Multisim软件仿真数字电子计数器实验的综述

摘要：学生应用实验箱做数字电子技术实验，各个实验项目接线复杂，故障难查找，完成一次实验耗时耗力。文章分析了Multisim仿真软件应用特点，列举了将Multisim软件应用于数字电子技术实验教学项目中，学生们能将专业理论知识与虚拟仿真实验有效结合，提高了课程学习兴趣与专业技能水平。

关键词：Multisim;电路;实验;仿真

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）11-0045-03

数字电子技术是高职学院广播电视技术、电子信息工程技术、计算机网络技术及通信技术等理工科专业开设的必修科目。科目中涉及的电路实验应用芯片做验证和创新，验证实验接线比较复杂，容易出错，查找起来费时费力，关键是课堂上有限的时间达不到验证成功的目的。对于创新实验应用芯片搭建，更有此类同样问题。学生设计的实验因为设计线路出错或者线路接线接触不良无法达到实验预期，使得学生对创新丧失信心。

随着时代进步，科技发展，计算机设备日新月异发展与更新，虚拟电子实验也迅速发展，因此有了虚拟实验应用需求。各高校电子电路教师鼓励学生应用Multisim软件仿真电子电路实验，这不仅能够验证和巩固理论知识，而且还可以使学生跟上时代发展步伐，锻炼了学生的动手实践能力和思维创新能力，为后期学生设计电路项目打下坚实基础。

1 Multisim的特点

Multisim是美国国家仪器公司（NI） 推出的一款电子电路仿真软件[1]。在当前计算机设备上安装Multisim软件实现电路的虚拟分析、测试与仿真。所以该软件也称为“计算机里的电子实验室”，其主要特点如下：

1）  直观的图形界面。安装Multisim软件在Windows系统下运行，直观的操作界面展现在眼前，界面就像真实实验室的电路工作台，直观、快捷。

2） 具有丰富的元件及测试工具。Multisim提供了丰富的元件库，主要包括基本元件库、模拟元件库、电源库及集成电路库，可以随时调用。并且用户可以根据要求通过元件编辑器建立我的元件库。另外价格昂贵的高档测试仪，软件也自带，较为全面，比如网络分析系、频谱分析仪等这些虚拟仪器在应用实践中真实可靠。

3） 强大的电路分析功能和电路设计功能。软件提供了较为详细的电路分析方法完成简单电路及复杂电路的参数分析，比如共射放大电路静态工作点分析、瞬态分析、时域分析、频域分析及傅里叶分析。这些分析方法帮助实验的学生分析电路性能，为他们实践提高了作业效率，从而更完美实验设计电路。对于复杂一些的电路在现实的实验台模拟接线，由于线路太多，看不清线，更不用说排查故障了，费时费力。Multisim提供一种自顶而下的模块电路设计方法，只要确定系统模块，分级设计，模块级连，思路清晰，大大提高了学生实验的学习效率。

4） 超级仿真能力及软件兼容能力[2]。电路设计好，软件不但能对简单电路仿真而且对大规模复杂电路也能仿真测试，对于创建的电路还可以模块合用，完成印刷电路板的自动化设计，功能强大。另外Multisim设计的文件在Protel类似软件中也可以完美应用，对于一个复杂的系统电路，可以应用到Protel中设计出多层高性能的电路板，将理论设计电路转化为实际的电子产品，软件兼容性高。

2 数字电子计数器应用Multisim软件仿真实验可行性分析

在数字电路电子计数器实验中，主要应用芯片有74LS290、74LS48、74LS20、74LS05、七段码显示、信号源及电源[3]。对于十进制的计数器在实验台接线，此时线路不是很多，但对于有小时、分钟、秒钟这样的大型电子计数器来说完成起来非常困难。即使同学们用图纸画出电路图，模拟仿真过程中，线路总会出现故障，比如线路接线人为操作错误，线路接触不良、线路损坏、芯片接觸问题及损坏等一系列问题，更不要说验证学生们设计电路的准确性了。而且实验中问题检查与测试耗时耗力，有的学生一次课完不成实验，下次课重来，失去信心，不能充分调动学生学习的积极性，难以达到最佳教学目的。

Multisim软件有丰富的元件库，高效仿真测试功能，虚拟一个与现实相仿的环境[4]。同学们一边设计一边实验，把电子计数器看成一个电子系统，分模块分别设计，模块级联完成实验功能。设计过程中只要连线正确，不存在线路接触不良及芯片损坏等情况，克服了这两个因素对设计的影响，同时也克服实验台实验测量仪器不全的矛盾，加强了学生实践操作能力。对于模块电路入手设计，根据软件分析电路参数，再分析修改电路与元件参数，实验成功之后可以直接打印实验数据、测试参数等。为电路操作台实验过程中提供了可靠的方向指导，便于实验成功。从而学生们实验兴趣浓厚，乐于参与，主动思考电路故障原因，解决问题，从而提高实验教学质量。

