呂念芝
(福州理工學(xué)院工學(xué)院,福建福州350001)
目前我校電子類專業(yè)在“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中存在如下問題[1]:
(1)課堂理論教學(xué)只是對(duì)一些脫離實(shí)際的電路模型進(jìn)行各種分析方法的傳授,學(xué)生對(duì)實(shí)際電路設(shè)計(jì)掌握并不扎實(shí)。
(2)開設(shè)的專周課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)所需的耗材購(gòu)買數(shù)量有限,不能做到讓每個(gè)學(xué)生都少受限制地更換元器件。
(3)在之前課程安排的配套實(shí)驗(yàn)課上,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限,不能做到讓每個(gè)學(xué)生獨(dú)立操作,實(shí)驗(yàn)過程被動(dòng)參與,實(shí)際效果很不理想,動(dòng)手能力得不到提高。
針對(duì)以上問題,如果學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中仍然采用傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)方式,就會(huì)出現(xiàn)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)周期長(zhǎng)、耗時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)象。若在課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中引入電路仿真軟件,通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算能力,學(xué)生可以方便地繪制電路原理圖、更改元器件參數(shù)并模擬和測(cè)試電路功能。電路功能測(cè)試成功后再進(jìn)行電路板制作,這樣既提高了電路設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確率,又降低了元器件材料的損耗,有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力。
Multisim仿真是美國(guó)公司推出一款專用于電子線路仿真的軟件。它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真以及外圍電路等部分組成的仿真系統(tǒng),其自身具有豐富的元件庫(kù),元件庫(kù)能提供各種類型的元器件。Multisim還提供了眾多的虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、電壓表、電流表等,它們功能與實(shí)際儀器儀表功能相同,可以方便地進(jìn)行電路的仿真測(cè)試和分析。
本文以數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)闡述Multisim 在“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[2~3]。
數(shù)字電子鐘基本要求如下:
(1)時(shí)間以24小時(shí)為計(jì)時(shí)周期并顯示時(shí)、分、秒;
(2)具有12/24小時(shí)計(jì)時(shí)周期的切換功能;
(3)具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能,整點(diǎn)前10秒蜂鳴報(bào)時(shí)。
(4)具有對(duì)“時(shí)”及“分”進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)功能;
(1)明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)——功能和指標(biāo)。
(2)系統(tǒng)層設(shè)計(jì)——系統(tǒng)原理框圖。
(3)功能模塊(電路)設(shè)計(jì)——論證、仿真驗(yàn)證可行性。
(4)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)——解決存在問題,實(shí)現(xiàn)功能要求(仿真)。
(5)確定整機(jī)電路圖,給出元器件清單,繪制、制作PCB。
(6)安裝調(diào)試、測(cè)試,驗(yàn)證是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。
(7)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。
計(jì)時(shí)電路是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的核心部分,它的正確與否關(guān)系到后面能否正常顯示及其他電路的正常運(yùn)行。
秒計(jì)數(shù)電路和分計(jì)數(shù)電路都是采用置零法進(jìn)行的60進(jìn)制的計(jì)數(shù)操作,電路上除了計(jì)數(shù)脈沖有差別之外,其余電路結(jié)構(gòu)和器件都基本一樣。以秒計(jì)數(shù)電路為例,秒計(jì)數(shù)電路如圖1所示。
圖1 秒計(jì)數(shù)仿真電路
除了計(jì)數(shù)信號(hào)不同(秒計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)脈沖是IO_s,分計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)脈沖是IO_m)。在采用置零法時(shí),因?yàn)槭窃?9秒時(shí)給LOAD低電平信號(hào),在個(gè)位的十進(jìn)制中,數(shù)字從0變化到9時(shí)有競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。同樣,在十位的十進(jìn)制中,數(shù)字從0變化到5時(shí)也存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問題,在不改變?cè)瓉淼倪壿嬯P(guān)系的情況下,加入兩個(gè)非門延長(zhǎng)一定的時(shí)間。
