仿真软件在设计性实验中的应用

摘　要：Multisim仿真软件以其省时高效的优越性在电路的设计中起着举足轻重的作用。本文以数字钟电路的设计为例，将Multisim 11仿真软件引入到设计中，介绍了方案的论证和仿真的步骤，仿真运行可靠稳定。通过实践证明这种将仿真应用到设计实验中的方法可充分调动学生的积极性、激发学生的学习兴趣，切实提高他们的研究能力与创新能力。

关键词：仿真软件； 设计性实验； 研究； 创新
一、Multisim 11仿真软件的介绍
  　 Multisim 11是美国国家仪器公司(National Instruments，NI)2009年12月推出的一种电子线路仿真工具，能实现对模拟、数字和模数混合电路进行仿真，近年来已逐步在电子技术界与一些高校得到应用。目前常用的Multisim 11版本具有如下几个主要特点：直观的图形界面、丰富的元器件库、丰富的虚拟仪器、完备的分析手段、强大的仿真能力。
二、 Multisim 11在数字钟实验中的应用
　　设计性实验是综合应用电子技术的有关知识设计并制作实用的电子电路。数字钟是一种采用数字电路技术实现"时"、"分"、"秒"数字显示的计时装置。与机械式时钟相比它具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，不仅作为家用电子钟为大家所喜爱，而且可用于机场、车站、码头、体育场等许多公共场所，给人们提供准确时间，这个设计性实验具有一定的实际意义。
（一）数字钟电路设计分析
　　（1）电路设计指标
　　设计一台直接显示"时"、"分"、"秒"十进制的石英数字钟；要求具有校时功能，可分别对"时"、"分"进行单独校时，并具有整点报时的功能。
　　（2）总体方案设计
　　数字钟电路有振荡器、分频器、计数器、译码显示电路、校时电路、整点报时电路六部分组成。其中，振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，直接决定计时系统的精度，通常使用石英振荡器电路构成。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路。本电路采用模块化设计、各部分电路完成相应的功能，并通过门电路使相应模块相互联系和控制，最终完成全部电路的设计，实现整个电路的全部功能，具体组成框图如图所示：
　　
　　
（二） 数字钟各单元电路的仿真分析
（1）时钟振荡电路的仿真设计
   　时钟振荡器采用32768Hz的石英晶体振荡器来实现，准确性较高。晶体振荡器电路由CMOS非门U1、石英晶体、电容和电阻组成，U2实现整形缓冲功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波，电路中输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域。在仿真时要挂一个5V的电源，否则振荡不起来。
（2）分频器电路的仿真设计
   　振荡器产生的时间标准信号的频率很高，要使它变成能用来计时的"秒"信号，需要一定级数的分频电路。本电路将振荡器产生的32768Hz信号经过15级的二分频即可得到周期为1s的"秒"信号。
（3）计数器电路和校时电路的仿真设计
     "秒"、"分"、"时"分别用两片十进制74LS90来实现六十、六十和二十四进制的计数器，计数器均采用反馈清零法来实现，即可实现各进制之间的转换。校时电路分别由两个开关K1和K2分别控制"时"和"分"的校时，断开"分"和"时"计数电路的输入脉冲，而将秒脉冲信号接入，这样就加快了"分"和"时"计数电路的计数速度，达到调时的目的。仿真测试中调用了仿真软件中1KHz信号源以加快调试速度。
（4）整点报时电路的仿真设计
　　　整点报时电路每当"分"和"秒"计数器计到59min50s时，便自动驱动音响电路，在10s内自动发出5次鸣叫声。每隔1s叫1次，每次叫声持续1s，并且前四声调低（500Hz），最后一声调高(1KHz)，此时计数器正好为整点。
（三）仿真结果分析
　　通过仿真运行，各单元电路运行正常。数字钟的外围电路还可有很多扩展，比如增加语音、音乐报时、增加温度显示等功能。学生根据仿真电路再进行实物焊接，减少了故障发生的概率，节省了时间， 提高了设计实验的效率。
三、 结语
　　从上述实例可以看出，设计与仿真实验可以同步进行，仿真电路就像在实验室实际操作一样，加上该软件具有丰富的元件库和仪器库，元器件可随便调用，参数可随意修改，边设计边实验，修改调试方便，不怕元件损坏，不怕仪器出故障，实验成本低，实验速度快，效率高，可以充分发挥学生的创造力，设计出功能丰富的各种电路。同时，仿真软件易学易用，将其引入设计性实验中，学生可以在不同时间、地点和领域进行实验，开拓学生的视野，激发学生学习兴趣，提高学生动手能力、科研能力，为他们将来的学习和工作，打下良好的基础。
参考文献:
.北京：国防工业出版社，2005.