虚拟数字电子技术实验设计.doc

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1、目 录摘要1Abstract11引言12数字电子技术实验中的设计能力培养13仿真软件Multisim概述23.1 Multisim的使用及优点23.2 Multisim对元器件的管理34实验设计34.1 利用逻辑转换仪设计全加器44.2利用74LS163设计简单二进制计数器84.3设计一个脉冲序列发生器11结论14致谢14参考文献：14虚拟数字电子技术实验设计基于Multisim对数字电子技术实验的仿真设计指导教师：李长庚 职称：副教授摘要：数字电子技术实验是数字电子技术课程不可缺少的实践环节，通过实验，不仅可以使学生对理论知识加深理解，而且可以提高学生分析解决实际问题的能力，并对所学课程加深

2、兴趣，提高自主学习的积极性。而虚拟实验则有节省耗材，提高资源利用率及工作效率等优点，因此对于虚拟数字电子技术实验的设计是非常重要且有长远意义的。本文主要介绍了如何使用EDA仿真软件Multisim来对数字电子技术实验进行仿真设计。关键词：虚拟数字电子技术；实验设计；仿真；MultisimVirtual digital electronic technology experiment designAbstract: Digital electronic technology experiment is an indispensable link of practice, the digital

3、electronic technology course through the experiment, the students can not only deepen the understanding of theoretical knowledge, but also can improve the students ability to analyze and solve practical problems, and the curriculum, deepen interest, enhance the enthusiasm of learning. Virtual experi

4、ment is saving supplies, improve resource utilization and work efficiency, so the design for the virtual experiment of digital electronic technology is very important and long-term significance. This paper mainly introduces how to use the EDA Simulation Software Multisim to carry on the simulation d

5、esign of digital electronic technology experiment.Keywords: Virtual digital electronic technology; experimental design; simulation;Multisim1引言数字电子技术实验是电气、电子、通信、自动化在电子技术方面的技术基础实验课。通过实验要求学生掌握电子技术方面的基本理论、基本技能，培养学生分析解决实际问题的能力。电路仿真软件multisim具有强大的分析仿真功能，使用该软件进行虚拟实验设计，方便、实用、易操作，能够设计出满足不同层次的学生需要的实验，对提高学生的综合

6、分析能力和开发创新能力有重要的作用。2数字电子技术实验中的设计能力培养以往的数字电路实验课大都是验证性的，不能充分发挥学生的想象力和创造力，而采用设计性为主的实验可以激发学生的积极性，使实验由被动变主动。从科学的角度看，验证性实验是检验设计结果的一种手段，而设计性实验则是一项十分重要且艰难的工作，使设计与实验相结合能收到事半功倍的效果，正确而严谨的设计是保证实验顺利完成的前提，要想正确进行数字电子技术设计，必须要有扎实的理论基础1。在设计过程中应该有清晰的思路，和冷静的头脑，对于设计中遇到的问题和错误不能焦躁和气馁，需要静下心来认真分析。如果对于一个连接完成而没有任何反应的电路，可以从以下几个

7、方面来检查：（1）电源是否接通;（2）电路设计是否正确；（3）连线是否正确，有没有虚接和短路的地方；（4）判断集成块是好是坏，是否发热及发热的原因；(5)如果是观察波形，除了检查以上发生的故障以外，还应在连接电路前把输入波形的频率幅值正确调出，并用示波器观察输出波形是否符合要求，然后再连到输入电路上，同时检查信号线的通断2。实验技能的培养一是动手能力的培养，二是动脑能力的培养。动脑能力的培养在实验设计过程中显得尤为重要，随着科学技术的发展，社会需要有创造力的高素质人才，将数字电路设计与虚拟实验相结合，给学生以更多、更实际、更方便的设计和操作，通过此种形式，可以激发学生的创造力和积极性，大幅提高

8、动手动脑能力。3仿真软件Multisim概述3.1 Multisim的使用及优点Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。其前身为EWB（Electrical Workbench）系列，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择3。目前各大高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上使用最普遍的也是Mul

9、tisim10.0，本文就是主要以这个版本来进行设计的。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 其主要优点如下：通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为

10、借助高级电路分析，理解基本设计特征通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间3.2 Multisim对元器件的管理EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。Multisim以库的形式管理元器件，通过菜单Tools/ Database Management打开Database Management（数据库管理）窗口，对元器件库进行管理。在Database Management窗口中的Dalt

11、abase列表中有两个数据库：Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件，User是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色。但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。据此用户可以通过选择User数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一

12、种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计4。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件则没有。相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的元器件都设有虚拟类的器件。4实验设计在Miltisim中提供了2个在

13、数字电路试验中极为重要的仪器：逻辑转换仪和逻辑分析仪，利用它们我们可以实现如全加器、计数器、序列脉冲发生器等一系列从基本门电路到较为复杂的数字电路系统的设计、模拟与仿真。4.1 利用逻辑转换仪设计全加器在将两个多位二进制数相加时，除了最低位以外，每一位都应该考虑来自低位的进位，即将两个对应位的加数和来自低位的进位3个数相加。这种运算称为全加，而完成这种运算所用的电路称为全加器5。根据二进制加法运算规则可列出1位全加器真值表，如表1所示。表1 全加器真值表输 入输 出ABCISCO0000000110010100110110010101011100111111A：被加数 B：加数 CI：低位的进

