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数字电路教学中利用Multisim14演示组合电路的功能

2024-09-20 118 上传者：管理员

摘要：组合电路的教学中，重点是引导学生理解电路的逻辑功能。通过传统的逻辑框图讲解组合电路的逻辑功能，学生一般会感到枯燥并且印象不深。利用Multisim14软件绘制数据比较器、编码器、二进制译码器、显示译码器和数据选择器等典型组合电路集成器件构成的电路并仿真，生动形象地演示电路的基本功能，在课堂教学中有助于提高学生学习的积极性，加深对电路功能的印象和理解。

关键词：
Multisim14
数字电子技术
数字电路
组合电路
虚拟仿真
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“数字电子技术”是电子信息类、计算机、自动化等专业的一门重要的基础课程，课程既有逻辑性很强的理论内容，又对动手实践有很高的要求。理论指导实践，实践当中又会对理论有更进一步的理解，理论和实践只有紧密结合在一起，“数字电子技术”课程才能生动有趣。在“数字电子技术”课程的教学当中，理论课和实验课是同步进行的，在学习完重要的理论之后都要进行配套的实验。但是在理论课堂上，由于不能连接具体的电路进行演示，遇到难度大的知识点，教学效果不佳[1]。

组合电路是数字电路的重要组成部分，这一块的教学内容主要包括组合电路的分析和设计方法以及典型的组合电路。数值比较器、编码器、译码器、数据选择器等都属于典型的组合电路，在学习这些电路时重点是理解它们的逻辑功能，之后基于逻辑功能列出真值表，按照组合电路的一般设计方法设计出电路。传统教学中，一般是通过逻辑框图来说明组合电路的功能，不够直观、形象，难免导致学生感觉枯燥乏味。本文利用Multisim14软件绘制几种典型组合电路集成器件构成的电路，通过软件仿真来形象地展示电路的基本功能，有利于学生加深对所学内容的印象和理解，同时可以提高学生学习课程的热情和兴趣。

1、Multisim软件简介

Multisim软件的前身是EWB软件。20世纪90年代，5.0版本传入中国，2001年软件更名为Multisim, 意思是多重仿真，后来又推出了7和8两个版本，2006年推出9.0版本，后面依次推出10到14版本。软件的最新版本是Mutisim14,该版本除了对以前版本的基本功能进行了进一步完善，还开发了一些新的功能，最新版本的主要特点和优势包括以下几个方面[2]:

(1)软件界面直观，操作方便。设计电路所需的元器件和测试仪器都可以从屏幕直接抓取，元器件的图标和实物的外观相似，测试仪器的按钮、开关也和实际仪器非常接近。

(2)完备的元器件库。借助领先半导体制造商的新版本和升级版本的模拟模型，新版本扩展了模拟和混合应用，多达20000个元器件可供调用。

(3)大量的虚拟测试仪器。软件提供了数字万用表、示波器、函数发生器、频率计数器、网络分析仪等20多种虚拟仪器，为电路性能的测试和分析提供了强有力的支持。

Multisim软件在电子电路的分析和设计以及电子电路课程的教学中有着广泛的应用。包涛等人利用Multisim进行文氏电桥振荡实验教学[3];张学文等人基于Multisim9,采用74LS90设计任意进制计数器[4],并利用Multisim13分析了多种类型触发器的工作状态[5]。

2、利用Multism14软件仿真典型组合电路

典型组合电路都有相应的集成器件，在软件中将它们调用出来，再接上电阻、开关等基本元器件，就可以构成展示组合电路基本功能的电路。

2.1 数值比较器

74LS85是一种常用的TTL集成4位数值比较器，其管脚图如图1(a)所示。A3、A2、A1、A0和B3、B2、B1、B0是两个待比较的4位二进制数输入端。OAGTB、OAEQB和OALTB是比较结果输出端，分别表示A小于B、A等于B和A大于B,其中A=A3A2A1A0,B=B3B2B1B0。AGTB、AEQB和ALTB是三个级联扩展输入端，用来连接低位片的比较结果输出端[6]。

课堂教学中，为了向学生说明数值比较器的功能，利用Multisim14软件绘制74LS85构成的4位数值比较电路，如图1(b)所示。其中A3到A0以及B3到B0连接的是用电源、开关和电阻串联构成的逻辑电平，当开关闭合时输入高电平，开关断开时输入低电平。三个比较结果输数端都接指示灯，通过灯的亮灭来表示比较结果。电路中仅使用一片74LS85,不与低位片级联，相当于来自低位片的比较结果是相等的，所以级联扩展端中AGTB和ALTB接地，AEQB接高电平。这个电路是在学生学习比较器之初，用来向他们展示比较器功能的，级联扩展端的作用和接法可以先不予讲解。演示教学时，用软件对电路进行仿真，控制开关的断合可以获得不同的A和B,演示A大于B、A等于B和A小于B三种情况，显示不同的比较结果。在图1(b)中，A=1001,B=0111,OAGTB端连接的指示灯X1亮，另外两个指示灯灭，表示比较结果为A大于B。

