Multisim在《數(shù)字電子技術(shù)》實驗教學(xué)中的應(yīng)用

Multisim最早是由加拿大IIT公司于2001年繼EWB軟件后開發(fā)的一款電子自動化設(shè)計軟件Multisim2001，2003年加拿大IIT公司又對其進行改進升級為Multisim7，2004年又推出了Multisim8。2005年后加拿大IIT公司隸屬于美國國家儀器公司(NI公司)并于2006年由美國NI公司推出Multisim9版本。2007年初美國NI公司又推出了NIMultisim10版本。Multisim向用戶提供一個全方位功能強大的電子虛擬實驗平臺。其內(nèi)部包含型號豐富的元件庫和功能齊全外形逼真的各類主流型虛擬儀器?？赏瓿蓪δM電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路的設(shè)計、搭建、儀器檢測與調(diào)試等功能，其最大的亮點是具有強大的電路仿真功能。用戶只需輕點鼠標即可觀看到逼真的電路運行效果。

(一)Multisim應(yīng)用在驗證性實驗教學(xué)中

驗證性實驗教學(xué)主要以驗證常規(guī)電路功能原理為目的加強學(xué)生對基本知識的理解和掌握基本操作實踐能力。通常在實際實驗前教師會將實驗過程和內(nèi)容包括實驗電路的連線方法和測量調(diào)試在虛擬實驗平臺上以現(xiàn)場仿真的形式完整演示一遍，演示過程中教師可以針對實驗操作內(nèi)容的重點和難點進行細化、強化。以74LS161計數(shù)器邏輯功能驗證實驗為例。本實驗?zāi)康囊髮W(xué)生驗證計數(shù)器的計數(shù)功能、預(yù)置數(shù)功能、清零功能并通過使用邏輯分析儀觀察輸出端的變化狀態(tài)掌握驗證電路的連接方法和功能原理。

1.計數(shù)器74LS161計數(shù)功能仿真驗證。(1)搭建電路。實驗仿真電路如圖1：在Multisim環(huán)境中調(diào)用脈沖電源、發(fā)光管、數(shù)碼管等元件和邏輯分析儀，搭建計數(shù)器仿真電路。其中在74LS161輸出端QDQCQBQA和RCO通過連接發(fā)光管觀察輸出高低電平，若發(fā)光管亮則輸出為1，滅則輸出為0。輸入端通過切換開關(guān)實現(xiàn)在高低電平間切換。(2)運行電路實現(xiàn)功能仿真。電路對輸入時鐘脈沖進行計數(shù)，輸出端QDQCQBQA的四個發(fā)光管依次按0000、0001、直至1111遞增規(guī)律依次點亮，同時數(shù)碼管依次循環(huán)顯示0-F代碼。整個計數(shù)過程RCO端發(fā)光管只有當?shù)?5個脈沖觸發(fā)沿到來時(顯示F代碼)點亮RCO=1，但僅僅維持一個計數(shù)脈沖周期后息滅RCO=0。此計數(shù)過程可以通過邏輯分析儀觀察如圖2。從圖中可以看出隨著每個時鐘脈沖觸發(fā)沿到來QDQCQBQA輸出端會從0000對其依次加1計數(shù)，第15個脈沖到來時輸出1111同時RCO=1，第16個脈沖到來時輸出端又回到0000同時RCO=0，整個計數(shù)過程一直這樣循環(huán)下去實現(xiàn)了加法計數(shù)功能。

