ISSN1672-4305

CN12-1352 / N实　 　 验　 　 室　 　 科　 　 学

LABORATORY　

SCIENCE第 23 卷　 第 6 期　 2020 年 12 月

Vol. 23　 No. 6

　 Dec. 2020

Multisim 在数字电路课程设计中的应用

李　 敏(辽宁石油化工大学

信息与控制工程学院, 辽宁

抚顺　 113001)

摘　 要: 介绍了基于 Multisim 的数字电路课程设计的实现。 以四路抢答电路为例, 在分析了系统功能之后,设计的电路结构包括锁存电路、 计时电路、 译码显示电路、 控制电路等几部分。 控制电路结构在系统中的作

用尤其显著, 详细介绍了四路抢答电路各控制信号的设计过程, 体现了数字电路基本设计方法的重要作用。仿真结果表明, Multisim 技术在数字电路综合设计运用的明显优势, 培养了学生的创新能力。关键词: Multisim 基础仿真工具; 数字电路; 控制电路; 仿真

中图分类号:TN710. 9　 　 文献标识码:A　 　 doi:10. 3969 / j. issn. 1672-4305. 2020. 06. 014

Application

of

Multisim

in

the

curriculum

design

of

digital

circuit

LI

Min(School

of

Information

and

Control

Engineering,

Liaoning

Shihua

University,

Fushun

113001,

China)

Abstract: Introduce

the

implementation

of

digital

circuit

curriculum

based

on

Multisim.

Taking

the

four-way

answering

circuit

as

an

example,

after

analyzing

the

system

function,

the

circuit

structure

in-cludes

locking

circuit,

timing

circuit,

decoding

display

circuit,

and

control

circuit.

The

control

circuit

structure

plays

a

particularly

important

role

in

the

system.

The

design

process

of

the

control

signals

of

the

four-way

answering

circuit

is

introduced

in

detail,

and

the

function

of

the

basic

design

method

of

the

digital

circuit

is

reflected.

Simulation

results

show

that

Multisim

technology

has

obvious

advantages

in

the

integrated

design

of

digital

circuits

and

has

trained

students

innovation

ability.Key

words: Multisim;

digital

circuit;

control

circuit;

simulation

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　　

　　

　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　

　

收稿日期:2019-08-07　 修改日期:2020-06-02作者简介:李敏,硕士,讲师,主要研究方向为智能控制、电工技术

教学。 E-mail:10216436@ qq. com

　 　 “数字电路课程设计”是电类专业学生在学习

数字电子技术之后,开设的一门综合性实践课程。该课程综合性较强,是提高学生的实践创新能力、培养学生解决复杂工程问题能力的重要途径[ 1-4 ] 。 但

是,由于数字电子技术更新较快、实验室仪器和条件

的限制等原因,该课程的实践环节远远没有达到对

学生创新能力培养的期许。现代计算机技术的发展和计算机辅助设计为数

字电子技术课程设计提供了一条新的途径。 Multi-sim 软件这一虚拟实验室,拥有数以万计的电子元

器件,各种常用的仪器和仪表、分析工具,方便进行

电路仿真和测试[ 5-8 ] 。 经过多年的教学实践,发现

学生在熟练使用 Multisim 软件进行电路设计的过

程,实际上更多的却是参照某些电路进行仿照的过

程,学生大部分时间充当的是计算机的操作者而不

是电路的设计者。 经统计,大部分学生在方案设计、芯片的选择、模块电路的搭建方面问题不大,较多的

问题出现在控制信号的设计上,由于控制信号的不

正确设计及连接,导致系统无法按照设定功能进行

运行,这种问题的出现,体现出学生基本知识掌握不

够透彻及应用能力不足。

1　 设计流程

数字电子电路的设计过程,是一个反复测试、修改、测试、完善的过程,直至满足设计的需求[5] 。

在保证设计方案正确的前提下,电子电路的设

计过程,控制信号的设计是电路设计成败的关键,若控制信号不满足要求,系统根本无法运行,更何谈调

试和测试。电子电路设计流程如图 1 所示:

