李謙+王云秀+沈歡

摘 要：針對《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》的教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題，提出將仿真軟件Multisim10和AD10融入到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，介紹了Multisim10仿真軟件的功能與特點(diǎn)，以NE555定時器為核心的簡易電子琴的實(shí)驗(yàn)設(shè)計為仿真實(shí)例，進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)用AD10對電子琴進(jìn)行PCB設(shè)計，展開實(shí)物制作，將講授的知識更為直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，以有效改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生對數(shù)字電路的學(xué)習(xí)興趣及自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；Multisim10軟件；AD10軟件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP393；TN709 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-0-02

0 引 言

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)教育、通信工程等電子信息類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生自主動手掌握課堂中所學(xué)器件的特性，在理論基礎(chǔ)上更好地應(yīng)用知識，從而幫助學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新，提高學(xué)習(xí)熱情。在實(shí)際教學(xué)過程中，因《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容較多、較為抽象且課時安排比較緊湊，而隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的新型元器件、新電路，使得現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件已無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各種電路設(shè)計要求，導(dǎo)致大部分學(xué)生對《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》知識的學(xué)習(xí)僅僅停留在對各種芯片、電路的堆砌上，并未將應(yīng)用作為重點(diǎn)掌握。

為解決在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，更好地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性的提高，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，引入軟件Multisim10和AD10，將數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的理論知識更好地融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生從理論無縫過渡到仿真和實(shí)驗(yàn)。

1 Multisim10的功能與特點(diǎn)

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》包括數(shù)制與編碼、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、集成邏輯門、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路的分析與設(shè)計、脈沖波形的產(chǎn)生與整形、存儲器和可編程邏輯器件、AD/DA轉(zhuǎn)換器等知識。而仿真軟件Multisim10的引入為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了較好的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，Multisim10是由美國國家儀器（NI）公司研發(fā)的仿真軟件，現(xiàn)已升級到Multisim14，但目前高校常用的是Multisim10，與其他電路仿真軟件相比，具備諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 規(guī)模龐大的元器件庫

Multisim10提供了豐富的元器件庫，使用者可根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的元器件。對于初學(xué)者來說，因不熟悉所需的元器件在哪個元器件組和元件系列中時，可點(diǎn)開任意一個元器件組然后進(jìn)行元器件搜索，在搜索窗口中輸入所需元器件的名稱，最后點(diǎn)擊搜索即可找到所需元器件。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬儀器儀表

Multisim10提供了儀器工具條，可用于進(jìn)行虛擬電子實(shí)驗(yàn)室和電子設(shè)計仿真，常用的虛擬儀表有數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀、波特圖示儀、頻譜分析儀等，為電路的仿真提供了強(qiáng)有力的保證，使學(xué)生更快、更好地掌握常用實(shí)驗(yàn)儀器的使用與測量方法。

1.3 強(qiáng)大的分析能力

Multisim10為使用者提供了較為強(qiáng)大的電路分析能力，包括電路的交直流分析、頻譜分析、噪聲因素分析、邏輯分析、失真分析、傅里葉分析、溫度掃描、布線寬度分析等。擁有其他軟件所不具備的分析功能，它的最大優(yōu)勢就是其仿真結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果幾乎完全相同，使得該軟件能廣泛用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。

1.4 便利的交互界面

Multisim10能將原理圖的創(chuàng)建、電路仿真分析與仿真結(jié)果等同時呈現(xiàn)在同一個窗口界面，相當(dāng)于將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的元器件都集中在一個實(shí)驗(yàn)箱，然后再與仿真測量儀器儀表相連進(jìn)行仿真分析。而使用鼠標(biāo)即可將元器件用導(dǎo)線相連，大大提高了學(xué)習(xí)效率。

2 Multisim10在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的仿真應(yīng)用

以數(shù)字電路中典型芯片的應(yīng)用即以芯片NE555為核心設(shè)計的簡易電子琴為例，闡述采用Multisim10軟件進(jìn)行仿真應(yīng)用的過程。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案的確立

簡易電子琴的系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入電路由8個按鈕開關(guān)和8個電阻值固定的電阻組成，通過按下不同按鍵，使接入電路的電阻值發(fā)生改變，從而改變NE555振蕩電路的輸出頻率，使得輸出頻率與音樂學(xué)中的音名頻率相匹配，再經(jīng)過三極管放大，最后由蜂鳴器輸出。

2.2 輸入電路的設(shè)計

蜂鳴器在不同頻率信號的驅(qū)動下將發(fā)出不同的聲音，而頻率由接入555定時器的電阻決定，因此，8個電阻阻值的確定至關(guān)重要。根據(jù)音樂學(xué)理論，不同音名對應(yīng)的頻率見表1所列。

由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2所示。

R1、R9、C1為外接定時元件，決定著振蕩器的振蕩周期，其中R9為引腳RST 和DIS之間的電阻，R1為引腳DIS和TRI之間的電阻，C1為引腳 TRI和地之間的電容，C2為濾波電容，該電路不必外加觸發(fā)信號，加電后就能產(chǎn)生周期性的方波。多諧振蕩器的振蕩周期包含兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，即：

通過表1可知，不同的音名對應(yīng)不同的頻率，在引腳DIS和TRI之間串聯(lián)8個音階電阻來產(chǎn)生8種不同頻率的方波，控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，可通過按下不同的按鍵使得接入555定時器的電阻不同，從而改變其輸出頻率。

2.3 電路的仿真

根據(jù)以上分析，繪制出圖3所示的簡易電子琴仿真電路，555定時器輸出端連接的電阻起穩(wěn)定電壓的作用，使輸出的方波信號穩(wěn)定，降低發(fā)出聲音的失真度。再經(jīng)過PNP三極管進(jìn)行功率放大，最后由蜂鳴器輸出。當(dāng)按下開關(guān)J1后，接入電路的電阻值為R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8，圖4所示為按下J1開關(guān)后通過示波器測試輸出方波的波形和周期，測量探針測出其實(shí)際頻率為264 Hz，與理論頻率低音do基本一致，能較好地實(shí)現(xiàn)電子琴的音效，且波形穩(wěn)定。

2.4 用AD10進(jìn)行PCB設(shè)計，展開實(shí)物制作

在仿真基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新能力，可通過軟件AD10進(jìn)行PCB設(shè)計，圖5所示為簡易電子琴的PCB圖，然后購買相應(yīng)元器件展開實(shí)物制作，圖6所示為簡易電子琴實(shí)物圖。

3 結(jié) 語

借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺Multisim10和AD10設(shè)計數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中簡易電子琴的實(shí)驗(yàn)，能有效解決課程教學(xué)中存在的難題。通過課堂理論知識的講授與Multisim10仿真及AD10 PCB設(shè)計相結(jié)合的方式，為教師提供了靈活的教學(xué)方法，將原本枯燥的知識內(nèi)容以鮮活的形式展現(xiàn)出來，可有效幫助學(xué)生掌握常用芯片的使用和外圍電路的設(shè)計，進(jìn)一步加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，同時也培養(yǎng)了學(xué)生在數(shù)字電路中的動手能力和綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力，為學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物操作奠定了基礎(chǔ)，學(xué)生也能自己利用課后時間進(jìn)行有趣的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計，促使學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。

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