小時(shí)計(jì)數(shù)電路同樣也是采用的置零法設(shè)計(jì)的,但是因?yàn)椴捎玫氖?2進(jìn)制和24進(jìn)制,又要實(shí)現(xiàn)兩種進(jìn)制的切換,電路結(jié)構(gòu)與秒計(jì)數(shù)和分計(jì)數(shù)電路不同,具體電路如圖2所示。在此電路中,在計(jì)數(shù)過程中各位二進(jìn)制數(shù)沒有出現(xiàn)同時(shí)變化的現(xiàn)象,不需要考慮競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。開關(guān)S1實(shí)現(xiàn)12和24進(jìn)制的切換,在仿真電路中采用普通單刀雙擲開關(guān)。
圖2 小時(shí)計(jì)算仿真電路
這部分電路主要完成對(duì)小時(shí)和分鐘數(shù)據(jù)的快速調(diào)整。本文設(shè)計(jì)的電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)小時(shí)、分鐘的單獨(dú)調(diào)整。調(diào)整功能由三個(gè)開關(guān)控制,分別是S2、S3、S4。仿真電路中利用開關(guān)構(gòu)成RS觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)功能[1]。開關(guān)S2、S3實(shí)現(xiàn)單獨(dú)校對(duì)小時(shí)數(shù)和校對(duì)分鐘數(shù)。開關(guān)S4控制正常計(jì)數(shù)。當(dāng)需要校時(shí)時(shí)開關(guān)向下閉合:開關(guān)S2往上閉合,同時(shí)開關(guān)S4往下閉合時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)小時(shí)的單獨(dú)調(diào)整。同理開關(guān)S3往上閉合,同時(shí)開關(guān)S4往下閉合時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)分鐘的單獨(dú)調(diào)整。開關(guān)S4控制計(jì)數(shù)狀態(tài),往上閉合時(shí)正常計(jì)時(shí)。校時(shí)電路如圖3所示。
圖3 分和時(shí)單獨(dú)校時(shí)的仿真電路
主要電路連接正確后,用信號(hào)發(fā)生器輸出秒脈沖,作為計(jì)時(shí)電路的輸入,計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)過譯碼電路后連接到共陰數(shù)碼管。點(diǎn)擊仿真運(yùn)行后的結(jié)果如圖4、5(a)(b)所示。
在Multisim12平臺(tái)中整體電路設(shè)計(jì)采用層次化設(shè)計(jì)[4~5],主要電路功能包括:秒脈沖輸出,時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)和譯碼顯示,整點(diǎn)報(bào)時(shí),時(shí)和分校正。電路整體框圖如圖6所示。圖中包括各個(gè)底層文件的模塊示意圖,體現(xiàn)了底層模塊的輸入和輸出接口,用導(dǎo)線和總線按照信號(hào)的連接關(guān)系連接,數(shù)字鐘的仿真電路就完成了。
圖4 60進(jìn)制的計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)過譯碼后的仿真結(jié)果
圖5 12/24進(jìn)制的計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)過譯碼后的仿真結(jié)果
圖6 數(shù)字鐘整體功能頂層文件仿真圖
整體電路設(shè)計(jì)完成后,點(diǎn)擊“運(yùn)行”,進(jìn)行仿真測(cè)試。為了加速仿真運(yùn)行結(jié)果,在校時(shí)電路中通過對(duì)校時(shí)開關(guān)S2、S3的控制,結(jié)果顯示:基本完成數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)功能。在Multisim12平臺(tái)的運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。圖7中展示了12進(jìn)制和24進(jìn)制兩種運(yùn)行結(jié)果[6]。
“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)是繼“數(shù)字電子技術(shù)”課程之后的一門重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),把Multisim仿真軟件運(yùn)用到課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,可以使學(xué)生靈活自主的設(shè)計(jì)電路,不用擔(dān)心元器件和儀器的損壞,不用受到時(shí)間和場(chǎng)地的限制,而且在仿真平臺(tái)中隨意的更換元件器參數(shù)調(diào)整電路,直到達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)功能。
圖7 數(shù)字鐘仿真運(yùn)行結(jié)果
在課程設(shè)計(jì)中引入Multisim仿真軟件,還可以激發(fā)學(xué)生積極、主動(dòng)地參與教學(xué)過程,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高他們的創(chuàng)造能力,可以大幅度提高教學(xué)質(zhì)量[7]。