Multisim7在数字电路教学中的应用

2022-09-11

1 引言

20世纪90年代开始, 高性能计算机、网络技术及多媒体技术的迅速崛起, 促使计算机向网络化、综合化、集成化、智能化发展。尤其是虚拟仪器、仿真软件、动态模拟相继进入应用领域, 以电子计算机辅助设计 (CAD) 为基础的电子设计自动化 (EDA) 技术已渗透到电子系统和电路设计的各个环节。同时, 在现代化教学中, EDA技术也是被广泛地应用。其特点是微观问题宏观化, 现实问题虚拟化互换。本文通过在数字电路教学中所采用的一种较新的EDA技术——Multisim7为例, 从而来体现EDA技术在现代化教学中发挥的优越性及其重要的现实意义。

2 Multisim7软件简介

Multisim7是EWB软件的最新版本, 专门用于电路仿真, 是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件, 增加了大量的VHDL元件模型, 可以仿真更复杂的数字元件, 在保留了E W B形象直观等优点的基础上, 大大增强了软件的仿真测试和分析功能, 大大扩充了元件库中的元件的数目, 特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型, 使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。

Multisim7具有以下的功能:

(1) 具有丰富的元件库。

Multisim7主元件库提供了一个庞大的元件模型数据库, 并且用户通过新增的元件编辑器可以建立自己的元件库。

(2) 类型齐全的仿真。

在Multisim7电路窗口中, 既可以分别对数字或模拟电路进行仿真, 也可以将数字元件和模拟元件连接在一起进行仿真分析, 还可以对射频电路进行仿真。

(3) 高度集成的操作界面。

Multisim7将电路原理图的创建, 电路的测试分析和结果的图表显示等, 全部集成到同一个电路窗口中。整个操作界面就像一个实验工作台, 有存放仿真元件的元件箱, 有存放测试仪器仪表的。

(4) 强大的虚拟仪器仪表功能。

Multisim7提供了双踪示波器、逻辑分析仪、波特图示仪、数字万用表等十多种虚拟仪器、仪表, 操作界面如同在实验室中亲手操作仪器一样, 可以非常方便地用于电路分析研究和教学探讨, 逻辑分析仪、网络分析仪更是一般实验室不可多得的高档仪器。

(5) 具有VHDL/Verilog的设计和仿真功能。

Multisim7包含了VHDL/Verilog的设计和仿真, 使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体, 突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的缺陷。

(6) 提供多种输入输出接口。

Multisim7可以输入由Spice等其他电路仿真软件所创建的Spice网表文件并自动形成相应的电路原理图, 可以把Multisim7环境下创建的电路原理图文件输出给Protel等常见的PC软件进行印刷电路板设计, 也可以将仿真结果输送到MathCAD和Excel等应用程序中。

3 Multisim7仿真的基本步骤

(1) 利用Multisim7提供的元器件及虚拟器件在工作区中建立电路。

(2) 设定元件的工作模式、参数和标号。

(3) 激活电路进行逻辑仿真。

(4) 分析仿真结果。

(5) 结果不正确时重新调整元器件及虚拟仪器的参数。

(6) 保存电路图, 打印仿真结果。

4 用Multisim7在数字电路中实现相关计数器的功能

在数字系统中使用最多的时序电路是计数器。计数器不仅能用于对时钟脉冲的计数, 还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等的用途。

计数器的种类非常繁多。按计数器中的触发器的触发方式可以分为同步式和异步式两种。按计数过程中的数字增减可以分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器 (或称为加/减计数器) 。按计数器中数字的编码方式可以分成二进制计数器、二-十进制计数器、循环码计数器等。此外, 有时也用计数器的计数容量来区分各种不同的计数器, 如十进制计数器、六十进制计数器等。本文以十进制计数器为例, 说明Multisim7在数字电路中的应用。

4.1 用T触发器和逻辑门构成的同步十进制减法计数器

用T触发器和逻辑门构成的同步十进制减法计数器电路, 它也是从同步二进制减法计数器电路的基础上演变来的。同理, 通过Multisim7搭接而成的电路图以及用逻辑分析仪得到的波形图可以演示用T触发器和逻辑门构成的同步十进制减法计数器计数功能状态 (如图 (1) 所示) 。

(其中, 时钟信号源的频率为0.5Hz, 电压为3伏, 逻辑分析仪的 (clocksper division) 为2, 频率为1Hz, 采用外部触发方式, 其它设定参照元件默认值。)

4.2 用JK触发器构成的异步十进制加法计数器

异步十进制加法计数器是在4位异步二进制加法计数器的基础上加以修改而得到的。修改时要解决的问题是如何使4位二进制计数器在计数过程中跳过从1010到1111这6个状态。因此, 通过此原理用Multisim7软件构建的异步十进制加法计数器电路 (如右图所示) 。通过在一系列CP脉冲信号作用下Q0、Q1、Q2、Q3的电压波形, 通过用逻辑分析仪可以得到电路的输出波形 (如图 (2) -b所示) 。

(其中, 时钟信号源的频率为270Hz, 电压为3伏, 逻辑分析仪的 (clocksper division) 为2, 频率为60Hz, 采用外部触发方式, 其它设定参照元件默认值。)

最后, 可以将所有用Multisim7软件进行电路仿真所得的结果与实验室所验证的结论、以及教材中的理论值进行分析比较, 其结果都是完全相同的。因此, 仅从这一点来说, 使用Multisim7软件仿真的方法的优势的却是不言而喻的。

5 结束语

作为一种优秀的计算机辅助教学仿真软件, Multisim7软件的仿真功能十分强大, 尤其是在高等教育要面向现代化, 面向未来, 就要不断研究和探索新的教学手段和教学方法, 使之能主动适应知识经济时代社会对全面素质人才培养的需要。随着计算机技术的飞速发展, 特别是计算机仿真技术的日益成熟, 许多教师在课堂教学中大胆创新, 利用计算机仿真软件和现代化技术进行课堂辅助教学, 将这些最新的技术和实验手段引入高等学校的电子线路实验中, 必将有力地促进电子技术的教学内容体系、现有教学模式和实验手段的深入改革。弥补传统教学模式下教学手段单一、教学方法滞后于教育的发展, 特别是克服了课堂理论教学枯燥、抽象、教学效果低下等弊端。

更值得一提的是, 经过有关教师多年的实践教学证明, Multisim系列软件应用于《数字逻辑电路》课堂教学和相关实验教学的计算机仿真是最具优越性的软件。所以, 一方面可以帮助学生加深对理论知识的理解和掌握, 激发学生的学习兴趣和积极性, 极大地提高教学效率和教学质量;另一方面作为实验教学的补充和替代, 可以解决实验设备数量不足、设备老化等弊端, 同时, 也为适应时代要求培养了掌握实用新技能的人才。

对于在普及高等教育、培养创新人才的时代, 它作为电子技术课堂教学的重要补充, 符合“以虚代实”、“以软代硬”的当代实验技术的发展潮流。尤其是为创建“计算机网络虚拟实验室仿真”平台, 深化电子技术教学改革, 实现计算机辅助分析 (ECAA) 和电子设计自动化 (EDA) 软件进行模拟仿真奠定基础。

摘要：本文讨论了在电子技术教学中, 运用Mltisim7仿真软件进行理论与仿真验证相结合的教学模式, 快速地将抽象理论变为感性实验, 克服了传统理论教学中的不足, 阐明了将Mltisim7引入数字电路教学中的必要性和可行性。

关键词：Multisim7,数字电路,仿真教学