14、位输入 S：和 CO：向高位的进位4.1.1逻辑转换仪主要功能a将逻辑电路转换成真值表；b真值表与逻辑表达式（最简逻辑表达式）的相互转换；c将逻辑表达式转换成逻辑电路及与非门逻辑电路6。Multisim中逻辑转换仪及其操作界面如图1所示：图1 逻辑转换仪由于逻辑转换仪只有一个输出，所以需要将输出和值端S与输出进位端CO分别设计。4.1.2 S的设计在逻辑转换器中输入A、B、CI与S的逻辑关系，再生成最简逻辑表达式，如图2 所示，图中A、B、C三列分别代表两个相加的二进制数A、B与来自低位的进位CI的数值，第四列则表示输出和值S。通过逻辑转换按钮得到S的最简表达式显示在此操作界面的最后一行空白处

15、：ABC+ABC+ABC+ABC图2 S最简逻辑表达式此时点击按钮可得到S的与非门逻辑电路图，如图3所示：图3 S的与非门逻辑电路图4.1.3输出进位CO的设计与设计S的方法类似，同样得到A、B、CI与CO的最简逻辑表达式和与非门逻辑电路图，分别如图4和图5所示：图4 CO最简逻辑表达式图5 CO的与非门逻辑电路图4.1.4全加器为了将复杂的电路显示的直观易懂，可将S与CO的逻辑电路分别设置成子电路，再组合成一个完整的全加器电路如图6所示，其中单元X1、X2分别为图3、图4所示的S与CO的与非门逻辑电路图的简化单元电路。图6 全加器完整逻辑图4.1.5虚拟实验验证用逻辑转换仪对设计的全加器进行

16、模拟分析，如图7和图8所示，将A、B、CI分别接至逻辑转换仪的A、B、C端，再将S端或CO端接至逻辑转换仪的输出端，点击按钮可得出该全加器的真值表。图7 对全加器S输出端的仿真验证图8 对全加器CO输出端的仿真验证由以上仿真验证的结果对比表1所示的全加器逻辑真值表，可以看出设计出的该虚拟全加器完全符合实际要求的全加器的逻辑关系。4.2利用74LS163设计简单二进制计数器4.2.1功能表与电路状态转换表要求计数范围511，而且循环计数，表2为74LS163功能表，从表可以看出74LS163为上升沿触发，当清零端接低电平时，计数清零，当清零端接高电平，置数端接低电平时，开始置数7。表2 74LS

17、163的功能表输 入输 出说 明清零置数时钟使 能Q3Q2Q1Q0COCRLDCPCTTCTP1111计数10DBCA数据置入O0000清零011111由已知得到该计数器计数范围为是Q3Q2Q1Q0=(01011011)，且循环计数，其电路状态转换如表3所示，可见当(Q3Q1Q0)=0时，重新数据置入0101，所以需要一个与非门控制数据的置入8，故在设计中加入74LS10。表3 电路状态转换表计数顺序电路状态等效十进制Q3Q2Q1Q0101015201106301117410008510019610101071011114.2.2设计电路图如图9所示，74LS163的输入端AC接高电平，BD接

18、低电平，这样就将计数器置入数值DCBA=0101，即计数器从0101开始计数，输出端QDQBQA通过与非门74LS10连接反馈至计数器的置数端，当计数到1011时，有QDQBQA=0，即置数端输入低电平，重新置数。通过外接小彩灯的明暗变化，使计数器的计数动态及电路状态转换清晰可见9。图9 简单二进制计数器电路图图9中XFG1为函数发生器，为计数器提供矩形时钟脉冲，XLA1为逻辑分析仪。设置函数发生器参数为：幅度为5V,占空比为50%，频率为500HZ。并且在逻辑分析仪界面的时钟区选择设置按钮在弹出对话框中设置时钟频率为1KHZ，设置仿真图如图10所示：图10 函数发生器与逻辑分析仪参数设置4.

19、2.3仿真结果利用逻辑分析仪仿真函数发生器输入的时钟和输出结果，并且记录和分析仪器所得的逻辑关系如图11和图12所示：图11 逻辑分析仪界面显示图12 全景结果记录如图11，前四条波形分别表示QAQBQCQD的数据，选取从24ms时刻开始，计数为QDQCQBQA=0101，然后顺序计数，从图12的全景结果可看出直到36ms时，计数QDQCQBQA=1011，此时计数器置数端重新置数，37ms时计数又回到QDQCQBQA=0101，依此循环。综合分析小彩灯动态与逻辑分析仪仿真结果，可以得出该电路能够正确实现511的二进制计数功能。同理，如果通过改变该电路的线路连接方式还可以实现015内的任意范围