李敏:Multisim 在数字电路课程设计中的应用

图 1　 电子电路设计流程

以四路抢答电路为例,详细介绍电路的设计过

程,尤其是控制信号的设计过程。

2　 设计任务要求

(1)每个参赛者控制一个按钮,用按动按钮发

出抢答信号。(2)竞赛主持人另有一个按钮,用于将电路复

位及抢答开始。(3)竞赛开始后,先按动按钮者将对应的指示

灯点亮,此后其他 3 人再按动按钮对电路不起作用。同时显示抢答参赛者编号。

(4)具有定时抢答的功能,每次抢答时间设定

为 10 秒。 倒计时显示计时剩余时间。 若计时时间

已满,仍无人作答,系统禁止抢答。 若在有效计时内

发出抢答信号,计时同时停止。

3　 电路设计与工作原理

3. 1　 系统框图

四路抢答电路的设计采用层次化的设计方

法[9 - 10 ] ,根据系统功能,电路由锁存电路、译码显示

电路、倒计时电路、控制电路等几部分构成。 在主持

人宣布抢答后,倒计时启动,当有选手抢答成功后电

路将信号锁存,阻止其他选手抢答,同时控制倒计时

电路计时停止。 当倒计时计数到 0,说明抢答时间

已到,计数器停止计数,同时控制锁存电路,选手无

法再进行抢答。 主持人控制着整个电路的锁存电路

和计时电路的复位端。 因此,电路的结构框图如图

2 所示。

图 2　 四路抢答电路系统框图

3. 2　

锁存抢答电路设计

四个参赛选手控制的按钮开关,分别接在优先

编码器 74LS148 的四个编码输入端,编码器的 3 位

输出端分别作为 RS 触发器的置数控制端,编码器

的 YEX 端控制 RS 触发器的置数端,同时该触发器的

输出控制 148 芯片的使能控制端。 初始状态,148无抢答输入信号同时 RS 触发器状态均为零态,当有选手发出抢答信号,148 芯片输出端 Y2、Y1、Y0 根

据输入编码输出,RS 触发器将 148 的输出状态保

持,同时 148 的 YE X 端立即为逻辑 0,导致 Q4 为逻

辑 1,控制 148 的使能端,使其禁止,即可锁存选手

的抢答信号了。 锁存电路结构如图 3 所示。

图 3　 锁存抢答电路结构图

3. 3　 控制电路的设计

3. 3. 1　

抢答禁止控制

根据系统功能要求,当有选手发出抢答信号或

者抢答时间倒计时到零时,锁存电路均要进入锁存

状态,抢答电路禁止接受抢答信号,所以 74LS148 的

使能控制信号是由自身的 YEX 暂存后及计数器的进

位输出端共同控制。 它们之间的逻辑关系如表 1所示。

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表 1　 真值表

Q4 B S

0 0 1

0 1 0

1 0 1

1 1 1

由此可知,控制信号 S 的逻辑函数式如式(1)所示。

S =(Q /4 ·B) / (1)

因此可以设计控制结构如图 4 所示。

图 4　 抢答禁止信号结构

3. 3. 2　 计时控制

根据系统功能要求,当有选手发出抢答信号或

者抢答时间倒计时到零时,倒计时电路都要停止计

数,在此选择利用控制计数芯片的时钟信号 CP 来

控制计数器进行计数或者停止。 因此,此 CP 信号

应该是抢答锁存信号与计数器自身的进位输入共同

控制,它们之间的逻辑关系可以列出真值表、写出函

数式,最终设计控制信号结构如图 5 所示。

图 5　 计时控制信号结构

3. 3. 3　 主持人控制

根据系统功能,主持人控制着系统的复位开关,此开关接通,使系统复位,即锁存电路清除前次抢答

信号,为再次接受输入做好准备,计时电路复位,倒计时电路进入置数状态。 此开关断开,锁存电路可

以接受抢答信号同时计数器进入 10 秒倒计时工作

状态。 因此,此复位信号直接控制锁存电路中各 RS触发器的置零输入端同时控制计数芯片的异步置数

端。 开关接通令其为逻辑 1,开关断开令其为逻辑

0,即可满足此控制信号的功能。通过上述几个控制信号的设计过程,可以发现

系统的控制电路的设计过程,完全符合数字电路的

设计步骤,设计者只要按照真值表、函数式、逻辑图

的顺序,即可设计出符合系统需求的控制电路结构。

4　 电路仿真及功能

根据系统功能需求,搭建的四路抢答仿真电路

如图 6、图 7 所示。 其中图 6 为主持人控制的开关

将电路复位的工作状态,从图中可以看出,此时抢答

电路处于无效状态,抢答序号显示为 0,四个选手对

应的指示灯均不亮,倒计时显示处于置数状态。

图 6　 系统复位工作状态

85 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

李敏:Multisim 在数字电路课程设计中的应用

　 　 图 7 所示电路,系统处于抢答状态。 图 7 中,主持人控制的开关断开,系统开始抢答状态,倒计时开

始计数,在这期间,4 号选手先按动抢答开关,因此 4号选手抢得了答题权,数码管显示 4,同时 4 号选手

对应的指示灯亮,其他选手再按动抢答开关,也无法

抢得答题权。 同时,当有选手抢得答题权后,计时电

路停止计时。 反之,若计时计满,才有选手发出抢答

信号,此时也无法抢得答题权了。

图 7　 系统抢答工作状态

　 　 由于经过了仿真软件的正确性验证,学生才可

根据自己的电路结构,准备电子元器件。 而学生后

续的硬件电路的连接和调试过程中,只要按照原理

图,逐步调试单元电路,就可以得到最终的结果。 这

样的设计过程,降低了硬件连接和调试的出错率,学生设计成功性更大,才能更好地培养学生的工程设

计能力和工程意识[5] 。

5　 结语

通过上述的分析、设计和仿真测试,本次设计完

成了预定的功能。 大多数的数字系统,虽然更多是

使用了中规模集成芯片,但是各类控制信号的设计,仍然需要设计者的最基本的组合电路的设计过程。使用 Multisim 软件,更利于设计者的设计、调试的过

程,摆脱了时间与空间的束缚,器件的选择自由灵

活,充分发挥设计者的创造能力,减少了器件的损

耗,弥补了传统实践设计过程的不足。 将 Multisim软件应用于电子技术课程设计,对学生的创新能力

和解决问题能力都有所提升。

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