Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｙｅａｒｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎｔｏ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｓｏｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｕｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ ｇｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ａｎｄ ｅｍｐｈａｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｌａｓｓ ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｖｅｌｙ．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｕｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｆｏｒｍ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｎｒｉｃｈ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｏｕｒｓｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈｉｐｓ．Ｍｏｒｅｖｅｒ，ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ａｒｏｕｓｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａ－ ｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ， ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｓｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｇｒａｄｅｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｄｅｍｏｎ－ ｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｆ ａｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｕｒｓｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｔｅａｃｈｉｎｇ
数 字 电 路 课 程 内 容 比 较 抽 象 ，课 时 安 排 比 较 紧 凑 ， 学 生 普 遍 感 觉 到 知 识 抽 象 、难 于 理 解 器 件 的 逻 辑 功 能 、 较难掌握器件的外部 特 性，尤 其 是 涉 及 到 器 件 如 何 应 用 ，如 何 利 用 所 学 器 件 设 计 实 用 电 路 时 显 得 不 知 所 措 。 大部分学生 学 习 数 字 电 路 知 识 只 是 停 留 在 知 识 的 堆 砌，而没有将应用作为重点掌握的内容 。 ［１］ 另外，考 虑 到电子设计自动化（ＥＤＡ）技 术 日 趋 成 熟，并 走 向 本 科 教学 课 堂，学 生 掌 握 ＥＤＡ 技 术 已 成 为 时 代 发 展 的 要
１ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 在数字电路教学中的应用
数字 电 路 包 括 门 电 路、组 合 逻 辑 电 路、触 发 器、时
王尔申，等：Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 和 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真在数字电路课程教学中的应用
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序 逻 辑 电 路 、译 码 器 、显 示 器 、寄 存 器 、计 数 器 、ＡＤ／ＤＡ 转换器等。 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 仿 真 软 件 为 电 子 电 路 仿 真 提 供 了丰富的元件数据库，同 时 提 供 了 种 类 多 样 且 标 准 化 的 仿 真 仪 器 ，比 如 万 用 表 、示 波 器 、逻 辑 分 析 仪 、失 真 度 分析仪、波特图测试仪等。Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 作 为 以 Ｗｉｎｄｏｗｓ 为基础的仿真工具，具 有 丰 富 的 仿 真 分 析 能 力 以 及 完 整的 电 路 原 理 图 图 形 输 入 方 式。 引 入 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 软 件 帮助学生快速地将刚学到的理论知识用计算机仿真再 现出来，帮助学生更 快、更 好 地 掌 握 教 学 内 容，加 深 对 概念、原理 的 理 解，并 能 熟 悉 常 用 实 验 仪 器 的 测 量 方 法 ，进 一 步 培 养 学 生 的 综 合 能 力 和 创 新 能 力 ，提 高 课 程 教学质量 。 ［５－７］ 为 此，研 究 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 在 “数 字 电 路 ”中 的 应 用 ，以 期 帮 助 学 生 掌 握 理 论 知 识 。
图３ ７４ＬＳ１６１Ｎ 计数器仿真验证电路
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实 验 技 术 与 管 理
时 钟 的 作 用 下 可 以 形 成 一 个 ６０ｓ的 计 时 器 。 在 计 数 器 的 输 出 端 口 接 上 显 示 数 码 管 ，可 以 很 直 观 地 观 察 计 数 结 果 。 在 本 设 计 的 启 发 下 ，该 电 路 还 可 以 扩 展 设 计 成 具 有 更 多 功 能 的 计 数 器 和 计 时 器 ，这 部 分 内 容 将 作 为 课 后 作 业 让 学 生 独 立 完 成 ，也 可 作 为 下 次 课堂讨论的内容。
ＩＳＣＳＮＮ１ １１０－０２２０－３４４／９Ｔ５６
实 验 技 术 与 管 理 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
第 ３０ 卷 第 ３ 期 ２０１３ 年 ３ 月 Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１３
现代教育技术
下面以数字电路课程涉及到的典型集成芯片的应 用电路为设计仿真实例，分析利用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 辅助理论 教学电路仿真情况。 １．１ 数 码 管 控 制 与 显 示 电 路 仿 真
