Multisim10和AD10在数字电路实验教学中的应用
中图分类号：TP393；TN709 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）11-0-02
0 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）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?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，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。
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