2.計數(shù)器74LS161清零功能和預(yù)置數(shù)功能仿真驗證。將仿真電路圖中的端開關(guān)切換至低電平，運行仿真電路可觀察輸出端立即回0，數(shù)碼管顯示0，清零時由于無需等待時鐘脈沖觸發(fā)沿的到來是異步清零。將仿真電路圖中的設(shè)置高電平同時將端開關(guān)切換至低電平，并在預(yù)置數(shù)輸入端通過切換開關(guān)設(shè)置一組代碼DCBA，運行仿真電路觀察可知QDQCQBQA=DCBA，同時數(shù)碼管顯示對應(yīng)代碼，電路實現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能。該功能由于需要時鐘脈沖觸發(fā)沿觸發(fā)因此是同步預(yù)置數(shù)功能。在搭建仿真電路過程中教師可以將仿真環(huán)境提供的虛擬器件與實際環(huán)境中提供的真實器件結(jié)合起來講解接線方法，針對計數(shù)、清零、預(yù)置數(shù)不同功能模式的測試應(yīng)強化輸入端的控制方法與控制結(jié)果。教師通過本仿真平臺可以將本次實驗電路的結(jié)構(gòu)和連線方法以及整個電路仿真驗證的過程及對虛擬儀器的使用方法以動態(tài)形式完整的展示在學(xué)生面前，對教師開展實際實驗教學(xué)起到了事半功倍的效果。使學(xué)生實驗前可以預(yù)知和觀察實驗的結(jié)果和熟悉實驗電路的結(jié)構(gòu)、連線方法和調(diào)試方法及相關(guān)儀器儀表的測量方法并深刻理解測量數(shù)據(jù)的意義，同時也為實際實驗測量數(shù)據(jù)的分析提供參考。促使學(xué)生在實際實驗中得心應(yīng)手、目的明確、思路清晰的展開實際實驗，提高實驗教學(xué)的效率。

(二)Multisim應(yīng)用在拓展性實驗教學(xué)中

拓展性實驗教學(xué)即在驗證性實驗基礎(chǔ)上以培養(yǎng)學(xué)生知識和能力的創(chuàng)新性、探究性為目的開展的實驗教學(xué)，是對電路基本知識與實踐能力的進一步的拓展提升。在實驗教學(xué)中教師會要求學(xué)生必須在掌握設(shè)計方法的理論基礎(chǔ)上應(yīng)用Multisim環(huán)境對實驗電路先進行電路設(shè)計、仿真和調(diào)試以便達到最優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)，然后再進行實際實驗操作。以用JK觸發(fā)器設(shè)計同步十六進制加法計數(shù)器為例。本實驗在要求學(xué)生熟練掌握JK觸發(fā)器的功能特性基礎(chǔ)上會應(yīng)用時序邏輯電路的設(shè)計方法和步驟實現(xiàn)加法計數(shù)器邏輯電路的設(shè)計并仿真。設(shè)計仿真電路如圖3。將四個JK觸發(fā)器的輸出端接數(shù)碼管，運行仿真結(jié)果顯示數(shù)碼管循環(huán)顯示0-F代碼，實現(xiàn)了十六進制加法計數(shù)器功能。通過Multisim軟件在拓展性實驗教學(xué)中的應(yīng)用教師和學(xué)生可以實現(xiàn)從理論設(shè)計、仿真電路搭建與仿真運行、調(diào)試到最終實際功能電路設(shè)計的完整流程。學(xué)生在仿真環(huán)境中可以不受任何約束，按自己的設(shè)計思想選用元器件，獨立完成電路設(shè)計。通過對設(shè)計電路的仿真學(xué)生不僅可以驗證所設(shè)計電路的正確性，還可以方便的對電路進行反復(fù)修改、調(diào)試，大大節(jié)約了設(shè)計時間和設(shè)計成本，這在實際電路設(shè)計中是很難實現(xiàn)的。

結(jié)語

Multisim虛擬平臺圖形化界面形象直觀、易學(xué)易用。將其應(yīng)用在電路實驗教學(xué)中以其獨有的趣味性、創(chuàng)新性、開放性、自由性、經(jīng)濟性、高效性和安全性得到學(xué)生教師的一致好評，實驗教學(xué)效果顯著。在活躍課堂教學(xué)氣氛、強化學(xué)生對理論知識的理解、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、激發(fā)學(xué)生積極創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合動手能力和創(chuàng)新能力的同時也實現(xiàn)了教師教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新。

作者：王琰           單位：連云港廣播電視大學(xué)信息工程系