Multisim10和AD10在数字电路实验教学中的应用

1、 Multisim10和AD10在数字电路实验教学中的应用 李谦+王云秀+沈欢摘 要：针对数字电子技术基础的教学现状和存在问题，提出将仿真软件Multisim10和AD10融入到数字电路实验教学中，介绍了Multisim10仿真软件的功能与特点，以NE555定时器为核心的简易电子琴的实验设计为仿真实例，进一步促进教学用AD10对电子琴进行PCB设计，展开实物制作，将讲授的知识更为直观地展现给学生，以有效改善传统实验教学效果，提高学生对数字电路的学习兴趣及自主学习与创新能力。Key：数字电路；Multisim10软件；AD10软件；实验教学：TP393；TN709 ：A ：2095-1302（2

2、017）11-0-020 引 言数字电子技术基础是电子信息工程、电子信息科学与技术、应用电子技术教育、通信工程等电子信息类相关专业的一门重要的专业基础课程，具有很强的实践性和工程性，且实验教学是本课程教学中的一个重要环节。在实验教学中让学生自主动手掌握课堂中所学器件的特性，在理论基础上更好地应用知识，从而帮助学生进行自主创新，提高学习热情。在实际教学过程中，因数字电子技术基础课程内容较多、较为抽象且课时安排比较紧凑，而随着电子技术的迅速发展，不断涌现的新型元器件、新电路，使得现有的实验条件已无法满足实验教学中的各种电路设计要求，导致大部分学生对数字电子技术基础知识的学习仅仅停留在对各种芯片、电

3、路的堆砌上，并未将应用作为重点掌握。为解决在数字电路实验教学中存在的问题，更好地促进学生的学习兴趣和创造性的提高，在传统的实验教学基础上，引入软件Multisim10和AD10，将数字电子技术基础课程教学中的理论知识更好地融入实验教学中，让学生从理论无缝过渡到仿真和实验。1 Multisim10的功能与特点数字电子技术基础包括数制与编码、逻辑代数基础、集成逻辑门、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路的分析与设计、脉冲波形的产生与整形、存储器和可编程逻辑器件、AD/DA转换器等知识。而仿真软件Multisim10的引入为实验教学提供了较好的虚拟实验平台，Multisim10是由美国国家仪器（NI）

4、公司研发的仿真软件，现已升级到Multisim14，但目前高校常用的是Multisim10，与其他电路仿真软件相比，具备诸多优点。1.1 规模庞大的元器件库Multisim10提供了丰富的元器件库，使用者可根据实际需要选择相应的元器件。对于初学者来说，因不熟悉所需的元器件在哪个元器件组和元件系列中时，可点开任意一个元器件组然后进行元器件搜索，在搜索窗口中输入所需元器件的名称，最后点击搜索即可找到所需元器件。1.2 标准化的虚拟仪器仪表Multisim10提供了仪器工具条，可用于进行虚拟电子实验室和电子设计仿真，常用的虛拟仪表有数字万用表、函数发生器、示波器、逻辑分析仪、波特图示仪、频谱分析仪等

5、，为电路的仿真提供了强有力的保证，使学生更快、更好地掌握常用实验仪器的使用与测量方法。1.3 强大的分析能力Multisim10为使用者提供了较为强大的电路分析能力，包括电路的交直流分析、频谱分析、噪声因素分析、逻辑分析、失真分析、傅里叶分析、温度扫描、布线宽度分析等。拥有其他软件所不具备的分析功能，它的最大优势就是其仿真结果与真实实验操作结果几乎完全相同，使得该软件能广泛用于实验教学，有助于提高学生的学习效率，培养学生的创造性。1.4 便利的交互界面Multisim10能将原理图的创建、电路仿真分析与仿真结果等同时呈现在同一个窗口界面，相当于将传统实验教学中的元器件都集中在一个实验箱，然后再

6、与仿真测量仪器仪表相连进行仿真分析。而使用鼠标即可将元器件用导线相连，大大提高了学习效率。2 Multisim10在数字电子技术基础实验教学中的仿真应用以数字电路中典型芯片的应用即以芯片NE555为核心设计的简易电子琴为例，阐述采用Multisim10软件进行仿真应用的过程。2.1 实验方案的确立简易电子琴的系统框图如图1所示。输入电路由8个按钮开关和8个电阻值固定的电阻组成，通过按下不同按键，使接入电路的电阻值发生改变，从而改变NE555振荡电路的输出频率，使得输出频率与音乐学中的音名频率相匹配，再经过三极管放大，最后由蜂鸣器输出。2.2 输入电路的设计蜂鸣器在不同频率信号的驱动下将发出不同

7、的声音，而频率由接入555定时器的电阻决定，因此，8个电阻阻值的确定至关重要。根据音乐学理论，不同音名对应的频率见表1所列。由555定时器构成的多谐振荡器如图2所示。R1、R9、C1为外接定时元件，决定着振荡器的振荡周期，其中R9为引脚RST 和DIS之间的电阻，R1为引脚DIS和TRI之间的电阻，C1为引脚 TRI和地之间的电容，C2为滤波电容，该电路不必外加触发信号，加电后就能产生周期性的方波。多谐振荡器的振荡周期包含两个暂稳态的持续时间，即：通过表1可知，不同的音名对应不同的频率，在引脚DIS和TRI之间串联8个音阶电阻来产生8种不同频率的方波，控制蜂鸣器发出不同频率的声音，可通过按下不

8、同的按键使得接入555定时器的电阻不同，从而改变其输出频率。2.3 电路的仿真根据以上分析，绘制出图3所示的简易电子琴仿真电路，555定时器输出端连接的电阻起稳定电压的作用，使输出的方波信号稳定，降低发出声音的失真度。再经过PNP三极管进行功率放大，最后由蜂鸣器输出。当按下开关J1后，接入电路的电阻值为R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8，图4所示为按下J1开关后通过示波器测试输出方波的波形和周期，测量探针测出其实际频率为264 Hz，与理论频率低音do基本一致，能较好地实现电子琴的音效，且波形稳定。2.4 用AD10进行PCB设计，展开实物制作在仿真基础上，为进一步激发学生的学习兴

9、趣与创新能力，可通过软件AD10进行PCB设计，图5所示为简易电子琴的PCB图，然后购买相应元器件展开实物制作，图6所示为简易电子琴实物图。3 结 语借助虚拟实验平台Multisim10和AD10设计数字电子技术基础课程中简易电子琴的实验，能有效解决课程教学中存在的难题。通过课堂理论知识的讲授与Multisim10仿真及AD10 PCB设计相结合的方式，为教师提供了灵活的教学方法，将原本枯燥的知识内容以鲜活的形式展现出来，可有效帮助学生掌握常用芯片的使用和外围电路的设计，进一步加深对课堂教学内容的理解，同时也培养了学生在数字电路中的动手能力和综合实验设计能力，为学生进入实验室进行实物操作奠定了

10、基础，学生也能自己利用课后时间进行有趣的数字电路实验设计，促使学生提高自主学习和创新能力。Reference1杨颂华，冯毛官，孙万蓉.数字电子技术基础M.西安：西安电子科技大学出版社，2009.2侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计M.北京：高等教育出版社，2007.3肖伟才.理论教学与实践教学一体化教学模式的探索与实践J.实验室研究与探索，2011，30（4）：81-84.4张亚君，陈龙，牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用J.实验技术与管理，2008，25（8）：108-110.5王尔申，庞涛，李鹏，等. Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用J.实验技术与管理，2013（3