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 仿真 软 件 提 供 了 发 光 元 件，如 小 灯 泡、 发光二极管、数 码 管 等 。 ［８］ 课 堂 教 学 中 利 用 这 些 元 件 展示电路的运行过程 与 结 果，可 以 改 善 课 堂 的 气 氛 和 学生的学习热情。图１给出了利用７４ＬＳ１６９Ｎ 十进制 计数 器 和 ４５１１ＢＤ 译 码 器 驱 动 ７ 段 数 码 管 显 示 的 电 路。在时钟脉冲的控制下，在数码管上循 环 显 示 ０～９ 十 进 制 数 ，形 象 地 将 显 示 结 果 展 示 在 学 生 面 前 。 １．２ 译 码 器 功 能 仿 真
在 数 字 电 路 课 程 中 学 习 的 ７４ＬＳ１３８ 译 码 器 在 数
图 １ 数 码 管 显 示 仿 真 电 路
字系统设计中有着广 泛 的 用 途，不 仅 可 以 用 于 代 码 的 转换、终端的数字显 示，而 且 还 可 用 于 数 据 分 配、存 储 器寻址以及组合控制信号等。为了使学生更好地掌握 ７４ＬＳ１３８ 译 码 器 的 外 特 性 ，图 ２ 给 出 了 利 用 开 关Ｊ１、Ｊ２ 和Ｊ３ 模 拟 二 进 制 数，来 验 证 ７４ＬＳ１３８ 译 码 器 译 码 功 能的仿真电路。在输 出 端 接 上 小 灯 泡，可 以 直 观 地 观 测开关所模 拟 的 二 进 制 数 经 过 ７４ＬＳ１３８ 译 码 器 后 的 输出结果，让学生更好 地 理 解 和 掌 握 ７４ＬＳ１３８ 译 码 器 的逻辑功能。
2proteus在数字电路教学中的应用proteus软件由labcenterelectronics公司开发是嵌入式系统设计与仿真平台可实现数字电路模拟电路微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真软件仿真系统协同仿真和pcb设计等功能是能够对多种处理器进行实时仿真调试与测试的eda软件工具910利用proteus开展数字电路课程中相关内容的教学不但可以使学生掌握利用芯片进行部分功能硬件电路的设计还可为学生在学习后续的单片机原理与应用打下坚实的基础尤其是一些与单片机相连接的接口电路的设计和应用有利于提高学生系统设计的综合能力
求。为了更好地激发 学 生 的Fra bibliotek学 习 兴 趣 和 创 造 性，解 决 数字电路教学中存在 的 问 题，在 数 字 电 路 教 学 中 可 适 度利 用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 和 Ｐｒｏｔｅｕｓ等 电 子 设 计 自 动 化 仿 真 软件 。 ［２－４］ 针对数字电路课程教学的不同知识 内 容，分 别利 用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 和 Ｐｒｏｔｅｕｓ设 计 仿 真 电 路 来 演 示 器 件的功能，并利用数 字 电 路 中 所 学 的 知 识 进 行 简 单 实 用系 统 的 设 计，从 而 将 ＥＤＡ 技 术 融 入 到 数 字 电 路 课 程的整个 教 学 环 节 中。 实 践 证 明，将 ＥＤＡ 技 术 与 传 统的数字电路课程教学方式相结合有助于提高学生数 字电路知识运用的综合能力和专业素质。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ
Ｗａｎｇ Ｅｒｓｈｅｎ，Ｐａｎｇ Ｔａｏ，Ｌｉ Ｐｅｎｇ，Ｚｈｅｎｇ Ｄａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１３６，Ｃｈｉｎａ）
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 和 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真在数字电路 课程教学中的应用
王 尔 申 ，庞 涛 ，李 鹏 ，郑 丹
（沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 １１０１３６）
摘 要：针对“数字电路”教学的现状和存在的问题，提出将 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 和 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件融入到课堂理 论 教 学 中，利用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 和 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件设计课程教学实例仿真，使课堂理论教学与仿真技术相结合，使讲授的理 论知识能够直观、形象的展现给学生，有效改善了传统教学效果，增强了学生对知识学习的兴趣，提 高 了 学 生 对 分 立 元 件 和 集 成 芯 片 的 应 用 能 力 。 学 生 反 馈 和 学 期 考 试 结 果 表 明 ，该 方 法 有 助 于 “数 字 电 路 ”教 学 质 量 的 提 高 。 关键词：数字电路；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 仿真；Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真；理论教学 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．９；ＴＮ７９ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００２－４９５６（２０１３）０３－００７８－０４
收 稿 日 期 ：２０１２－０７－０７ 修 改 日 期 ：２０１２－１０－２０ 基 金 项 目 ：沈 阳 航 空 航 天 大 学 教 学 改 革 研 究 项 目 （２０１２０４９） 作者简介：王尔申（１９８０—），男，辽 宁 辽 阳，博 士，副 教 授，主 要 研 究 方 向
为电子技术理论教学与研究工作． Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｓ２０１６＠ｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２ Ｐｒｏｔｅｕｓ在 数 字 电 路 教 学 中 的 应 用
图 ２ ７４ＬＳ１３８ 译 码 器 仿 真 验 证 电 路
１．３ 计 数 器 功 能 仿 真 分 析 ７４ＬＳ１６１是常用的 ４ 位 二 进 制 同 步 计 数 器，在 数
字电路以及单片机系统中有非常广泛的应用。图３给 出了利用７４ＬＳ１６１Ｎ 十六进制计数器来实现十一进制 计数功能的仿真验 证 电 路。 在 脉 冲 信 号 控 制 下，计 数 结果送入示 波 器，可 以 直 观 地 观 测 到 ＱＡ、ＱＢ 和 ＱＣ 对输入频率进行二、四、八 分 频 的 效 果，通 过 与 非 门 输 出端来验证十一进制计数器的功能。图４给出了利用 示波器观察到的输出 “０１００”组 合，对 应 的 十 进 制 数 为 ４。同时，可以看出在 ＱＣ、ＱＢ、ＱＡ 端得到的信号频率 分 别 为 时 钟 频 率 的 １／８、１／４ 和 １／２。