图1 74LS85的管脚图及其构成的数值比较电路

2.2 编码器

74LS148是一种常用的TTL集成3位二进制编码器，其管脚图如图2(a)所示。D0到D7是8个待编码的输入信号端，A2、A1和A0是3位代码输出端。EI为选通输入端，低电平有效，即EI=0时允许编码。GS为选通输出端，级联时，高位片的GS端与低位片的EI端连接起来，可以控制低位片是否允许编码。EO为优先扩展输出端，级联时作为输出位的扩展端。

利用Multisim14软件绘制74LS148构成的3位编码电路，如图2(b)所示。输入信号端D0到D7采用反码输入，接逻辑电平，低电平有效，电路只对低电平的输入信号进行编码。D0到D7相互排斥，任意时刻只能有一个信号为低电平。3位代码输出端A2、A1和A0采用反码输出，接指示灯，灯亮则为“1”,灯灭则为“0”,表示编码结果。选通输入端EI接低电平，保证电路能够正常编码。电路中单独使用一片74LS148,没有进行级联扩展，所有没有用到GS和EO端。在软件中对电路进行仿真，控制开关可以改变有效输入信号，从而依次对不同的输入信号进行编码。在图2(b)中，输入信号中仅D6为低电平，编码器对D6进行编码，反码输出001。

图2 74LS148的管脚图及其构成的编码电路

2.3 二进制译码器

74LS138是一种常用的TTL集成3位二进制译码器，其管脚图如图3(a)所示。A、B和C为3位代码输入端，Y0到Y7为输出信号端。G1、～G2A和～G2B为三个输入选通控制端，G1端高电平有效，～G2A端和～G2B端低电平有效。只有当三个选通控制端同时有效时，74LS138才能正常工作，允许译码。三个选通控制端中只要有一个无效时，禁止译码，输出端全为高电平。

在Multisim14软件中，画出由74LS138构成的译码电路，如图3(b)所示。3位代码输入端A、B和C接逻辑电平，通过调整开关的状态可以输入不同的代码。输出信号端Y0到Y7接指示灯，低电平有效，即指示灯不亮时为有效输出，表示当前输入代码的含义。选通控制端G1接电源，～G2A和～G2B接地，三个控制端都有效，保证电路正常译码。课堂上，在软件中仿真电路，通过调整开关A、B和C的断合可以改变输入代码，电路对不同的代码进行译码，产生相应的有效输出。图3(b)表示了一种仿真结果，开关A和C闭合，B断开，使得输入代码ABC=101,输出端的指示灯中仅有Y5不亮，为有效输出，表示代码101的含义。

图3 74LS138的管脚图及其构成的译码电路

2.4 数据选择器

74LS151是TTL集成8选1数据选择器，其管脚图如图4(a)所示。D0到D7为8路数据输入端，C、B、A为3位地址码输入端，Y和～W为一对互补的数据输出端。～G为选通控制端，低电平有效，即当～G为低电平时，选择器正常工作，实现数据选择功能。当～G为高电平时，选择器被禁止，Y被封锁在低电平，输入数据和地址码都无效。

演示数据选择器基本功能的电路如图4(b)所示，电路主要由74LS151、函数信号发生器和示波器组成。3位地址码输入端C、B、A接逻辑电平，函数信号发生器产生峰值为5V、周期为1秒的方波，送给数据输入端D0到D7中的某一个。数据输出端Y接示波器。选通控制端～G接地，使得74LS151正常工作。在Multisim14软件中对电路进行仿真时，通过控制3个开关获得不同的地址码，从而使得电路从D0到D7中选择不同路数据输出。图4(b)演示的情况是，地址码CBA=110,此时电路选择数据D6输出，而函数信号发生器向D6输入方波信号，所以此时通过示波器可以观察到方波波形。如果保持CBA=110不变，将函数信号发生器接到其他数据输入端，示波器就不会显示方波波形。

图4 74LS151的管脚图及其构成的数据选择电路

3、结语

本文基于Multisim14软件设计了数据比较器、编码器、二进制译码器和数据选择器等组合电路集成器件构成的电路并仿真，在课堂教学中向学生演示电路的基本功能。传统的教学方法是通过逻辑框图讲解组合电路的功能，比较枯燥乏味，不利于学生接收。而采用Multisim14软件辅助教学，形象直观，有助于提高学生学习的积极性，加深学生对电路功能的印象和理解。

参考文献:

[1]倪德克.Multisim在数字电路逻辑设计教学中的应用[J].西安邮电大学学报,2011(S1):90-92.

[2]张新喜.Multisim14电子系统仿真与设计(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2017.

[3]包涛,周德云,林华杰.文氏电桥振荡实验仿真教学设计[J].实验室研究与探索,2018,37(09):202-205.

[4]张学文,司佑全.关于74LS90计数器的Multisim仿真分析[J].湖北师范大学学报(自然科学版),2020,40(2):74-81.

[5]张学文,司佑全.Multisim13仿真软件在触发器中的应用分析[J].湖北师范大学学报(自然科学版),2021,41(3):93-98.

[6]余孟尝.数字电子技术基础简明教程(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2018:158-160.

基金资助:安徽省高等学校科学研究项目(2022AH 051041); 安庆师范大学校级教研项目(2022aqnujyxm51);

文章来源:黄星,陈小琳.数字电路教学中利用Multisim14演示组合电路的功能[J].科技风,2024,(26):1-3.