20、的二进制计数功能10。4.3设计一个脉冲序列发生器 要求使其周期性的产生八位脉冲序列11010110，即实现如表4真值表功能：表4 八位脉冲序列发生器真值表激发脉冲产生序列输出脉冲CPABCY00001100112010030111410005101161101711104.3.1设计电路图因为脉冲序列宽度为八位，所以可以采用置数法将计数器74LS160接成八进制计数器，并且采用数据选择器74LS151来实现选择脉冲输出11，设计电路图如图13所示。将74LS160的ABCD端接地，即使其从QCQBQA=000开始计数，通过与非门74LS10将QCQBQA端接至置数端，所以当计数到QCQBQA

21、=111时，置数端输入QCQBQA=0，重新计数。这样就接成了一个从0开始的循环计数的八进制计数器。将74LS160的QC、QB、QA端分别接至数据选择器74LS151的C、B、A数据选择端，通过计数器74LS160产生的从 0 到 7 的循环计数来选择数据选择器74LS151的脉冲输出，而74LS151的八个数据输入端也被置成D0D1D2D3D4D5D6D7=11010110，故通过选择端的选择能依次输出从 D0D7 的数值12。图13 八位脉冲序列发生器电路图在为了能够检验设计理论的正确性及记录仿真实验结果，我们在数据选择器的输出端外接一个逻辑分析仪13，得到如图14所示的仿真电路图：图1

22、4 八位序列脉冲发生器仿真电路4.3.2仿真结果逻辑分析仪仿真结果如图15所示,选取从1.024s开始，第一个上升沿到来时输出1，第二个上升沿到来时，输出1，第三个上升沿到来时输出0，以此类推，可循环输出序列11010110，由图16可以观察到多列正确的脉冲序列。图15 逻辑分析仪仿真结果图记录全景仿真结果如图16所示：图16 对脉冲序列发生器的全景仿真结果通过对以上仿真结果的分析，可以看出该八位脉冲序列发生器设计是成功的。结论数字电子技术的理论学习过程中存在两点不足：一是学生是被动接受电路原理和运行结果，不能完全理解电路工作过程，学习积极性没有完全激发出来；二是在有限的学时内，实验内容只能是

23、有选择性的，不能够面面俱到15。如果将电子电路计算机仿真和EDA等新技术引入到教学过程中，学生在接受理论知识的同时，通过仿真软件运行观察电路的功能和特性，加深对电路的理解，更容易掌握所学的内容，从而提高学习的兴趣。应用Multisim软件可以方便地建立各种设计电路，不需要昂贵的实验设备，计算机可以提供安全有效的设计环境，其电路结构及设计观念可以很容易地被修改；设计者除了可以借助屏幕上的编辑器很方便地更换适合电路规格需要的元件外，还能直接用计算机模拟、分析、验证，可快速准确地反映出所设计的电路性能。Multisim软件具有形象且易于掌握的优点，特别适合于高校电子信息工程、通信工程、自动化、电气控

24、制工程类专业的学生进行综合性的电路设计和实验，因为它不但能够很好地培养学生的动手能力，而且加强了学生对电子电路的分析、综合能力，有利于提高学生的创新能力16。但是它和实际电路还有差距，就是仿真也会出现一些意想不到的问题，只有熟悉它，不断分析和总结，才能够应用自如。致谢衷心感谢我的指导教师李长庚，本毕业设计是在他的悉心关怀和精心指导下经过多次修改而完成的。导师渊博的知识、开阔的思路、高度的责任感与严谨的治学作风更是我学习的典范，在此向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！参考文献：1王秀明，朱继伟，任远坤.谈数字电路实验中的能力培养J.锦州师范学院学报,2000,21(3):12邵忠良等.Mult

25、isim及其在电子设计中的应用J.机电产品开发与创新,2006,19(3):33陈志贵等.Multisim在数字电子设计中的应用技巧J.机电产品开发与创新,2007,20(2):54郭映.Multisim l0仿真软件在数字电路教学中的应用M.计算机与现代化,2010,7:12-135阎石.数字电子技术基础（第五版）M.高等教育出版社，192-1936李经智.EDA技术及其应用J.齐齐哈尔大学学报，2006:32-357杜军.虚拟现实技术在教学中的应用J.山东师范大学学报(自然科学版)，2005，20(2)：121.8 张新喜等.Multisim 10 电路仿真及应用.北京：机械工业出版社.2

26、010,1;9杜玉远EDA设计快速入门电子世界，2004,(1):24 10ALTERA公司,DATA BOOKM.北京:清华大学出版社,1998:41-4211 聂典，丁伟.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用.北京：电子工业出版社.2009,712 刘刚等.Multisim & Ultiboard 10 原理图及PCB设计.北京：电子工业出版社.2009,613John F.Wakerly.Digital Design-Principle&Practices.3rd ed. Beijing:Higher Education Press and Pearson Education North Asia Limited,2001.14Donald D. Givone. Digital Principles and Design. McGraw-Hill Compaines, Inc.,2003:38-4015ABT Logic Advenced High-Speed CMOS Data Book. Texas Instruments,2000:123-12416谭会生，张昌凡.EDA技术及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2001:57-5915