蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 杜先君

Multisim在電子設(shè)計(jì)實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用

蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 杜先君

電子設(shè)計(jì)類實(shí)踐課程的教學(xué)目的是要學(xué)生掌握電子電路的基本設(shè)計(jì)方法、驗(yàn)證方法，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。本文以交通燈控制電路為例，介紹了電子電路的一般設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)過程中使用Multisim軟件對(duì)理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行電路仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。通過驗(yàn)證，該交通燈可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有道路十字路口的交通指揮功能，具有較高的可靠性和一定的實(shí)用性。使用Multisim軟件進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和仿真，不僅省時(shí)，而且可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)資源，而且可以給枯燥的課堂教學(xué)提供生動(dòng)的教學(xué)演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

Multisim；交通燈；電子設(shè)計(jì)；仿真

電子設(shè)計(jì)實(shí)踐是我校開設(shè)的一系列電子技術(shù)實(shí)踐類課程，包括電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、電子技術(shù)綜合訓(xùn)練等。課程要求學(xué)生應(yīng)用電子技術(shù)課程所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行電子電路的綜合設(shè)計(jì)，完成電路仿真、圖紙繪制與實(shí)際電路的焊接等。

重視理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合是學(xué)好此類課程的一個(gè)重要方法[1]。因此，就要求學(xué)生在完成理論學(xué)習(xí)之后，要進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與綜合設(shè)計(jì)，對(duì)所學(xué)知識(shí)從“系統(tǒng)”的角度進(jìn)行完善，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)動(dòng)手、分析和解決問題的能力培養(yǎng)。電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，各種新型電子器件、電子電路日新月異，僅靠現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件將無法滿足電子設(shè)計(jì)實(shí)踐課程中電子電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試要求[2]，對(duì)于這樣一類學(xué)科基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果而言，無疑將受到很大影響，甚至在一定程度上影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。NI公司的Multisim軟件具有強(qiáng)大的電路分析和電路仿真等基礎(chǔ)功能，并且界面友好、生動(dòng)，將其虛擬的設(shè)計(jì)環(huán)境引入到理論與實(shí)踐教學(xué)中，對(duì)解決這一問題有著較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

1　 Multisim軟件概述

Multisim13是美國NI公司推出的最新電路設(shè)計(jì)與仿真工具軟件，與早期版本相比，其性能提升的同時(shí)，用戶可以根據(jù)自己的需求自定義儀器；仿真時(shí)的虛擬信號(hào)可以通過計(jì)算機(jī)輸出到實(shí)際的硬件電路上；實(shí)際硬件電路的結(jié)果可通過數(shù)據(jù)線傳輸回計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理。

Multisim13仿真軟件主要可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)、仿真分析等功能，可對(duì)實(shí)際模擬/數(shù)字電路及模數(shù)混合電路進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)與仿真分析。用戶可以通過其人性化的界面，使用其龐大的虛擬器件、儀表庫，進(jìn)行絕大部分的電子電路設(shè)計(jì)與仿真，各種虛擬儀表非常逼真地與電路原理圖放置在同一操作界面上進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)和波形的測試，以圖形化的方式消除了傳統(tǒng)電路仿真的復(fù)雜性，幫助教育工作者、學(xué)生和工程師使用先進(jìn)電路分析技術(shù)。同時(shí)，該軟件可將電路原理圖轉(zhuǎn)換輸出至PCB設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行相應(yīng)的電子電路制板操作[4]。

因此，利用Multisim13進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)類課程教學(xué)時(shí)，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中完成原理圖設(shè)計(jì)，包括元件的選擇、創(chuàng)建，電路參數(shù)的調(diào)整以及仿真結(jié)果的分析等環(huán)節(jié)，仿真過程中，可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，并利用虛擬的測試儀表進(jìn)行相關(guān)電路特性的測試[5,6]；完成理論設(shè)計(jì)之后，即可采購元件，進(jìn)行電路的安裝、調(diào)試，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)過程，且可以保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2　 簡易交通燈信號(hào)控制電路設(shè)計(jì)

