摘要：《数字电子技术》课程设计是本课程教学中一个重要集中综合应用实践教学环节，主要培养学生对课程所学的理论知识的综合分析应用能力。将Multisim电路仿真设计应用到课程设计教学中不仅规范了课程设计过程，还使学生的设计思路更大胆、开放和自由。在提高学生综合设计能力、分析问题解决问题能力的同时激发了学生勇于探索的创新精神。
关键词：Multisim ； 数字电子技术 ； 课程设计
中图分类号：G40—012.9 文献标识码：A 文章编号：1671—1580（2013）12—0058—03
一、《数字电子技术》课程设计概述
数字电子技术是计算机、电子等专业必修的重要专业技术平台课，也是理论与实践紧密结合的课程。本课程除了理论与实验教学外，通常在课程教学结束后还会安排一到二周的集中综合拓展性课程设计实践教学环节。学生需要在教师指导下通过对数电课程所学知识的系统整合与综合应用完成典型电子产品的设计、制作和调试。主要培养学生对所学理论知识综合分析应用能力、典型电子产品电路的设计方法及电路制作和调试实践能力。使学生的实践能力、创新能力、分析和解决工程技术实际问题的能力不断提高。同时培养学生独立思考、勇于探索、刻苦钻研的科学学习作风和科学素养。更好满足社会应用型岗位对人才的需求。
二、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的优势
传统《数字电子技术》课程设计教学中，学生根据教师下达的设计任务要求通过理论分析、计算来设置电路参数，在纸上手工画出设计图，对电路设计的合理性、正确性以及实际运行结果只有在电路硬件制作好后才可以通电测试验证。若发现故障往往也会由于线路复杂、学校实验条件有限等原因导至排故、电路结构修改很困难。造成耗时、耗力、耗材，学生往往也会缺乏耐性，整个设计过程较枯燥难以激发学生兴趣，缺乏大胆尝试精神和创新意识。为此在设计中引入了Multisim仿真软件。Multisim开放虚拟电子实验室中提供了大量丰富的虚拟仪器仪表、元件库，不仅为模电、数电、模数混合电路、单片机电路等提供了立体化设计平台，更具有强大的仿真分析功能。学生可以做到边设计边仿真实时观察运行结果验证电路的合理、正确性。且排故和修改电路结构、增减元器件等也只需动动鼠标即可，省时、省力、省材。学生可以无所顾忌大胆尝试用不同型号元器件进行不同方案的设计。提高设计效率同时激发了学生不断探索创新的精神，设计过程充满了挑战和乐趣，从而使设计过程更加科学规范，提高了学生综合分析设计能力。
三、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的应用
《数字电子技术》课程设计教学通常按教师根据不同设计题目下达主要设计任务、学生收集资料、确定设计方案、设计绘制电路图、电路制作、调试，最后撰写设计报告等步骤进行。通常一个班级会有多个设计题目如数字钟、交通灯、抢答器等。根据设计题目的不同将学生分为不同组，整个教学中以学生自主设计学习为主，以教师给予一定的理论知识与技能辅导为辅。Multisim主要应用在课程设计教师教学辅导和学生学习两方面。
（一）Multisim应用在课程设计教师教学辅导中。主要体现集中教学辅导和按课题不同分组教学辅导。集中教学辅导中教师可以通过某个电路仿真设计案例的动态演示向学生讲解电子产品电路的常规设计方法、电路设计过程及规范绘制电路图的方法并使学生掌握对Multisim软件的使用方法等。按课题不同分组教学辅导主要针对不同课题组学生对指定课题进行小组或个别教学辅导。通过对相关电路仿真案例演示，明确设计任务要求并向学生讲解单元电路功能原理和总电路结构原理、设计思路和方法，以便为学生独立设计提供帮助与参考，使学生对要设计的电子产品有系统性的认识。分组教学环境相对开放与放松，教师可以面对面对学生进行辅导。利用Multisim讲解单元电路时，要突出电路的主要功能原理分析，不用象在课堂教学中讲得那么详细，否则容易束缚学生的思维，应给学生留有充分想象、思考和拓展的空间，使其具有举一反三的能力，教师可以提供参考性的建议。
（二）Multisim应用在学生电路设计学习过程中。主要体现学生在掌握电路原理的基础上能学习和熟练使用Multisim软件并将其应用到整个电路设计中，电路设计过程严格要求学生在仿真环境下完成对单元电路、总电路的设计与绘制，并会利用虚拟仪器进行仿真测量、排故、调试，实时验证运行结果。最后，要求学生将最终调试好的电路设计图、测量数据都要记入课程设计报告中。
（三）Multisim在数字钟电路设计中的应用举例
