呂念芝

（福州理工學(xué)院工學(xué)院，福建福州350001）

0 引言

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、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)并模擬和測試電路功能。電路功能測試成功后再進(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，元件庫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］。

1 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與仿真

1．1 設(shè)計(jì)任務(wù)

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；

1．2 設(shè)計(jì)步驟

（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。

2 主要功能電路設(shè)計(jì)

2．1 秒、分計(jì)時(shí)電路和12／24切換電路

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)有競爭冒險(xiǎn)。同樣，在十位的十進(jìn)制中，數(shù)字從0變化到5時(shí)也存在競爭冒險(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，不需要考慮競爭冒險(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

2．2 校時(shí)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

2．3 主要功能電路仿真結(jié)果

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。

2．4 總體功能設(shè)計(jì)及仿真

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

2．5 整體電路仿真結(jié)果

整體電路設(shè)計(jì)完成后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，進(jìn)行仿真測試。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］。

3 結(jié)語

“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］。