Multisim在《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)的一款電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件Multisim2001，2003年加拿大IIT公司又對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)為Multisim7，2004年又推出了Multisim8。2005年后加拿大IIT公司隸屬于美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)并于2006年由美國(guó)NI公司推出Multisim9版本。2007年初美國(guó)NI公司又推出了NIMultisim10版本。Multisim向用戶(hù)提供一個(gè)全方位功能強(qiáng)大的電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其內(nèi)部包含型號(hào)豐富的元件庫(kù)和功能齊全外形逼真的各類(lèi)主流型虛擬儀器。可完成對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)、搭建、儀器檢測(cè)與調(diào)試等功能，其最大的亮點(diǎn)是具有強(qiáng)大的電路仿真功能。用戶(hù)只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可觀看到逼真的電路運(yùn)行效果。

(一)Multisim應(yīng)用在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以驗(yàn)證常規(guī)電路功能原理為目的加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解和掌握基本操作實(shí)踐能力。通常在實(shí)際實(shí)驗(yàn)前教師會(huì)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)電路的連線(xiàn)方法和測(cè)量調(diào)試在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上以現(xiàn)場(chǎng)仿真的形式完整演示一遍，演示過(guò)程中教師可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化、強(qiáng)化。以74LS161計(jì)數(shù)器邏輯功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊髮W(xué)生驗(yàn)證計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能、預(yù)置數(shù)功能、清零功能并通過(guò)使用邏輯分析儀觀察輸出端的變化狀態(tài)掌握驗(yàn)證電路的連接方法和功能原理。

1.計(jì)數(shù)器74LS161計(jì)數(shù)功能仿真驗(yàn)證。(1)搭建電路。實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)器仿真電路。其中在74LS161輸出端QDQCQBQA和RCO通過(guò)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(guò)切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)在高低電平間切換。(2)運(yùn)行電路實(shí)現(xiàn)功能仿真。電路對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出端QDQCQBQA的四個(gè)發(fā)光管依次按0000、0001、直至1111遞增規(guī)律依次點(diǎn)亮，同時(shí)數(shù)碼管依次循環(huán)顯示0-F代碼。整個(gè)計(jì)數(shù)過(guò)程RCO端發(fā)光管只有當(dāng)?shù)?5個(gè)脈沖觸發(fā)沿到來(lái)時(shí)(顯示F代碼)點(diǎn)亮RCO=1，但僅僅維持一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期后息滅RCO=0。此計(jì)數(shù)過(guò)程可以通過(guò)邏輯分析儀觀察如圖2。從圖中可以看出隨著每個(gè)時(shí)鐘脈沖觸發(fā)沿到來(lái)QDQCQBQA輸出端會(huì)從0000對(duì)其依次加1計(jì)數(shù)，第15個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)輸出1111同時(shí)RCO=1，第16個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)輸出端又回到0000同時(shí)RCO=0，整個(gè)計(jì)數(shù)過(guò)程一直這樣循環(huán)下去實(shí)現(xiàn)了加法計(jì)數(shù)功能。

2.計(jì)數(shù)器74LS161清零功能和預(yù)置數(shù)功能仿真驗(yàn)證。將仿真電路圖中的端開(kāi)關(guān)切換至低電平，運(yùn)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(shí)由于無(wú)需等待時(shí)鐘脈沖觸發(fā)沿的到來(lái)是異步清零。將仿真電路圖中的設(shè)置高電平同時(shí)將端開(kāi)關(guān)切換至低電平，并在預(yù)置數(shù)輸入端通過(guò)切換開(kāi)關(guān)設(shè)置一組代碼DCBA，運(yùn)行仿真電路觀察可知QDQCQBQA=DCBA，同時(shí)數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)代碼，電路實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能。該功能由于需要時(shí)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(guò)程中教師可以將仿真環(huán)境提供的虛擬器件與實(shí)際環(huán)境中提供的真實(shí)器件結(jié)合起來(lái)講解接線(xiàn)方法，針對(duì)計(jì)數(shù)、清零、預(yù)置數(shù)不同功能模式的測(cè)試應(yīng)強(qiáng)化輸入端的控制方法與控制結(jié)果。教師通過(guò)本仿真平臺(tái)可以將本次實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)和連線(xiàn)方法以及整個(gè)電路仿真驗(yàn)證的過(guò)程及對(duì)虛擬儀器的使用方法以動(dòng)態(tài)形式完整的展示在學(xué)生面前，對(duì)教師開(kāi)展實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了事半功倍的效果。使學(xué)生實(shí)驗(yàn)前可以預(yù)知和觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和熟悉實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)、連線(xiàn)方法和調(diào)試方法及相關(guān)儀器儀表的測(cè)量方法并深刻理解測(cè)量數(shù)據(jù)的意義，同時(shí)也為實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析提供參考。促使學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中得心應(yīng)手、目的明確、思路清晰的展開(kāi)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

(二)Multisim應(yīng)用在拓展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中

拓展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)即在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上以培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)和能力的創(chuàng)新性、探究性為目的開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是對(duì)電路基本知識(shí)與實(shí)踐能力的進(jìn)一步的拓展提升。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師會(huì)要求學(xué)生必須在掌握設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)上應(yīng)用Multisim環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)電路先進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試以便達(dá)到最優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。以用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)同步十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器為例。本實(shí)驗(yàn)在要求學(xué)生熟練掌握J(rèn)K觸發(fā)器的功能特性基礎(chǔ)上會(huì)應(yīng)用時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法和步驟實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)器邏輯電路的設(shè)計(jì)并仿真。設(shè)計(jì)仿真電路如圖3。將四個(gè)JK觸發(fā)器的輸出端接數(shù)碼管，運(yùn)行仿真結(jié)果顯示數(shù)碼管循環(huán)顯示0-F代碼，實(shí)現(xiàn)了十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。通過(guò)Multisim軟件在拓展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用教師和學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)從理論設(shè)計(jì)、仿真電路搭建與仿真運(yùn)行、調(diào)試到最終實(shí)際功能電路設(shè)計(jì)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(jì)思想選用元器件，獨(dú)立完成電路設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)電路的仿真學(xué)生不僅可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的正確性，還可以方便的對(duì)電路進(jìn)行反復(fù)修改、調(diào)試，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，這在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中是很難實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)語(yǔ)

Multisim虛擬平臺(tái)圖形化界面形象直觀、易學(xué)易用。將其應(yīng)用在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以其獨(dú)有的趣味性、創(chuàng)新性、開(kāi)放性、自由性、經(jīng)濟(jì)性、高效性和安全性得到學(xué)生教師的一致好評(píng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著。在活躍課堂教學(xué)氣氛、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、激發(fā)學(xué)生積極創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的同時(shí)也實(shí)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