数字钟电路是课程设计中常用的典型题目，教师可以提供预先准备的简单数字钟电路仿真实例为参考，为学生讲解各单元电路和总电路的设计过程，使学生对电路的基本功能结构框架有初步的了解和认识。以24小时制六位数字钟电路设计为例。
1.设计任务。设计一个24小时制并显示时、分、秒的六位数字钟。可以分别对时、分进行校时且具有整点报警功能。
2.任务分析。数字钟电路主要由秒脉冲产生电路、时分秒计数电路、显示电路、校时电路和整点报警等单元电路构成。其中时计数器为24进制，分、秒计数器都为60进制，校时电路采用自动校时法。整点报警电路可采用蜂鸣器发声达到报警功能。
3.单元电路的设计与仿真
（1）1HZ秒脉冲电路的设计与仿真。秒脉冲电路主要为数字钟的秒计数电路提供频率为1HZ的时钟脉冲信号，其精确度和稳定性直接决定着数字钟的走时精度。本设计简单采用555定时器构成的多谐振荡器实现，通过计算其RC的参数使其输出1HZ脉冲。根据该振荡器的输出脉冲的周期计算公式
图1 秒脉冲产生电路
由于频率低，此款电路稳定性和精度不高，若精度要求高可以采用32768HZ石英晶体振荡器经分频电路获得秒脉冲，也可以用555定时器产生1KHZ再经分频电路获得秒脉冲。由于虚拟环境中的秒信号要比现实生活中1S信号要慢得很多，因此为调试方便以下虚拟过程中都直接用脉冲电源代替秒信号电路。
（2）时分秒计数、显示电路设计与仿真。时、分、秒计数电路各采用两片74LS160十进制计数器级联构成。时计数器采用两片74LS160级联成24进制计数器，时十位利用置数法接成三进制（0-2），当十位显示2时将个位变成四进制计数器使时个位只显示0-3。这样时计数器在分计数器提供的时钟信号触发下即可在00时-23时之间循环计数（如图2所示）。分、秒计数电路原理相同，将两片74LS160接成60进制即十位接成六进制（0-5），且采用置数法使计数器回到初始计数状态。个位为十进制（0-9），个位的进位输出端作为十位的时钟脉冲端。这样在时钟脉冲的触发下可以在00-59间循环计数（如图3所示）。
图2 24进制时计数电路
图3 60进制分、秒计数电路
显示电路设计中采用四管脚的虚拟LED七段数码管，其将七段显示译码器功能与实际的七段数码管显示功能集成在一起，直接输入四位二进制数完成数码显示。在实际设计时可以用七段译码器驱动普通七段数码管显示。
（3）时、分校时电路的设计与仿真
时、分采用相同的校时电路，本设计中采用机械开关与RS触发器构成快速自动校时电路，可以分别对时、分计数电路快速自动校时，分自动校时电路，如图4所示：
图4 分自动校时电路
本设计通过机械开关S在1HZ秒脉冲信号和秒计数电路提供的时钟触发信号间实现切换输出至分个位CP时钟脉冲端，实现快速自动较时。由于机械开关在动作瞬间往往会发生抖动使输入信号产生“毛刺”干扰信号导致电路工作出错，因此，运用基本RS触发器存储记忆功能构成“防抖动”电路，无论开关如何动作，触发器的输出端均没有抖动现象。当开关S拨向A，触发器为1态（U1输出1，U2输出0），将来自1HZ秒脉冲信号输出至分个位CP端同时，阻断来自秒计数器时钟触发信号，实现自动快速校时功能。当开关S拨向B，触发器为0态（U1输出0，U2输出1），将来自秒计数器时钟触发信号输出至分个位CP端，同时阻断来自1HZ秒脉冲信号，恢复正常运行。
（4）整点报警电路
本设计整点报警电路是通过蜂鸣器发声来实现的。当分显示00时蜂鸣器开始鸣叫且只从00分00秒开始间隔响十声后停止鸣叫，如图5：
图5 整点报警电路
图中QD、QC、QB、QA分别为计数器的输出端，当整点时蜂鸣器开始间隔发声。蜂鸣器的频率可以调整，频率设置越高声音越细亮。
4.数字钟总电路图设计仿真
数字钟总电路设计仿真电路即将上述各单元模块电路合理组合连线设计而成。可以进行整体电路的调试与仿真运行，检测各单元电路功能运行效果是否正常。仿真测试电路如图6所示。
图6 数字钟仿真电路图
单元电路讲解时，教师可以对不同进制数（24小时制或12小时制）、校时方式、整点报警方式或采用元器件型号等对每个学生提出不同的功能设计任务要求；校时电路还可以尝试手动校时；整点报警电路可以采用发光管发光等不同电路实现不同的报警方式，使学生在掌握基本功能设计原理基础上还具有对电路功能的拓展创新能力。总电路设计中教师重点讲解电路组成结构和各模块间连接方法，特别是时分秒计数电路间的级联方法，通过对总电路运行、调试演示电路的运行效果，使学生对所设计的题目有系统性的感性认识。
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