅使学生明白了数字电路的功能，更清楚的掌握了数字电路的设计方法，既加深了对理论的理解，又对电路功能建立起动态、形象、直观的感性认识；因此，在数字电路课堂教学中使用Multisim10软件进行电路建模、仿真、调试，通过优化电路结构和参数得出最佳的电路设计方案，使教学过程更加直观、明了，学生容易获得明确的结果，提高了数字电路的质量.

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