本文以一簡易交通燈信號(hào)控制電路為例，說明Multisim13在電子設(shè)計(jì)課程中應(yīng)用。該交通燈電路具體功能要求如下：

（1）十字路口車輛東西-南北方向交替通行，通行時(shí)間一致且可在電路中設(shè)置、修改；

（2）變換通行車道前，要求當(dāng)前通行車道黃燈閃爍亮燈5s，每秒一次；

（3）亮燈時(shí)間均采用LED倒計(jì)時(shí)的方法顯示。

2.1 主要單元電路器件的選擇

2．1．1 計(jì)數(shù)單元的選擇

由設(shè)計(jì)要求可知，所有亮燈時(shí)間均需要采用LED顯示器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，因此本文采用同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS190N構(gòu)成所需模態(tài)的減計(jì)數(shù)器。在Multisim設(shè)計(jì)界面，使用快捷鍵Ctrl+W調(diào)出放置元件對(duì)話框，在彈出的對(duì)話框中的Group欄中選擇TTL，F(xiàn)amily欄中選擇74LS系列，并在Component欄中找到“74LS190N”并選中，點(diǎn)擊“確定”即可放置所需的計(jì)數(shù)器元件。設(shè)計(jì)中，設(shè)置撥碼開關(guān)，可按要求改變預(yù)置數(shù)的數(shù)值。

圖1　 交通燈信號(hào)控制器的仿真電路

2．1．2 邏輯切換控制單元

由設(shè)計(jì)要求可知，紅、黃、綠三色交通燈需要在計(jì)時(shí)過程中實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的切換，且紅色和綠色LED燈都需要保持顯示一定的時(shí)間，黃燈則為閃爍5s，每秒一次。設(shè)計(jì)中采用雙JK觸發(fā)器“7473N”實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)保持，并配合門電路實(shí)現(xiàn)三色燈轉(zhuǎn)換邏輯。在Multisim設(shè)計(jì)界面，使用快捷鍵Ctrl+W調(diào)出放置元件對(duì)話框，在彈出的對(duì)話框中的Group欄中選擇TTL，F(xiàn)amily欄中選擇74STD系列，并在Component欄中找到“7473N”并選中，點(diǎn)擊“確定”即可放置所需的觸發(fā)器元件。

2.2 交通燈信號(hào)控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

簡易交通燈信號(hào)控制電路系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。在Multisim電路設(shè)計(jì)界面，放置如圖1所示所有需要的元件。

電路運(yùn)行仿真時(shí)，假設(shè)東西方向綠燈亮、南北方向紅燈亮，通行時(shí)間45s通過上方LED倒計(jì)時(shí)顯示。時(shí)間顯示數(shù)字“5”時(shí)，東西方向車道（當(dāng)前通行車道）的綠燈切換為黃燈，每秒閃爍亮燈一次，以此提醒司機(jī)通行時(shí)間將結(jié)束，請(qǐng)減速緩行并停車；倒計(jì)時(shí)結(jié)束1s后，LED倒計(jì)時(shí)顯示預(yù)置的通行時(shí)間45s，通行車道切換完成。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號(hào)燈的循環(huán)切換控制。通行時(shí)間可由用戶通過撥碼開關(guān)自行設(shè)置（范圍1～99），具體運(yùn)行效果同前。為了便于快速仿真，電路中的時(shí)鐘信號(hào)頻率為1kHz，實(shí)際電路制作時(shí)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路，以便產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)。

3　 結(jié)論

通過Multisim軟件實(shí)現(xiàn)此類電路的設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可以直觀的看到設(shè)計(jì)結(jié)果，并且可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行修改，大大縮減電路設(shè)計(jì)周期，且避免利用實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的不必要浪費(fèi)，節(jié)約成本。在多媒體教學(xué)演示過程中，電路的分析過程清晰、直觀、形象、生動(dòng)，使教學(xué)過程中寓教于樂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。我們還利用該軟件對(duì)電子技術(shù)類課程進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)模式改革，使實(shí)踐與理論有機(jī)結(jié)合，有效提高學(xué)生在電子電路問題的分析、設(shè)計(jì)中的應(yīng)變能力，提高學(xué)生的實(shí)踐興趣和創(chuàng)新精神，同時(shí)也有效提高了電子設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)效果。

[1]晏湧,藍(lán)波．“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010(11):253-254．

[2]張亞君,陳龍,牛小燕．Multisim在數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(8):108-110,114．

[3]劉君,楊曉蘋,呂聯(lián)榮,等．Multisim11在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(2):95-98．

[4]沙春芳．Multisim10在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．中國現(xiàn)代教育裝備,2011(3):125-126．

[5]雷躍,譚永紅．用Multisim10提升電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(4):24-27．

[6]閆俊榮．Multisim10仿真在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高師理科學(xué)刊,2011,31(1):91-93．

蘭州理工大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（JY2013014）基金資助。

杜先君（1979—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電路與系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)建模與控制等方面的教學(xué)與研究工作。