3 Multisim软件在六十进制数字电子计数器实验的仿真

3.1 电子计数器工作原理及选择芯片

1） 计数器定义及分类

计数器是应用广泛的时序逻辑电路，它不仅可以用来对脉冲计数，而且还常用于数字系统的定时、延时、分频及构成节拍脉冲发生器等。按计数脉冲的引入方式可分为异步型计数器和同步型计数器两类。异步计数器是指计数脉冲没有加到所有触发器的CP端，只作用于某些触发器的CP端，当计数脉冲到来时，各个触发器的翻转时刻不同，所以分析异步计数器要特别注意各个触发器翻转所对应的有效时钟条件。同步计数器是将输入计数脉冲同时加到所有触发器的CP输入端，使得触发器在计数脉冲到来时同步翻转计数。

2） 六十进制电子计数器工作原理

大型数字电子计数器以六十进制电子计数器为基础，六十进制电子计数器若仿真成功，其他电子计数器仿真方法可以套用。六十进制电子计数器实验选用74LS290芯片，此芯片为二—五—十进制计数器，引脚如图1，芯片内部有四个触发器，第一个触发器有独立的时钟输入端CP0和输出端QA，构成二进制计数，其余三个触发器以五进制方式相连，其时钟输入为CP1，输出端为QB、QC、QD。通过设置连接可以完成：

①置9功能，当异步置9端R91和R92均为高电平时，不管其他输入端的状态如何，就可以完成置9功能。

②清零功能，当异步清零端R01和R02均为高电平时，只要置9端有一个为低电平，就可以完成清零功能。

③计数功能，当R01和R02中有一个为低电平以及R91和R92中有一个为低电平这两个条件同时满足时，即可以进行计数。

通过计数器的级联实现多进制计数，计数器的级联是将多个计数器（如M1进制、M2进制） 串接起来，以获得计数容量更大的N（N=M1*M2）进制计数器，如六十进制计数器等于十进制计数器乘以六进制计数器。一般集成计数器都设有级联用的输入端和输出端，异步计数器级联实现的方法是低位进位信号给高位的CP端，利用两片74LS290（图1） 构成六十进制加法计数器。其中个位的74LS290连成十进制方式，其QD与十位74LS290的CP0相连，十位的74LS290连成六进制形式。每当个位计数到1001，在下一个计数脉冲到来时，其QD的下降沿脉冲向十位的74LS290发出计数信号使得十位加1，当计数器计到十进制数59时，在下一个计数脉冲的下降沿到来后，个位和十位计数器均复位到0，完成六十进制计数功能，如图2。

3.2 六十进制电子计数器仿真

计算机已经安装Multisim软件，利用前期课程学习的理论知识结合Multisim软件提供的元件库，根据需求建立计数器模块图及内部原理图，以六十进制数字电子计数器为例：

1） 电路原理图设计布局。元件库栏中找到74LS290、74LS48、74LS20、74LS05、七段码显示器、频率信号源、电阻、电源、接地及开关等元件，分别设置元件参数，放置在合适的工作区，排列条理，如图3。接下来根据提前设计的图纸用鼠标找到对应元件引脚，连接对应导线。

2） 保存设计电路文件。在一定目录下，建立相关名称文件夹。理论图设计完成后找到相关目录保存，以免后期调用再利用。

3） 电路仿真

①在设计过程中，找到与实验操作台一致的元器件，便于后期实际操作，接好电路后，只需要按下“启动/停止”按钮，电路开始仿真，如图4。

②从图像显示结果看，计数显示太快，可以停止仿真，再次调整信号源参数，能清楚看到0-59计数变化。另外注意反馈清零与反馈置1的接法。

③波形图分析。从测试仪器栏中，调用示波器，通道A接频率信号源，通道B接74LS290芯片一输出引脚，如图5，观察频率信号源波形与计数结果输出是否有误[5]。注意此时要设置信号源频率至少为1000Hz，否则因为频率太低，示波器显示不能直观与计数结果对比，QD端输出如图6波形。

4 结束语

基于Multisim软件设计仿真的数字电子计数器显示结果与理论分析相符合，完成六十进制计数功能实验，学生们见到正确的仿真效果图与波形图。通过软件模拟仿真使得学生们对于设计电路的正确性坚定信心，对于电路的认知及电路系统理解更加深入，提高了学生实验作业效率与专业实践操作能力。学生在实验室之外，也可以应用Multisim软件仿真自己设计的电路为实践制作提供理论依据，为将来走上工作岗位打下良好的专业基础。

参考文献：

[1] 王廷才，陈昊.电工电子技术Multisim 10仿真实验[M].2版.北京：機械工业出版社，2011.

[2] 曾令琴，李伟.电工电子技术[M].2版.北京：人民邮电出版社，2006.

[3] 张雪平.数字电子技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4] 周红军.数字电子技术实验指导书[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[5] 李文联，李杨，吴学军.数字电子技术实验[M].西安：西安电子科技大学出版社，2017.

收稿日期：2021-11-08

基金项目：安徽省教育厅高校2019年自然科学研究重点项目（编号KJ2019A1143） 研究成果之一

作者简介：林勇（1981—） ，男，安徽广德人，实验师，硕士，研究方向为电子与通信技术。